第４期（总第２０２期） 文章编号：１００６—８１３９（２０１６）０４—０２１—０３ 山西水利科技 ２ｌ 巴顿Ｑ系统在隧洞支护设计中的应用 冯志糜 （山西省水利水电勘测设计研究院山西太原０３００２４） 摘议。 要：巴顿Ｑ系统广泛应用于地下洞室围岩分类、岩质边坡岩体质量分级等方面。文中通过某 水工隧洞应用实例，运用Ｑ系统对现场隧洞开挖后的围岩进行分级，并对隧洞支护设计提出合理建 关键词：岩体质量分类；Ｑ系统；隧洞围岩分类 中图分类号：ＴＶ５５４ 文献标识码：Ｂ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂａｒｔｏｎ Ｑ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｔｕｎｎｅｌ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ ＦＥＮＧ Ｚｈｉ－ｍｉ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｒｔｏｎ Ｑ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｃａｖｉｔｉｅｓ，ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｑｕａｌｉｔｙ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｃｋ ｓｌｏｐｅｓ ａｎｄ ｍａｎｙ ｏｔｈｅｒ ａｓｐｅｃｔｓ．Ａ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ａｓ ａｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｔｏ ｃｌａｓｓｉｆｙ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｅｄ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｕｓｉｎｇ Ｂａｒｔｏｎ Ｑ ｓｙｓｔｅｍ．Ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｕｎｎｅｌ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｑｕａｌｉｔｙ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ；Ｂａｒｔｏｎ Ｑ ｓｙｓｔｅｍ；ｔｕｎｎｅｌ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ 目前，山西省引水隧洞围岩分类主要采用《水利 水电工程地质勘察规范》（ＧＢ５０４８７—２００８），该规范中 根据岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水状 态、主要结构面产状五项因素对洞室围岩岩体进行评 分，将洞室围岩划分为五类。在世界范围内，巴顿Ｑ系 本）。该系统建立了岩体质量指标Ｑ和支护类型之间 的关系，并在隧洞开挖实例验证的基础上建立了硐室 开挖跨度和Ｑ值的关系。