中国公路隧道围岩分级法和挪威Q值法及南非RMR法对应关系探讨

2013-03-19金立平

城市道桥与防洪 2013年3期

金立平

（中国上海外经(集团)有限公司，上海200032）

0 问题的提出

伊朗德黑兰北部高速公路项目地处伊朗北部山区，由中国承包商负责设计和施工，由英国咨询公司负责监理。隧道支护和衬砌按照中国规范进行设计和施工，对应的隧道围岩也按照中国规范进行分级，而国际上比较通用的是RMR法和Q法。由于业主和监理部了解中国的隧道围岩分级法，而中国的技术人员缺乏RMR法和Q法的实践基础。因此，承包商和业主、监理之间对于隧道围岩分级的技术交流缺乏共同的标准。在施工过程中表现为双方对围岩等级的判断出现差异而导致对支护方式持不同意见，不仅耽误施工，而且影响验工计价。因此，本文试图通过德黑兰北部高速公路项目的工程实践，建立中国的BQ值法、挪威的Q法和南非的RMR法三者之间简单的定量转换关系，为隧道围岩分级的技术交流建立一个共同的平台。

1 隧道围岩分级的总体思路

世界各国根据本国的工程实践提出适合本地区地质条件的各种围岩分级方法有数十种之多，如中国的BQ值法、挪威的Q法、南非的RMR法、Deere提出的RQD分类法、前苏联的普式系数f法等。各种分级方法所依据的判别指标基本上是相通的，主要包括三大类指标。第一类是岩石的岩性指标，如强度指标、硬度指标、变形性能指标等；第二类是岩体的结构特性指标，如岩体完整性指标、节理的多少和宽窄、节理充填物的性能等；第三类是岩体所处的环境指标，如结构面的产状、地下水、地应力大小和方向等。由于不同地区所处的地质条件不同，上述三大类指标所表现出来的重要程度也不相同，因此，各国的隧道围岩分类法各不相同。我国公路隧道围岩是依据围岩基本质量指标BQ值进行分级，而国际工程项目大多采用南非的RMR法或挪威Q值法。

2 中国公路隧道围岩分级方法

我国公路隧道围岩分级主要依据《公路工程地质勘察规范》（JTG C20-2011）中的隧道围岩基本质量指标BQ值。BQ值分级方法采用的三类指标包括：第一类岩性指标采用单轴饱和抗压强度Rc；第二类岩体的结构特性指标采用岩体完整性系数Kv；第三类岩体所处的环境指标采用地下水影响修正系数K1、主要软弱面产状影响修正系数K2、初始应力状态影响修正系数K3等三个修正系数。根据前两类指标确定岩体基本质量指标BQ值，然后采用第三类指标对基本质量指标进行修正，得到岩体基本质量指标修正值[BQ]，以此来确定隧道围岩等级，即：

岩体基本质量指标BQ值：

BQ=90+3Rc+250Kv

岩体基本质量指标修正值[BQ]：

[BQ]=BQ－100(K1+K2+K3)

上述各项指标的取值参见文献[1]、[2]。限于篇幅这里不做详细介绍。按照上述程序计算得到隧道围岩的[BQ]值，按照表1确定围岩等级。

表1 BQ值法隧道围岩级别划分表

3 Q值法确定围岩等级

1974年挪威岩土工程研究所（Norwegian Geotechnial Institue）在对200多个已建隧道的统计数据的基础上，提出了巴顿（Barton）Q体系法，1993年对其进行了修正，包含了来自一千多座隧道的统计数据，为隧道的稳定性提供了量化评价依据。Q值分级方法采用的三类指标包括：第一类岩性指标采用岩石质量指标RQD，即钻探时岩芯复原率或称岩芯采取率；第二类岩体的结构特性指标采用岩体节理组数Jn、节理粗糙程度Jr和节理蚀变系数Ja等三个指标；第三类岩体所处的环境指标采用节理水折减系数Jw和应力折减系数SRF等两个系数。采用上述三类指标计算Q值的公式如下：

由于上述各个参数对围岩分级的影响程度不同，Q法对上述各参数分配了不同的取值范围，分别是 0

表2 Q值法隧道围岩级别划分表

Q值法是各项指标的积商模型，由于上述公式中Ja和SRF在分母中，取值的误差会导致Q值的离散度比较大，从而影响对围岩分级的准确性。

4 RMR法确定围岩等级

由南非Z.T.Bieniawksi在1973年提出，后经多次修改，于1989年发表在《工程岩体分类》一书中。该分类系统也是采用三大类指标进行综合判断。第一类岩性指标采用岩石单轴抗压强度Rc和岩石质量指标RQD；第二类岩体的结构特性指标采用岩体节理间距和节理条件等两个指标；第三类岩体所处的环境指标采用地下水条件指标、节理产状和隧道走向的关系等。计算RMR值的方法是首先根据现场地质条件对5种指标进行评分，即A1岩石单轴抗压强度 Rc、A2岩石质量指标RQD、A3节理间距、A4节理条件和A5地下水条件等，将各个指标的评分相加求得总分即RMR基本值，再根据节理产状和隧道走向关系即指标B进行修正，得出修正的RMR值，即RMR=A1+A2+A3+A4+A5+B。各指标的评分方法和取值范围可参阅相关文献。在现场根据各个工点隧道开挖面的地质状况对各个指标进行评分，算数求和得出RMR值，然后按照表3对围岩进行分级。

表3 RMR法围岩级别划分表

由于RMR法较全面地考虑了影响隧道围岩稳定性的众多因素；同时，综合指标RMR值的计算模型是和差模型，即将各因素以和差形式综合，计算简单、离散性小，容易操作，因此在世界各国得到比较广泛的应用。

5 中国公路隧道围岩分级法和RMR法及Q值法对应关系

汇总表1、表2和表3得到中国公路隧道围岩分级法和RMR法、Q法对应关系如表4所列。

表4 隧道围岩分级BQ值法、RMR法和Q法对应关系表

根据表4的对应关系，无论采用哪种综合指标都可以转换到中国的隧道围岩分级，然后根据围岩等级确定支护方案和衬砌设计。现在以伊朗德黑兰北部高速公路项目塔隆隧道内一次设计变更为例，阐述上述三种分级法对应关系在国际工程的技术交流中的作用。

德黑兰北部高速公路项目是连接伊朗首都德黑兰和里海海岸城市恰卢斯的山区高速公路，全长121 km，双向4车道，设计行车速度80 km/h。一期工程是从德黑兰起点开始的32 km，塔隆隧道是该标段内最长的隧道，左线长4 842m，右线长4 892m，最大埋深965 m，地应力明显。隧道左线开挖到里程LK23+933时，根据设计图纸该处属于III级围岩，支付方式是锚网喷，然而，该支护方式无法满足安全要求。现场的地质条件是，掌子面岩体较破碎，黑色凝灰岩，微风化，如图1所示。围岩两组节理加局部紊乱节理发育，张开度约2 mm，间距约50 cm，节理走向与隧道轴线夹角约65°，节理面粗糙，中等岩爆，地下水不发育，局部裂隙水。围岩饱和单轴抗压强度为45 MPa。