沙特NEOM隧道項(xiàng)目Q系統(tǒng)圍巖分類及支護(hù)體系研究*

方 磊

(中國(guó)鐵建國(guó)際集團(tuán)有限公司,北京 100039)

0 引言

隧道圍巖分類、支護(hù)類型和參數(shù)的選擇是決定隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工方案、工程造價(jià)和作業(yè)人員安全最重要的因素[1]。Q系統(tǒng)分類法作為巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法之一,由Barton等于1974年提出,詳盡闡述了節(jié)理蝕變度、節(jié)理粗糙度對(duì)圍巖強(qiáng)度及穩(wěn)定性的影響機(jī)制,以Q值來(lái)對(duì)圍巖質(zhì)量進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià),從而確定各級(jí)圍巖的支護(hù)類型與支護(hù)參數(shù)[2]。

沙特NEOM隧道支洞項(xiàng)目設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高、工期要求緊、安全質(zhì)量管理嚴(yán)格,對(duì)隧道支護(hù)提出了較高要求;同時(shí),NEOM新城位于沙漠地帶,地質(zhì)工作的研究基礎(chǔ)薄弱,區(qū)域性工程地質(zhì)資料相對(duì)缺失,缺少隧道施工案例。因此,準(zhǔn)確判定隧道圍巖級(jí)別,對(duì)隧道圍巖進(jìn)行分級(jí)分類,是保證項(xiàng)目安全生產(chǎn)和工程質(zhì)量的重要先決條件。

針對(duì)海外項(xiàng)目在施工標(biāo)準(zhǔn)與管理流程方面的不同要求,本文基于挪威法隧道施工的工藝特點(diǎn),對(duì)Q值圍巖分級(jí)法進(jìn)行深入研究,并根據(jù)圍巖特征對(duì)不同支護(hù)類型的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),建立了一套適用于不同圍巖等級(jí)的支護(hù)體系,并在NEOM隧道支洞項(xiàng)目的應(yīng)用中驗(yàn)證了其安全性和可行性。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

NEOM隧道支洞項(xiàng)目項(xiàng)目包括6條支洞,總長(zhǎng)度為8 415m(含明洞),設(shè)計(jì)為馬蹄形斷面,斷面尺寸為11.69m×8.62m,采用挪威法工藝,鉆爆法施工。隧道埋深約20～380m,洞身地層主要為元古代花崗巖和寒武系砂巖。本項(xiàng)目典型斷面尺寸如圖1所示。

圖1 典型斷面尺寸Fig.1 The typical section size

1.2 地質(zhì)工作情況

在地質(zhì)勘察階段對(duì)基礎(chǔ)地質(zhì)資料工作的研究不足,設(shè)計(jì)文件中對(duì)不良地質(zhì)體的判斷不準(zhǔn)確。挪威隧道施工法依據(jù)地質(zhì)素描判定的Q值劃分圍巖類別,直接確定工程對(duì)應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù),針對(duì)不良地質(zhì)體的超前預(yù)測(cè)手段較為單一。為保證隧道安全生產(chǎn)及施工質(zhì)量,從超前預(yù)測(cè)、掌子面判定、隱蔽工程記錄等方面,形成了“超前探孔-地質(zhì)素描-TDMS隧道文件管理系統(tǒng)”的地質(zhì)工作流程(見圖2)。針對(duì)超前探孔在爆破開挖前識(shí)別出的潛在不良地質(zhì)體,采用TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[3],進(jìn)一步確認(rèn)掌子面前方的地質(zhì)情況,必要時(shí)進(jìn)行超前支護(hù);重視隱蔽工程的記錄工作,以50m為周期,繪制隧道縱向地質(zhì)剖面圖及節(jié)理極坐標(biāo)圖等,作為Q值判定的補(bǔ)充資料,收集匯總至TDMS(tunnel data manage ment system)中。

