张雨霆 黄书岭 丁秀丽 熊泽斌 陈锐

摘要：

针对缺乏现场岩石力学试验时的隧洞围岩力学参数取值问题，提出了基于多源数据分析的隧洞围岩力学取值方法。首先，提出用室内岩石力学试验成果推演岩体力学参数的使用原则，建立了岩石和岩体力学参数的初步联系；依据规范建议和现场试验统计，提出基于质量分级的岩体力学参数界限，并结合基于经验型准则的岩体力学参数估计值，形成了基于多源数据的围岩力学参数的建议取值范围；采用数值分析方法，对建议取值范围内的力学参数进行敏感性分析，获取了不同围岩力学参数取值方案条件下的塑性区深度和围岩变形的量化规律，并依据工程计算经验缩减了岩体力学参数范围；最后，进一步结合类似工程案例的现场力学试验成果，提出了围岩力学参数的取值方案。工程应用表明，该方法有效解决了缺乏现场岩体力学试验条件下的隧洞围岩力学取值问题，可为具有类似情形的隧洞支护设计和围岩稳定评价提供参考。

关 键 词：

隧洞围岩； 力学参数； 多源数据； 工程类比； 数值模拟

中图法分类号： TV91

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.030

0 引 言

岩体力学参数是隧洞工程围岩稳定评价和支护设计的基础性资料。现场岩石力学试验能够客观反映工程岩体的实际赋存条件，是最直接且应用广泛的岩体力学参数确定方法［1］。然而，实际工程中经常存在设备进出场困难和作业空间受限等客观不利条件，使现场岩石力学试验的开展面临较多困难。在缺乏现场力学试验数据时，可根据工程地质评价给出的围岩分类，参考GB/T 50218-2014《工程岩体分级标准》［2］等规范的建议取值范围确定岩体力学参数［3］，也可根据《岩石力学参数手册》［4］ 和《工程地质手册》［5］等资料，采用工程类比的思路进行取值。国际上多采用RMR和Q系统对岩体进行分级，通过基于岩体分级指标与力学参数的关系式，实现基于室内试验和现场查勘分析的岩体力学参数［6］和结构面强度［7］估计。近年来，随着数值方法和计算技术的发展，采用反演分析获得围岩力学参数的方法应用越来越多，获得的参数不仅体现了施工过程的影响，而且可以校正勘察设计阶段的力学参数取值。张强勇等［8］发展了正交试验设计效应优化位移反分析法，并应用于大岗山地下厂房洞室群围岩力学参数的动态反演；王开禾等［9］提出了GSA-BP神经网络模型，应用于围岩力学参数反演；倪绍虎等［10］提出了考虑松动圈的围岩参数场增量位移反分析方法，并应用于溪洛渡水电站地下厂房围岩参数反演。对于参考规范和参数手册的取值方法，参数取值的合理性有赖于操作者的经验判断，人为因素大；对于反馈分析方法，则需要获得实测变形数据，无法在勘察設计阶段使用。因此，如何依据室内岩石力学试验成果以及现场勘察中获得的岩性、岩体结构、地下水等地质信息，研究并提出围岩力学参数的合适取值方法，对隧洞工程的设计具有重要意义，也是在缺乏现场岩体力学试验数据时需要解决的一个关键技术难题。基于对岩体力学参数取值方法研究现状的认识，本文提出基于多数据源信息的隧洞围岩力学取值方法，并将该方法应用于拉洛水利枢纽德罗隧洞的设计中，以为隧洞工程的选线优化、支护设计方案论证和围岩稳定评价提供基本依据和技术支撑。

1 基本思路

1.1 概 述

本文提出的基于多数据源信息的隧洞围岩力学取值方法，首先针对室内岩石力学试验成果，提出用于推演岩体力学参数的使用原则，建立岩石和岩体力学参数的初步联系；然后，依据规范建议和现场试验统计，提出基于质量分级的岩体力学参数界限，并结合基于经验型准则的岩体力学参数估计值，形成基于多数据源的围岩力学参数的建议取值范围；接下来，采用数值分析方法对建议取值范围内的力学参数进行敏感性分析，获取不同围岩力学参数取值方案条件下的塑性区深度和围岩变形的量化规律，并依据工程计算经验，缩减岩体力学参数范围；最后，进一步结合类似工程案例的现场力学试验成果，提出围岩力学参数的建议取值方案。上述思路详见图1。

1.2 室内岩石力学试验数据

通过钻孔岩芯取样，利用室内岩块的单轴压缩试验，可确定岩石单轴抗压强度、弹性模量和泊松比。通过岩体的三轴压缩试验，可确定岩体的抗剪强度、黏聚力和摩擦角。通过岩体卸围压试验，可研究岩体卸荷过程中的变形和能量变化特点，确定卸载时岩体的参数，如弹模、泊松比、黏聚力、摩擦角等。然而，受到尺寸效应的影响，室内岩石力学试验获得的变形和强度参数不能与工程尺度条件下的岩体力学参数等同，两者之间存在着较大的差异。