Ｑ系统采用六个岩体相关参 数，即岩体质量指标ＲＱＤ、节理组数厶、节理粗糙度 、节理蚀变系数厶、节理含水折减系数 和应力折 统应用最为广泛，近些年在国内也得到了广泛的应 用。应用领域较多的是地下硐室围岩分类，我国许多 重要的水电地下厂房、引水隧洞都应用Ｑ系统进行了 围岩分类，该系统建立了岩体质量指标Ｑ和支护类型 之间的关系，为支护设计提出相应的支护建议，得到 了良好的效果。 减系数ＳＲＦ，用来表示并确定岩体的等级指标： Ｑ－（ 幡）（ ） ㈩ 式中第一个商数表示岩体完整性，第二个商数表 示节理面的粗糙度和蚀变程度，第三个商数表示水与 应力对岩体质量的影响。式中六个参数值均可通过查 表查得【ｌＪ，由此可以得到岩石的质量Ｑ值。Ｑ值的取值 范围一般为０．００１～１０００。其中０．００１～０．０１岩体质量描 述为十分差，０．０１～０．１为很差，０．１～１为差，１～４为较 １ Ｑ系统简介 Ｑ系统由挪威的巴顿等人于１９７４年提出，经过 １９９３年、２００２年两次修正，趋于完善（国内现状：很多 水利水电地下硐室围岩分类方案均采用的是１９９３年 修正前版本，因此本文论述亦采用１９９３年修正前版 收稿日期：２０１６—０７—１２ 修回日期：２０１６—０９一Ｏ１ 差，４～ｌ０为一般，ｌＯ一４Ｏ为较好，４０—１００为好，１００— ４００为很好，４００—１０００为十分好。 大量的工程实例表明，隧洞永久支护的数量和类 作者简介：冯志糜（１９８４一），男，２００６年毕业于成都理工大学岩土工程专业，工程师。 ２２ 冯志糜：巴顿Ｑ系统在隧洞支护设计中的应用 ２０１鱼 型与围岩的Ｑ值有密切的关系，利用Ｑ系统进行围 岩分类后，可提供隧洞支护的类型，从而方便指导隧 洞的设计和施工。ｑ值和隧洞的跨度、高度等指标结 合在一起得到隧洞的支护系统图（见图１），图中纵坐 标 值为当量尺寸，为隧洞实际开挖宽度（，Ｊ）和开挖 支护比（ 尺）的比值。ＥＳＲ值与隧洞开挖用途和安全 系数有关，可通过查表１取得。 Ｈ 隧洞全长约６００ ｍ，最大埋深９０ ｍ。硐室为城门 洞型，净宽４．０ ｍ。隧洞穿越地层为古生界二叠系砂 岩、泥页岩。根据前期勘测资料，硐室围岩岩体破碎， 岩体分类为极差。据钻孔声波测试成果，洞身段岩体 纵波波速为２ ４８９～３ ４５５ ｍ／ｓ，平均值为２ ８６１ ｍ／ｓ，岩 体完整性系数０．３８ ０．５５，平均值为０．４６，岩体总体较 破碎，完整性较差。本次勘察对砂岩和页岩分别取样 进行室内实验，其中砂岩的天然密度为２．７３ ｇ／ｃｍ ，吸 ｛ 分差 很差 ｌ 差 较差 一般 较好 好 很好 ｝ 分奸 ｏ０ 水率为０．８５，单轴饱和抗压强度为４２．６ ＭＰａ，属较坚 ＿－ ：—一一 ３８ — 垂 覆 ５２０ １０ ０ 一—／ ： ５ ３７ 一／ ， 不 支 护 区 ： ２ １ ３６ ／ Ｉ 一 图１巴顿Ｑ系统隧洞支护系统图 表１隧洞开挖类别与ＥＳＲ量值表 开挖类别 ＥＳＲ Ａ临时矿山坑道 ２－５ Ｂ矿山永久坑道、水工隧洞、导坑等 １．６￣２．０ Ｃ储备用地下空洞、水处理场、地方道路和支线隧洞 １．２＾，１－３ Ｄ地下发电站、主要道路和铁道的隧道、隧洞交叉部 隧道洞口和 ０．２～１．１ Ｅ地下核电站、下工厂等 地铁站、体育场等公共地下设施和地 ０．５－０．８ ２工程应用实例 某在建隧洞工程位于太原西山地区，工程区位于 晋中新裂陷之太原断陷的北端，周边为吕梁一太行断 块之五台山块隆。