圖2 NEOM隧道項(xiàng)目地質(zhì)工作流程Fig.2 Geological workflow of NEOM tunnel

1.3 開挖支護(hù)工序分析

根據(jù)Q系統(tǒng)判定結(jié)果,圍巖穩(wěn)定性由強(qiáng)到弱,支護(hù)類型分為AD-1～AD-5;其中施工占比較高的AD-1～AD-3,無(wú)仰拱封閉,采用全斷面爆破開挖法,單個(gè)爆破循環(huán)進(jìn)尺3～5m,主要采用噴射混凝土加注漿錨桿進(jìn)行支護(hù),混凝土噴射厚度為50～100mm。爆破開挖的單循環(huán)時(shí)間為20h左右,爆破開挖與支護(hù)工序如圖3所示。

圖3 開挖支護(hù)工序Fig.3 Excavation support process

2 Q值圍巖分級(jí)法分析

2.1 計(jì)算方法

根據(jù)挪威巖土工程研究所發(fā)布的2015版Q系統(tǒng)使用手冊(cè),Q值的計(jì)算包含6個(gè)取值參數(shù),計(jì)算公式如下:

(1)

Q值范圍為0.001～1 000,劃分為9個(gè)質(zhì)量等級(jí)[4],Q值由小到大,分別代表圍巖質(zhì)量從極差的膨脹性巖石到極好的堅(jiān)硬完整巖體,如表1所示。

表1 Q系統(tǒng)圍巖分級(jí)Table 1 Q-system rock classification

2.2 分類參數(shù)取值

2.2.1巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD

巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD定義為鉆進(jìn)回次中大于10cm的柱狀巖芯長(zhǎng)度之和與當(dāng)次進(jìn)尺的百分比,通常以5為間隔取值。在野外環(huán)境下,常采用單位巖體的節(jié)理數(shù)目進(jìn)行計(jì)算[5]:

RQD=115-3.3Jv

(2)

式中:Jv為單位巖體的節(jié)理數(shù)目。RQD取值如表2所示。

表2 RQD取值標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Standard of RQD value

2.2.2節(jié)理組數(shù)Jn

相同時(shí)期內(nèi)由同一構(gòu)造作用所形成的相互平行或近于平行的節(jié)理,稱為節(jié)理組;無(wú)規(guī)律出現(xiàn)間隔數(shù)米的節(jié)理稱為隨機(jī)節(jié)理[6]。在隧道施工中,節(jié)理組數(shù)Jn的取值,根據(jù)掌子面及拱頂?shù)墓?jié)理組數(shù)量確定,Jn的取值并不簡(jiǎn)單等于節(jié)理組的數(shù)量,在隧道交叉口取3Jn,在隧道洞口取2Jn,具體取值標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 Jn取值標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Standard of Jn value

2.2.3節(jié)理粗糙系數(shù)Jr

節(jié)理的形狀、節(jié)理壁的光滑程度、節(jié)理間的接觸方式,將影響巖體的整體強(qiáng)度。節(jié)理摩擦特性取決于節(jié)理壁的特征,通常使用“粗糙”“光滑”等術(shù)語(yǔ),對(duì)節(jié)理在小尺度(mm,cm)的粗糙度進(jìn)行描述;使用“起伏”“平直”等術(shù)語(yǔ),對(duì)節(jié)理在大尺度(m)的粗糙度進(jìn)行描述。

在計(jì)算Q值時(shí),需選擇與開挖穩(wěn)定性相關(guān)的最不利節(jié)理組的Jr值(考慮節(jié)理組走向與洞室軸線間的關(guān)系,并不一定為最小值),即此時(shí)節(jié)理剪切最可能發(fā)生。如果相關(guān)節(jié)理組的平均間距大于 3m,則Jr取值可增加1.0,平直、光滑的線狀節(jié)理抗剪強(qiáng)度低,Jr可取0.5,具體取值標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 Jr取值標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Standard of Jr value

