Q系统围岩分类及相关参数选取的应用研究

2021-06-05吴帅彬

水电与新能源 2021年5期

吴帅彬

(中国长江三峡集团有限公司上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

随着社会的发展，国内外水利水电、交通等基础设施工程越来越多，而这些工程项目不可避免的会涉及地下工程。地下洞室的围岩情况是地下工程选址、工程造价、设计、施工开挖的重要依据，而合理完善的围岩分类方法又是工程人员评判围岩类别的衡量标准。

国内外地下洞室围岩的分类方法有很多[1]，目前水利水电行业常用方法主要为水电围岩分类法、BQ分类法、RMR分类法及Q系统分类法。各个理论进行围岩分类时所考虑的主要因素各有差异[2]，实际运用中需要根据工程具体情况，选用最合适的分类方法。

Q系统分类法作为一种将围岩分类与支护类型紧密结合的地下工程围岩分类方法被广大工程技术人员普遍认可，尤其是在国际工程中得到广泛应用。Q系统分类法的不足之处在于：①未直接考虑岩石强度；②未考虑各组结构面相互之间的不利组合且也未考虑主要结构面产状与隧洞轴线走向之间的关系对围岩分类的影响；③未考虑高外水压力对围岩分类的影响；④不适用于裂隙不发育的软岩[3]。

工程技术人员在理解和运用Q系统时存在一定的差异，取值也存在一定的主观性，这对准确评价岩体Q值存在很大的影响。本文结合工程实例详细阐述Q系统中各个参数的取值方法，总结围岩Q值与具体围岩类别的对应关系，并利用围岩Q值综合分析得出围岩岩体相应的力学参数，从而更好地服务于地下工程的支护设计。

1 工程概况

尼泊尔某水电站是一座径流式电站，除首部枢纽、隧洞进水口及交通配套设施外，其余均为地下工程。该项目具有隧洞多、隧洞长、洞室跨度大、地下洞室群复杂等特点。

首部地下沉砂池区域地层岩性为片麻岩，厚层～巨厚层状结构为主，片麻状构造，裂隙不发育，风化状态以微风化～新鲜为主。厂房区域地层岩性为石英岩夹薄层片岩，互层状结构为主，部分呈薄层状，裂隙发育，风化状态以弱风化～微风化为主。引水隧洞穿越的地层岩性主要是片麻岩、石英岩、片岩。其中引水隧洞上游部分为片麻岩，下游部分及尾水隧洞为石英岩夹薄层片岩，部分引水隧洞段以片岩为主。

微风化的片麻岩与石英岩饱和单轴抗压强度均大于80 MPa，属于坚硬岩，微风化片岩的饱和单轴抗压强度一般为28～40 MPa，处于较软岩和较硬岩界线处。

通过水压致裂法测得工程区主应力大小分别为10.47、9.01 MPa和6.34 MPa。最大主应力方向为水平向，工程区最大主应力方向变化不大，分布在N10°E与N18°E之间，这是由于岩石的各向异性所导致。

2 Q系统简介

Q系统是N.Barton等人通过大量的实例分析于1974年创立，可用于评判地下工程的围岩情况，也可用于野外地质编录。Q值通过围岩岩体的6个参数计算得出，计算公式如下

式中：RQD为岩石质量指标；Jn为节理组数；Jr为节理粗糙度系数；Ja为节理风化蚀变系数；Jw为裂隙水折减系数；SRF为应力折减系数；第一项比值代表了岩体的完整程度；第二项比值代表了嵌合岩块的抗剪强度；第三项比值反映围岩的主动应力。

Q值的范围为0.001～1000，共分为9个质量等级，见表1。

表1 Q系统围岩分类等级表

Q系统是将支护类型与围岩Q值紧密结合的一种分类方法。Q系统中的支护建议图[4]是基于Q值和开挖支护比绘制的。图中清晰的描绘出具体Q值在不同开挖支护比下的建议支护类型，设计人员可根据支护建议图参考采用。

