水利水電工程圍巖工程地質(zhì)分類(lèi)與Q分類(lèi)相關(guān)性及支護(hù)對(duì)比研究

王 燾,吳順川,浦仕江,奎 蓋,孫俊龍,王 銳,任子健

(昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093)

0 引 言

在地下工程中,巖體穩(wěn)定性問(wèn)題一直以來(lái)是重要課題.目前,地下工程設(shè)計(jì)主要采用工程類(lèi)比法,然而,圍巖分級(jí)作為巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的主要方法,并且是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ),為地下工程軸線布置、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、開(kāi)挖施工、工程造價(jià)等提供重要參考依據(jù).地下工程開(kāi)挖后,巖體產(chǎn)生位移的同時(shí),也產(chǎn)生了由表及里的應(yīng)力重新調(diào)整,發(fā)生應(yīng)力重分布的巖體稱(chēng)為圍巖[1-2].圍巖不僅具有巖體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征,還具有復(fù)雜的力學(xué)特性.

水利水電工程地下硐室常用圍巖分級(jí)方法有:水利水電工程圍巖工程地質(zhì)分類(lèi)(HC法)[3]、巴頓巖體質(zhì)量分級(jí)(Q系統(tǒng))[4]、BQ法[5]、巖體地質(zhì)力學(xué)分級(jí)(RMR)[6]等.其中,HC法是在國(guó)內(nèi)水利水電工程中主要采用的圍巖分類(lèi)方法,廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)重大水利工程建設(shè).隨著國(guó)家“一帶一路”倡議的實(shí)施,在國(guó)外以中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)成功修建了許多水利水電工程,為HC法國(guó)際化積累了豐富經(jīng)驗(yàn).Q系統(tǒng)是國(guó)際普遍認(rèn)可的將圍巖分級(jí)方法與單層襯砌支護(hù)類(lèi)型密切結(jié)合的地下工程圍巖分級(jí)方法.學(xué)者們結(jié)合重大工程項(xiàng)目開(kāi)展了HC法和Q系統(tǒng)相關(guān)性研究,如溪洛渡水電站、三峽工程、二灘水電站、大崗山水電站、拉西瓦水電站、錦屏二級(jí)水電站、雙江口水電站、楞古水電站、白鶴灘水電站、斗馬隧道、瀑布溝水電站、陶家山隧道、那蘇瓦水電站、馬來(lái)西亞水電站、巴基斯坦卡洛特水電站、厄瓜多爾CCS水電站等[7-26].

本文通過(guò)HC法和Q系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外地下工程建設(shè)中的應(yīng)用案例,探索兩者相關(guān)性,以滇中引水工程楚雄段伍莊村隧洞的支護(hù)為例,對(duì)比分析HC法與Q系統(tǒng)在支護(hù)中的不同,力求為Q系統(tǒng)的支護(hù)方案在水利水電工程中的應(yīng)用提供建議.

1 水利水電工程圍巖工程地質(zhì)分類(lèi)[3]

水利水電工程圍巖工程地質(zhì)分類(lèi)(HC法)是在我國(guó)“六五”國(guó)家科技項(xiàng)目15-2-1《水電站大型地下洞室圍巖穩(wěn)定和支護(hù)的研究和實(shí)踐》-“水電站地下工程圍巖分類(lèi)”的基礎(chǔ)上,參考國(guó)內(nèi)外主要隧洞圍巖分類(lèi)方法,結(jié)合國(guó)內(nèi)魯布革、天生橋、彭水、小浪底、水豐等十幾個(gè)大型水利水電工程提出的圍巖工程地質(zhì)方法[27].該方法屬于多因素累積評(píng)分的綜合評(píng)價(jià)法,分為初步分類(lèi)和詳細(xì)分類(lèi),初步分類(lèi)以巖體強(qiáng)度、巖體完整程度、巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型為基本依據(jù),以巖層走向與洞軸線的關(guān)系、水文地質(zhì)條件為輔助依據(jù)的定性分類(lèi);詳細(xì)分類(lèi)以巖體強(qiáng)度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水和主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀五項(xiàng)因素之和的總評(píng)分為基本判據(jù),圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比為限定判據(jù).

在詳細(xì)分類(lèi)中,HC法包括基本因素和修正因素,其中巖體強(qiáng)度、巖體完整程度和結(jié)構(gòu)面狀態(tài)為基本因素,為正值;地下水活動(dòng)狀態(tài)和主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為修正因素,為負(fù)值;圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比作為限定條件.HC法的圍巖總評(píng)分:

HC=A+B+C+D+E

(1)

式中:A為巖體強(qiáng)度的評(píng)分;B為巖體完整程度的評(píng)分;C為結(jié)構(gòu)面狀態(tài)的評(píng)分;D為地下水狀態(tài)的評(píng)分;E為主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的評(píng)分.

