浅谈山岭隧道围岩等级与初期支护参数之间的关系
摘要：随着现代化公路建设的高速发展，越来越多的公路隧道得以修建，以“少扰动，早喷锚，勤量测，紧封闭”为基本原则的新奥法施工技术在地下工程中的应用也越来越广泛，按照新奥法施工的指导思想，不同等级的围岩在初期支护的设计与施工中都有着不同的工艺与措施，本文通过山岭隧道不同等级围岩对应不同初期支护的各项支护参数，简单阐述了二者之间的关系。 关键词：山岭隧道 围岩等级 初期支护 参数 围岩的分级与自稳能力 1、1围岩的分级
根据《公路隧道设计规范》（jtdg70-2004），我国根据岩石的坚硬程度和岩体的完整程度两个基本因素的定性特征和定量的岩体基本质量指标值bq综合进行初步分级；对围岩进行详细定级时，应在岩体基本质量分级基础上考虑修正因素的影响，修正岩体基本质量指标值，按修正后的岩体基本质量指标值[bq]，结合岩体的定性特征综合评判，确定围岩的详细分级。 表1公路隧道围岩分级
围岩级别 围岩或土体主要定性特征 围岩基本质量指标bq或修正的围岩基本质量指标[bq]
ⅰ 坚硬岩，岩体完整，巨整体状或巨后层状结构 ＞550 ⅱ 坚硬岩，岩体完整，块状或后层状结构 较坚硬岩，岩石完整，块状整体结构 550~451
ⅲ 坚硬岩，岩体较破碎，巨块（石）碎（石）状镶嵌结构 较坚硬岩或较软硬岩层，岩体较完整，块状体或中厚层结构 450~351
ⅳ 坚硬岩，岩体破碎，破碎结构
较坚硬岩，岩体较破碎~破碎，镶嵌碎裂结构
较软岩或较硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整~较破碎，中薄层状结构 350~251
ⅳ 土体：1 压密或成岩作用的粘性土及砂性土 2 黄土（q1、q2）
3 一般钙质、铁质胶结的碎石土、卵石土、大块土 ⅴ 较软岩，岩体破碎 软岩，岩体较破碎~破碎
极破碎各类岩体，碎、裂状，松散结构 ≤250
ⅴ 一般第四系的半干硬至硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的碎石土，卵石土、圆砾、角砾及黄土（q3、q4） 非粘性土呈松散结构，粘性土及黄土呈松软结构 ⅵ 软塑状粘土及潮湿、饱和粉细砂层、软土等
注：本表不适合用于特殊条件的围岩分级，如膨胀性围岩、多年冻土等。
1、2围岩自稳能力
根据新奥法施工的指导思想，围岩是有自稳能力的，之所以垮塌是因为围岩的自稳能力不够，因此在施工过程中就要想法设法帮
助围岩提高自稳能力，达到自稳的目的。
根据相关研究分析表明，影响围岩自稳能力的原因主要有四大类：1、围岩的岩石性质和岩体结构通过围岩的强度来影响围岩的稳定性，是影响围岩稳定性的基本因素；2、岩体的天然应力状态，即是岩体的自重应力、构造应力、变异及残余应力在某一个具体地区以特定方式作用的结果；3、褶曲和断裂破坏了岩层的完整性降低了岩体的力学强度，一般说来，岩体经受的构造变动的次数愈多，愈强烈，岩层的节理裂隙就愈发育，岩体的稳定性也就愈差。因此地质构造也是也是影响围岩自稳能力的原因之一；4、围岩中地下水状态一般可以分三级，即干燥、有渗水、潮湿，地下水对岩石有溶解作用和软化作用，因此围岩岩体中地下水赋存条件与活动状况，既影响围岩的应力状态又影响围岩的强度，进而影响隧道围岩的稳定性。
正是由于以上影响围岩自稳性的种种原因，先进的新奥法隧道施工确立了四大基本原则：1、少扰动——在进行隧道开挖时，尽量地减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动持续时间；2、早喷锚——开挖后及时施作初期锚喷支护，使围岩的变形进入受控制状态；3、勤量测——以直观、可靠的测量方法和测量数据来准确评价围岩（围岩加支护）的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以便及时调整支护形式和开挖方法；4、紧封闭——一方面采取喷射混凝土等防护措施，另一方面更为重要的是适时对围岩施作封闭支护，从而阻止围岩的变形，使支护和围岩都进入良好的状态。