燕山期构造运动形成本区的基本构 造框架，其构造形迹主要为北东、北北东和北西向，主 要为褶皱和断裂，喜山期构造运动进一步继承和改 造，并形成了一些新的断裂。进入新生代以后，区内新 构造运动比较活跃，其中较强烈的构造活动大致有五 至六期，主要表现形式为山区的大面积间歇性上升、 断陷盆地的基底不断下沉、沉积厚度增加，此外还有 老断层的复活、新断层的产生、水系的演化及地震等。 据《中国地震动峰值加速度区划图》（ＧＢ１８３０６—２００１） 图Ａ１及《中国地震动反应谱特征周期区划图》 （ＧＢ１８３０６—２００１）图Ｂ１，工程区地震动峰值加速度值 为０．２０ ｇ，反应谱特征周期值为０．３５ ｓ，相应地震基本 设防烈度为Ⅷ度。 硬岩；饱和抗剪断强度：ｃ ：８．３ ＭＰａ， ＝４１．５。。泥岩的 天然密度为２．７６ ｇ］ｃｍ ，吸水率为１．８０％，单轴饱和 抗压强度为２４．３ ＭＰａ，属较软岩；饱和抗剪断强度： Ｃ ＝１．８２ ＭＰａ， ＝３９．６。。 隧洞处地下水类型主要为碎屑岩类裂隙水，主要 接受大气降水补给，水位埋深随季节变化较大。碎屑 岩类裂隙水含水层为长石石英砂岩，地下水主要赋存 于节理裂隙中，富水性较差一中等；砂质页岩、泥岩及 炭质页岩为相对隔水层。受泥页岩阻隔作用，裂隙水 常在砂页岩接触部位出溢成泉。据现场查勘，隧洞出 口一带出溢泉水流量约０．１－０．２ Ｌ／ｍｉｎ。据隧洞洞身段 基岩钻孔压水试验，隧洞洞身段基岩透水率为４．２６— １１．０６，属弱一中等透水层。综合分析判别隧洞围岩类 别为Ｖ类。建议该段围岩岩体单位弹性抗力系数Ｋｏ＝ ５０—１００ ＭＰａ／ｍ，坚固系数ｆ＝ｏ．５～１，泊松比 ＝Ｏ．３５～ ０．４５，变形模量０．１～０．３ ＧＰａ。围岩极不稳定，不能自 稳，变形破坏严重，建议喷混凝土、系统锚杆加钢筋 网，刚性支护。 隧洞开挖后，通过Ｑ系统对隧洞进口段进行围岩 分类并提出相应的支护措施，Ｑ系统中的各参数的取 值见下。 （１）岩体ＲＱＤ值采用前期勘察钻孑Ｌ岩芯资料，页 岩的ＲＱＤ平均值为２３，岩体质量非常差。 （２）据现场量测，隧洞进口处主要发育三组节理 裂隙，其产状分别为：①Ｎ４０～４８。Ｗ／ＮＥ ６８。；②Ｎ６５～ ７０。Ｅ／ＳＥ ７８。；￣Ｎ３５～５０。Ｗ／ＳＷ／＿７８。。节理面较为平 直，裂隙宽约０～５ ｍｍ，泥质、泥质岩屑充填、半充填， 部分裂隙闭合，延伸较远。 根据围岩节理发育情况，共发育三组节理，取 值为９；节理面状态为平直光滑，取 为１．０；节理面 大多充填黏土，取厶为４．０。 （３）隧洞进口处掌子面干燥，未见地下水，取厶， 为１．０。 （４）岩层含有黏土或化学风化岩石的软弱带，开 第４期（总第２０２期） 冯志糜：巴顿Ｑ系统在隧洞支护设计中的应用 ２３ 挖深度小于５０ ｍ，ＳＲＦ值取５．０。 支护方案。但Ｑ系统分类方案中并未将岩石强度考虑 在内，结构面因素中考虑的是最不利结构面，未考虑 根据式（１）计算，该段硐室围岩Ｑ值为０．１２８，围 岩类别为差。 对于永久开挖的引水隧洞，开挖支护比（ＥＳＲ）取 结构面的不利组合情况。 因此在实际工程中，宜将不同的围岩分类方法综 合运用，多方面进行比较，能取得较好的分类成果及 支护设计方案。 小值为１．６（计算结果偏安全），隧洞开挖净宽４．０ ｍ， 则当量尺寸Ｈ＝４．０／１．６＝２．５。根据图１的对应关系，隧 洞所需支护为第３０类初期支护。再由ＲＱＤ／Ｊｎ＜５．