吳帥彬

(中國長江三峽集團有限公司上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434)

隨著社會的發(fā)展，國內(nèi)外水利水電、交通等基礎設施工程越來越多，而這些工程項目不可避免的會涉及地下工程。地下洞室的圍巖情況是地下工程選址、工程造價、設計、施工開挖的重要依據(jù)，而合理完善的圍巖分類方法又是工程人員評判圍巖類別的衡量標準。

國內(nèi)外地下洞室圍巖的分類方法有很多[1]，目前水利水電行業(yè)常用方法主要為水電圍巖分類法、BQ分類法、RMR分類法及Q系統(tǒng)分類法。各個理論進行圍巖分類時所考慮的主要因素各有差異[2]，實際運用中需要根據(jù)工程具體情況，選用最合適的分類方法。

Q系統(tǒng)分類法作為一種將圍巖分類與支護類型緊密結合的地下工程圍巖分類方法被廣大工程技術人員普遍認可，尤其是在國際工程中得到廣泛應用。Q系統(tǒng)分類法的不足之處在于：①未直接考慮巖石強度；②未考慮各組結構面相互之間的不利組合且也未考慮主要結構面產(chǎn)狀與隧洞軸線走向之間的關系對圍巖分類的影響；③未考慮高外水壓力對圍巖分類的影響；④不適用于裂隙不發(fā)育的軟巖[3]。

工程技術人員在理解和運用Q系統(tǒng)時存在一定的差異，取值也存在一定的主觀性，這對準確評價巖體Q值存在很大的影響。本文結合工程實例詳細闡述Q系統(tǒng)中各個參數(shù)的取值方法，總結圍巖Q值與具體圍巖類別的對應關系，并利用圍巖Q值綜合分析得出圍巖巖體相應的力學參數(shù)，從而更好地服務于地下工程的支護設計。

1 工程概況

尼泊爾某水電站是一座徑流式電站，除首部樞紐、隧洞進水口及交通配套設施外，其余均為地下工程。該項目具有隧洞多、隧洞長、洞室跨度大、地下洞室群復雜等特點。

首部地下沉砂池區(qū)域地層巖性為片麻巖，厚層～巨厚層狀結構為主，片麻狀構造，裂隙不發(fā)育，風化狀態(tài)以微風化～新鮮為主。廠房區(qū)域地層巖性為石英巖夾薄層片巖，互層狀結構為主，部分呈薄層狀，裂隙發(fā)育，風化狀態(tài)以弱風化～微風化為主。引水隧洞穿越的地層巖性主要是片麻巖、石英巖、片巖。其中引水隧洞上游部分為片麻巖，下游部分及尾水隧洞為石英巖夾薄層片巖，部分引水隧洞段以片巖為主。

微風化的片麻巖與石英巖飽和單軸抗壓強度均大于80 MPa，屬于堅硬巖，微風化片巖的飽和單軸抗壓強度一般為28～40 MPa，處于較軟巖和較硬巖界線處。

通過水壓致裂法測得工程區(qū)主應力大小分別為10.47、9.01 MPa和6.34 MPa。最大主應力方向為水平向，工程區(qū)最大主應力方向變化不大，分布在N10°E與N18°E之間，這是由于巖石的各向異性所導致。

2 Q系統(tǒng)簡介

Q系統(tǒng)是N.Barton等人通過大量的實例分析于1974年創(chuàng)立，可用于評判地下工程的圍巖情況，也可用于野外地質(zhì)編錄。Q值通過圍巖巖體的6個參數(shù)計算得出，計算公式如下

式中：RQD為巖石質(zhì)量指標；Jn為節(jié)理組數(shù)；Jr為節(jié)理粗糙度系數(shù)；Ja為節(jié)理風化蝕變系數(shù)；Jw為裂隙水折減系數(shù)；SRF為應力折減系數(shù)；第一項比值代表了巖體的完整程度；第二項比值代表了嵌合巖塊的抗剪強度；第三項比值反映圍巖的主動應力。

Q值的范圍為0.001～1000，共分為9個質(zhì)量等級，見表1。

表1 Q系統(tǒng)圍巖分類等級表

Q系統(tǒng)是將支護類型與圍巖Q值緊密結合的一種分類方法。Q系統(tǒng)中的支護建議圖[4]是基于Q值和開挖支護比繪制的。圖中清晰的描繪出具體Q值在不同開挖支護比下的建議支護類型，設計人員可根據(jù)支護建議圖參考采用。

