巴頓Q系統(tǒng)圍巖分類在軟弱巖體隧洞中的應(yīng)用

張必勇 徐俊 沈金剛 曹道寧

摘要：巴頓Q系統(tǒng)圍巖分類法適應(yīng)性廣，在國際上認(rèn)可度較高。以巴基斯坦某水電站導(dǎo)流隧洞工程為例，探索了該方法在軟弱沉積巖巖體中的應(yīng)用;結(jié)合工程施工實際，將其評價結(jié)果與相關(guān)規(guī)范中推薦的方法進行了比較分析。結(jié)果表明，該分類方法成熟可靠、適用性較好，可為其他類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：巴頓Q系統(tǒng);圍巖分類;軟弱巖體;隧洞;巴基斯坦

中圖法分類號：TV554文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.05.013

1工程簡介

巴基斯坦某水電站位于東北部吉拉姆河干流，該工程設(shè)計了3條平行導(dǎo)流洞，長度為420-473m;開挖斷面為圓形，開挖直徑14.1～14.9m。采用鉆爆法分上下半洞進行施工。

隧洞穿越的地層為上第三系中新世Nagri組沉積巖，巖性主要為砂巖、互層狀泥質(zhì)粉砂巖以及粉砂質(zhì)泥巖（統(tǒng)稱“泥質(zhì)巖”）。砂巖單層厚度為8～15m，泥質(zhì)巖單層厚度為14～20m，巖體較完整，裂隙不發(fā)育，未見大型斷層或剪切帶分布。巖層產(chǎn)狀平緩，傾角為9°～10°，巖層走向與導(dǎo)流隧洞軸線夾角為68°～73°，屬于大角度相交。隧洞上覆巖體厚度20-106m。砂巖飽和抗壓強度25～30MPa，屬于較軟巖;粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖飽和抗壓強度分別為8～12 MPa、10～15MPa，均屬軟巖。地下水總體不發(fā)育，在隧洞內(nèi)呈零星斷續(xù)出露，以點滴狀為主。地應(yīng)力測試表明：該區(qū)域以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，最大水平主應(yīng)力為2.5～7.9MPa，最小水平主應(yīng)力為16-5.5MPa;最大水平主應(yīng)力方向的側(cè)壓力系數(shù)為1.7～2.9，屬中低應(yīng)力地區(qū)。工程區(qū)地震動峰值加速度為0.2眙，相應(yīng)地震基本設(shè)防烈度為Ⅷ度。

2巴頓Q系統(tǒng)

巴頓Q系統(tǒng)分類法由挪威巖土工程技術(shù)研究所Barton等人提出，是一種地下洞室圍巖質(zhì)量分類方法。該方法在實踐總結(jié)中不斷得到完善，在國際上應(yīng)用廣泛。

巴頓Q系統(tǒng)使用6個參數(shù)來定量表達(dá)巖體質(zhì)量，其表達(dá)式為

3實際工程應(yīng)用

3.1參數(shù)取值原則及其確定

（2）Jn。在完成隧洞圍巖地質(zhì)編錄后，立即進行裂隙統(tǒng)計。隧洞內(nèi)主要結(jié)構(gòu)面為層面，其次為1-2組陡傾裂隙，一般取Jn=6。開挖后的砂巖與泥質(zhì)巖隧洞如圖1所示。

對于只發(fā)育有層面的巖體，取L=2;在洞口處（按2.5倍洞徑長度考慮），取Jnx2;在交叉洞段（圍巖較完整，按2倍洞徑長度考慮），取Jnx3。

（3）Jro結(jié)構(gòu)面表面主要為平直型，對于平直粗糙型，取Jr=1.5;對于平直平滑型，取Jr=l;對于局部有光滑鏡面的結(jié)構(gòu)面，取Jr=0.5。

（4）Ja結(jié)構(gòu)面一般無厚層充填。在砂巖中，結(jié)構(gòu)面表面一般附少量礦物及巖屑，取Ja=2.0;在泥質(zhì)巖中，沿層面多有軟化及斷續(xù)泥化現(xiàn)象，部分巖體遇水易膨脹，取Ja=4.0。

