任文明，胡謀鵬

(中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

地下工程建筑物是置于地層中的結(jié)構(gòu)物，它的受力和變形與圍巖密切相關(guān)，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作為一個(gè)統(tǒng)一的受力體系相互約束，共同作用。根據(jù)目前我國(guó)地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)踐，基于經(jīng)驗(yàn)的工程類(lèi)比法占據(jù)一定的位置［1－3］，必要時(shí)應(yīng)結(jié)合監(jiān)控量測(cè)法及理論驗(yàn)算法。尤其在工程項(xiàng)目的預(yù)可研、可研和初步設(shè)計(jì)階段，有關(guān)場(chǎng)區(qū)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)信息和地應(yīng)力水平的詳實(shí)資料缺乏或深度不夠時(shí)，采用工程界認(rèn)可度比較高的工程巖體分級(jí)系統(tǒng)對(duì)預(yù)估地下洞室或隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)水平、圍巖強(qiáng)度和變形特性是很有幫助的。

Q 系統(tǒng)［4－5］主要考慮了巖體完整性、節(jié)理特性、地下水和地應(yīng)力影響，并以6個(gè)參數(shù)來(lái)表征巖體質(zhì)量指標(biāo)Q值。

式中:RQD為1963年Deere提出的巖石質(zhì)量指標(biāo);Jn為節(jié)理組數(shù);RQD/Jn代表了巖體塊度;Jr為對(duì)圍巖穩(wěn)定性最不利的節(jié)理粗糙度系數(shù);Ja為對(duì)圍巖穩(wěn)定性最不利的節(jié)理面蝕變程度或填充情況;Jr/Ja代表了節(jié)理面摩擦強(qiáng)度;Jw為節(jié)理水折減系數(shù);SRF為地應(yīng)力折減系數(shù)。

文獻(xiàn)［3］詳細(xì)介紹了Q系統(tǒng)，并說(shuō)明了Q系統(tǒng)與其他圍巖分類(lèi)方法有很好的相關(guān)性;文獻(xiàn)［6］對(duì)Q系統(tǒng)中幾個(gè)主要評(píng)分因素的含義進(jìn)行了合理解釋?zhuān)饕≧QD、適用巖體、洞室埋深和Ja等;文獻(xiàn)［7］著重論述了Q系統(tǒng)在某些高地應(yīng)力地區(qū)的不足，并對(duì)Q系統(tǒng)做了局部修正，使其適應(yīng)特定工程高地應(yīng)力特點(diǎn);文獻(xiàn)［8］以鉆孔巖心地質(zhì)編錄確定Q系統(tǒng)的6個(gè)參數(shù)，與利用RQD值所得巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比，一致性良好;文獻(xiàn)［9］綜合比較了國(guó)標(biāo)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》、RMR系統(tǒng)和Q系統(tǒng)的異同點(diǎn);文獻(xiàn)［10］為使Q系統(tǒng)法能應(yīng)用于TBM施工工法，對(duì)Q系統(tǒng)進(jìn)行了局部修改。本文主要論述了Q系統(tǒng)在某地下儲(chǔ)油洞庫(kù)中的應(yīng)用，并對(duì)實(shí)際工作中具體Q系統(tǒng)參數(shù)取值時(shí)的若干爭(zhēng)論意見(jiàn)進(jìn)行了合理解釋?zhuān)⒔⒘吮緢?chǎng)區(qū)Q與RMR的關(guān)系式，為合理估計(jì)圍巖自穩(wěn)時(shí)間和確定支護(hù)施作時(shí)間提供有價(jià)值的參考。

1 基于Q系統(tǒng)的支護(hù)設(shè)計(jì)

通過(guò)評(píng)價(jià)巖體Q值，根據(jù)Q系統(tǒng)可得地下洞室與巖體Q值相對(duì)應(yīng)的支護(hù)類(lèi)型，并且也提供了相應(yīng)Q值下所需的圍巖支護(hù)壓力，從而可方便地指導(dǎo)地下洞室設(shè)計(jì)與施工，見(jiàn)圖1。圖中 ESR(Excavation Support Ratio)為開(kāi)挖支護(hù)率，與地下開(kāi)挖使用功能和重要程度有關(guān)，對(duì)于永久性的地下儲(chǔ)油洞室建議ESR=1.0。

