水利水电工程围岩工程地质分类与Q分类相关性及支护对比研究

王 焘,吴顺川,浦仕江,奎 盖,孙俊龙,王 锐,任子健

(昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明 650093)

0 引 言

在地下工程中,岩体稳定性问题一直以来是重要课题.目前,地下工程设计主要采用工程类比法,然而,围岩分级作为岩体稳定性评价的主要方法,并且是经验设计方法的基础,为地下工程轴线布置、支护结构设计、开挖施工、工程造价等提供重要参考依据.地下工程开挖后,岩体产生位移的同时,也产生了由表及里的应力重新调整,发生应力重分布的岩体称为围岩[1-2].围岩不仅具有岩体的复杂结构特征,还具有复杂的力学特性.

水利水电工程地下硐室常用围岩分级方法有:水利水电工程围岩工程地质分类(HC法)[3]、巴顿岩体质量分级(Q系统)[4]、BQ法[5]、岩体地质力学分级(RMR)[6]等.其中,HC法是在国内水利水电工程中主要采用的围岩分类方法,广泛应用于国内重大水利工程建设.随着国家“一带一路”倡议的实施,在国外以中国标准成功修建了许多水利水电工程,为HC法国际化积累了丰富经验.Q系统是国际普遍认可的将围岩分级方法与单层衬砌支护类型密切结合的地下工程围岩分级方法.学者们结合重大工程项目开展了HC法和Q系统相关性研究,如溪洛渡水电站、三峡工程、二滩水电站、大岗山水电站、拉西瓦水电站、锦屏二级水电站、双江口水电站、楞古水电站、白鹤滩水电站、斗马隧道、瀑布沟水电站、陶家山隧道、那苏瓦水电站、马来西亚水电站、巴基斯坦卡洛特水电站、厄瓜多尔CCS水电站等[7-26].

本文通过HC法和Q系统在国内外地下工程建设中的应用案例,探索两者相关性,以滇中引水工程楚雄段伍庄村隧洞的支护为例,对比分析HC法与Q系统在支护中的不同,力求为Q系统的支护方案在水利水电工程中的应用提供建议.

1 水利水电工程围岩工程地质分类[3]

水利水电工程围岩工程地质分类(HC法)是在我国“六五”国家科技项目15-2-1《水电站大型地下洞室围岩稳定和支护的研究和实践》-“水电站地下工程围岩分类”的基础上,参考国内外主要隧洞围岩分类方法,结合国内鲁布革、天生桥、彭水、小浪底、水丰等十几个大型水利水电工程提出的围岩工程地质方法[27].该方法属于多因素累积评分的综合评价法,分为初步分类和详细分类,初步分类以岩体强度、岩体完整程度、岩体结构类型为基本依据,以岩层走向与洞轴线的关系、水文地质条件为辅助依据的定性分类;详细分类以岩体强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状五项因素之和的总评分为基本判据,围岩强度应力比为限定判据.

在详细分类中,HC法包括基本因素和修正因素,其中岩体强度、岩体完整程度和结构面状态为基本因素,为正值;地下水活动状态和主要结构面产状为修正因素,为负值;围岩强度应力比作为限定条件.HC法的围岩总评分:

HC=A+B+C+D+E

(1)

式中:A为岩体强度的评分;B为岩体完整程度的评分;C为结构面状态的评分;D为地下水状态的评分;E为主要结构面产状的评分.

围压强度应力比:

式中:Rb为岩石饱和单轴抗压强度,MPa;Kv为岩体完整性系数;σm为围岩的最大主应力,MPa.

HC法的围岩地质详细分类标准详见表1.

表1 HC法的围岩分类表

2 巴顿岩体质量分级

Q系统是N.Barton(1974)在研究挪威水电站厂房变形量问题时,参考了212个隧道项目提出的岩体质量分级[4].E.Grimstad和N.Barton在1993年根据 1 050 个挪威隧道项目对Q系统进行了完善和修正[28].Q系统考虑了六个参数:岩体质量指标(RQD)、节理组数、最不利节理或节理组的粗糙度、最不利节理或节理组的蚀变状态、裂隙水状态和强度应力比.计算公式为:

式中:RQD为岩体质量指标;Jn为节理组数指标;Jr为最不利节理或节理组的粗糙度指标;Ja为最不利节理或节理组的蚀变状态指标;Jw为裂隙水状态指标;SRF为断层、硬岩强度应力比、挤压、膨胀等相关的指标.

