巖體質量分級Q系統在某地下儲油洞庫設計中的應用

任文明，胡謀鵬

(中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

地下工程建筑物是置于地層中的結構物，它的受力和變形與圍巖密切相關，支護結構與圍巖作為一個統一的受力體系相互約束，共同作用。根據目前我國地下工程結構設計的實踐，基于經驗的工程類比法占據一定的位置［1－3］，必要時應結合監控量測法及理論驗算法。尤其在工程項目的預可研、可研和初步設計階段，有關場區的工程地質、水文地質信息和地應力水平的詳實資料缺乏或深度不夠時，采用工程界認可度比較高的工程巖體分級系統對預估地下洞室或隧道結構支護水平、圍巖強度和變形特性是很有幫助的。

Q 系統［4－5］主要考慮了巖體完整性、節理特性、地下水和地應力影響，并以6個參數來表征巖體質量指標Q值。

式中:RQD為1963年Deere提出的巖石質量指標;Jn為節理組數;RQD/Jn代表了巖體塊度;Jr為對圍巖穩定性最不利的節理粗糙度系數;Ja為對圍巖穩定性最不利的節理面蝕變程度或填充情況;Jr/Ja代表了節理面摩擦強度;Jw為節理水折減系數;SRF為地應力折減系數。

文獻［3］詳細介紹了Q系統，并說明了Q系統與其他圍巖分類方法有很好的相關性;文獻［6］對Q系統中幾個主要評分因素的含義進行了合理解釋，主要包括RQD、適用巖體、洞室埋深和Ja等;文獻［7］著重論述了Q系統在某些高地應力地區的不足，并對Q系統做了局部修正，使其適應特定工程高地應力特點;文獻［8］以鉆孔巖心地質編錄確定Q系統的6個參數，與利用RQD值所得巖體質量評價結果對比，一致性良好;文獻［9］綜合比較了國標《工程巖體分級標準》、RMR系統和Q系統的異同點;文獻［10］為使Q系統法能應用于TBM施工工法，對Q系統進行了局部修改。本文主要論述了Q系統在某地下儲油洞庫中的應用，并對實際工作中具體Q系統參數取值時的若干爭論意見進行了合理解釋，并建立了本場區Q與RMR的關系式，為合理估計圍巖自穩時間和確定支護施作時間提供有價值的參考。

1 基于Q系統的支護設計

通過評價巖體Q值，根據Q系統可得地下洞室與巖體Q值相對應的支護類型，并且也提供了相應Q值下所需的圍巖支護壓力，從而可方便地指導地下洞室設計與施工，見圖1。圖中 ESR(Excavation Support Ratio)為開挖支護率，與地下開挖使用功能和重要程度有關，對于永久性的地下儲油洞室建議ESR=1.0。

Barton也提供了關于錨桿長度、最大無支護跨度和拱頂支護壓力等方面的建議值，以進一步補充其1974年Q系統創立以來的支護設計建議。

錨桿長度L可以通過開挖寬度B和開挖支護率ESR來預估。

最大無支護跨度

基于對工程實例的統計分析，Grimstad和 Barton［4］提出了永久拱頂支護壓力與圍巖Q值的關系式

2 Q系統應用

2.1 工程概況

某地下儲油洞庫工程由若干條平行布置的地下儲油洞室組成，儲油洞室所在深度為未風化、微風化花崗巖地層，單地下洞室開挖斷面尺寸19 m×24 m，長度近1 km，采用鉆爆法施工。通過2條施工巷道從地表斜向下以斜坡的形式連接儲油洞室，作為出渣運輸通道。

本場區出露地層有太古界表殼巖系、中元古界長城系、古生界寒武系、中生界侏羅系—白堊系和新生界第四系。巖性主要由中粗粒堿長花崗巖組成，其中分布著輝綠巖脈、細晶花崗巖脈、閃長玢巖脈和安山巖脈等。

圖1 Q系統的支護分級Fig.1 Support classification based on Q system

勘察階段進行了巖樣的物理力學試驗和地應力測試。場區花崗巖單軸抗壓強度170 MPa，單軸抗拉強度8 MPa，場區最大主應力為水平方向(近東西向，與儲油洞室軸向布置方向一致)，大小6.2～11.5 MPa，另一方向最小水平主應力3.6～9.0 MPa，垂直主應力1.8 ～3.6 MPa。

2.2 Q支護設計

某地下儲油洞庫項目采用地下水封原理將原油儲存于地下洞室中，圍巖為燕山晚期花崗巖，采用Q系統進行圍巖質量分級，分為 Q≥40、10＜Q＜40、4＜Q≤10、1＜Q≤4和0.1＜Q≤1共5個等級。儲油洞室的開挖斷面尺寸為19 m×24 m，開挖支護率ESR=1.0，根據圖1，可得到不同Q值分區對應的支護設計。當4＜Q≤10時，采用拱頂錨桿長度5 m，邊墻錨桿長度6 m，系統錨桿2 m×2 m，噴射鋼纖維混凝土厚80 mm，支護典型圖詳見表1。對于Q＜0.1的不良地質地段，根據圖1就需要采用噴射混凝土鋼筋加強肋(RRS)、系統錨桿、鋼纖維噴射混凝土(厚度大于15 cm)或者混凝土襯砌，本項目根據國內工程施工習慣，在Q＜0.1的不良地質地段，采用了格柵鋼架+噴射混凝土+掛網和混凝土襯砌加強支護形式，基本符合Q系統的支護原則和支護強度。根據地下洞室收斂變形的現場監控量測結果(見圖2)，最大下沉量不到9 mm，證明采取Q支護是有效、合理的。

