中國公路隧道圍巖分級(jí)法和挪威Q值法及南非RMR法對(duì)應(yīng)關(guān)系探討

金立平

（中國上海外經(jīng)(集團(tuán))有限公司，上海200032）

0 問題的提出

伊朗德黑蘭北部高速公路項(xiàng)目地處伊朗北部山區(qū)，由中國承包商負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和施工，由英國咨詢公司負(fù)責(zé)監(jiān)理。隧道支護(hù)和襯砌按照中國規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，對(duì)應(yīng)的隧道圍巖也按照中國規(guī)范進(jìn)行分級(jí)，而國際上比較通用的是RMR法和Q法。由于業(yè)主和監(jiān)理部了解中國的隧道圍巖分級(jí)法，而中國的技術(shù)人員缺乏RMR法和Q法的實(shí)踐基礎(chǔ)。因此，承包商和業(yè)主、監(jiān)理之間對(duì)于隧道圍巖分級(jí)的技術(shù)交流缺乏共同的標(biāo)準(zhǔn)。在施工過程中表現(xiàn)為雙方對(duì)圍巖等級(jí)的判斷出現(xiàn)差異而導(dǎo)致對(duì)支護(hù)方式持不同意見，不僅耽誤施工，而且影響驗(yàn)工計(jì)價(jià)。因此，本文試圖通過德黑蘭北部高速公路項(xiàng)目的工程實(shí)踐，建立中國的BQ值法、挪威的Q法和南非的RMR法三者之間簡單的定量轉(zhuǎn)換關(guān)系，為隧道圍巖分級(jí)的技術(shù)交流建立一個(gè)共同的平臺(tái)。

1 隧道圍巖分級(jí)的總體思路

世界各國根據(jù)本國的工程實(shí)踐提出適合本地區(qū)地質(zhì)條件的各種圍巖分級(jí)方法有數(shù)十種之多，如中國的BQ值法、挪威的Q法、南非的RMR法、Deere提出的RQD分類法、前蘇聯(lián)的普式系數(shù)f法等。各種分級(jí)方法所依據(jù)的判別指標(biāo)基本上是相通的，主要包括三大類指標(biāo)。第一類是巖石的巖性指標(biāo)，如強(qiáng)度指標(biāo)、硬度指標(biāo)、變形性能指標(biāo)等；第二類是巖體的結(jié)構(gòu)特性指標(biāo)，如巖體完整性指標(biāo)、節(jié)理的多少和寬窄、節(jié)理充填物的性能等；第三類是巖體所處的環(huán)境指標(biāo)，如結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、地下水、地應(yīng)力大小和方向等。由于不同地區(qū)所處的地質(zhì)條件不同，上述三大類指標(biāo)所表現(xiàn)出來的重要程度也不相同，因此，各國的隧道圍巖分類法各不相同。我國公路隧道圍巖是依據(jù)圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值進(jìn)行分級(jí)，而國際工程項(xiàng)目大多采用南非的RMR法或挪威Q值法。

2 中國公路隧道圍巖分級(jí)方法

我國公路隧道圍巖分級(jí)主要依據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20-2011）中的隧道圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值。BQ值分級(jí)方法采用的三類指標(biāo)包括：第一類巖性指標(biāo)采用單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc；第二類巖體的結(jié)構(gòu)特性指標(biāo)采用巖體完整性系數(shù)Kv；第三類巖體所處的環(huán)境指標(biāo)采用地下水影響修正系數(shù)K1、主要軟弱面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2、初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)K3等三個(gè)修正系數(shù)。根據(jù)前兩類指標(biāo)確定巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值，然后采用第三類指標(biāo)對(duì)基本質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行修正，得到巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ]，以此來確定隧道圍巖等級(jí)，即：

巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值：

BQ=90+3Rc+250Kv

巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ]：

[BQ]=BQ－100(K1+K2+K3)

上述各項(xiàng)指標(biāo)的取值參見文獻(xiàn)[1]、[2]。限于篇幅這里不做詳細(xì)介紹。按照上述程序計(jì)算得到隧道圍巖的[BQ]值，按照表1確定圍巖等級(jí)。