表2 Q系统岩体质量分级表

3 HC法与Q系统相关性研究

3.1 HC法与Q系统相关性

通过文献资料调查,本文依据18个工程项目的HC法和Q系统相关性研究成果[7-26],获得了在不同工程背景下的两者关系式,详见表3.由于各关系式是在不同的HC值区间内提出的,具有一定的适用范围,但各关系式的基本形式保持了一致性,详见式(4),呈对数线性相关,相关系数R为[0.18,0.972],普遍具有较好的相关性,说明HC法和Q系统在评判岩体质量方面具有高度的一致性.

HC=alnQ+b

(4)

式中:a和b为常数项系数.

表3 在不同工程项目中HC法与Q系统的关系式及工程背景

续表3

在深埋洞室条件下,王广德在锦屏二级水电站引水隧洞研究HC法和Q系统相关性时发现高地应力(非岩爆段)具有较好的对数线性相关性[10].在高应力(岩爆段),王广德和赵其华等[10,12]发现HC法和Q系统虽然也呈对数线性相关,但其相关系数较低,R为[0.18,0.59].因为在HC法中将强度应力比作为限定条件,未直接参与HC值的计算.在深埋洞室中,当发生岩爆或塑性变形时,通过HC值确定的围岩类别宜降低一级[3],未明确修正后的HC值的大小.然而Q系统通过SRF指标将高应力状态直接反映在Q值.因此,导致HC法和Q系统出现相关性明显降级.在此基础上,王广德和赵其华等[10,12]提出了高地应力(岩爆)条件下的HC值修正方法.随着水利水电工程开发进军西部,高地应力条件下的岩爆和塑性变形问题越来越显著,因此HC法和Q系统相关性亟需进一步研究.

通过资料收集,获得HC法与Q系统直接对应数据324组[8-9,11,13-14,16-18,20-26],HC值的区间为[2,90].当文献中仅有关系式时,依据取值区间生成以HC值间距为1的相应Q值,以弥补在该条件下的数据缺失.最终得到649组数据.并其绘制HC-Q图,详见图1.数据呈显著的条带状分布,采用最小二乘法对数据进行回归拟合,建立了HC值与Q值的关系方程式,呈对数线性相关,详见式(4),其相关系数为 0.865 1,说明HC法与Q系统在评价岩体质量时具有显著的相关性.

HC=9.194 32lnQ+42.596 08,R=0.865 1

(5)

上下限包络线确定,本文以式(4)为界,将数据点分为上下两部分数据,然后分别采用最小二乘法回归分析得到相应方程式,依次迭代,保证90%以上数据点能分布到上下限包络线方程式内.在迭代过程中,相关系数均在0.94以上,说明拟合的方程式具有一定的可靠性.最终确定上下限方程式(6)和式(7),保证约95%的数据点分布在上下限包络线内,如图2所示.

上限:

HC=7.600 63lnQ+61.140 76

(6)

下限:

HC=11.964 52lnQ+21.651 9

(7)

图1 HC值与Q值的相关性图Fig.1 Correlation between HC value and Q value

图2 HC值与Q值相关性的上下界限包络线图Fig.2 Upper and lower bounds envelope diagram of correlation between HC value and Q value

3.2 围岩级别

HC法采用五类围岩类别,Q系统采用9级围岩分级,为了将Q系统围岩分级也采用五类,根据上下限公式确定了各级围岩的界限值,详见表4.

表4 HC法与Q系统在五类围岩类别对照表

本文将图2与Q-support图进行叠加处理后,得到了基于HC法的五类围岩类别对应的单层衬砌的支护建议图,详见图3.