表2隧道各级围岩自稳能力判断 围岩级别 自稳能力
ⅰ 跨度20m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方
ⅱ 跨度10~20m，可基本稳定，局部可发生掉块或小塌方 跨度10m，可长期稳定，偶有掉块
ⅲ 跨度10~20m，可稳定数日~1个月，可发生小~中塌方 跨度5~10m，可稳定数月，可发生局部块体位移及小~中塌方 跨度5m，可基本稳定
ⅳ 跨度5m，一般无自稳能力，数日~数月内可发生松动变形、小塌方，进而发展为中~大塌方
埋深小时，以拱部松动破坏为主，埋深大时，有明显塑性流动变形和挤压破坏
跨度小于5m，可稳定数日~1个月
ⅴ 无稳定能力，跨度5m或更小时，可稳定数日 ⅵ 无稳定能力
注：①小塌方：塌方高度＜3m，或塌方体积＜30m³。 ②中塌方：塌方高度3~6m，或塌方体积30~100m³。 ③大塌方：塌方高度＞3m，或塌方体积＞100m³。 初期支护参数与围岩等级的关系 2、1山岭隧道初期支护参数 表3两车道隧道初期支护的设计参数 围岩级别 初期支护
喷射混凝土厚度/cm 锚杆 钢筋网 钢架 拱部、边墙 仰拱 位置 长度/m 间距/m ⅰ 5.0 局部 2.0 ⅱ 5~8 局部 2~2.5
ⅲ 8~12 拱、墙 2~3 1~1.5 局部@25×25
ⅳ 12~15 拱、墙 2.5~3 1~1.2 拱、墙@25×25 拱、墙 ⅴ 15~25 拱、墙 3~4 0.8~1.2 拱、墙@20×20 拱、墙、仰拱
ⅵ 通过实验、计算确定
注：有地下水时，可取大值；无地下水时，可取小值。宜选格栅钢架。
表4三车道隧道初期支护的设计参数 围岩级别 初期支护
喷射混凝土厚度/cm 锚杆 钢筋网 钢架 拱部、边墙 仰拱 位置 长度/m 间距/m ⅰ 8 局部 2.5 ⅱ 8~10 局部 2.5~3.5
ⅲ 10~15 拱、墙 3~3.5 1~1.5 局部@25×25
ⅳ 15~20 拱、墙 3~4 0.8~1 拱、墙@25×25 拱、墙 ⅴ 20~30 拱、墙 3.5~5 0.5~1 拱、墙@20×20 拱、墙、仰拱
ⅵ 通过实验、计算确定
注：有地下水时，可取大值；无地下水时，可取小值。宜选格栅钢架。
2、2围岩等级与初期支护参数的关系 2.2.1ⅰ、ⅱ级围岩与初期支护参数的关系
由于ⅰ、ⅱ级围岩是由坚硬岩或较坚硬岩组成，岩体为巨厚层状结构或块状整体结构，因此，ⅰ、ⅱ级围岩的应力为均匀的径向分布，设计参数中隧道截面的几何形状为圆形时较为合理，并选择合理的隧道跨度。当隧道跨度为20m时，ⅰ级围岩的自稳能力较好，开挖的隧道在无支护的前提下能够保持长期的稳定；隧道跨度为10~20m时，ⅰ级围岩的自稳能力较好，开挖的隧道在无支护的条件下可长期稳定。ⅱ级围岩的自稳能力较ⅰ级围岩差，开挖的隧道可以基本稳定，当隧道的跨度为10m时，ⅱ级围岩开挖的隧道在无支护的条件下可长期稳定。故而ⅰ、ⅱ级围岩的喷射混凝土厚度（以两车道隧道初期支护参数为例，以后数据均以两车道隧道初期支护参数举例）分别为5cm和5~8cm，锚杆也只是在拱部锁脚处等进行局部安设，长度分别为2m和2~2.5m。当隧道的内轮廓线开挖后及时安设锚杆和喷射第一层混凝土进行初期支护，并辅助以监控量测，一般初期支护就足以维持ⅰ、ⅱ级围岩基本稳定。因为围岩坚硬，自稳性好，所以ⅰ、ⅱ级围岩在初期支护中无需设置钢架网片和格栅钢架等型钢钢架，可以节约材料从而降低工程造价。