（5）Jw地下水總體不發(fā)育，在隧洞內(nèi)呈零星斷續(xù)出露，以點滴狀為主，開挖面總體干燥，取Jw=1.0。

（6）SRF。該區(qū)域?qū)僦械蛻?yīng)力地區(qū)，隧洞中泥質(zhì)巖強度較低，粉砂質(zhì)泥巖與其他巖層的層面為相對軟弱結(jié)構(gòu)帶（面），SRF可以取5.0（開挖深度≤50m時）或2.5（開挖深度>50m時）;砂巖強度相對較高，σc/σ1=5.5-15.6（其中σc為巖石無側(cè)限抗壓強度，σ1為最小水平主應(yīng)力）。若按堅硬完整巖石考慮，SRF應(yīng)取1.0;但綜合分析認(rèn)為，砂巖仍屬于較軟巖，考慮其受到泥質(zhì)巖的軟弱接觸面的影響，建議同泥質(zhì)巖一致，SRF取5.0或2.5。

3.2計算及評價結(jié)果

該隧洞共進行了264次開挖循環(huán)，在各回次開挖循環(huán)完成后，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)編錄成果按上述參數(shù)取值原則進行隧道圍巖評價，Q值范圍為0.04～3.75，見圖2。評價結(jié)果為：①該導(dǎo)流洞圍巖類別主要以差為主（0.1

根據(jù)以上判定的圍巖類別，在隧洞開挖完成后分別對其實施了初期支護，在支護完成后、后續(xù)二次襯砌完成前，隧洞未發(fā)生任何掉塊、垮塌等失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，隧洞施工順利完成。收斂監(jiān)測結(jié)果表明，各觀測斷面中隧洞最大收斂變形為9.23mm，表明隧洞穩(wěn)定性較好，同時驗證了以上參數(shù)選取的可靠性。

4巴頓Q系統(tǒng)在軟弱巖體中的適應(yīng)性分析

根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊》中的建議及有關(guān)學(xué)者的研究，采用巴頓Q系統(tǒng)與國標(biāo)分類結(jié)果的對比情況見表1～2。

采用GB50287-2016《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（以下簡稱“《規(guī)范》”）“附錄L”中推薦的圍巖詳細(xì)分類方法進行了對比分析，兩種典型圍巖的分類見表3。

以上分類表明，以砂巖為主的圍巖判定為Ⅲ類，與巴頓Q系統(tǒng)分類比較一致;以泥質(zhì)巖為主的圍巖判定為V類，即表現(xiàn)為極不穩(wěn)定，無自穩(wěn)能力。但從實際施工過程來看，該類圍巖在開挖后3-7d內(nèi)仍能保持自穩(wěn)，即與Ⅳ類圍巖的典型特征更為接近。由此可見巴頓Q系統(tǒng)的圍巖劃分方法在該工程軟弱巖體中具有較好的適應(yīng)性。

對兩種方法的主要評價參數(shù)的對比分析可知，巖石強度在軟弱巖體中的作用最為明顯。《規(guī)范》對巖石強度的評分范圍為0-30，其權(quán)重能直接影響圍巖的分類，因此完整性較好的泥質(zhì)巖均判定為V類，圍巖分類偏差。但在巴頓Q系統(tǒng)分類中并未將巖石強度參數(shù)考慮在內(nèi)，原因與SRF這一參數(shù)有關(guān)。當(dāng)巖層完整、堅硬時，該參數(shù)對圍巖Q值影響明顯;當(dāng)巖層完整但強度較低時，如工程以較軟巖和軟巖為主時，應(yīng)充分考慮軟巖夾層的作用，或直接將整個巖層判定為軟巖層，從而使SRF能體現(xiàn)巖石強度，否則Q值會明顯偏大。

5結(jié)論

在工程實踐中，當(dāng)?shù)叵露词椅挥谲浫鯉r體中時，若采用巴頓Q系統(tǒng)分類方法，應(yīng)考慮巖體強度，主要是在SRF參數(shù)取值時注意相對軟弱巖層的影響。在使用《規(guī)范》中推薦的分類方法時，可按《規(guī)范》建議與其他圍巖分類方法對比使用。不同隧洞工程的地質(zhì)條件錯綜復(fù)雜、變化多樣，對于巴頓Q系統(tǒng)中6個參數(shù)的選擇，仍需要在實踐中不斷探索總結(jié)，以增強其適應(yīng)性。