对于硬质岩，室内试验获得的力学参数值往往要高于现场试验参数值。这是由于室内试验所采用的岩样一般完整性较好，不含显著削弱岩石强度的结构面（否则钻芯法无法获得完整试样），因此不能反映实际赋存环境条件下的岩体变形和强度特性。对于软质岩，室内试验获得的力学参数又存在低于现场试验参数的可能。这是由于钻孔取芯对围岩施加了强烈的扰动，因软岩的强度低、完整性差，在机械力扰动下，其力学性能进一步劣化，使得室内试验获得的力学参数低于原岩未扰动状态的参数。

因此，对于室内岩石力学试验成果，应当在充分认识室内和现场岩石力学试验条件的差异，以及科学分析导致这些差异原因的基础上，审慎地选用，合理地确定室内岩石力学试验成果的应用条件和使用方法。为此，本文提出室内岩石力学试验成果的4项选用原则：

（1） 岩性相近原则。岩性是构成岩体的物质基础，也是决定岩石力学参数差异的核心因素，应选用与拟研究洞段岩性相同或相近的岩石相关试验数据。

（2） 岩体结构相近原则。应在钻芯取样时，根据RQD值选用与拟研究洞段岩体完整性类似，且同时具有类似结构面特性的相关试验数据。

（3） 埋深相近原则。应选用与拟研究洞段的埋深相近区域获得的岩石相关试验数据，埋深相近首先表明了应力水平大致相当，其次也确保了具有类似的卸荷风化程度。

（4） 岩石和岩体力学参数的差异性原则。即便满足了相近的岩性、岩体结构和埋深条件，室内获得的岩石力学参数与表征现场围岩特性的岩体力学参数仍存在差异，需要根据实际情况确定岩石和岩体力学参数的相互关系。对于钻芯取样获得的完整性较好的岩样，其室内岩石力学参数试验值一般高于岩体力学参数，可作为岩体力学参数取值的上限值；对于钻芯取样获得的已被显著扰动的岩样，其室内岩石力学参数试验值一般低于岩体力学参数，可作为岩体力学参数取值的下限值。

1.3 规范建议值和现场力学试验统计数据

多个国家标准和规范依据岩体质量级别对力学参数给出了建议取值区间（见表1），对于V类围岩，GB/T 50218和GB 50086-2015仅给出了力学参数取值的上限，未给出下限。进一步搜集行业规范的力学参数取值建议，见表2～3，可知公路和铁路针对隧道围岩也建议了力学参数取值范围。

此外，张宜虎等［15-16］利用现场岩体力学试验数据和相关资料，提出基于岩体质量分级的变形模量和强度参数统计值（见表4）。

以力学参数取值难度相对更大的Ⅳ类和Ⅴ类围岩为例绘制柱状图，分析不同规范对岩体力学参数建议取值区间的差异（见图2）。可知，不同规范的力学参数建议取值区间总体接近，基于现场力学试验的力学参数建议值也与规范大体相当。均可作为提出相应岩体分级力学参数取值区间的参考依据。

实际实施时，可根据岩性条件确定mi参数范围，根据现场查勘得到的岩体结构特征，确定GSI范围，再根据隧洞的爆破影响程度，取得D值，從而代入式（1）～（6），获得岩体力学参数估算值。

1.5 参数建议取值范围确定及其敏感性分析

综合室内岩石力学试验数据、规范建议、现场试验统计和经验型准则的岩体力学参数估计，可形成基于多数据源的围岩力学参数建议取值范围。根据该参数范围，可设置多套岩体力学参数取值方案，再采用数值计算方法分析研究对象工程表征围岩稳定的指标在不同力学参数取值方案下的量化规律，进而依据工程计算经验，实现对岩体力学参数计算结果的敏感性识别，从而缩减力学参数取值范围。

1.6 工程案例类比确定

工程案例类比是在缺乏试验条件和试验数据时所能采取的岩体力学参数取值主要手段。该方法的主要缺点在于难以获得数量充分且具备相当类似条件的工程资料。然而，通过前述工作，可获得基于多数据源且经敏感性分析实现缩减的岩体力学参数取值范围。此时，即可根据为数不多的类似工程案例，提出围岩力学参数的最终建议取值方案。