2.2.2ⅲ级围岩与初期支护参数的关系
ⅲ级围岩是由坚硬岩、较坚硬岩或较软硬岩层组成，岩体结构较破碎或者岩体较完整，块状、中厚层状。因此ⅲ级围岩的水平围岩压力很小而以垂直围岩压力为主。设计参数中宜采用直墙式衬砌结构，其拱部可以采用割圆拱、坦三心圆拱或尖三心圆拱。当隧道跨度在10~20m时，ⅲ级围岩可基本稳定数日~1个月；当隧道跨度在5~10m时，可稳定数月；跨度在5m时，可基本稳定。因此ⅲ级围岩的喷射混凝土厚度为8~12cm，锚杆是在拱、墙位置打入系统锚杆，长度为2~3m，间距为1~1.5m，局部节理裂隙比较发育的岩面上还可以挂设@25×25的钢筋网片。ⅲ级围岩的初支完成后，应及时进行监控量测，并在围岩变形达到稳定后及时施作二次衬砌，以维持隧道围岩的长期稳定。ⅲ级围岩中几乎也可以不用设置钢架支撑，降低成本。
2.2.3ⅳ级围岩与初期支护参数的关系
ⅳ级围岩是由岩体结构较破碎或者中薄层状态的坚硬岩、较坚硬岩较软岩或者压密、成岩作用的粘性土及砂性土、黄土（q1、q2）、一般钙质、铁质胶结的碎石土、卵石土、大块石土组成。所以ⅳ级围岩的设计参数比较灵活，宜采用动态设计，即是根据适时监控量测所得出的准确数据来及时调整开挖方法和初期支护参数，在施工实践中不断完善设计理论。ⅳ级围岩的隧道施工中，因为围岩自稳能力有限，一般还需辅助超前锚杆临时支护进行配合，衬砌宜采用曲墙式衬砌来抵抗较大的水平压力。隧道的跨度在5m时，一般无自稳能力。因此ⅳ级围岩的喷射混凝土厚度为12~15cm，锚杆是在
拱、墙位置打入系统锚杆，长度为2.5~3m，间距为1~1.2m，拱、墙处挂设@25×25的钢筋网片，拱墙处设置钢架支撑，宜选用格栅钢架，从而完成ⅳ级围岩的的初期支护。 2.2.4ⅴ级围岩与初期支护参数的关系
ⅴ级围岩是由岩体结构破碎、松散状的较软岩、软岩、极破碎岩或者一般第四系的半干硬性至硬塑的粘土及稍湿至潮湿的碎石土、卵石土、砾土等松散结构组成，无自稳能力。因此ⅴ级围岩的设计参数也应该适时根据监控量测的数据及时进行调整和改变。当隧道跨度小于5m时，有较短期的稳定性，所以在ⅴ级围岩的隧道开挖过程中，及时对开挖完的隧道轮廓线进行初期支护显得尤为重要，当然，在开挖前辅助以超前锚杆临时支护也是必不可少的，且在开挖过程中宜采用三台阶临时仰拱法等保险系数较高的开挖方法从而以策万全。因此ⅴ级围岩的喷射混凝土厚度为15~25cm，锚杆是在拱、墙位置打入系统锚杆，长度为3~4m，间距为0.8~1.2m，拱、墙处挂设@20×20的钢筋网片，拱墙及仰拱处设置钢架支撑，从而使钢架支撑封闭成环以更好地抵抗ⅴ级围岩巨大的变形量对初支系统产生的应力，钢架支撑宜选用格栅钢架，从而形成ⅴ级围岩的的初期支护。
2.2.5ⅵ级围岩与初期支护参数的关系
ⅵ级围岩是由软塑状粘土及潮湿、饱和粉细砂层、软土等组成的，无自稳能力。因此ⅵ级围岩的隧道开挖宜采用双侧壁导坑法施工。其初期支护主要包括钢支撑、钢筋挂网、系统锚杆、适当厚度
的喷射混凝土等几项，钢支撑宜采用工字钢或钢格栅。 结束语
由于隧道围岩等级的不同，隧道初期支护的各项参数也有相应的变化，很明显的就是围岩越差，相应投入的材料也越多，施工方法和施工工艺也越复杂。但是不管怎样，根据监控量测数据，以动态的初支参数对应着动态的围岩等级变化，最终都是要发挥围岩的自承能力，这就是新奥法隧道施工的核心内容。 参考文献：
《公路隧道设计规范》（jtdg70-2004）
《工程地质分析原理》[m]张倬元 北京 地质出版社 1981 《公路隧道施工技术规范》（jtgf60-2009)
《隧道工程》 覃仁辉、王成、杨其新 重庆大学出版社 2002 注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。