表1 BQ值法隧道圍巖級(jí)別劃分表

3 Q值法確定圍巖等級(jí)

1974年挪威巖土工程研究所（Norwegian Geotechnial Institue）在對(duì)200多個(gè)已建隧道的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了巴頓（Barton）Q體系法，1993年對(duì)其進(jìn)行了修正，包含了來自一千多座隧道的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，為隧道的穩(wěn)定性提供了量化評(píng)價(jià)依據(jù)。Q值分級(jí)方法采用的三類指標(biāo)包括：第一類巖性指標(biāo)采用巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD，即鉆探時(shí)巖芯復(fù)原率或稱巖芯采取率；第二類巖體的結(jié)構(gòu)特性指標(biāo)采用巖體節(jié)理組數(shù)Jn、節(jié)理粗糙程度Jr和節(jié)理蝕變系數(shù)Ja等三個(gè)指標(biāo)；第三類巖體所處的環(huán)境指標(biāo)采用節(jié)理水折減系數(shù)Jw和應(yīng)力折減系數(shù)SRF等兩個(gè)系數(shù)。采用上述三類指標(biāo)計(jì)算Q值的公式如下：

由于上述各個(gè)參數(shù)對(duì)圍巖分級(jí)的影響程度不同，Q法對(duì)上述各參數(shù)分配了不同的取值范圍，分別是 0

表2 Q值法隧道圍巖級(jí)別劃分表

Q值法是各項(xiàng)指標(biāo)的積商模型，由于上述公式中Ja和SRF在分母中，取值的誤差會(huì)導(dǎo)致Q值的離散度比較大，從而影響對(duì)圍巖分級(jí)的準(zhǔn)確性。

4 RMR法確定圍巖等級(jí)

由南非Z.T.Bieniawksi在1973年提出，后經(jīng)多次修改，于1989年發(fā)表在《工程巖體分類》一書中。該分類系統(tǒng)也是采用三大類指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷。第一類巖性指標(biāo)采用巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rc和巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD；第二類巖體的結(jié)構(gòu)特性指標(biāo)采用巖體節(jié)理間距和節(jié)理?xiàng)l件等兩個(gè)指標(biāo)；第三類巖體所處的環(huán)境指標(biāo)采用地下水條件指標(biāo)、節(jié)理產(chǎn)狀和隧道走向的關(guān)系等。計(jì)算RMR值的方法是首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件對(duì)5種指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，即A1巖石單軸抗壓強(qiáng)度 Rc、A2巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD、A3節(jié)理間距、A4節(jié)理?xiàng)l件和A5地下水條件等，將各個(gè)指標(biāo)的評(píng)分相加求得總分即RMR基本值，再根據(jù)節(jié)理產(chǎn)狀和隧道走向關(guān)系即指標(biāo)B進(jìn)行修正，得出修正的RMR值，即RMR=A1+A2+A3+A4+A5+B。各指標(biāo)的評(píng)分方法和取值范圍可參閱相關(guān)文獻(xiàn)。在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)各個(gè)工點(diǎn)隧道開挖面的地質(zhì)狀況對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，算數(shù)求和得出RMR值，然后按照表3對(duì)圍巖進(jìn)行分級(jí)。

表3 RMR法圍巖級(jí)別劃分表

由于RMR法較全面地考慮了影響隧道圍巖穩(wěn)定性的眾多因素；同時(shí)，綜合指標(biāo)RMR值的計(jì)算模型是和差模型，即將各因素以和差形式綜合，計(jì)算簡單、離散性小，容易操作，因此在世界各國得到比較廣泛的應(yīng)用。

5 中國公路隧道圍巖分級(jí)法和RMR法及Q值法對(duì)應(yīng)關(guān)系

匯總表1、表2和表3得到中國公路隧道圍巖分級(jí)法和RMR法、Q法對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所列。

表4 隧道圍巖分級(jí)BQ值法、RMR法和Q法對(duì)應(yīng)關(guān)系表

根據(jù)表4的對(duì)應(yīng)關(guān)系，無論采用哪種綜合指標(biāo)都可以轉(zhuǎn)換到中國的隧道圍巖分級(jí)，然后根據(jù)圍巖等級(jí)確定支護(hù)方案和襯砌設(shè)計(jì)。現(xiàn)在以伊朗德黑蘭北部高速公路項(xiàng)目塔隆隧道內(nèi)一次設(shè)計(jì)變更為例，闡述上述三種分級(jí)法對(duì)應(yīng)關(guān)系在國際工程的技術(shù)交流中的作用。

