何 燕 云
(上海勘测设计研究院有限公司, 上海 200434)
尼泊尔那苏瓦卡里水电站工程由首部枢纽、进水口、沉砂池、冲砂系统、引水隧洞、调压井、电站厂房、尾水渠以及配套交通设施组成,除首部枢纽、隧洞进水口以及交通配套设施外,其余均为地下工程。工程区位于喜马拉雅山脉的峡谷地带,属高山峡谷地貌。地下洞室、引水和尾水隧洞全长约5 000 m,隧洞围岩为片麻岩、石英岩以及片岩。参照中国《水力发电工程地质勘察规范》[1](GB 50287—2016),引水系统洞室围岩主要以Ⅱ、Ⅲ类为主,部分为Ⅳ或Ⅴ类。海外水电项目中Q系统多被指定为围岩分类支护标准,美国EM1110-2-2901岩石隧洞和竖井技术标准[2]中,Q系统作为支护设计的方法之一。地下洞室围岩分类采用Q系统。根据Q值确定的围岩类别从异常好到异常差共分为9类,工程实践的围岩分类和相应支护方案一般将围岩划分为五个等级,如何划分与Q值对应的五个围岩等级,是设计中遇到的一个难题。本文基于那苏瓦卡里水电站工程项目,对Q系统应用于围岩分类和支护的理论和工程应用问题进行了探讨,研究成果可为类似项目提供参考。
Q系统是挪威岩土工程研究所(NGI)在1971年至1974年[3-4]提出的岩体分类及支护体系理论。自1974年以来,Q法围岩分类及支护图表经过了两次修订[5-6],最近发布于其官网的手册更新于2015年。不同于国内岩体常用的工程分类方法[7],Q系统将岩体由极好到极差划分为九个等级。
Q值给出了节理地下洞室围岩稳定性的描述。高Q值表示良好的稳定性,低的Q值意味着稳定性差。Q指标的数值在对数坐标上从0.001到最大值1 000。基于6个参数,Q值计算式表示如下:
(1)
其中:Rrqd=岩石质量指标;Jn=节理组数;Jr=节理粗糙系数;Ja=节理蚀变系数;Jw=节理水折减系数;Ssrf=应力折减系数。
除了岩体质量(Q值)外,还有两个因素对地下洞室支护设计起决定性作用:一是安全要求,另一个是洞室尺寸,即地下洞室的跨度或高度。一般来说,随着洞室跨度的增大和墙壁的增高,对支护的要求也将增加。安全要求则取决于洞室的用途,比如公路隧洞或地下厂房比水工隧洞或临时巷道有更高的安全要求。为表达安全要求,引入了开挖支护比res。
按照洞室建造目的不同,将开挖支护比res分为如表1所示A—G 7个不同的等级。低res值表明需要高安全性,较高的res值表征可以接受较低的安全水平。每个国家的要求和施工传统可能会导致不同于表1给出的res值。
表1 开挖支护比建议值
当Q≤0.1时,对于B、C和D等级的洞室开挖,建议res值取1.0。因为如此低的Q值,洞室可能有塌陷的风险,面临的稳定性问题可能比较严重。根据Q值确定的岩体类别及相应支护参数如图1所示。
图1所示支护建议图适用于一般情况,并没有对支护类型进行明确的区分,而是基于连续的变化。支护图给出了相应于支护形式所采用的锚杆中心对中心间距和喷混凝土厚度。标注了钢纤维喷混凝土的能量吸收,以及锚杆长度和钢支撑加固的喷混凝土设计。对于特殊情况,可适当增加相应的支护形式和支护结构数量。钢纤维的参量设计及其力学性能国内亦有诸多研究[8-9],可与Q系统能量吸收参照。
在支护图中可以看到指示喷混凝土厚度的斜线,喷混凝土的厚度随着Q值的减小和洞室尺度的增大而增加。线与线之间的位置,可以进行插值确定。如果有变形发生,比如有高应力引起,加筋混凝土应当应用于所有的支护类别。
有时可以选择支护的替代方案。支护图中高Q值区喷混凝土可选择使用,锚杆的间距则取决于是否用喷混凝土,因此支护图被划分为两个区域。定义为“有钢纤维喷混凝土的锚杆间距”区指的是锚杆和喷混凝土的组合支护;定义为“无喷混凝土的锚杆间距”区是没有喷混凝土时锚杆的间距。建议的锚杆间距是一个必要的锚杆数量的表达方式,而不是精确的锚杆间距建议值。每个锚杆的位置和方向应该基于对节理产状和几何信息的评估,这一点在锚杆间距较大时尤为重要。在没有喷混凝土的区域,系统锚杆是不相关的,应该对每一根锚杆的位置进行评估。
锚杆的长度取决于地下洞室的跨度和边墙的高度,在一定程度上取决于岩体质量。推荐的锚杆长度在支护图的右侧给出,应用前需要进行评估。在不利节理条件下,锚杆长度应比推荐值更长,而当Q值减小时锚杆长度也需加长。
图1基于Q值和等效洞径的永久支护建议图
支护图主要适用于地下空间或洞室拱顶和起拱线位置,对于高Q值区和中等Q值区(Q>0.1),边墙的支护水平通常会降低。当Q支护图用于边墙支护时,边墙的高度替代跨度,Q值需要进行调整如表2所示。
表2 应用于边墙支护设计的Q值调整
调整后的Q值用于图1来确定合适的边墙支护参数。 加筋喷混的厚度、 间距和钢筋的数量和直径都必须根据地下洞室的尺寸和岩体质量而变化。