Barton也提供了關(guān)于錨桿長(zhǎng)度、最大無(wú)支護(hù)跨度和拱頂支護(hù)壓力等方面的建議值，以進(jìn)一步補(bǔ)充其1974年Q系統(tǒng)創(chuàng)立以來(lái)的支護(hù)設(shè)計(jì)建議。

錨桿長(zhǎng)度L可以通過(guò)開(kāi)挖寬度B和開(kāi)挖支護(hù)率ESR來(lái)預(yù)估。

最大無(wú)支護(hù)跨度

基于對(duì)工程實(shí)例的統(tǒng)計(jì)分析，Grimstad和 Barton［4］提出了永久拱頂支護(hù)壓力與圍巖Q值的關(guān)系式

2 Q系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 工程概況

某地下儲(chǔ)油洞庫(kù)工程由若干條平行布置的地下儲(chǔ)油洞室組成，儲(chǔ)油洞室所在深度為未風(fēng)化、微風(fēng)化花崗巖地層，單地下洞室開(kāi)挖斷面尺寸19 m×24 m，長(zhǎng)度近1 km，采用鉆爆法施工。通過(guò)2條施工巷道從地表斜向下以斜坡的形式連接儲(chǔ)油洞室，作為出渣運(yùn)輸通道。

本場(chǎng)區(qū)出露地層有太古界表殼巖系、中元古界長(zhǎng)城系、古生界寒武系、中生界侏羅系—白堊系和新生界第四系。巖性主要由中粗粒堿長(zhǎng)花崗巖組成，其中分布著輝綠巖脈、細(xì)晶花崗巖脈、閃長(zhǎng)玢巖脈和安山巖脈等。

圖1 Q系統(tǒng)的支護(hù)分級(jí)Fig.1 Support classification based on Q system

勘察階段進(jìn)行了巖樣的物理力學(xué)試驗(yàn)和地應(yīng)力測(cè)試。場(chǎng)區(qū)花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度170 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度8 MPa，場(chǎng)區(qū)最大主應(yīng)力為水平方向(近東西向，與儲(chǔ)油洞室軸向布置方向一致)，大小6.2～11.5 MPa，另一方向最小水平主應(yīng)力3.6～9.0 MPa，垂直主應(yīng)力1.8 ～3.6 MPa。

2.2 Q支護(hù)設(shè)計(jì)

某地下儲(chǔ)油洞庫(kù)項(xiàng)目采用地下水封原理將原油儲(chǔ)存于地下洞室中，圍巖為燕山晚期花崗巖，采用Q系統(tǒng)進(jìn)行圍巖質(zhì)量分級(jí)，分為 Q≥40、10＜Q＜40、4＜Q≤10、1＜Q≤4和0.1＜Q≤1共5個(gè)等級(jí)。儲(chǔ)油洞室的開(kāi)挖斷面尺寸為19 m×24 m，開(kāi)挖支護(hù)率ESR=1.0，根據(jù)圖1，可得到不同Q值分區(qū)對(duì)應(yīng)的支護(hù)設(shè)計(jì)。當(dāng)4＜Q≤10時(shí)，采用拱頂錨桿長(zhǎng)度5 m，邊墻錨桿長(zhǎng)度6 m，系統(tǒng)錨桿2 m×2 m，噴射鋼纖維混凝土厚80 mm，支護(hù)典型圖詳見(jiàn)表1。對(duì)于Q＜0.1的不良地質(zhì)地段，根據(jù)圖1就需要采用噴射混凝土鋼筋加強(qiáng)肋(RRS)、系統(tǒng)錨桿、鋼纖維噴射混凝土(厚度大于15 cm)或者混凝土襯砌，本項(xiàng)目根據(jù)國(guó)內(nèi)工程施工習(xí)慣，在Q＜0.1的不良地質(zhì)地段，采用了格柵鋼架+噴射混凝土+掛網(wǎng)和混凝土襯砌加強(qiáng)支護(hù)形式，基本符合Q系統(tǒng)的支護(hù)原則和支護(hù)強(qiáng)度。根據(jù)地下洞室收斂變形的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果(見(jiàn)圖2)，最大下沉量不到9 mm，證明采取Q支護(hù)是有效、合理的。