德黑蘭北部高速公路項(xiàng)目是連接伊朗首都德黑蘭和里海海岸城市恰盧斯的山區(qū)高速公路，全長121 km，雙向4車道，設(shè)計(jì)行車速度80 km/h。一期工程是從德黑蘭起點(diǎn)開始的32 km，塔隆隧道是該標(biāo)段內(nèi)最長的隧道，左線長4 842m，右線長4 892m，最大埋深965 m，地應(yīng)力明顯。隧道左線開挖到里程LK23+933時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)撎帉儆贗II級(jí)圍巖，支付方式是錨網(wǎng)噴，然而，該支護(hù)方式無法滿足安全要求。現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件是，掌子面巖體較破碎，黑色凝灰?guī)r，微風(fēng)化，如圖1所示。圍巖兩組節(jié)理加局部紊亂節(jié)理發(fā)育，張開度約2 mm，間距約50 cm，節(jié)理走向與隧道軸線夾角約65°，節(jié)理面粗糙，中等巖爆，地下水不發(fā)育，局部裂隙水。圍巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為45 MPa。

圖1 LK23+933掌子面地質(zhì)條件圖示

按照上述現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，分別采用BQ值法、Q值法和RMR法對(duì)圍巖等級(jí)進(jìn)行判別如下。

5.1 采用BQ值判斷圍巖等級(jí)

按照中國的公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范，上述現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件應(yīng)取 Kv=0.6，K1=0.1，K2=0.1，K3=0.5，則根據(jù)公式BQ=90+3Rc+250Kv和 [BQ]=BQ－100（K1+K2+K3）計(jì)算得到[BQ]值為 305，查表 4可知對(duì)應(yīng)的圍巖等級(jí)是Ⅳ級(jí)。

5.2 采用Q值判斷圍巖等級(jí)

按照Q法的規(guī)范，上述現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件應(yīng)取RQD=70%，Jn=6,Jr=3，Ja=4，Jw=1，SRF=6，則：

根據(jù)表4，Q值1.46對(duì)應(yīng)的圍巖等級(jí)是Ⅳ級(jí)。

5.3 采用RMR值判斷圍巖等級(jí)

按照RMR法的規(guī)范，上述現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件應(yīng)取A1=4，A2=13，A3=10，A4=10，A5=7，B=-12，則根據(jù) RMR=A1+A2+A3+A4+A5+B計(jì)算得RMR=32。查表4可知，RMR法分級(jí)是Ⅳ級(jí)圍巖。

上述計(jì)算結(jié)果顯示中國BQ法、挪威Q值法和南非RMR法對(duì)該案例中圍巖等級(jí)的判別是一致的，屬于IV級(jí)圍巖。為此，向監(jiān)理申請(qǐng)按照IV級(jí)圍巖變更支護(hù)設(shè)計(jì)，即采用錨網(wǎng)噴和格柵鋼架組合支付方式，變更申請(qǐng)獲得了批準(zhǔn)。

6 結(jié)語

（1）上述中國公路隧道圍巖分級(jí)法和RMR法、Q法的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系是以德黑蘭北部高速公路項(xiàng)目的工程實(shí)踐為基礎(chǔ)，對(duì)應(yīng)關(guān)系簡單，可操作性強(qiáng)，為項(xiàng)目實(shí)施過程中的技術(shù)交流創(chuàng)造了條件。

（2）中國公路隧道圍巖分級(jí)法和RMR法、Q法的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系為中外之間就隧道圍巖分級(jí)的技術(shù)交流建立了共同的平臺(tái)，也是為中國規(guī)范推廣到國際市場(chǎng)的一次嘗試。

（3）由于隧道圍巖分級(jí)的部分定量指標(biāo)的取值存在一定的模糊性，因此，上述三種分級(jí)法的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系還需要通過更多的國際工程實(shí)踐進(jìn)一步完善。

[1]JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JTG C20-2011公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[3]GB50218-94工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]劉漢啟，張敏靜，等.基于RMR分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隧道圍巖級(jí)別的劃分[J].公路,2008，(9):179.