水利水電工程圍巖工程地質分類與Q分類相關性及支護對比研究

王 燾,吳順川,浦仕江,奎 蓋,孫俊龍,王 銳,任子健

(昆明理工大學 國土資源工程學院,云南 昆明 650093)

0 引 言

在地下工程中,巖體穩定性問題一直以來是重要課題.目前,地下工程設計主要采用工程類比法,然而,圍巖分級作為巖體穩定性評價的主要方法,并且是經驗設計方法的基礎,為地下工程軸線布置、支護結構設計、開挖施工、工程造價等提供重要參考依據.地下工程開挖后,巖體產生位移的同時,也產生了由表及里的應力重新調整,發生應力重分布的巖體稱為圍巖[1-2].圍巖不僅具有巖體的復雜結構特征,還具有復雜的力學特性.

水利水電工程地下硐室常用圍巖分級方法有:水利水電工程圍巖工程地質分類(HC法)[3]、巴頓巖體質量分級(Q系統)[4]、BQ法[5]、巖體地質力學分級(RMR)[6]等.其中,HC法是在國內水利水電工程中主要采用的圍巖分類方法,廣泛應用于國內重大水利工程建設.隨著國家“一帶一路”倡議的實施,在國外以中國標準成功修建了許多水利水電工程,為HC法國際化積累了豐富經驗.Q系統是國際普遍認可的將圍巖分級方法與單層襯砌支護類型密切結合的地下工程圍巖分級方法.學者們結合重大工程項目開展了HC法和Q系統相關性研究,如溪洛渡水電站、三峽工程、二灘水電站、大崗山水電站、拉西瓦水電站、錦屏二級水電站、雙江口水電站、楞古水電站、白鶴灘水電站、斗馬隧道、瀑布溝水電站、陶家山隧道、那蘇瓦水電站、馬來西亞水電站、巴基斯坦卡洛特水電站、厄瓜多爾CCS水電站等[7-26].

本文通過HC法和Q系統在國內外地下工程建設中的應用案例,探索兩者相關性,以滇中引水工程楚雄段伍莊村隧洞的支護為例,對比分析HC法與Q系統在支護中的不同,力求為Q系統的支護方案在水利水電工程中的應用提供建議.

1 水利水電工程圍巖工程地質分類[3]

水利水電工程圍巖工程地質分類(HC法)是在我國“六五”國家科技項目15-2-1《水電站大型地下洞室圍巖穩定和支護的研究和實踐》-“水電站地下工程圍巖分類”的基礎上,參考國內外主要隧洞圍巖分類方法,結合國內魯布革、天生橋、彭水、小浪底、水豐等十幾個大型水利水電工程提出的圍巖工程地質方法[27].該方法屬于多因素累積評分的綜合評價法,分為初步分類和詳細分類,初步分類以巖體強度、巖體完整程度、巖體結構類型為基本依據,以巖層走向與洞軸線的關系、水文地質條件為輔助依據的定性分類;詳細分類以巖體強度、巖體完整程度、結構面狀態、地下水和主要結構面產狀五項因素之和的總評分為基本判據,圍巖強度應力比為限定判據.

在詳細分類中,HC法包括基本因素和修正因素,其中巖體強度、巖體完整程度和結構面狀態為基本因素,為正值;地下水活動狀態和主要結構面產狀為修正因素,為負值;圍巖強度應力比作為限定條件.HC法的圍巖總評分:

HC=A+B+C+D+E

(1)

式中:A為巖體強度的評分;B為巖體完整程度的評分;C為結構面狀態的評分;D為地下水狀態的評分;E為主要結構面產狀的評分.

圍壓強度應力比:

式中:Rb為巖石飽和單軸抗壓強度,MPa;Kv為巖體完整性系數;σm為圍巖的最大主應力,MPa.

HC法的圍巖地質詳細分類標準詳見表1.

表1 HC法的圍巖分類表

2 巴頓巖體質量分級

Q系統是N.Barton(1974)在研究挪威水電站廠房變形量問題時,參考了212個隧道項目提出的巖體質量分級[4].E.Grimstad和N.Barton在1993年根據 1 050 個挪威隧道項目對Q系統進行了完善和修正[28].Q系統考慮了六個參數:巖體質量指標(RQD)、節理組數、最不利節理或節理組的粗糙度、最不利節理或節理組的蝕變狀態、裂隙水狀態和強度應力比.計算公式為:

式中:RQD為巖體質量指標;Jn為節理組數指標;Jr為最不利節理或節理組的粗糙度指標;Ja為最不利節理或節理組的蝕變狀態指標;Jw為裂隙水狀態指標;SRF為斷層、硬巖強度應力比、擠壓、膨脹等相關的指標.