2.2.4節(jié)理蝕變系數(shù)Ja

除節(jié)理粗糙度外,節(jié)理充填物的特性對(duì)巖塊間抗剪強(qiáng)度的影響也尤為重要[7],分類取決于填充物的粗糙度和厚度。對(duì)于光滑的節(jié)理,填充1mm就足以防止巖壁接觸;然而,對(duì)于粗糙和起伏的節(jié)理,可能需要幾毫米甚至幾厘米。

填充礦物的類型及其特性對(duì)于Ja值的推導(dǎo)具有決定性作用。水是否會(huì)軟化礦物質(zhì)填充物也很重要,可以通過(guò)將礦物質(zhì)樣品放入水中進(jìn)行測(cè)試。由于在某些黏土中只需要少量的水即可引起膨脹,因此通常會(huì)給出高Ja值。

必須評(píng)估給定位置所有節(jié)理組的Ja值。在計(jì)算Q值時(shí),必須使用對(duì)開挖穩(wěn)定性最不利節(jié)理組的Ja值(考慮節(jié)理組走向與洞室軸線間的關(guān)系,并不一定為最大值),即最有可能發(fā)生剪切的節(jié)理組。Ja的具體取值標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

表5 Ja取值標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Standard of Ja value

2.2.5節(jié)理水折減系數(shù)Jw

節(jié)理裂隙水的存在會(huì)軟化或沖掉節(jié)理間的礦物充填物,減少節(jié)理面上的摩擦,從而降低圍巖強(qiáng)度。水壓可以降低節(jié)理壁上的法向應(yīng)力,使巖塊更容易剪切[8]。Q系統(tǒng)通過(guò)節(jié)理裂隙水折減系數(shù)Jw,描述地下水對(duì)圍巖質(zhì)量的影響,根據(jù)掌子面的滲水、滴水的流量及流速確定,在判定Jw時(shí),應(yīng)綜合考慮地面降水、隧道埋深、封閉方法和排水措施等,具體取值標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

表6 Jw取值標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Standard of Jw value

2.2.6應(yīng)力折減系數(shù)SRF

一般來(lái)說(shuō),SRF 描述了地下巖壁周圍的應(yīng)力和巖石強(qiáng)度之間的關(guān)系。應(yīng)力的影響通?？梢栽谡谱用嬷苯佑^察得到,如剝落、板裂、變形、擠壓和塊體釋放等。然而,在壓力現(xiàn)象可見之前可能會(huì)經(jīng)過(guò)一些時(shí)間?？梢詼y(cè)量巖體的應(yīng)力和強(qiáng)度,然后根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc與主應(yīng)力σ1之間的關(guān)系或最大切向應(yīng)力σθ與σc之間的關(guān)系來(lái)計(jì)算 SRF。在地質(zhì)勘察階段,SRF可以根據(jù)覆蓋層和地形特征或區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造的經(jīng)驗(yàn)來(lái)規(guī)定。SRF取值標(biāo)準(zhǔn)如表7所示。

表7 SRF取值標(biāo)準(zhǔn)Table 7 Standard of SRF value

2.3 Q值算例

以4號(hào)支洞第405循環(huán)為例,進(jìn)行Q值計(jì)算。

1)巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD

根據(jù)地質(zhì)素描及計(jì)算結(jié)果,單位巖體的節(jié)理數(shù)目Jv=18.75,因此,RQD=110-2.5Jv=63.125。

2)節(jié)理組數(shù)Jn

根據(jù)地質(zhì)素描結(jié)果,出現(xiàn)J1,J2,J3 3組節(jié)理及JR1,JR2隨機(jī)節(jié)理,根據(jù)取值標(biāo)準(zhǔn),節(jié)理組數(shù)Jn=12。

3)節(jié)理粗糙系數(shù)Jr

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)素描,地質(zhì)情況為第2類,根據(jù)“b 錯(cuò)動(dòng)10cm前節(jié)理壁能直接接觸:E粗糙或不規(guī)則的,平直的”,節(jié)理粗糙系數(shù)Jr=1.5。

