岩体质量分级Q系统在某地下储油洞库设计中的应用

任文明，胡谋鹏

(中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

地下工程建筑物是置于地层中的结构物，它的受力和变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束，共同作用。根据目前我国地下工程结构设计的实践，基于经验的工程类比法占据一定的位置［1－3］，必要时应结合监控量测法及理论验算法。尤其在工程项目的预可研、可研和初步设计阶段，有关场区的工程地质、水文地质信息和地应力水平的详实资料缺乏或深度不够时，采用工程界认可度比较高的工程岩体分级系统对预估地下洞室或隧道结构支护水平、围岩强度和变形特性是很有帮助的。

Q 系统［4－5］主要考虑了岩体完整性、节理特性、地下水和地应力影响，并以6个参数来表征岩体质量指标Q值。

式中:RQD为1963年Deere提出的岩石质量指标;Jn为节理组数;RQD/Jn代表了岩体块度;Jr为对围岩稳定性最不利的节理粗糙度系数;Ja为对围岩稳定性最不利的节理面蚀变程度或填充情况;Jr/Ja代表了节理面摩擦强度;Jw为节理水折减系数;SRF为地应力折减系数。

文献［3］详细介绍了Q系统，并说明了Q系统与其他围岩分类方法有很好的相关性;文献［6］对Q系统中几个主要评分因素的含义进行了合理解释，主要包括RQD、适用岩体、洞室埋深和Ja等;文献［7］着重论述了Q系统在某些高地应力地区的不足，并对Q系统做了局部修正，使其适应特定工程高地应力特点;文献［8］以钻孔岩心地质编录确定Q系统的6个参数，与利用RQD值所得岩体质量评价结果对比，一致性良好;文献［9］综合比较了国标《工程岩体分级标准》、RMR系统和Q系统的异同点;文献［10］为使Q系统法能应用于TBM施工工法，对Q系统进行了局部修改。本文主要论述了Q系统在某地下储油洞库中的应用，并对实际工作中具体Q系统参数取值时的若干争论意见进行了合理解释，并建立了本场区Q与RMR的关系式，为合理估计围岩自稳时间和确定支护施作时间提供有价值的参考。

1 基于Q系统的支护设计

通过评价岩体Q值，根据Q系统可得地下洞室与岩体Q值相对应的支护类型，并且也提供了相应Q值下所需的围岩支护压力，从而可方便地指导地下洞室设计与施工，见图1。图中 ESR(Excavation Support Ratio)为开挖支护率，与地下开挖使用功能和重要程度有关，对于永久性的地下储油洞室建议ESR=1.0。

Barton也提供了关于锚杆长度、最大无支护跨度和拱顶支护压力等方面的建议值，以进一步补充其1974年Q系统创立以来的支护设计建议。

锚杆长度L可以通过开挖宽度B和开挖支护率ESR来预估。

最大无支护跨度

基于对工程实例的统计分析，Grimstad和 Barton［4］提出了永久拱顶支护压力与围岩Q值的关系式

2 Q系统应用

2.1 工程概况

某地下储油洞库工程由若干条平行布置的地下储油洞室组成，储油洞室所在深度为未风化、微风化花岗岩地层，单地下洞室开挖断面尺寸19 m×24 m，长度近1 km，采用钻爆法施工。通过2条施工巷道从地表斜向下以斜坡的形式连接储油洞室，作为出渣运输通道。

本场区出露地层有太古界表壳岩系、中元古界长城系、古生界寒武系、中生界侏罗系—白垩系和新生界第四系。岩性主要由中粗粒碱长花岗岩组成，其中分布着辉绿岩脉、细晶花岗岩脉、闪长玢岩脉和安山岩脉等。

图1 Q系统的支护分级Fig.1 Support classification based on Q system

勘察阶段进行了岩样的物理力学试验和地应力测试。场区花岗岩单轴抗压强度170 MPa，单轴抗拉强度8 MPa，场区最大主应力为水平方向(近东西向，与储油洞室轴向布置方向一致)，大小6.2～11.5 MPa，另一方向最小水平主应力3.6～9.0 MPa，垂直主应力1.8 ～3.6 MPa。

2.2 Q支护设计

某地下储油洞库项目采用地下水封原理将原油储存于地下洞室中，围岩为燕山晚期花岗岩，采用Q系统进行围岩质量分级，分为 Q≥40、10＜Q＜40、4＜Q≤10、1＜Q≤4和0.1＜Q≤1共5个等级。储油洞室的开挖断面尺寸为19 m×24 m，开挖支护率ESR=1.0，根据图1，可得到不同Q值分区对应的支护设计。当4＜Q≤10时，采用拱顶锚杆长度5 m，边墙锚杆长度6 m，系统锚杆2 m×2 m，喷射钢纤维混凝土厚80 mm，支护典型图详见表1。对于Q＜0.1的不良地质地段，根据图1就需要采用喷射混凝土钢筋加强肋(RRS)、系统锚杆、钢纤维喷射混凝土(厚度大于15 cm)或者混凝土衬砌，本项目根据国内工程施工习惯，在Q＜0.1的不良地质地段，采用了格栅钢架+喷射混凝土+挂网和混凝土衬砌加强支护形式，基本符合Q系统的支护原则和支护强度。根据地下洞室收敛变形的现场监控量测结果(见图2)，最大下沉量不到9 mm，证明采取Q支护是有效、合理的。

表1 某地下储油洞室典型Q支护参数Table 1 Typical supporting parameters of an underground storage cavern based on Q system