表1 某地下儲(chǔ)油洞室典型Q支護(hù)參數(shù)Table 1 Typical supporting parameters of an underground storage cavern based on Q system

圖2 某儲(chǔ)油洞室里程STA668處拱頂下沉量測(cè)結(jié)果Fig.2 Crown settlement measured at STA668 of an underground storage cavern

2.3 Q系統(tǒng)若干參數(shù)取值建議

1)RQD值。RQD值是一個(gè)明顯受方向影響的參數(shù)，為此，應(yīng)分別計(jì)算洞室的邊墻、頂拱和掌子面的RQD值，并應(yīng)考慮洞室掘進(jìn)方向與優(yōu)勢(shì)節(jié)理組的方向關(guān)系。具體工作中，一般取上述代表性位置中的實(shí)測(cè)RQD值的平均值作為選用指標(biāo)。如果某節(jié)理組對(duì)洞室穩(wěn)定性明顯不利，可取該組節(jié)理RQD值與平均值的較小值作為選用指標(biāo)。當(dāng)計(jì)算出的巖體Q值為4＜Q＜30，由于爆破損傷影響，會(huì)在開(kāi)挖區(qū)周?chē)a(chǎn)生新的節(jié)理，這將導(dǎo)致圍巖Q值降低，一般可采取降低RQD值來(lái)應(yīng)對(duì)此不利影響。

2)關(guān)于Jn值。怎么區(qū)分隨機(jī)節(jié)理和節(jié)理組。通常把延伸性較好的節(jié)理定義為一組節(jié)理，而對(duì)延伸性差的節(jié)理定義為隨機(jī)節(jié)理。

3)關(guān)于Jr值。怎么判斷節(jié)理壁平直還是波狀。圖3給出了節(jié)理壁平直和波狀示意圖。

圖3 節(jié)理壁平直、波狀示意圖Fig.3 Sketch of joint plane

4)如何判斷節(jié)理組對(duì)洞室穩(wěn)定性不利程度。Q系統(tǒng)本身并沒(méi)有考慮節(jié)理產(chǎn)狀對(duì)圍巖質(zhì)量分級(jí)的影響，但 Bieniawski的 RMR系統(tǒng)和 GB 50218—1994《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》附錄D有相關(guān)描述，可以參考使用。

5)關(guān)于SRF取值。如果相關(guān)的剪切帶沒(méi)有直接與開(kāi)挖區(qū)交叉，而是僅對(duì)其有影響，可相應(yīng)減小SRF值25%～50%;有的中文翻譯版翻譯得不太準(zhǔn)確，這里解釋一下:這里的相關(guān)剪切帶是指根據(jù)前期開(kāi)挖揭露的地質(zhì)資料或其他地質(zhì)信息推測(cè)開(kāi)挖區(qū)附近有剪切帶，但沒(méi)有直接與開(kāi)挖區(qū)相交?？梢?jiàn)有的中文資料翻譯為“相關(guān)剪切帶沒(méi)有位于交叉口時(shí)”顯然是有問(wèn)題的。

SRF和Ja取值的相關(guān)性:比如開(kāi)挖區(qū)遇到一條軟弱帶時(shí)(洞室埋深大于50 m)，這時(shí)SRF值應(yīng)取2.5;那Ja該怎么取呢?有人認(rèn)為Ja應(yīng)從除軟弱帶之外的其他節(jié)理組評(píng)價(jià)，他們認(rèn)為SRF值已經(jīng)考慮了軟弱帶的不利影響，沒(méi)必要Ja賦值時(shí)再考慮。筆者看法正好相反，縱觀Q系統(tǒng)從來(lái)沒(méi)有這樣的解釋?zhuān)?個(gè)參數(shù)是相對(duì)獨(dú)立的，分別考慮了影響巖體質(zhì)量的不同因素，有其較為明確的物理意義。尤其從Ja表注可以看出，Ja評(píng)價(jià)應(yīng)考慮對(duì)洞室穩(wěn)定性不利的節(jié)理，顯然Ja評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)選取橫穿開(kāi)挖區(qū)的不利軟弱帶。