表2 Q系統巖體質量分級表

3 HC法與Q系統相關性研究

3.1 HC法與Q系統相關性

通過文獻資料調查,本文依據18個工程項目的HC法和Q系統相關性研究成果[7-26],獲得了在不同工程背景下的兩者關系式,詳見表3.由于各關系式是在不同的HC值區間內提出的,具有一定的適用范圍,但各關系式的基本形式保持了一致性,詳見式(4),呈對數線性相關,相關系數R為[0.18,0.972],普遍具有較好的相關性,說明HC法和Q系統在評判巖體質量方面具有高度的一致性.

HC=alnQ+b

(4)

式中:a和b為常數項系數.

表3 在不同工程項目中HC法與Q系統的關系式及工程背景

續表3

在深埋洞室條件下,王廣德在錦屏二級水電站引水隧洞研究HC法和Q系統相關性時發現高地應力(非巖爆段)具有較好的對數線性相關性[10].在高應力(巖爆段),王廣德和趙其華等[10,12]發現HC法和Q系統雖然也呈對數線性相關,但其相關系數較低,R為[0.18,0.59].因為在HC法中將強度應力比作為限定條件,未直接參與HC值的計算.在深埋洞室中,當發生巖爆或塑性變形時,通過HC值確定的圍巖類別宜降低一級[3],未明確修正后的HC值的大小.然而Q系統通過SRF指標將高應力狀態直接反映在Q值.因此,導致HC法和Q系統出現相關性明顯降級.在此基礎上,王廣德和趙其華等[10,12]提出了高地應力(巖爆)條件下的HC值修正方法.隨著水利水電工程開發進軍西部,高地應力條件下的巖爆和塑性變形問題越來越顯著,因此HC法和Q系統相關性亟需進一步研究.

通過資料收集,獲得HC法與Q系統直接對應數據324組[8-9,11,13-14,16-18,20-26],HC值的區間為[2,90].當文獻中僅有關系式時,依據取值區間生成以HC值間距為1的相應Q值,以彌補在該條件下的數據缺失.最終得到649組數據.并其繪制HC-Q圖,詳見圖1.數據呈顯著的條帶狀分布,采用最小二乘法對數據進行回歸擬合,建立了HC值與Q值的關系方程式,呈對數線性相關,詳見式(4),其相關系數為 0.865 1,說明HC法與Q系統在評價巖體質量時具有顯著的相關性.

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

(5)

上下限包絡線確定,本文以式(4)為界,將數據點分為上下兩部分數據,然后分別采用最小二乘法回歸分析得到相應方程式,依次迭代,保證90%以上數據點能分布到上下限包絡線方程式內.在迭代過程中,相關系數均在0.94以上,說明擬合的方程式具有一定的可靠性.最終確定上下限方程式(6)和式(7),保證約95%的數據點分布在上下限包絡線內,如圖2所示.

上限:

HC=7.600 63lnQ+61.140 76

(6)

下限:

HC=11.964 52lnQ+21.651 9

(7)

圖1 HC值與Q值的相關性圖Fig.1 Correlation between HC value and Q value

圖2 HC值與Q值相關性的上下界限包絡線圖Fig.2 Upper and lower bounds envelope diagram of correlation between HC value and Q value

3.2 圍巖級別

HC法采用五類圍巖類別,Q系統采用9級圍巖分級,為了將Q系統圍巖分級也采用五類,根據上下限公式確定了各級圍巖的界限值,詳見表4.

表4 HC法與Q系統在五類圍巖類別對照表

本文將圖2與Q-support圖進行疊加處理后,得到了基于HC法的五類圍巖類別對應的單層襯砌的支護建議圖,詳見圖3.