3 Q系統(tǒng)中各參數(shù)的取值依據(jù)

工程技術人員在實際工作中對Q系統(tǒng)中各參數(shù)的取值會存在差異，具有一定程度的主觀性。本文結合具體工程詳細闡述Q系統(tǒng)中各參數(shù)的含義和取值依據(jù)。

3.1 巖石質(zhì)量指標RQD的確定

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-2001)(2009年版)可知，RQD的含義為用直徑為75 mm的金剛石鉆頭和雙層巖芯管在巖石中鉆進，連續(xù)取芯，回次鉆進所取巖芯中，長度大于10 cm的巖芯段長度之和與該回次進尺的比值，以百分數(shù)表示[5]。

水利水電工程引水隧洞區(qū)域地質(zhì)勘察以地質(zhì)測繪為主，勘探孔數(shù)量較少，且RQD與巖體的巖性、構造、裂隙、地下水的發(fā)育程度有關，勘探孔中量測的RQD很難以點帶面，確定隧洞中巖體的RQD值時可參考前期勘察資料。

現(xiàn)場一般采用《工程巖體分級標準》(GB/T 50218-2014)中體積節(jié)理數(shù)JV來反推RQD值。JV與RQD之間的近似關系見式：RQD=115-3.3JV。當計算出的RQD大于100時取100。

在現(xiàn)場一般采用以下方式獲取體積節(jié)理數(shù)：①在洞壁上選取大于10 m2的區(qū)域進行節(jié)理統(tǒng)計，換算成單位面積節(jié)理數(shù)后再乘以1.3～1.5的系數(shù)換算成單位體積節(jié)理數(shù)JV；②在擬打分區(qū)域進行節(jié)理裂隙統(tǒng)計，將各組裂隙平均間距的倒數(shù)相加也可近似得出單位體積節(jié)理數(shù)JV；③亦可將現(xiàn)場編錄的節(jié)理裂隙輸入計算軟件中，也可得到單位體積節(jié)理數(shù)JV。

值得注意的是在現(xiàn)場量測過程中需要選取代表性的區(qū)域進行量測，或選取多個代表性區(qū)域量測后統(tǒng)計平均值，從而得到該段巖體的RQD指標。

根據(jù)Q系統(tǒng)規(guī)定，當RQD值小于10時，取10；RQD取值間距為5即可滿足精度要求。

本工程量測RQD時主要采用上述第二種方法，通過大量的地質(zhì)編錄成果，現(xiàn)將本工程巖體的RQD取值情況總結如下：根據(jù)裂隙的發(fā)育程度，微風化～新鮮片麻巖中RQD一般取85～100，微風化石英巖中RQD一般取60～80，當石英巖層厚度較薄，裂隙發(fā)育時RQD一般取25～40，微風化片巖中RQD一般取45～70。

3.2 節(jié)理組數(shù)Jn的確定

節(jié)理組數(shù)顧名思義就是巖體中成組裂隙的個數(shù)。在現(xiàn)場統(tǒng)計節(jié)理組數(shù)時不應統(tǒng)計過長洞段的節(jié)理組數(shù)，這樣會導致組數(shù)偏大。如果某節(jié)理僅在局部成組發(fā)育，應視為隨機節(jié)理；如果某組節(jié)理較發(fā)育或不發(fā)育，但對圍巖的穩(wěn)定性起關鍵作用，應視為一組節(jié)理。

根據(jù)塊體理論，若節(jié)理的間距很大或節(jié)理的延伸長度較小時均不會對圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。當節(jié)理的間距大于隧洞的跨度或高度時，即使該裂隙普遍分布，也應認為是隨機節(jié)理。裂隙的長度并不直接影響巖體的Q值，但對圍巖的穩(wěn)定性影響較大。地下洞室中貫穿性的裂隙比發(fā)育較短的裂隙重要。如果裂隙延伸較短，不會形成關鍵性塊體，將認為是隨機節(jié)理，若由于該裂隙的切割會形成不穩(wěn)定塊體，則認為是成組節(jié)理。