圍壓強(qiáng)度應(yīng)力比:

式中:Rb為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度,MPa;Kv為巖體完整性系數(shù);σm為圍巖的最大主應(yīng)力,MPa.

HC法的圍巖地質(zhì)詳細(xì)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表1.

表1 HC法的圍巖分類(lèi)表

2 巴頓巖體質(zhì)量分級(jí)

Q系統(tǒng)是N.Barton(1974)在研究挪威水電站廠房變形量問(wèn)題時(shí),參考了212個(gè)隧道項(xiàng)目提出的巖體質(zhì)量分級(jí)[4].E.Grimstad和N.Barton在1993年根據(jù) 1 050 個(gè)挪威隧道項(xiàng)目對(duì)Q系統(tǒng)進(jìn)行了完善和修正[28].Q系統(tǒng)考慮了六個(gè)參數(shù):巖體質(zhì)量指標(biāo)(RQD)、節(jié)理組數(shù)、最不利節(jié)理或節(jié)理組的粗糙度、最不利節(jié)理或節(jié)理組的蝕變狀態(tài)、裂隙水狀態(tài)和強(qiáng)度應(yīng)力比.計(jì)算公式為:

式中:RQD為巖體質(zhì)量指標(biāo);Jn為節(jié)理組數(shù)指標(biāo);Jr為最不利節(jié)理或節(jié)理組的粗糙度指標(biāo);Ja為最不利節(jié)理或節(jié)理組的蝕變狀態(tài)指標(biāo);Jw為裂隙水狀態(tài)指標(biāo);SRF為斷層、硬巖強(qiáng)度應(yīng)力比、擠壓、膨脹等相關(guān)的指標(biāo).

表2 Q系統(tǒng)巖體質(zhì)量分級(jí)表

3 HC法與Q系統(tǒng)相關(guān)性研究

3.1 HC法與Q系統(tǒng)相關(guān)性

通過(guò)文獻(xiàn)資料調(diào)查,本文依據(jù)18個(gè)工程項(xiàng)目的HC法和Q系統(tǒng)相關(guān)性研究成果[7-26],獲得了在不同工程背景下的兩者關(guān)系式,詳見(jiàn)表3.由于各關(guān)系式是在不同的HC值區(qū)間內(nèi)提出的,具有一定的適用范圍,但各關(guān)系式的基本形式保持了一致性,詳見(jiàn)式(4),呈對(duì)數(shù)線性相關(guān),相關(guān)系數(shù)R為[0.18,0.972],普遍具有較好的相關(guān)性,說(shuō)明HC法和Q系統(tǒng)在評(píng)判巖體質(zhì)量方面具有高度的一致性.

HC=alnQ+b

(4)

式中:a和b為常數(shù)項(xiàng)系數(shù).

表3 在不同工程項(xiàng)目中HC法與Q系統(tǒng)的關(guān)系式及工程背景

續(xù)表3

在深埋洞室條件下,王廣德在錦屏二級(jí)水電站引水隧洞研究HC法和Q系統(tǒng)相關(guān)性時(shí)發(fā)現(xiàn)高地應(yīng)力(非巖爆段)具有較好的對(duì)數(shù)線性相關(guān)性[10].在高應(yīng)力(巖爆段),王廣德和趙其華等[10,12]發(fā)現(xiàn)HC法和Q系統(tǒng)雖然也呈對(duì)數(shù)線性相關(guān),但其相關(guān)系數(shù)較低,R為[0.18,0.59].因?yàn)樵贖C法中將強(qiáng)度應(yīng)力比作為限定條件,未直接參與HC值的計(jì)算.在深埋洞室中,當(dāng)發(fā)生巖爆或塑性變形時(shí),通過(guò)HC值確定的圍巖類(lèi)別宜降低一級(jí)[3],未明確修正后的HC值的大小.然而Q系統(tǒng)通過(guò)SRF指標(biāo)將高應(yīng)力狀態(tài)直接反映在Q值.因此,導(dǎo)致HC法和Q系統(tǒng)出現(xiàn)相關(guān)性明顯降級(jí).在此基礎(chǔ)上,王廣德和趙其華等[10,12]提出了高地應(yīng)力(巖爆)條件下的HC值修正方法.隨著水利水電工程開(kāi)發(fā)進(jìn)軍西部,高地應(yīng)力條件下的巖爆和塑性變形問(wèn)題越來(lái)越顯著,因此HC法和Q系統(tǒng)相關(guān)性亟需進(jìn)一步研究.