4)節(jié)理蝕變系數(shù)Ja

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)素描,地質(zhì)情況應(yīng)歸為第1類節(jié)理壁直接接觸(無(wú)礦物充填或只有薄膜覆蓋),節(jié)理壁輕微變質(zhì),無(wú)軟化礦物蓋層、砂粒、松散黏土等充填,節(jié)理蝕變系數(shù)Ja=2。

5)節(jié)理水折減系數(shù)Jw

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)素描,為開挖時(shí)干燥或有局部小水流(潮濕或極少水滴),節(jié)理水折減系數(shù)Jw=1。

6)應(yīng)力折減系數(shù)SRF

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)素描,屬于堅(jiān)硬巖石,主要是巖石應(yīng)力問(wèn)題,故應(yīng)力折減系數(shù)SRF取值為1。綜上可得Q值:

支護(hù)類型屬于AD-3,可細(xì)分為AD-3A。

3 圍巖支護(hù)體系設(shè)計(jì)

3.1 圍巖支護(hù)類型劃分

每個(gè)循環(huán)處理完欠挖后,由專業(yè)地質(zhì)工程師進(jìn)行地質(zhì)素描,對(duì)Q系統(tǒng)中的各分類參數(shù)進(jìn)行賦值并計(jì)算Q值,根據(jù)地質(zhì)素描報(bào)告和Q值確定支護(hù)類型與參數(shù)。本項(xiàng)目根據(jù)Q值劃分的支護(hù)類型及占比如表8所示,各支護(hù)類型的支護(hù)參數(shù)如表9所示。

表8 Q值劃分支護(hù)類型及占比Table 8 Support type of Q value and percentage

表9 各支護(hù)類型的支護(hù)參數(shù)Table 9 Support parameters for each support type

3.2 典型支護(hù)類型與支護(hù)參數(shù)

由表8可知,本項(xiàng)目最常見的支護(hù)類型為AD-2和AD-3,如圖4,5所示。支護(hù)類型AD-2,單循環(huán)設(shè)計(jì)進(jìn)尺為5m,全斷面開挖,噴射混凝土厚度為75mm,錨桿間距2.1m;支護(hù)類型AD-3,單循環(huán)設(shè)計(jì)進(jìn)尺為3m,全斷面開挖,噴射混凝土厚度為100mm,錨桿間距1.5m。

圖4 AD-2支護(hù)類型Fig.4 Support type AD-2

圖5 AD-3支護(hù)類型Fig.5 Support type of AD-3

此外,針對(duì)軟弱巖土體或局部超挖量過(guò)大的情況,采用L形鋼筋固定鋼筋網(wǎng)片的方法,防止巖體掉塊、崩落。

4 結(jié)語(yǔ)

Q系統(tǒng)分類法能夠?qū)λ淼绹鷰r質(zhì)量進(jìn)行定量綜合分析,在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中具有較高的適用性和可操作性。同時(shí),支護(hù)等級(jí)的劃分與支護(hù)參數(shù)的選擇與Q值密切相關(guān),當(dāng)圍巖等級(jí)較好時(shí)可主要使用“注漿錨桿+噴射混凝土”的支護(hù)方式;當(dāng)圍巖等級(jí)較弱時(shí),還需要借助“格柵/型鋼鋼架+鋼筋網(wǎng)片”的方式確保支護(hù)體系的安全。

隨著中國(guó)企業(yè)越來(lái)越多地在海外承建隧道項(xiàng)目,沙特NEOM隧道支洞項(xiàng)目對(duì)Q系統(tǒng)分類法圍巖判定與支護(hù)體系的探索和創(chuàng)新,不僅有力保證了項(xiàng)目的施工安全與施工質(zhì)量,也為今后同類項(xiàng)目的順利實(shí)施積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。