根據(jù)Q系統(tǒng)理論規(guī)定，隧洞交叉口處節(jié)理組數(shù)應取3倍的節(jié)理組數(shù)，隧洞入口處節(jié)理組數(shù)應取2倍的節(jié)理組數(shù)。即在隧洞交叉口及隧洞入口處節(jié)理組數(shù)要做放大處理。一般情況下放大后Jn最大取值為15，因為Jn=20為似土狀的破碎巖體的取值，顯然隧洞交叉口及入口處巖體一般達不到這種破碎程度。

3.3 節(jié)理粗糙度系數(shù)Jr的確定

節(jié)理粗糙度系數(shù)Jr的取值與裂隙的平滑程度、裂隙間的充填物等相關。在計算Q值時，Jr的取值并不是各組節(jié)理粗糙度系數(shù)的平均值，而應選取對巖體穩(wěn)定性起關鍵作用的節(jié)理粗糙度系數(shù)。

在分析裂隙的平滑程度時，需整體考慮，而不應只是局部的現(xiàn)象。對某組裂隙應先觀察裂隙面的狀態(tài)，再分析是粗糙，平滑還是光滑。裂隙間的充填物是必須要考慮的一個因素。如果裂隙壁間充填物是由軟弱的礦物或是碎裂巖組成，在這種情況下，裂隙的粗糙程度將不起作用，Jr值直接取1。如果充填物非常薄，在錯動10 cm前節(jié)理壁直接接觸，這種情況下Jr的取值可以不考慮充填物的存在。

需要注意的是在軟巖中，當巖體的變形不受裂隙面控制，而受巖石本身的抗剪強度控制。在這種情況下，Jr的取值還需要做進一步的研究工作。

3.4 節(jié)理風化蝕變系數(shù)Ja的確定

節(jié)理風化蝕變系數(shù)Ja的取值與裂隙間充填物的性狀有關。同理在計算Q值時，應選取對巖體穩(wěn)定性起關鍵作用節(jié)理的風化蝕變系數(shù)。

節(jié)理風化蝕變系數(shù)的取值Q系統(tǒng)表中列舉的情況很多，本工程在Ja取值時主要考慮節(jié)理面的風化程度及節(jié)理間的充填情況，結合本工程總結出經(jīng)驗，在一般情況下，新鮮巖體中Ja取0.75，微風化巖體中Ja取1.0，弱風化巖體中Ja取2.0，強風化巖體中Ja取3.0。

3.5 裂隙水折減系數(shù)Jw的確定

裂隙水折減系數(shù)是由裂隙水的流量及水壓決定的。一般情況下隧洞處于干燥或有少量流水，Jw取1.0，若水量大于5 L/min，Jw取0.66。

由于基巖裂隙水的特殊性，基巖裂隙水水量的大小與補給源相關。若沒有補給源，開挖一段時間后，隧洞中水量將明顯減少。而一般情況下基巖裂隙水是由地表水入滲補給，雨季和旱季地表水的入滲量有很大區(qū)別。裂隙水折減系數(shù)的取值需根據(jù)實際情況進行調(diào)整。

因為本工程中不同圍巖類別的支護斷面不一致，尤其是Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖。若隧洞編錄中圍巖類別頻繁變化，不僅施工開挖難度大，水頭也有一定損失。

當隧洞中水量大于5 L/min，且該段巖體裂隙間充填泥質(zhì)，完整性差時，則Jw取0.66；當圍巖整體穩(wěn)定情況不會因為水量增大有明顯變化，Jw取0.66圍巖類別會降級，且該段很短時，Jw可取1。

3.6 應力折減系數(shù)SRF的確定

Q系統(tǒng)中以上5個參數(shù)可以通過現(xiàn)場地質(zhì)編錄取值。應力折減系數(shù)SRF和地應力與巖石的強度有關，且在Q系統(tǒng)中SRF的取值多是一個區(qū)間，如何準確取值，較難把握。

本工程隧洞埋深一般為150～450 m，最大主應力10.47 MPa，工程區(qū)主要為中等地應力區(qū)，部分區(qū)域為低地應力區(qū)。最初圍巖的SRF在1.0～2.5區(qū)間內(nèi)取值，但具體取值并沒有明確的標準，且SRF作為分母對Q值影響較大。

通過與雪山公司地質(zhì)工程師多次交流溝通，最終該項目SRF的取值如下：隧洞軸線方向與最大主應力方向夾角小于45°，SRF取1.25，反之，SRF取1.75。當隧洞中出露剪切帶時，SRF取2.0，若剪切帶位于隧洞交叉口時，SRF取2.5。