表1 某地下儲油洞室典型Q支護參數Table 1 Typical supporting parameters of an underground storage cavern based on Q system

圖2 某儲油洞室里程STA668處拱頂下沉量測結果Fig.2 Crown settlement measured at STA668 of an underground storage cavern

2.3 Q系統若干參數取值建議

1)RQD值。RQD值是一個明顯受方向影響的參數，為此，應分別計算洞室的邊墻、頂拱和掌子面的RQD值，并應考慮洞室掘進方向與優勢節理組的方向關系。具體工作中，一般取上述代表性位置中的實測RQD值的平均值作為選用指標。如果某節理組對洞室穩定性明顯不利，可取該組節理RQD值與平均值的較小值作為選用指標。當計算出的巖體Q值為4＜Q＜30，由于爆破損傷影響，會在開挖區周圍產生新的節理，這將導致圍巖Q值降低，一般可采取降低RQD值來應對此不利影響。

2)關于Jn值。怎么區分隨機節理和節理組。通常把延伸性較好的節理定義為一組節理，而對延伸性差的節理定義為隨機節理。

3)關于Jr值。怎么判斷節理壁平直還是波狀。圖3給出了節理壁平直和波狀示意圖。

圖3 節理壁平直、波狀示意圖Fig.3 Sketch of joint plane

4)如何判斷節理組對洞室穩定性不利程度。Q系統本身并沒有考慮節理產狀對圍巖質量分級的影響，但 Bieniawski的 RMR系統和 GB 50218—1994《工程巖體分級標準》附錄D有相關描述，可以參考使用。

5)關于SRF取值。如果相關的剪切帶沒有直接與開挖區交叉，而是僅對其有影響，可相應減小SRF值25%～50%;有的中文翻譯版翻譯得不太準確，這里解釋一下:這里的相關剪切帶是指根據前期開挖揭露的地質資料或其他地質信息推測開挖區附近有剪切帶，但沒有直接與開挖區相交。可見有的中文資料翻譯為“相關剪切帶沒有位于交叉口時”顯然是有問題的。

SRF和Ja取值的相關性:比如開挖區遇到一條軟弱帶時(洞室埋深大于50 m)，這時SRF值應取2.5;那Ja該怎么取呢?有人認為Ja應從除軟弱帶之外的其他節理組評價，他們認為SRF值已經考慮了軟弱帶的不利影響，沒必要Ja賦值時再考慮。筆者看法正好相反，縱觀Q系統從來沒有這樣的解釋，6個參數是相對獨立的，分別考慮了影響巖體質量的不同因素，有其較為明確的物理意義。尤其從Ja表注可以看出，Ja評價應考慮對洞室穩定性不利的節理，顯然Ja評價時應選取橫穿開挖區的不利軟弱帶。

3 圍巖自穩時間

這里的自穩時間定義為:圍巖開挖后，在不支護條件下從初始穩定狀態到發生坍塌的時間長度。合理評價圍巖的自穩時間，對地下工程設計、施工有著非常重要的意義。本項目伊始也進行了該項工作，初期同時采用Q系統和RMR系統2種圍巖質量分級系統，通過比較兩者的關系，采取對數擬合，可獲得適合本場區工程地質特點的Q與RMR關系式 (見圖4)，從而利用RMR系統［11］評價巖體的自穩時間。

圖4 RMR和Q系統之間的擬合關系式Fig.4 Fitted relationship between RMR system and Q system

表2為根據RMR巖體質量分級系統確定的本場區圍巖自穩時間。根據圍巖自穩時間可以確定支護施作時間，比如0.1＜Q≤1時，圍巖自穩時間小于1 d，嚴格細分的話，拱頂7 m無支護跨度 (2個爆破循環進尺)圍巖自穩時間小于9 h，意味著爆破后9 h內需要立即施作系統錨噴支護以維持開挖面巖體穩定。

表2 圍巖自穩時間Table 2 Stand-up time of surrounding rock mass

4 結論與體會

1)Barton提出的巖體分級Q系統是目前國際上使用最為廣泛的巖體分級系統，Q系統的最大優勢也是Barton創立Q系統的初衷，就是基于工程類比法，提供不同圍巖質量等級相對應的支護類型，即根據Q系統可以直接進行支護設計。

2)由于工程地質條件和設計工況的復雜性，Q系統也有其自身的不足。例如，Q系統沒有直接考慮巖石強度，沒有考慮結構面產狀對洞室穩定性的影響，沒有考慮采用鉆爆法開挖爆破損傷區對圍巖Q值降低的影響，因此，在應用Q系統時，必須掌握Q系統的優勢和不足，切勿盲目套用。最好的方法是工程開始同時采用2種巖體分級系統(比如Q系統和RMR，或國標圍巖分級)，實踐檢驗哪個分級系統是最適合的。

通過建立適應本場區工程地質特點的RMR與Q系統之間的擬合關系式，可以評估巖體開挖后圍巖自穩時間，從而為確定支護施作時間提供參考。

3)對Q系統應用時的若干疑問進行了合理解釋。選擇有經驗的工程地質工程師對圍巖質量等級進行評價，項目開始，對從業人員進行相關業務培訓是必要的。

4)Barton也提出了圍巖Q值與縱波速度、巖體變形模量、洞室變形等的關系式，其他學者在工程實踐中也不斷豐富發展Q系統，對Q系統的廣泛應用起了極大的推動作用。Q系統是伴隨支護技術的發展而完善起來的，直接服務于生產實踐，因此，在實際工程應用時一定要檢查是否采用的是Q系統的最新版本。

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