4 支護方案對比分析

4.1 工程背景

本文以滇中引水工程楚雄段伍莊村隧洞為例,隧洞全長 11 416 m,隧洞總體方向呈南東向.隧洞通過地段屬低中山地貌,主要山脊、沖溝順北東向展布,與線路大角度相交.隧洞沿線地面高程一般為 1 989～2 186 m,谷底高程一般為 1 905～1 960 m,最大山頂高程 2 285 m(楊家后山附近).隧洞埋深主要在100～200 m 之間,最大埋深約 337 m,位于隧洞前段楊家后山附近.本文選用樁號WZCT4+120～WZCT4+660伍莊村隧洞段的支護參數為研究對象,該段隧洞主要埋深150～305 m,跨度為 10.02 m,高度為 10.73 m.

巖體質量圖3 HC法的五類圍巖類別與Q-support支護的關系圖Fig.3 Relationship between five classes of surrounding rock and Q-support by HC method

穿越地層為中生界侏羅紀上統妥甸組上段(J3t2)和白堊系下統高峰寺組下段(K1g1),屬于典型“滇中紅層”.J3t2地層:巖性為紫紅、暗紫紅、暗紅色夾黃綠、灰綠色等雜色中厚～厚層狀鈣質泥巖、泥巖夾泥灰巖,該洞段以泥質軟巖為主,工程巖組劃分為軟巖巖組.K1g1地層:巖性為灰白、黃灰色中厚層狀細～中粒長石石英砂巖夾紫紅色泥巖及砂礫巖透鏡體,該洞段以硬質砂巖為主,工程巖組劃分為堅硬巖巖組.根據施工設計,擬選研究段的圍巖類別主要為Ⅲ～Ⅴ類.

巖體質量圖4 Q-support圖對HC法中五類圍巖類別支護參數建議分區圖Fig.4 Q-support diagram of HC method in five types of surrounding rock support parameters recommended partition diagram

4.2 支護參數對比

N.Barton 等(1974)[4]提出了不同ESR條件下的建議錨桿長度計算公式:

由公式(8)確定本文案例的建議錨桿長度為2.8～3 m.根據圖4得到HC法在各類圍巖中的鋼纖維噴射混凝土及錨桿間距等建議支護參數,詳見表5.

表5 HC法在各級圍巖中不同支護方案對比Tab.5 Comparison of different supporting schemes of HC method in surrounding rock

由表5可知,Q系統的支護方法主要采用鋼纖維增強噴射混凝土和錨桿,而復合襯砌的初襯主要采用噴射素混凝土、掛網、系統錨桿和鋼支撐.從施工工序角度,復合襯砌的初襯相比Q系統的支護方法相對較復雜,尤其在Ⅳ和Ⅴ類圍巖中,均采用不同間距的鋼支撐.在施工過程中需要將每榀鋼支撐分割成若干段,通過接頭連接、鎖腳錨桿和連接筋補強鋼支撐的整體剛度和提高其穩定性.Q系統的支護主要優點是不需要鋼支撐,通過鋼纖維增強噴射混凝土代替噴射素混凝土、掛網和鋼支撐,從而簡化施工工序.在鋼纖維噴射混凝土類型選取上存在不同,Q系統的鋼纖維增強噴射混凝土依據能量吸收率E分為三類: 1 000 J、700 J、500 J[29],國內規范對鋼纖維噴射混凝土采用強度等級,如CF35,CF40等.目前,Q系統的支護在國內地下工程支護設計中還處在科研和試驗階段,仍需要進一步研究.

5 結 論

1) 本文根據HC法和Q系統的圍巖分級在16個水利水電工程和2個公路隧道中的應用情況,對其相關性進行了研究,通過最小二乘法的線性擬合理論得到了兩者的關系式,呈對數線性相關,相關系數為0.865 1.根據數據點的分布特征,通過迭代,得到了保證約95%的數據點分布在上下限包絡線內.

2) 將反映HC法和Q系統相關性的上下限包絡線方程式與Q-support圖進行疊加處理,得到了Q-support圖對HC法的五類圍巖類別支護參數建議分區圖.

3) Q系統的支護主要優點是不需要鋼支撐,簡化復合襯砌中初襯施工工序;在鋼纖維噴射混凝土類型選取上存在不同,Q系統的鋼纖維增強噴射混凝土依據能量吸收率確定,國內規范對鋼纖維噴射混凝土采用強度等級確定;目前,Q系統的支護在國內地下工程支護設計中處在科研和試驗階段,仍需要進一步研究.