2 工程案例应用

2.1 工程条件和应用背景

拉洛水利枢纽德罗引水隧洞为无压洞，其基岩为：侏罗系下统日当组（J1r），以黑色页岩、灰色钙质页岩为主，局部含灰色细砂岩、硅质、泥质条带、燧石结核和灰岩团块，主要分布在出洞口一带；侏罗系中-上统遮拉组（J2-3Z），主要为深灰色、灰色砂岩与页岩互层，局部夹玄武岩及安山岩，含硅质结核和泥质、炭质结核等，是隧洞所经过的主要地层。

折线隧洞方案洞段的最大埋深为213 m，计算最大水平地应力为9.1 MPa，最大水平主应力方向与洞轴线夹角约56°。Ⅳ1类围岩洞段长2 292 m，占30.41%，Ⅳ2类围岩洞段长3 655 m，占48.50%，Ⅴ类围岩洞段长1 589.16 m，占21.09%。

2.2 主要工程问题和解决方法

受前期勘测条件等多方面原因所限，在德罗隧洞工程区域仅进行了钻孔取芯及相应的室内岩石力学试验工作，未在隧洞工程现场开展原位力学试验，这使得围岩力学参数取值缺少来自现场的直接依据。为解决隧洞围岩稳定评价和支护设计方案论证的问题，依据前述提出的方法，开展隧洞围岩力学参数的推演与取值研究，为德罗隧洞的支护设计和围岩稳定评价提供依据。

2.3 基于多数据源的力学参数取值过程

2.3.1 室内岩石力学试验成果分析与参数选用

根据室内岩石力学实验成果，在页岩J2Z地层中，共有取样点DL09、DL6和ZKK20。表5给出了室内岩石力学性质实验成果的基本指标。可以看出，钻孔岩样的取样深度越大，测得单轴抗压强度和变形模量在总体上表现出增加趋势。

根据室内岩石力学试验的参数选用原则，以岩性和埋深相近为依据，选取DL09钻孔取样埋深最接近隧洞埋深的120 m区间，进一步分析相关的强度参数试验成果。表6为DL09钻孔在120.4～123.3 m取样深度的室内岩石三轴试验成果。从室内试验的岩样来看，其完整性较好，因此室内试验获得的力学参数值可作为岩体力学参数的上限取值，即：把室内岩石力学试验获得的变形模量4.34 GPa、黏聚力1.40 MPa和内摩擦角51°（内摩擦系数1.24）作为岩体力学参数的上限取值。

2.3.2 基于规范和试验统计的力学参数取值

根据工程地质资料，对于侏罗系中-上统遮拉组（J2-3Z），弱风化带为Ⅴ类围岩，微新地层为Ⅳ1和Ⅳ2类围岩，因室内力学试验岩样均取自弱风化地层，故此处考虑Ⅴ类围岩的力学参数取值问题。

根据表1～4，综合相关规范建议取值范围和已有现场力学试验统计数据，对V类围岩的力学参数取值范围考虑为：变形模量0.2～2 GPa，黏聚力0.05～0.30 MPa，内摩擦系数0.36～0.55。

2.3.3 基于Hoek-Brown准则的力学参数估算

根据文献［17-18］，页岩的mi参数可取为4～8；根据埋深相近原则，取岩石的单轴抗压强度为15.1 MPa；根据地质资料和钻孔信息，取GSI值为50；对于钻爆法开挖隧洞，取D为0.5。将上述指标代入式（1）～（6），可得到岩体力学参数取值范围的估算值：变形模量2.91 GPa，黏聚力0.34～0.43 MPa，内摩擦系数0.40～0.52。

2.3.4 形成基于多源数据的围岩力学参数取值

将前述对岩体力学参数建议值和估算值列入表7。由表7可见，不同方法给出的变形模量参数取值范围基本接近，但室内岩石力学试验获得的黏聚力和内摩擦系数取值显著高于其他方法获得的力学参数取值。根据岩体力学参数取值范围，制定5组用于数值分析的力学参数取值方案，见表8。其中，变形模量由不同方法估算结果的均值取整确定。

2.4 基于数值计算的参数取值敏感性分析

图3给出了不同围岩力学参数取值条件下的洞周塑性区深度对比柱状图。可以看出，在围岩力学参数取值方案A条件下，洞周围岩的塑性区深度达4.7～8.8 m，显著大于隧洞尺寸和锚杆支护长度，围岩稳定性很差。不同围岩力学参数取值方案条件下，随着黏聚力和内摩擦角参数的逐渐提高，围岩塑性区深度逐渐减小。各种围岩力学参数取值方案条件下，均是底板的塑性区深度最大，边墙部位的塑性区深度次之，顶拱部位的塑性区深度最小。