3 圍巖自穩(wěn)時(shí)間

這里的自穩(wěn)時(shí)間定義為:圍巖開(kāi)挖后，在不支護(hù)條件下從初始穩(wěn)定狀態(tài)到發(fā)生坍塌的時(shí)間長(zhǎng)度。合理評(píng)價(jià)圍巖的自穩(wěn)時(shí)間，對(duì)地下工程設(shè)計(jì)、施工有著非常重要的意義。本項(xiàng)目伊始也進(jìn)行了該項(xiàng)工作，初期同時(shí)采用Q系統(tǒng)和RMR系統(tǒng)2種圍巖質(zhì)量分級(jí)系統(tǒng)，通過(guò)比較兩者的關(guān)系，采取對(duì)數(shù)擬合，可獲得適合本場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)特點(diǎn)的Q與RMR關(guān)系式 (見(jiàn)圖4)，從而利用RMR系統(tǒng)［11］評(píng)價(jià)巖體的自穩(wěn)時(shí)間。

圖4 RMR和Q系統(tǒng)之間的擬合關(guān)系式Fig.4 Fitted relationship between RMR system and Q system

表2為根據(jù)RMR巖體質(zhì)量分級(jí)系統(tǒng)確定的本場(chǎng)區(qū)圍巖自穩(wěn)時(shí)間。根據(jù)圍巖自穩(wěn)時(shí)間可以確定支護(hù)施作時(shí)間，比如0.1＜Q≤1時(shí)，圍巖自穩(wěn)時(shí)間小于1 d，嚴(yán)格細(xì)分的話(huà)，拱頂7 m無(wú)支護(hù)跨度 (2個(gè)爆破循環(huán)進(jìn)尺)圍巖自穩(wěn)時(shí)間小于9 h，意味著爆破后9 h內(nèi)需要立即施作系統(tǒng)錨噴支護(hù)以維持開(kāi)挖面巖體穩(wěn)定。

表2 圍巖自穩(wěn)時(shí)間Table 2 Stand-up time of surrounding rock mass

4 結(jié)論與體會(huì)

1)Barton提出的巖體分級(jí)Q系統(tǒng)是目前國(guó)際上使用最為廣泛的巖體分級(jí)系統(tǒng)，Q系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)也是Barton創(chuàng)立Q系統(tǒng)的初衷，就是基于工程類(lèi)比法，提供不同圍巖質(zhì)量等級(jí)相對(duì)應(yīng)的支護(hù)類(lèi)型，即根據(jù)Q系統(tǒng)可以直接進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。

2)由于工程地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)工況的復(fù)雜性，Q系統(tǒng)也有其自身的不足。例如，Q系統(tǒng)沒(méi)有直接考慮巖石強(qiáng)度，沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響，沒(méi)有考慮采用鉆爆法開(kāi)挖爆破損傷區(qū)對(duì)圍巖Q值降低的影響，因此，在應(yīng)用Q系統(tǒng)時(shí)，必須掌握Q系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和不足，切勿盲目套用。最好的方法是工程開(kāi)始同時(shí)采用2種巖體分級(jí)系統(tǒng)(比如Q系統(tǒng)和RMR，或國(guó)標(biāo)圍巖分級(jí))，實(shí)踐檢驗(yàn)?zāi)膫€(gè)分級(jí)系統(tǒng)是最適合的。

通過(guò)建立適應(yīng)本場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)特點(diǎn)的RMR與Q系統(tǒng)之間的擬合關(guān)系式，可以評(píng)估巖體開(kāi)挖后圍巖自穩(wěn)時(shí)間，從而為確定支護(hù)施作時(shí)間提供參考。