图2 某储油洞室里程STA668处拱顶下沉量测结果Fig.2 Crown settlement measured at STA668 of an underground storage cavern

2.3 Q系统若干参数取值建议

1)RQD值。RQD值是一个明显受方向影响的参数，为此，应分别计算洞室的边墙、顶拱和掌子面的RQD值，并应考虑洞室掘进方向与优势节理组的方向关系。具体工作中，一般取上述代表性位置中的实测RQD值的平均值作为选用指标。如果某节理组对洞室稳定性明显不利，可取该组节理RQD值与平均值的较小值作为选用指标。当计算出的岩体Q值为4＜Q＜30，由于爆破损伤影响，会在开挖区周围产生新的节理，这将导致围岩Q值降低，一般可采取降低RQD值来应对此不利影响。

2)关于Jn值。怎么区分随机节理和节理组。通常把延伸性较好的节理定义为一组节理，而对延伸性差的节理定义为随机节理。

3)关于Jr值。怎么判断节理壁平直还是波状。图3给出了节理壁平直和波状示意图。

图3 节理壁平直、波状示意图Fig.3 Sketch of joint plane

4)如何判断节理组对洞室稳定性不利程度。Q系统本身并没有考虑节理产状对围岩质量分级的影响，但 Bieniawski的 RMR系统和 GB 50218—1994《工程岩体分级标准》附录D有相关描述，可以参考使用。

5)关于SRF取值。如果相关的剪切带没有直接与开挖区交叉，而是仅对其有影响，可相应减小SRF值25%～50%;有的中文翻译版翻译得不太准确，这里解释一下:这里的相关剪切带是指根据前期开挖揭露的地质资料或其他地质信息推测开挖区附近有剪切带，但没有直接与开挖区相交。可见有的中文资料翻译为“相关剪切带没有位于交叉口时”显然是有问题的。

SRF和Ja取值的相关性:比如开挖区遇到一条软弱带时(洞室埋深大于50 m)，这时SRF值应取2.5;那Ja该怎么取呢?有人认为Ja应从除软弱带之外的其他节理组评价，他们认为SRF值已经考虑了软弱带的不利影响，没必要Ja赋值时再考虑。笔者看法正好相反，纵观Q系统从来没有这样的解释，6个参数是相对独立的，分别考虑了影响岩体质量的不同因素，有其较为明确的物理意义。尤其从Ja表注可以看出，Ja评价应考虑对洞室稳定性不利的节理，显然Ja评价时应选取横穿开挖区的不利软弱带。

3 围岩自稳时间

这里的自稳时间定义为:围岩开挖后，在不支护条件下从初始稳定状态到发生坍塌的时间长度。合理评价围岩的自稳时间，对地下工程设计、施工有着非常重要的意义。本项目伊始也进行了该项工作，初期同时采用Q系统和RMR系统2种围岩质量分级系统，通过比较两者的关系，采取对数拟合，可获得适合本场区工程地质特点的Q与RMR关系式 (见图4)，从而利用RMR系统［11］评价岩体的自稳时间。

图4 RMR和Q系统之间的拟合关系式Fig.4 Fitted relationship between RMR system and Q system

表2为根据RMR岩体质量分级系统确定的本场区围岩自稳时间。根据围岩自稳时间可以确定支护施作时间，比如0.1＜Q≤1时，围岩自稳时间小于1 d，严格细分的话，拱顶7 m无支护跨度 (2个爆破循环进尺)围岩自稳时间小于9 h，意味着爆破后9 h内需要立即施作系统锚喷支护以维持开挖面岩体稳定。

表2 围岩自稳时间Table 2 Stand-up time of surrounding rock mass

4 结论与体会

1)Barton提出的岩体分级Q系统是目前国际上使用最为广泛的岩体分级系统，Q系统的最大优势也是Barton创立Q系统的初衷，就是基于工程类比法，提供不同围岩质量等级相对应的支护类型，即根据Q系统可以直接进行支护设计。

2)由于工程地质条件和设计工况的复杂性，Q系统也有其自身的不足。例如，Q系统没有直接考虑岩石强度，没有考虑结构面产状对洞室稳定性的影响，没有考虑采用钻爆法开挖爆破损伤区对围岩Q值降低的影响，因此，在应用Q系统时，必须掌握Q系统的优势和不足，切勿盲目套用。最好的方法是工程开始同时采用2种岩体分级系统(比如Q系统和RMR，或国标围岩分级)，实践检验哪个分级系统是最适合的。

通过建立适应本场区工程地质特点的RMR与Q系统之间的拟合关系式，可以评估岩体开挖后围岩自稳时间，从而为确定支护施作时间提供参考。

3)对Q系统应用时的若干疑问进行了合理解释。选择有经验的工程地质工程师对围岩质量等级进行评价，项目开始，对从业人员进行相关业务培训是必要的。

4)Barton也提出了围岩Q值与纵波速度、岩体变形模量、洞室变形等的关系式，其他学者在工程实践中也不断丰富发展Q系统，对Q系统的广泛应用起了极大的推动作用。Q系统是伴随支护技术的发展而完善起来的，直接服务于生产实践，因此，在实际工程应用时一定要检查是否采用的是Q系统的最新版本。

［1］ 穆保岗，陶津.地下结构工程［M］.南京:东南大学出版社，2012.

［2］ GB 50086—2001锚杆喷射混凝土支护技术规范［S］.北京:中国计划出版社，2001.

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