4 支护方案对比分析

4.1 工程背景

本文以滇中引水工程楚雄段伍庄村隧洞为例,隧洞全长 11 416 m,隧洞总体方向呈南东向.隧洞通过地段属低中山地貌,主要山脊、冲沟顺北东向展布,与线路大角度相交.隧洞沿线地面高程一般为 1 989～2 186 m,谷底高程一般为 1 905～1 960 m,最大山顶高程 2 285 m(杨家后山附近).隧洞埋深主要在100～200 m 之间,最大埋深约 337 m,位于隧洞前段杨家后山附近.本文选用桩号WZCT4+120～WZCT4+660伍庄村隧洞段的支护参数为研究对象,该段隧洞主要埋深150～305 m,跨度为 10.02 m,高度为 10.73 m.

岩体质量图3 HC法的五类围岩类别与Q-support支护的关系图Fig.3 Relationship between five classes of surrounding rock and Q-support by HC method

穿越地层为中生界侏罗纪上统妥甸组上段(J3t2)和白垩系下统高峰寺组下段(K1g1),属于典型“滇中红层”.J3t2地层:岩性为紫红、暗紫红、暗红色夹黄绿、灰绿色等杂色中厚～厚层状钙质泥岩、泥岩夹泥灰岩,该洞段以泥质软岩为主,工程岩组划分为软岩岩组.K1g1地层:岩性为灰白、黄灰色中厚层状细～中粒长石石英砂岩夹紫红色泥岩及砂砾岩透镜体,该洞段以硬质砂岩为主,工程岩组划分为坚硬岩岩组.根据施工设计,拟选研究段的围岩类别主要为Ⅲ～Ⅴ类.

岩体质量图4 Q-support图对HC法中五类围岩类别支护参数建议分区图Fig.4 Q-support diagram of HC method in five types of surrounding rock support parameters recommended partition diagram

4.2 支护参数对比

N.Barton 等(1974)[4]提出了不同ESR条件下的建议锚杆长度计算公式:

由公式(8)确定本文案例的建议锚杆长度为2.8～3 m.根据图4得到HC法在各类围岩中的钢纤维喷射混凝土及锚杆间距等建议支护参数,详见表5.

表5 HC法在各级围岩中不同支护方案对比Tab.5 Comparison of different supporting schemes of HC method in surrounding rock

由表5可知,Q系统的支护方法主要采用钢纤维增强喷射混凝土和锚杆,而复合衬砌的初衬主要采用喷射素混凝土、挂网、系统锚杆和钢支撑.从施工工序角度,复合衬砌的初衬相比Q系统的支护方法相对较复杂,尤其在Ⅳ和Ⅴ类围岩中,均采用不同间距的钢支撑.在施工过程中需要将每榀钢支撑分割成若干段,通过接头连接、锁脚锚杆和连接筋补强钢支撑的整体刚度和提高其稳定性.Q系统的支护主要优点是不需要钢支撑,通过钢纤维增强喷射混凝土代替喷射素混凝土、挂网和钢支撑,从而简化施工工序.在钢纤维喷射混凝土类型选取上存在不同,Q系统的钢纤维增强喷射混凝土依据能量吸收率E分为三类: 1 000 J、700 J、500 J[29],国内规范对钢纤维喷射混凝土采用强度等级,如CF35,CF40等.目前,Q系统的支护在国内地下工程支护设计中还处在科研和试验阶段,仍需要进一步研究.

5 结 论

1) 本文根据HC法和Q系统的围岩分级在16个水利水电工程和2个公路隧道中的应用情况,对其相关性进行了研究,通过最小二乘法的线性拟合理论得到了两者的关系式,呈对数线性相关,相关系数为0.865 1.根据数据点的分布特征,通过迭代,得到了保证约95%的数据点分布在上下限包络线内.

2) 将反映HC法和Q系统相关性的上下限包络线方程式与Q-support图进行叠加处理,得到了Q-support图对HC法的五类围岩类别支护参数建议分区图.

3) Q系统的支护主要优点是不需要钢支撑,简化复合衬砌中初衬施工工序;在钢纤维喷射混凝土类型选取上存在不同,Q系统的钢纤维增强喷射混凝土依据能量吸收率确定,国内规范对钢纤维喷射混凝土采用强度等级确定;目前,Q系统的支护在国内地下工程支护设计中处在科研和试验阶段,仍需要进一步研究.