通過(guò)資料收集,獲得HC法與Q系統(tǒng)直接對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)324組[8-9,11,13-14,16-18,20-26],HC值的區(qū)間為[2,90].當(dāng)文獻(xiàn)中僅有關(guān)系式時(shí),依據(jù)取值區(qū)間生成以HC值間距為1的相應(yīng)Q值,以彌補(bǔ)在該條件下的數(shù)據(jù)缺失.最終得到649組數(shù)據(jù).并其繪制HC-Q圖,詳見(jiàn)圖1.數(shù)據(jù)呈顯著的條帶狀分布,采用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,建立了HC值與Q值的關(guān)系方程式,呈對(duì)數(shù)線性相關(guān),詳見(jiàn)式(4),其相關(guān)系數(shù)為 0.865 1,說(shuō)明HC法與Q系統(tǒng)在評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量時(shí)具有顯著的相關(guān)性.

HC=9.194 32lnQ+42.596 08,R=0.865 1

(5)

上下限包絡(luò)線確定,本文以式(4)為界,將數(shù)據(jù)點(diǎn)分為上下兩部分?jǐn)?shù)據(jù),然后分別采用最小二乘法回歸分析得到相應(yīng)方程式,依次迭代,保證90%以上數(shù)據(jù)點(diǎn)能分布到上下限包絡(luò)線方程式內(nèi).在迭代過(guò)程中,相關(guān)系數(shù)均在0.94以上,說(shuō)明擬合的方程式具有一定的可靠性.最終確定上下限方程式(6)和式(7),保證約95%的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在上下限包絡(luò)線內(nèi),如圖2所示.

上限:

HC=7.600 63lnQ+61.140 76

(6)

下限:

HC=11.964 52lnQ+21.651 9

(7)

圖1 HC值與Q值的相關(guān)性圖Fig.1 Correlation between HC value and Q value

圖2 HC值與Q值相關(guān)性的上下界限包絡(luò)線圖Fig.2 Upper and lower bounds envelope diagram of correlation between HC value and Q value

3.2 圍巖級(jí)別

HC法采用五類(lèi)圍巖類(lèi)別,Q系統(tǒng)采用9級(jí)圍巖分級(jí),為了將Q系統(tǒng)圍巖分級(jí)也采用五類(lèi),根據(jù)上下限公式確定了各級(jí)圍巖的界限值,詳見(jiàn)表4.

表4 HC法與Q系統(tǒng)在五類(lèi)圍巖類(lèi)別對(duì)照表

本文將圖2與Q-support圖進(jìn)行疊加處理后,得到了基于HC法的五類(lèi)圍巖類(lèi)別對(duì)應(yīng)的單層襯砌的支護(hù)建議圖,詳見(jiàn)圖3.

4 支護(hù)方案對(duì)比分析

4.1 工程背景

本文以滇中引水工程楚雄段伍莊村隧洞為例,隧洞全長(zhǎng) 11 416 m,隧洞總體方向呈南東向.隧洞通過(guò)地段屬低中山地貌,主要山脊、沖溝順北東向展布,與線路大角度相交.隧洞沿線地面高程一般為 1 989～2 186 m,谷底高程一般為 1 905～1 960 m,最大山頂高程 2 285 m(楊家后山附近).隧洞埋深主要在100～200 m 之間,最大埋深約 337 m,位于隧洞前段楊家后山附近.本文選用樁號(hào)WZCT4+120～WZCT4+660伍莊村隧洞段的支護(hù)參數(shù)為研究對(duì)象,該段隧洞主要埋深150～305 m,跨度為 10.02 m,高度為 10.73 m.

巖體質(zhì)量圖3 HC法的五類(lèi)圍巖類(lèi)別與Q-support支護(hù)的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between five classes of surrounding rock and Q-support by HC method

穿越地層為中生界侏羅紀(jì)上統(tǒng)妥甸組上段(J3t2)和白堊系下統(tǒng)高峰寺組下段(K1g1),屬于典型“滇中紅層”.J3t2地層:巖性為紫紅、暗紫紅、暗紅色夾黃綠、灰綠色等雜色中厚～厚層狀鈣質(zhì)泥巖、泥巖夾泥灰?guī)r,該洞段以泥質(zhì)軟巖為主,工程巖組劃分為軟巖巖組.K1g1地層:巖性為灰白、黃灰色中厚層狀細(xì)～中粒長(zhǎng)石石英砂巖夾紫紅色泥巖及砂礫巖透鏡體,該洞段以硬質(zhì)砂巖為主,工程巖組劃分為堅(jiān)硬巖巖組.根據(jù)施工設(shè)計(jì),擬選研究段的圍巖類(lèi)別主要為Ⅲ～Ⅴ類(lèi).