图4给出了不同围岩力学参数取值条件下的洞周围岩变形对比柱状图。可以看出，在围岩力学参数取值方案A条件下，洞周围岩变形量值很大，拱顶部位围岩变形为30.1 mm，边墙中部围岩变形为62.7 mm，底板中部围岩变形为96.1 mm。不同围岩力学参数取值方案条件下，随着黏聚力和内摩擦角参数的逐渐提高，围岩变形量值逐渐减小。总体而言，顶拱部位的围岩变形量值相对较小，边墙和底板部位的围岩变形量值相对较大。

不同围岩力学参数取值方案的计算结果对比表明，当变形参数（变模和泊松比）相同时，强度参数（黏聚力和内摩擦角）对围岩稳定性具有显著影响。具体而言：

（1） 在取值方案A、B条件下，围岩塑性区和变形均显著大于其他取值方案，且从取值方案B到A，塑性区和围岩变形均有显著增长。这表明此区间内的力学参数敏感性强，对围岩稳定性的影响程度显著，因此这是需要重点关注的参数取值区间。

（2） 在取值方案C、D、E条件下，围岩塑性区和变形均较小，围岩稳定性差异不大，这表明此区间内的力学参数敏感性不强，则可将取值方案C作為这3个方案的代表方案，即舍去参数取值相对较高的D、E方案。这种处理的实质，是在不显著改变围岩稳定评价结论的前提下，除去力学取值范围内的中高值参数，实现围岩力学参数取值范围的缩减，从而使力学参数取值分析在更小的区间内进行，以提高取值效率。

2.5 类似工程案例分析

根据德罗隧洞的岩性特征和岩体结构条件，搜集开展了现场岩体力学试验的类似工程案例（见表9）。由表可知，页岩的岩体力学参数与加载方向和地层风化程度等因素均相关。相比于表8，用于力学参数敏感性分析的取值方案A和B更加接近类似工程案例的现场岩体力学试验参数值。

由此，提出该工程隧洞围岩的力学参数取值范围：变形模量3 GPa，黏聚力0.3～0.5 MPa，内摩擦系数0.5～0.7，由此即完成隧洞围岩力学参数的取值。

3 结 论

本文针对缺乏现场岩石力学试验导致的围岩力学参数取值困难的问题，提出了基于多源信息的隧洞围岩力学参数取值方法，主要结论为：

（1） 基于对室内岩石力学试验数据的基本认识，提出了室内试验成果的选用原则，建立岩石和岩体力学参数的初步联系，并依据规范建议和现场试验统计，提出基于质量分级的岩体力学参数界限，并结合基于经验型准则的岩体力学参数估计值，形成基于多源数据的围岩力学参数建议取值范围。

（2） 采用数值分析方法，对岩体力学参数取值进行敏感性分析，获取了不同围岩力学参数取值条件下的隧洞塑性区深度和围岩变形的量化规律，并在不显著改变围岩稳定评价结论的前提下，缩减了围岩力学参数的取值范围，提高了参数取值的效率。最后依据类似工程案例的现场岩体力学试验成果，提出围岩力学参数的建议取值方案。

（3） 工程案例应用表明，该方法有效解决了缺乏现场岩体力学参数时的隧洞围岩力学取值问题。目前，该隧洞已完成开挖，施工过程中围岩稳定得到有效控制，基于本文方法获得的围岩力学参数对隧洞支护设计起到了较好的理论支撑作用。

参考文献：

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（编辑：郑 毅）

Abstract：

In order to determine mechanical parameters of tunnel surrounding rock in the absence of field rock mechanics test，a mechanical parameters selection method for tunnel surrounding rock based on multiple data source analysis was proposed.Firstly，a principle of using the results of indoor rock mechanics test to deduce the mechanical parameters of rock mass was put forward，and a preliminary relationship between rock and mechanical parameters of rock mass was established.Then according to the code recommendations and field test statistics，a set of limits of rock mass mechanical parameters based on quality classification was proposed.Combined with the estimated values of rock mass mechanical parameters based on empirical criteria，the suggested value ranges of surrounding rock mechanical parameters were given based on multiple data source analysis.A sensitivity analysis for the mechanical parameters in the suggested range was carried out by using the numerical analysis method，and the quantitative laws of the plastic zone depth and the surrounding rock deformation were obtained under the conditions of different surrounding rock mechanical parameter values.According to the engineering calculation experiences，the range of rock mass mechanical parameters was simplified.Finally，combined with the field mechanical test results of similar engineering cases，the suggested value scheme of mechanical parameters of surrounding rock was put forward.Engineering applications show this method can effectively determine tunnel surrounding rock mechanics values in lack of field rock mechanics test，and can provide a reference for tunnel support design and surrounding rock stability evaluation in similar situations.

Key words：

tunnel surrounding rock；mechanical parameters；multi-source data；engineering analogy；numerical simulation