3.7 Q值與常用圍巖分類的對應關系

由表1可知，Q系統(tǒng)中根據(jù)Q值分了九種等級，這與通常熟知的Ⅰ～Ⅴ圍巖有所差別，將Q值如何對應到具體的圍巖類別時，存在著較大的爭議。

在業(yè)主提供的合同中就存在兩種版本的對應關系，如表2所示，可見在實際運用中并沒有統(tǒng)一的標準。

表2 合同文本中兩種版本的Q值與圍巖類別對應關系表

經(jīng)驗豐富的工程師對巖體圍巖類別的判斷基本上不會有較大的偏差。不同版本的Q值和圍巖類別的對應關系就意味著打分的標準不一致。

通過對Q系統(tǒng)各個參數(shù)取值的深入理解，在本工程各個區(qū)域?qū)鷰rQ值進行打分，結果顯示，片麻巖區(qū)域Q值一般在11.22～96.0之間，石英巖區(qū)域Q值一般在4.29～12.86之間。這與通過《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)分析得出片麻巖區(qū)域主要以Ⅰ、Ⅱ圍巖為主，石英巖區(qū)域主要以Ⅱ、Ⅲ為主的判斷結果是一致的。

最終與業(yè)主工程師、咨詢工程師意見達成一致，采用版本2的對應關系更切合本工程的實際情況。

在實際運用中，若Q值處于兩種等級界線附近，這首先需要對圍巖穩(wěn)定性有一個整體的判斷，再依次復核各個參數(shù)的取值情況，最終得出更符合實際的Q值。

由于Q系統(tǒng)還存在一些不足，并不能完全反映所有對圍巖穩(wěn)定性構成影響的不利因素。因而在對圍巖進行分類時還需結合多種方法綜合評判，從而得出更合理的圍巖類別。

4 Q系統(tǒng)在巖體力學參數(shù)取值中的應用

Q系統(tǒng)不僅可以對圍巖進行分類。在缺少資料的情況下還可以根據(jù)巖體的Q值推算巖體的抗剪斷強度，相關公式如下[6]：

C’=(RQD/Jn)×(1/SRF)×(UCS/100)

F’=tan-1(Jr/Ja)×(Jw)

式中：C’、F’為巖體抗剪斷強度；UCS為巖體無側限抗壓強度；其余參數(shù)為Q系統(tǒng)中參數(shù)。

還可根據(jù)巖體的Q值推算巖體的變形模量，相關公式如下[7]：

Ed(mean)=25logQ

Ed(min)=10logQ

Ed(max)=40logQ

式中：Ed(mean)為原位變形模量的平均值，GPa；Ed(min)為原位變形模量的最小值或下限值，GPa；Ed(max)為原位變形模量的最大值或上限值，GPa；Q為巖體Q值。

通過對隧洞中不同圍巖類別巖體的Q值進行分析，發(fā)現(xiàn)通過經(jīng)驗公式得出的摩擦角及粘聚力均普遍偏大。最終根據(jù)工程區(qū)巖體特征，在微新巖石試驗數(shù)據(jù)基礎上，結合類似工程經(jīng)驗，再根據(jù)不同圍巖類別提出工程區(qū)巖體的C’、F’及UCS的建議值，見表3。

表3 工程區(qū)圍巖抗剪斷強度建議值表

5 結 語

Q系統(tǒng)作為常用的圍巖分類方法被廣大工程技術人員所熟知，但如何準確理解各個參數(shù)的含義并合理應用還有一定困難。本文對Q系統(tǒng)中各個參數(shù)的取值進行了詳細論述并總結了一些實用性建議，為工程人員利用Q系統(tǒng)對巖體進行更準確的打分提供了依據(jù)。

在將Q系統(tǒng)的圍巖分類等級與常用的圍巖類別進行對應時存在一定的亂象，并沒有統(tǒng)一的標準。結合尼泊爾某電站，本文總結出更為合理的對應關系，值得相關工程參考借鑒。

由于Q系統(tǒng)還存在一些不足，在對圍巖進行分類時還需結合其他圍巖分類方法綜合得出巖體的圍巖類別。

根據(jù)Q值推算巖體的抗剪斷強度指標普遍偏大，如何優(yōu)化相關公式還需做進一步研究工作。