巴頓Q系統圍巖分類在軟弱巖體隧洞中的應用

張必勇 徐俊 沈金剛 曹道寧

摘要：巴頓Q系統圍巖分類法適應性廣，在國際上認可度較高。以巴基斯坦某水電站導流隧洞工程為例，探索了該方法在軟弱沉積巖巖體中的應用;結合工程施工實際，將其評價結果與相關規范中推薦的方法進行了比較分析。結果表明，該分類方法成熟可靠、適用性較好，可為其他類似工程提供參考。

關鍵詞：巴頓Q系統;圍巖分類;軟弱巖體;隧洞;巴基斯坦

中圖法分類號：TV554文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.05.013

1工程簡介

巴基斯坦某水電站位于東北部吉拉姆河干流，該工程設計了3條平行導流洞，長度為420-473m;開挖斷面為圓形，開挖直徑14.1～14.9m。采用鉆爆法分上下半洞進行施工。

隧洞穿越的地層為上第三系中新世Nagri組沉積巖，巖性主要為砂巖、互層狀泥質粉砂巖以及粉砂質泥巖（統稱“泥質巖”）。砂巖單層厚度為8～15m，泥質巖單層厚度為14～20m，巖體較完整，裂隙不發育，未見大型斷層或剪切帶分布。巖層產狀平緩，傾角為9°～10°，巖層走向與導流隧洞軸線夾角為68°～73°，屬于大角度相交。隧洞上覆巖體厚度20-106m。砂巖飽和抗壓強度25～30MPa，屬于較軟巖;粉砂質泥巖和泥質粉砂巖飽和抗壓強度分別為8～12 MPa、10～15MPa，均屬軟巖。地下水總體不發育，在隧洞內呈零星斷續出露，以點滴狀為主。地應力測試表明：該區域以水平應力為主導，最大水平主應力為2.5～7.9MPa，最小水平主應力為16-5.5MPa;最大水平主應力方向的側壓力系數為1.7～2.9，屬中低應力地區。工程區地震動峰值加速度為0.2眙，相應地震基本設防烈度為Ⅷ度。

2巴頓Q系統

巴頓Q系統分類法由挪威巖土工程技術研究所Barton等人提出，是一種地下洞室圍巖質量分類方法。該方法在實踐總結中不斷得到完善，在國際上應用廣泛。

巴頓Q系統使用6個參數來定量表達巖體質量，其表達式為

3實際工程應用

3.1參數取值原則及其確定

（2）Jn。在完成隧洞圍巖地質編錄后，立即進行裂隙統計。隧洞內主要結構面為層面，其次為1-2組陡傾裂隙，一般取Jn=6。開挖后的砂巖與泥質巖隧洞如圖1所示。

對于只發育有層面的巖體，取L=2;在洞口處（按2.5倍洞徑長度考慮），取Jnx2;在交叉洞段（圍巖較完整，按2倍洞徑長度考慮），取Jnx3。

（3）Jro結構面表面主要為平直型，對于平直粗糙型，取Jr=1.5;對于平直平滑型，取Jr=l;對于局部有光滑鏡面的結構面，取Jr=0.5。

（4）Ja結構面一般無厚層充填。在砂巖中，結構面表面一般附少量礦物及巖屑，取Ja=2.0;在泥質巖中，沿層面多有軟化及斷續泥化現象，部分巖體遇水易膨脹，取Ja=4.0。

（5）Jw地下水總體不發育，在隧洞內呈零星斷續出露，以點滴狀為主，開挖面總體干燥，取Jw=1.0。

（6）SRF。該區域屬中低應力地區，隧洞中泥質巖強度較低，粉砂質泥巖與其他巖層的層面為相對軟弱結構帶（面），SRF可以取5.0（開挖深度≤50m時）或2.5（開挖深度>50m時）;砂巖強度相對較高，σc/σ1=5.5-15.6（其中σc為巖石無側限抗壓強度，σ1為最小水平主應力）。若按堅硬完整巖石考慮，SRF應取1.0;但綜合分析認為，砂巖仍屬于較軟巖，考慮其受到泥質巖的軟弱接觸面的影響，建議同泥質巖一致，SRF取5.0或2.5。

3.2計算及評價結果

該隧洞共進行了264次開挖循環，在各回次開挖循環完成后，根據現場地質編錄成果按上述參數取值原則進行隧道圍巖評價，Q值范圍為0.04～3.75，見圖2。評價結果為：①該導流洞圍巖類別主要以差為主（0.1

根據以上判定的圍巖類別，在隧洞開挖完成后分別對其實施了初期支護，在支護完成后、后續二次襯砌完成前，隧洞未發生任何掉塊、垮塌等失穩破壞現象，隧洞施工順利完成。收斂監測結果表明，各觀測斷面中隧洞最大收斂變形為9.23mm，表明隧洞穩定性較好，同時驗證了以上參數選取的可靠性。

4巴頓Q系統在軟弱巖體中的適應性分析

根據《水力發電工程地質手冊》中的建議及有關學者的研究，采用巴頓Q系統與國標分類結果的對比情況見表1～2。

采用GB50287-2016《水力發電工程地質勘察規范》（以下簡稱“《規范》”）“附錄L”中推薦的圍巖詳細分類方法進行了對比分析，兩種典型圍巖的分類見表3。

以上分類表明，以砂巖為主的圍巖判定為Ⅲ類，與巴頓Q系統分類比較一致;以泥質巖為主的圍巖判定為V類，即表現為極不穩定，無自穩能力。但從實際施工過程來看，該類圍巖在開挖后3-7d內仍能保持自穩，即與Ⅳ類圍巖的典型特征更為接近。由此可見巴頓Q系統的圍巖劃分方法在該工程軟弱巖體中具有較好的適應性。

對兩種方法的主要評價參數的對比分析可知，巖石強度在軟弱巖體中的作用最為明顯。《規范》對巖石強度的評分范圍為0-30，其權重能直接影響圍巖的分類，因此完整性較好的泥質巖均判定為V類，圍巖分類偏差。但在巴頓Q系統分類中并未將巖石強度參數考慮在內，原因與SRF這一參數有關。當巖層完整、堅硬時，該參數對圍巖Q值影響明顯;當巖層完整但強度較低時，如工程以較軟巖和軟巖為主時，應充分考慮軟巖夾層的作用，或直接將整個巖層判定為軟巖層，從而使SRF能體現巖石強度，否則Q值會明顯偏大。

5結論

在工程實踐中，當地下洞室位于軟弱巖體中時，若采用巴頓Q系統分類方法，應考慮巖體強度，主要是在SRF參數取值時注意相對軟弱巖層的影響。在使用《規范》中推薦的分類方法時，可按《規范》建議與其他圍巖分類方法對比使用。不同隧洞工程的地質條件錯綜復雜、變化多樣，對于巴頓Q系統中6個參數的選擇，仍需要在實踐中不斷探索總結，以增強其適應性。