沙特NEOM隧道项目Q系统围岩分类及支护体系研究*

2024-05-08方磊

施工技术(中英文) 2024年7期

方磊

(中国铁建国际集团有限公司,北京 100039)

0 引言

隧道围岩分类、支护类型和参数的选择是决定隧道结构设计、施工方案、工程造价和作业人员安全最重要的因素[1]。Q系统分类法作为岩土工程领域应用最广的岩体质量评价方法之一,由Barton等于1974年提出,详尽阐述了节理蚀变度、节理粗糙度对围岩强度及稳定性的影响机制,以Q值来对围岩质量进行等级评价,从而确定各级围岩的支护类型与支护参数[2]。

沙特NEOM隧道支洞项目设计标准高、工期要求紧、安全质量管理严格,对隧道支护提出了较高要求;同时,NEOM新城位于沙漠地带,地质工作的研究基础薄弱,区域性工程地质资料相对缺失,缺少隧道施工案例。因此,准确判定隧道围岩级别,对隧道围岩进行分级分类,是保证项目安全生产和工程质量的重要先决条件。

针对海外项目在施工标准与管理流程方面的不同要求,本文基于挪威法隧道施工的工艺特点,对Q值围岩分级法进行深入研究,并根据围岩特征对不同支护类型的支护参数进行设计,建立了一套适用于不同围岩等级的支护体系,并在NEOM隧道支洞项目的应用中验证了其安全性和可行性。

1 工程概况

1.1 项目概况

NEOM隧道支洞项目项目包括6条支洞,总长度为8 415m(含明洞),设计为马蹄形断面,断面尺寸为11.69m×8.62m,采用挪威法工艺,钻爆法施工。隧道埋深约20～380m,洞身地层主要为元古代花岗岩和寒武系砂岩。本项目典型断面尺寸如图1所示。

图1 典型断面尺寸Fig.1 The typical section size

1.2 地质工作情况

在地质勘察阶段对基础地质资料工作的研究不足,设计文件中对不良地质体的判断不准确。挪威隧道施工法依据地质素描判定的Q值划分围岩类别,直接确定工程对应的支护结构参数,针对不良地质体的超前预测手段较为单一。为保证隧道安全生产及施工质量,从超前预测、掌子面判定、隐蔽工程记录等方面,形成了“超前探孔-地质素描-TDMS隧道文件管理系统”的地质工作流程(见图2)。针对超前探孔在爆破开挖前识别出的潜在不良地质体,采用TSP超前地质预报[3],进一步确认掌子面前方的地质情况,必要时进行超前支护;重视隐蔽工程的记录工作,以50m为周期,绘制隧道纵向地质剖面图及节理极坐标图等,作为Q值判定的补充资料,收集汇总至TDMS(tunnel data manage ment system)中。

图2 NEOM隧道项目地质工作流程Fig.2 Geological workflow of NEOM tunnel

1.3 开挖支护工序分析

根据Q系统判定结果,围岩稳定性由强到弱,支护类型分为AD-1～AD-5;其中施工占比较高的AD-1～AD-3,无仰拱封闭,采用全断面爆破开挖法,单个爆破循环进尺3～5m,主要采用喷射混凝土加注浆锚杆进行支护,混凝土喷射厚度为50～100mm。爆破开挖的单循环时间为20h左右,爆破开挖与支护工序如图3所示。

图3 开挖支护工序Fig.3 Excavation support process

2 Q值围岩分级法分析

2.1 计算方法

根据挪威岩土工程研究所发布的2015版Q系统使用手册,Q值的计算包含6个取值参数,计算公式如下:

(1)

Q值范围为0.001～1 000,划分为9个质量等级[4],Q值由小到大,分别代表围岩质量从极差的膨胀性岩石到极好的坚硬完整岩体,如表1所示。

表1 Q系统围岩分级Table 1 Q-system rock classification

2.2 分类参数取值

2.2.1岩体质量指标RQD

岩体质量指标RQD定义为钻进回次中大于10cm的柱状岩芯长度之和与当次进尺的百分比,通常以5为间隔取值。在野外环境下,常采用单位岩体的节理数目进行计算[5]:

RQD=115-3.3Jv

(2)

式中:Jv为单位岩体的节理数目。RQD取值如表2所示。

表2 RQD取值标准Table 2 Standard of RQD value

2.2.2节理组数Jn

相同时期内由同一构造作用所形成的相互平行或近于平行的节理,称为节理组;无规律出现间隔数米的节理称为随机节理[6]。在隧道施工中,节理组数Jn的取值,根据掌子面及拱顶的节理组数量确定,Jn的取值并不简单等于节理组的数量,在隧道交叉口取3Jn,在隧道洞口取2Jn,具体取值标准如表3所示。

表3 Jn取值标准Table 3 Standard of Jn value

2.2.3节理粗糙系数Jr

节理的形状、节理壁的光滑程度、节理间的接触方式,将影响岩体的整体强度。节理摩擦特性取决于节理壁的特征,通常使用“粗糙”“光滑”等术语,对节理在小尺度(mm,cm)的粗糙度进行描述;使用“起伏”“平直”等术语,对节理在大尺度(m)的粗糙度进行描述。

在计算Q值时,需选择与开挖稳定性相关的最不利节理组的Jr值(考虑节理组走向与洞室轴线间的关系,并不一定为最小值),即此时节理剪切最可能发生。如果相关节理组的平均间距大于 3m,则Jr取值可增加1.0,平直、光滑的线状节理抗剪强度低,Jr可取0.5,具体取值标准如表4所示。

表4 Jr取值标准Table 4 Standard of Jr value

2.2.4节理蚀变系数Ja

除节理粗糙度外,节理充填物的特性对岩块间抗剪强度的影响也尤为重要[7],分类取决于填充物的粗糙度和厚度。对于光滑的节理,填充1mm就足以防止岩壁接触;然而,对于粗糙和起伏的节理,可能需要几毫米甚至几厘米。

填充矿物的类型及其特性对于Ja值的推导具有决定性作用。水是否会软化矿物质填充物也很重要,可以通过将矿物质样品放入水中进行测试。由于在某些黏土中只需要少量的水即可引起膨胀,因此通常会给出高Ja值。

必须评估给定位置所有节理组的Ja值。在计算Q值时,必须使用对开挖稳定性最不利节理组的Ja值(考虑节理组走向与洞室轴线间的关系,并不一定为最大值),即最有可能发生剪切的节理组。Ja的具体取值标准如表5所示。

表5 Ja取值标准Table 5 Standard of Ja value

2.2.5节理水折减系数Jw

节理裂隙水的存在会软化或冲掉节理间的矿物充填物,减少节理面上的摩擦,从而降低围岩强度。水压可以降低节理壁上的法向应力,使岩块更容易剪切[8]。Q系统通过节理裂隙水折减系数Jw,描述地下水对围岩质量的影响,根据掌子面的渗水、滴水的流量及流速确定,在判定Jw时,应综合考虑地面降水、隧道埋深、封闭方法和排水措施等,具体取值标准如表6所示。

表6 Jw取值标准Table 6 Standard of Jw value

2.2.6应力折减系数SRF

一般来说,SRF 描述了地下岩壁周围的应力和岩石强度之间的关系。应力的影响通常可以在掌子面直接观察得到,如剥落、板裂、变形、挤压和块体释放等。然而,在压力现象可见之前可能会经过一些时间。可以测量岩体的应力和强度,然后根据岩石单轴抗压强度σc与主应力σ1之间的关系或最大切向应力σθ与σc之间的关系来计算 SRF。在地质勘察阶段,SRF可以根据覆盖层和地形特征或区域性地质构造的经验来规定。SRF取值标准如表7所示。