Q系統(tǒng)圍巖分類及相關(guān)參數(shù)選取的應(yīng)用研究

吳帥彬

(中國長江三峽集團有限公司上?？睖y設(shè)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(chǔ)設(shè)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)。

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(jìn)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(hù)類型緊密結(jié)合的地下工程圍巖分類方法被廣大工程技術(shù)人員普遍認(rèn)可，尤其是在國際工程中得到廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)面相互之間的不利組合且也未考慮主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與隧洞軸線走向之間的關(guān)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(shù)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(zhǔn)確評價巖體Q值存在很大的影響。本文結(jié)合工程實例詳細(xì)闡述Q系統(tǒng)中各個參數(shù)的取值方法，總結(jié)圍巖Q值與具體圍巖類別的對應(yīng)關(guān)系，并利用圍巖Q值綜合分析得出圍巖巖體相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，從而更好地服務(wù)于地下工程的支護(hù)設(shè)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(jìn)水口及交通配套設(shè)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(fù)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(jié)構(gòu)為主，片麻狀構(gòu)造，裂隙不發(fā)育，風(fēng)化狀態(tài)以微風(fēng)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(jié)構(gòu)為主，部分呈薄層狀，裂隙發(fā)育，風(fēng)化狀態(tài)以弱風(fēng)化～微風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(yīng)力大小分別為10.47、9.01 MPa和6.34 MPa。最大主應(yīng)力方向為水平向，工程區(qū)最大主應(yīng)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(dǎo)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(biāo)；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(fēng)化蝕變系數(shù)；Jw為裂隙水折減系數(shù)；SRF為應(yīng)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(yīng)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(hù)類型與圍巖Q值緊密結(jié)合的一種分類方法。Q系統(tǒng)中的支護(hù)建議圖[4]是基于Q值和開挖支護(hù)比繪制的。圖中清晰的描繪出具體Q值在不同開挖支護(hù)比下的建議支護(hù)類型，設(shè)計人員可根據(jù)支護(hù)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(shù)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(jié)合具體工程詳細(xì)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(biāo)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(jìn)，連續(xù)取芯，回次鉆進(jìn)所取巖芯中，長度大于10 cm的巖芯段長度之和與該回次進(jìn)尺的比值，以百分?jǐn)?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(gòu)造、裂隙、地下水的發(fā)育程度有關(guān)，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(biāo)準(zhǔn)》(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(guān)系見式：RQD=115-3.3JV。當(dāng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(biāo)。

根據(jù)Q系統(tǒng)規(guī)定，當(dāng)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(jié)如下：根據(jù)裂隙的發(fā)育程度，微風(fēng)化～新鮮片麻巖中RQD一般取85～100，微風(fēng)化石英巖中RQD一般取60～80，當(dāng)石英巖層厚度較薄，裂隙發(fā)育時RQD一般取25～40，微風(fēng)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(yīng)統(tǒng)計過長洞段的節(jié)理組數(shù)，這樣會導(dǎo)致組數(shù)偏大。如果某節(jié)理僅在局部成組發(fā)育，應(yīng)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(guān)鍵作用，應(yīng)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(dāng)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(yīng)認(rèn)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(guān)鍵性塊體，將認(rèn)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(rèn)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(yīng)取3倍的節(jié)理組數(shù)，隧洞入口處節(jié)理組數(shù)應(yīng)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(dá)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(guān)。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(yīng)選取對巖體穩(wěn)定性起關(guān)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(yīng)只是局部的現(xiàn)象。對某組裂隙應(yīng)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(dāng)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(jìn)一步的研究工作。

3.4 節(jié)理風(fēng)化蝕變系數(shù)Ja的確定

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

節(jié)理風(fēng)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(fēng)化程度及節(jié)理間的充填情況，結(jié)合本工程總結(jié)出經(jīng)驗，在一般情況下，新鮮巖體中Ja取0.75，微風(fēng)化巖體中Ja取1.0，弱風(fēng)化巖體中Ja取2.0，強風(fēng)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(guān)。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(jìn)行調(diào)整。

因為本工程中不同圍巖類別的支護(hù)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(dāng)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(dāng)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(yīng)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(yīng)力折減系數(shù)SRF和地應(yīng)力與巖石的強度有關(guān)，且在Q系統(tǒng)中SRF的取值多是一個區(qū)間，如何準(zhǔn)確取值，較難把握。

本工程隧洞埋深一般為150～450 m，最大主應(yīng)力10.47 MPa，工程區(qū)主要為中等地應(yīng)力區(qū)，部分區(qū)域為低地應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)力方向夾角小于45°，SRF取1.25，反之，SRF取1.75。當(dāng)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(yīng)關(guān)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(yīng)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(yīng)關(guān)系，如表2所示，可見在實際運用中并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 合同文本中兩種版本的Q值與圍巖類別對應(yīng)關(guān)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(yīng)關(guān)系就意味著打分的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行打分，結(jié)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(jié)果是一致的。

最終與業(yè)主工程師、咨詢工程師意見達(dá)成一致，采用版本2的對應(yīng)關(guān)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(fù)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(gòu)成影響的不利因素。因而在對圍巖進(jìn)行分類時還需結(jié)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(xué)參數(shù)取值中的應(yīng)用

Q系統(tǒng)不僅可以對圍巖進(jìn)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(guān)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(cè)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(guān)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(jìn)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(chǔ)上，結(jié)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(jié) 語

Q系統(tǒng)作為常用的圍巖分類方法被廣大工程技術(shù)人員所熟知，但如何準(zhǔn)確理解各個參數(shù)的含義并合理應(yīng)用還有一定困難。本文對Q系統(tǒng)中各個參數(shù)的取值進(jìn)行了詳細(xì)論述并總結(jié)了一些實用性建議，為工程人員利用Q系統(tǒng)對巖體進(jìn)行更準(zhǔn)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(jìn)行對應(yīng)時存在一定的亂象，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合尼泊爾某電站，本文總結(jié)出更為合理的對應(yīng)關(guān)系，值得相關(guān)工程參考借鑒。

由于Q系統(tǒng)還存在一些不足，在對圍巖進(jìn)行分類時還需結(jié)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(biāo)普遍偏大，如何優(yōu)化相關(guān)公式還需做進(jìn)一步研究工作。