3 Q系统中各参数的取值依据

工程技术人员在实际工作中对Q系统中各参数的取值会存在差异，具有一定程度的主观性。本文结合具体工程详细阐述Q系统中各参数的含义和取值依据。

3.1 岩石质量指标RQD的确定

根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)(2009年版)可知，RQD的含义为用直径为75 mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进，连续取芯，回次钻进所取岩芯中，长度大于10 cm的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值，以百分数表示[5]。

水利水电工程引水隧洞区域地质勘察以地质测绘为主，勘探孔数量较少，且RQD与岩体的岩性、构造、裂隙、地下水的发育程度有关，勘探孔中量测的RQD很难以点带面，确定隧洞中岩体的RQD值时可参考前期勘察资料。

现场一般采用《工程岩体分级标准》(GB/T 50218-2014)中体积节理数JV来反推RQD值。JV与RQD之间的近似关系见式：RQD=115-3.3JV。当计算出的RQD大于100时取100。

在现场一般采用以下方式获取体积节理数：①在洞壁上选取大于10 m2的区域进行节理统计，换算成单位面积节理数后再乘以1.3～1.5的系数换算成单位体积节理数JV；②在拟打分区域进行节理裂隙统计，将各组裂隙平均间距的倒数相加也可近似得出单位体积节理数JV；③亦可将现场编录的节理裂隙输入计算软件中，也可得到单位体积节理数JV。

值得注意的是在现场量测过程中需要选取代表性的区域进行量测，或选取多个代表性区域量测后统计平均值，从而得到该段岩体的RQD指标。

根据Q系统规定，当RQD值小于10时，取10；RQD取值间距为5即可满足精度要求。

本工程量测RQD时主要采用上述第二种方法，通过大量的地质编录成果，现将本工程岩体的RQD取值情况总结如下：根据裂隙的发育程度，微风化～新鲜片麻岩中RQD一般取85～100，微风化石英岩中RQD一般取60～80，当石英岩层厚度较薄，裂隙发育时RQD一般取25～40，微风化片岩中RQD一般取45～70。

3.2 节理组数Jn的确定

节理组数顾名思义就是岩体中成组裂隙的个数。在现场统计节理组数时不应统计过长洞段的节理组数，这样会导致组数偏大。如果某节理仅在局部成组发育，应视为随机节理；如果某组节理较发育或不发育，但对围岩的稳定性起关键作用，应视为一组节理。

根据块体理论，若节理的间距很大或节理的延伸长度较小时均不会对围岩稳定性产生较大影响。当节理的间距大于隧洞的跨度或高度时，即使该裂隙普遍分布，也应认为是随机节理。裂隙的长度并不直接影响岩体的Q值，但对围岩的稳定性影响较大。地下洞室中贯穿性的裂隙比发育较短的裂隙重要。如果裂隙延伸较短，不会形成关键性块体，将认为是随机节理，若由于该裂隙的切割会形成不稳定块体，则认为是成组节理。

根据Q系统理论规定，隧洞交叉口处节理组数应取3倍的节理组数，隧洞入口处节理组数应取2倍的节理组数。即在隧洞交叉口及隧洞入口处节理组数要做放大处理。一般情况下放大后Jn最大取值为15，因为Jn=20为似土状的破碎岩体的取值，显然隧洞交叉口及入口处岩体一般达不到这种破碎程度。

3.3 节理粗糙度系数Jr的确定

节理粗糙度系数Jr的取值与裂隙的平滑程度、裂隙间的充填物等相关。在计算Q值时，Jr的取值并不是各组节理粗糙度系数的平均值，而应选取对岩体稳定性起关键作用的节理粗糙度系数。

在分析裂隙的平滑程度时，需整体考虑，而不应只是局部的现象。对某组裂隙应先观察裂隙面的状态，再分析是粗糙，平滑还是光滑。裂隙间的充填物是必须要考虑的一个因素。如果裂隙壁间充填物是由软弱的矿物或是碎裂岩组成，在这种情况下，裂隙的粗糙程度将不起作用，Jr值直接取1。如果充填物非常薄，在错动10 cm前节理壁直接接触，这种情况下Jr的取值可以不考虑充填物的存在。