巖體質(zhì)量圖4 Q-support圖對(duì)HC法中五類(lèi)圍巖類(lèi)別支護(hù)參數(shù)建議分區(qū)圖Fig.4 Q-support diagram of HC method in five types of surrounding rock support parameters recommended partition diagram

4.2 支護(hù)參數(shù)對(duì)比

N.Barton 等(1974)[4]提出了不同ESR條件下的建議錨桿長(zhǎng)度計(jì)算公式:

由公式(8)確定本文案例的建議錨桿長(zhǎng)度為2.8～3 m.根據(jù)圖4得到HC法在各類(lèi)圍巖中的鋼纖維噴射混凝土及錨桿間距等建議支護(hù)參數(shù),詳見(jiàn)表5.

表5 HC法在各級(jí)圍巖中不同支護(hù)方案對(duì)比Tab.5 Comparison of different supporting schemes of HC method in surrounding rock

由表5可知,Q系統(tǒng)的支護(hù)方法主要采用鋼纖維增強(qiáng)噴射混凝土和錨桿,而復(fù)合襯砌的初襯主要采用噴射素混凝土、掛網(wǎng)、系統(tǒng)錨桿和鋼支撐.從施工工序角度,復(fù)合襯砌的初襯相比Q系統(tǒng)的支護(hù)方法相對(duì)較復(fù)雜,尤其在Ⅳ和Ⅴ類(lèi)圍巖中,均采用不同間距的鋼支撐.在施工過(guò)程中需要將每榀鋼支撐分割成若干段,通過(guò)接頭連接、鎖腳錨桿和連接筋補(bǔ)強(qiáng)鋼支撐的整體剛度和提高其穩(wěn)定性.Q系統(tǒng)的支護(hù)主要優(yōu)點(diǎn)是不需要鋼支撐,通過(guò)鋼纖維增強(qiáng)噴射混凝土代替噴射素混凝土、掛網(wǎng)和鋼支撐,從而簡(jiǎn)化施工工序.在鋼纖維噴射混凝土類(lèi)型選取上存在不同,Q系統(tǒng)的鋼纖維增強(qiáng)噴射混凝土依據(jù)能量吸收率E分為三類(lèi): 1 000 J、700 J、500 J[29],國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)鋼纖維噴射混凝土采用強(qiáng)度等級(jí),如CF35,CF40等.目前,Q系統(tǒng)的支護(hù)在國(guó)內(nèi)地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)中還處在科研和試驗(yàn)階段,仍需要進(jìn)一步研究.

5 結(jié) 論

1) 本文根據(jù)HC法和Q系統(tǒng)的圍巖分級(jí)在16個(gè)水利水電工程和2個(gè)公路隧道中的應(yīng)用情況,對(duì)其相關(guān)性進(jìn)行了研究,通過(guò)最小二乘法的線性擬合理論得到了兩者的關(guān)系式,呈對(duì)數(shù)線性相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.865 1.根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布特征,通過(guò)迭代,得到了保證約95%的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在上下限包絡(luò)線內(nèi).

2) 將反映HC法和Q系統(tǒng)相關(guān)性的上下限包絡(luò)線方程式與Q-support圖進(jìn)行疊加處理,得到了Q-support圖對(duì)HC法的五類(lèi)圍巖類(lèi)別支護(hù)參數(shù)建議分區(qū)圖.

3) Q系統(tǒng)的支護(hù)主要優(yōu)點(diǎn)是不需要鋼支撐,簡(jiǎn)化復(fù)合襯砌中初襯施工工序;在鋼纖維噴射混凝土類(lèi)型選取上存在不同,Q系統(tǒng)的鋼纖維增強(qiáng)噴射混凝土依據(jù)能量吸收率確定,國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)鋼纖維噴射混凝土采用強(qiáng)度等級(jí)確定;目前,Q系統(tǒng)的支護(hù)在國(guó)內(nèi)地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)中處在科研和試驗(yàn)階段,仍需要進(jìn)一步研究.