那苏瓦卡里水电站外方的两份不同的合同文件中(Volume 1, Price Schedule 5, Table 1和Volume 5, Part II. Table 8.8)Q值与五类围岩的对应关系出现两种不同表述,如表3所示,两种不同的围岩类别与Q值对应表述给应用带来了混乱,表4和表5分别给出外方根据Q系统支护图给出的建议支护参数以及初步设计的支护参数,可以看出,表4较表5的划分方式节省了支护的工程量,比如Q值5在表4中划为2类围岩,在表5中划为3类围岩。根据初步设计的支护参数,3类围岩比2类围岩喷混凝土加厚20 mm,锚杆间距减小0.3 m。假设Q值是3,则表4将围岩类别定为2类围岩,表5将围岩类别定为4类围岩,支护参数的差异会更大。
从技术角度讲两种支护都在Q值对应的支护参数范围,似乎没有冲突,而现场对围岩Q值打分后,依据表4划定的围岩类别与中方地质工程师依照国内水工隧洞设计规范[10]和锚喷支护设计规范[11],结合经验判定的围岩类别有较大差异,一方面源于分类方法考虑因素及量化指标权重的不同,一方面中方地质工程师缺乏Q系统应用经验。
表3 五个等级的围岩对应不同的Q值范围
表4 Q值围岩等级划分及相应支护建议1
表5 Q值围岩等级划分及相应支护建议2
中方设计人员亦参考了其它涉外项目的计算报告, 其中参照马来西亚某水电站的Q系统围岩分类如表6所示,参考国内文献康小兵等[12]表7所示的基于Q值的围岩分类,王广德等[13]引用Barton研究成果Q值与Rrm之间的关系[14]为Rrm≈20.7lgQ+44,据此得出Rrm与Q系统分类围岩类别对应关系,如表8所示,1993年,在对地应力影响系数SRF修正后,Barton提出了新的Rrm与Q值的关系Rrm≈15lgQ+50,据此与Rrm分类相对应,岩体质量分为如表9所示五类。
综上可以看出基于Q值的五级围岩分类各不相同,并没有统一的标准。
表6 马来西亚某水电项目Q系统围岩分类
表7 康小兵等Q系统围岩分类
表8 Q系统修正前Q值与Rrm岩体质量类别对应关系
表9 Q系统修正后Q值与Rrm岩体质量类别对应关系
可以看出表5与表8对应关系相似。最终,中方现场地质工程师与咨询工程师根据现场实际情况反复研究,确定采用表5所示的划分方式是合理的:一方面符合Q系统围岩定性判定的岩体质量说明,另一方面现场测定的Q值与围岩的对应关系符合国内地质工程师经验判定的围岩类别。
那苏瓦水电站引水隧洞设计为马蹄形断面,开挖洞径约为7.3 m,引水隧洞开挖支护比(res)取值1.6,等效洞径近似为4.6。
根据Q系统支护图,自左侧等效洞径值4.6处做水平直线与右侧相交于大约2.5数值(res=1的锚杆长度)。可知Ⅰ类、Ⅱ类围岩无需系统支护,可采用随机锚杆加固不稳定块体,Ⅲ类—Ⅴ类围岩采用锚喷系统支护,锚杆的长度对应图右侧数值约为2.5 m,同时根据Barton关于锚杆长度的经验公式[15]计算可得锚杆设计长度约为2.7 m。Ⅲ类围岩锚杆间距可取2.1 m,Ⅳ类围岩锚杆间距可取1.7 m,Ⅴ类围岩锚杆间距可取1.3 m,锚杆间距取值都取范围值的下限值偏保守设计。
Barton锚杆长度经验公式
(2)
式中:B为隧洞洞径;res为开挖支护比。
喷混凝土厚度Ⅲ类围岩可取5 cm,Ⅳ类围岩可取6 cm,Ⅴ类围岩可取9 cm~12 cm。
根据Q系统支护图,Ⅰ类—Ⅳ类围岩不需要钢肋或钢拱架,Ⅴ类围岩需要钢肋或钢拱架,因Ⅴ类围岩覆盖的Q值范围较大,如果依据Q<0.1进行支护设计,可能会造成过度支护,因此Ⅴ类围岩设计以Q=0.1为基准,如果实际开挖Q值出现低于0.1的情况则重新制定相应的支护方案,Q<0.1时,围岩在锚喷支护的基础上再增加钢肋或钢拱架加强。钢拱架的间距可采用1.3 m。
其中Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类围岩锚喷支护即为永久支护,Ⅳ类、Ⅴ类围岩还设计了混凝土衬砌作为永久支护。
根据Q系统支护图给出的支护建议如上所述,在具体拟定支护参数过程中参考了初步设计、同时咨询在审核阶段出于保守设计的考虑又在此基础上增强了加固措施,最终引水隧道支护参数如表10所示。
表10 那苏瓦引水隧洞支护设计参数
(1) 海外水电项目地下隧洞及洞室围岩分类多采用Q系统分类标准,国内有自己成熟的围岩分类以及锚喷支护设计规范,而Q系统与国内规范对围岩的分类判据有不同的考虑因素和判定标准,不存在直接的对应关系,因此需加强Q系统的学习和实践,以应对海外工程项目技术需求。
(2) 尽管Q系统支护图表中,对不同质量围岩支护参数的考虑是有连续性的,但考虑实际应用的简化,不可能对所有的Q值设计针对性的支护参数,通常的做法是将围岩划分为五个支护等级,五个等级如何划分并不存在统一的标准,本文的划分方式可作为一种参考。
(3) 实践中,Q系统支护图表是基于经验类比法的拟定支护参数建议值,最终应用于实际工程中的参数可以做适当的调整,调整通常倾向于保守的考虑。