需要注意的是在软岩中，当岩体的变形不受裂隙面控制，而受岩石本身的抗剪强度控制。在这种情况下，Jr的取值还需要做进一步的研究工作。

3.4 节理风化蚀变系数Ja的确定

节理风化蚀变系数Ja的取值与裂隙间充填物的性状有关。同理在计算Q值时，应选取对岩体稳定性起关键作用节理的风化蚀变系数。

节理风化蚀变系数的取值Q系统表中列举的情况很多，本工程在Ja取值时主要考虑节理面的风化程度及节理间的充填情况，结合本工程总结出经验，在一般情况下，新鲜岩体中Ja取0.75，微风化岩体中Ja取1.0，弱风化岩体中Ja取2.0，强风化岩体中Ja取3.0。

3.5 裂隙水折减系数Jw的确定

裂隙水折减系数是由裂隙水的流量及水压决定的。一般情况下隧洞处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。

由于基岩裂隙水的特殊性，基岩裂隙水水量的大小与补给源相关。若没有补给源，开挖一段时间后，隧洞中水量将明显减少。而一般情况下基岩裂隙水是由地表水入渗补给，雨季和旱季地表水的入渗量有很大区别。裂隙水折减系数的取值需根据实际情况进行调整。

因为本工程中不同围岩类别的支护断面不一致，尤其是Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩。若隧洞编录中围岩类别频繁变化，不仅施工开挖难度大，水头也有一定损失。

当隧洞中水量大于5 L/min，且该段岩体裂隙间充填泥质，完整性差时，则Jw取0.66；当围岩整体稳定情况不会因为水量增大有明显变化，Jw取0.66围岩类别会降级，且该段很短时，Jw可取1。

3.6 应力折减系数SRF的确定

Q系统中以上5个参数可以通过现场地质编录取值。应力折减系数SRF和地应力与岩石的强度有关，且在Q系统中SRF的取值多是一个区间，如何准确取值，较难把握。

本工程隧洞埋深一般为150～450 m，最大主应力10.47 MPa，工程区主要为中等地应力区，部分区域为低地应力区。最初围岩的SRF在1.0～2.5区间内取值，但具体取值并没有明确的标准，且SRF作为分母对Q值影响较大。

通过与雪山公司地质工程师多次交流沟通，最终该项目SRF的取值如下：隧洞轴线方向与最大主应力方向夹角小于45°，SRF取1.25，反之，SRF取1.75。当隧洞中出露剪切带时，SRF取2.0，若剪切带位于隧洞交叉口时，SRF取2.5。

3.7 Q值与常用围岩分类的对应关系

由表1可知，Q系统中根据Q值分了九种等级，这与通常熟知的Ⅰ～Ⅴ围岩有所差别，将Q值如何对应到具体的围岩类别时，存在着较大的争议。

在业主提供的合同中就存在两种版本的对应关系，如表2所示，可见在实际运用中并没有统一的标准。

表2 合同文本中两种版本的Q值与围岩类别对应关系表

经验丰富的工程师对岩体围岩类别的判断基本上不会有较大的偏差。不同版本的Q值和围岩类别的对应关系就意味着打分的标准不一致。

通过对Q系统各个参数取值的深入理解，在本工程各个区域对围岩Q值进行打分，结果显示，片麻岩区域Q值一般在11.22～96.0之间，石英岩区域Q值一般在4.29～12.86之间。这与通过《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)分析得出片麻岩区域主要以Ⅰ、Ⅱ围岩为主，石英岩区域主要以Ⅱ、Ⅲ为主的判断结果是一致的。

最终与业主工程师、咨询工程师意见达成一致，采用版本2的对应关系更切合本工程的实际情况。

在实际运用中，若Q值处于两种等级界线附近，这首先需要对围岩稳定性有一个整体的判断，再依次复核各个参数的取值情况，最终得出更符合实际的Q值。

由于Q系统还存在一些不足，并不能完全反映所有对围岩稳定性构成影响的不利因素。因而在对围岩进行分类时还需结合多种方法综合评判，从而得出更合理的围岩类别。