3)對(duì)Q系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的若干疑問(wèn)進(jìn)行了合理解釋。選擇有經(jīng)驗(yàn)的工程地質(zhì)工程師對(duì)圍巖質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，項(xiàng)目開(kāi)始，對(duì)從業(yè)人員進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)培訓(xùn)是必要的。

4)Barton也提出了圍巖Q值與縱波速度、巖體變形模量、洞室變形等的關(guān)系式，其他學(xué)者在工程實(shí)踐中也不斷豐富發(fā)展Q系統(tǒng)，對(duì)Q系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用起了極大的推動(dòng)作用。Q系統(tǒng)是伴隨支護(hù)技術(shù)的發(fā)展而完善起來(lái)的，直接服務(wù)于生產(chǎn)實(shí)踐，因此，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)一定要檢查是否采用的是Q系統(tǒng)的最新版本。

［1］ 穆保崗，陶津.地下結(jié)構(gòu)工程［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2012.

［2］ GB 50086—2001錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2001.

［3］ 康小兵，許模，陳旭.巖體質(zhì)量Q系統(tǒng)分類(lèi)法及其應(yīng)用［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2008，19(4):91 －94.(KANG Xiaobing，XU Mo，CHEN Xu.Introduce and application of rock mass quality classification Q-system［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2008，19(4):91 －94.(in Chinese))

［4］ Barton，Lien，Lunde.Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support［J］.Rock Mech.，1974，6(4):189－239.

［5］ Barton.Some new Q-value correlations to assist in site characterization and tunnel design［J］.International Journal of Rock Mechanics＆ Mining Sciences，2002(39):185－216.

［6］ 黃向春，李慧敏，姜冰川，等.Q系統(tǒng)圍巖分類(lèi)中幾個(gè)主要評(píng)分因素的一點(diǎn)認(rèn)識(shí)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007，44(5):12 － 14.(HUANG Xiangchun，LI Huimin，JIANG Bingchuan，et al.On some major scoring factors for Q system rock classfication［J］.Morden Tunnelling Technology，2007，44(5):12 －14.(in Chinese))

［7］ 寇佳偉，石豫川，劉漢超，等.高地應(yīng)力條件下Q系統(tǒng)在某勘探洞圍巖分類(lèi)中的應(yīng)用［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2006，26(2):194 －199.(KOU Jiawei，SHI Yuchuan，LIU Hanchao，et al.Application of Q-system in classification of surrounding rock in tunnel under high ground-stress［J］.Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2006，26(2):194 －199.(in Chinese))

［8］ 徐健，王駒，馬艷，等.Q系統(tǒng)法在甘肅北山巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究:以 BS03號(hào)孔為例［J］.鈾礦地質(zhì)，2009，25(6):366 －372.(XU Jian，WANG Ju，MA Yan，et al.Application of Q-system to rockmass quality assessment in Beishan of Gansu［J］.Uranium Geology，2009，25(6):366－372.(in Chinese))

［9］ 喻勇，尹健民，楊火平，等.巖體分級(jí)方法在水布埡地下廠房工程中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(10):1706 － 1709.(YU Yong，YIN Jianmin，YANG Huoping，et al.Rock mass classification for underground power houses of Shuibuya project［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(10):1706 －1709.(in Chinese))

［10］ 劉現(xiàn)春，石豫川，童建剛.Q系統(tǒng)在西南某水電站TBM施工隧洞圍巖質(zhì)量分類(lèi)中的應(yīng)用［J］.水資源與水工程學(xué)，2011，22(5):167 － 170.(LIU Xianchun，SHI Yuchuan，TONG Jian’gang.Application of Q-system to tunnel’s rock mass quality classification by TBM construction in a hydropower station in Southwest China［J］.Journal of Water Resources and Water Engineering，2011，22(5):167－170.(in Chinese))

［11］ Bieniawski Z T.Engineering rock mass chlassfication［M］.New York:Science Press，1989:180－250.