０， ＥＳＲ＝２．２￣６，查表得该类支护为：挂网喷５ ｃｍ厚混凝 ４结论 由于隧洞实际开挖后的围岩情况与前期勘测的 土支护体系。原设计方案为间距ｌ～１．５ ｍ系统锚杆加 挂网喷混凝土。经综合讨论后，建议采取支护措施为 随机锚杆（长度３ ｍ）加挂网喷５ ｃｍ厚混凝土。 结论存在或多或少的差异，设计阶段的支护方案未必 适合现状围岩。隧洞开挖后，Ｑ系统所需的六个参数 均能直观地进行判断，因此在施工阶段，施工地质人 员根据现场围岩情况，运用巴顿Ｑ系统对围岩进行分 类，并提出支护措施建议。该方法具有直观、方便、快 ３ Ｑ系统与现行规范的对比 现行《水利水电工程地质勘察规范》（ＧＢ５０４８７— ２００８）对围岩的分类主要考虑了岩石强度、岩体完整 程度、结构面状态、地下水状态、主要结构面产状五项 因素，将硐室围岩划分为Ｉ～Ｖ类，并根据围岩不同的 类别，提出了相对较为笼统的支护措施。设计人员依 此进行工程支护设计时，往往仅针对围岩本身，未将 工程规模（硐室跨度）考虑在内。 Ｑ系统的围岩分类方案对岩石的质量分级进行 速的特点，可以带来显著的经济效益和社会效益。当 围岩质量好于预期，可以减少支护工程量，避免了施 工浪费；当围岩质量差于预期，可以加强支护，避免硐 室塌方等造成的经济损失。 参考文献： ［１］张忠亭，景峰，杨和礼．工程实用岩石力学［Ｍ］．北京：中国 水利水电出版社，２００９：１１５—１１７． 了定量计算，并和硐室的支护类型密切联系，充分考 虑了工程类型、用途和规模，提出了划分较为细致的 ．Ｓ ． Ｌ． Ｌ ．Ｓ ． Ｌ．Ｓ ． Ｌ ． ． Ｌ． Ｌ． Ｌ （上接第２０页）结构，中间设一道厚ｏ．８ ｍ隔墙，以避 水池做成双层结构，下层与泵室段进水池联通。下游 免弯道水流过于向凹岸集中。 为防止汾河发洪水时沿许坦渠出口倒灌，对城区 溢流槛槛顶高程较ｌ＃蓄水池蓄水位高０＿３ ｍ。下层底 高程与泵室底板同高，在顶板上开设４个直径２ ｍ的 联通孔，以联通进水池上、下层，以便试运行时水流联 通循环。联通孔在水泵正常运行时用法兰盖封死。 ６）地基处理设计 由于泵站座落在不良沙层上，根据地质勘察资 料，地基土为严重液化，地基承载力９０～１１０ ｋＰａ。参照 前两期工程的经验，地基采用碎石桩进行处理，梅花 型布置，桩径０．４ ｍ，桩距１．２ ｍ，有效桩深１０．０ ｍ。 形成淹没灾害，进水流道采用封闭式的布置型式，其 顶板顶面与景观平台同高。 为防止东暗涵雨洪及许坦渠内日常污水进入泵 室，减少对水泵的腐蚀和流道的污染，以及每年检修 试运行时对水泵的磨损，在流道前端设有拦污坎，底 坡为１：４，末端与泵室底高程相同。 （４）泵室段 泵室段由引水道段的两机一道变为单机单道地 下结构，采用钢结构预制井筒安装。 ５结语 汾河公园两岸边山支沟的雨洪均排人汾河主河 泵室底板高程满足最小淹没深度的要求。泵室顶 面高程高出景观平台０．７ ｍ。水泵出水口比蓄水池水 位略高出０．２ ｍ，并设有拍门。 （５）出水池段 水流经泵室的穿墙管，进入出水池消能后流入出 水流道，高度和宽度均与泵室段相同。 为保证汛前水泵试运行的顺利进行，拟将泵站出 道，许坦渠也不例外。由于汾河三期工程蓄水池的水 位较高，许坦渠难以就近自排进入汾河，因此考虑平 时小流量污水就近自排进入暗涵，大部分雨洪采用泵 站抽排进入汾河主河道。该方案既经济又能减少平时 的污水污染汾河蓄水池的水质。
