中國公路隧道圍巖分級法和挪威Q值法及南非RMR法對應關系探討

金立平

（中國上海外經(jīng)(集團)有限公司，上海200032）

0 問題的提出

伊朗德黑蘭北部高速公路項目地處伊朗北部山區(qū)，由中國承包商負責設計和施工，由英國咨詢公司負責監(jiān)理。隧道支護和襯砌按照中國規(guī)范進行設計和施工，對應的隧道圍巖也按照中國規(guī)范進行分級，而國際上比較通用的是RMR法和Q法。由于業(yè)主和監(jiān)理部了解中國的隧道圍巖分級法，而中國的技術人員缺乏RMR法和Q法的實踐基礎。因此，承包商和業(yè)主、監(jiān)理之間對于隧道圍巖分級的技術交流缺乏共同的標準。在施工過程中表現(xiàn)為雙方對圍巖等級的判斷出現(xiàn)差異而導致對支護方式持不同意見，不僅耽誤施工，而且影響驗工計價。因此，本文試圖通過德黑蘭北部高速公路項目的工程實踐，建立中國的BQ值法、挪威的Q法和南非的RMR法三者之間簡單的定量轉(zhuǎn)換關系，為隧道圍巖分級的技術交流建立一個共同的平臺。

1 隧道圍巖分級的總體思路

世界各國根據(jù)本國的工程實踐提出適合本地區(qū)地質(zhì)條件的各種圍巖分級方法有數(shù)十種之多，如中國的BQ值法、挪威的Q法、南非的RMR法、Deere提出的RQD分類法、前蘇聯(lián)的普式系數(shù)f法等。各種分級方法所依據(jù)的判別指標基本上是相通的，主要包括三大類指標。第一類是巖石的巖性指標，如強度指標、硬度指標、變形性能指標等；第二類是巖體的結(jié)構(gòu)特性指標，如巖體完整性指標、節(jié)理的多少和寬窄、節(jié)理充填物的性能等；第三類是巖體所處的環(huán)境指標，如結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、地下水、地應力大小和方向等。由于不同地區(qū)所處的地質(zhì)條件不同，上述三大類指標所表現(xiàn)出來的重要程度也不相同，因此，各國的隧道圍巖分類法各不相同。我國公路隧道圍巖是依據(jù)圍巖基本質(zhì)量指標BQ值進行分級，而國際工程項目大多采用南非的RMR法或挪威Q值法。

2 中國公路隧道圍巖分級方法

我國公路隧道圍巖分級主要依據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20-2011）中的隧道圍巖基本質(zhì)量指標BQ值。BQ值分級方法采用的三類指標包括：第一類巖性指標采用單軸飽和抗壓強度Rc；第二類巖體的結(jié)構(gòu)特性指標采用巖體完整性系數(shù)Kv；第三類巖體所處的環(huán)境指標采用地下水影響修正系數(shù)K1、主要軟弱面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2、初始應力狀態(tài)影響修正系數(shù)K3等三個修正系數(shù)。根據(jù)前兩類指標確定巖體基本質(zhì)量指標BQ值，然后采用第三類指標對基本質(zhì)量指標進行修正，得到巖體基本質(zhì)量指標修正值[BQ]，以此來確定隧道圍巖等級，即：

巖體基本質(zhì)量指標BQ值：

BQ=90+3Rc+250Kv

巖體基本質(zhì)量指標修正值[BQ]：

[BQ]=BQ－100(K1+K2+K3)

上述各項指標的取值參見文獻[1]、[2]。限于篇幅這里不做詳細介紹。按照上述程序計算得到隧道圍巖的[BQ]值，按照表1確定圍巖等級。

表1 BQ值法隧道圍巖級別劃分表

3 Q值法確定圍巖等級

1974年挪威巖土工程研究所（Norwegian Geotechnial Institue）在對200多個已建隧道的統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎上，提出了巴頓（Barton）Q體系法，1993年對其進行了修正，包含了來自一千多座隧道的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，為隧道的穩(wěn)定性提供了量化評價依據(jù)。Q值分級方法采用的三類指標包括：第一類巖性指標采用巖石質(zhì)量指標RQD，即鉆探時巖芯復原率或稱巖芯采取率；第二類巖體的結(jié)構(gòu)特性指標采用巖體節(jié)理組數(shù)Jn、節(jié)理粗糙程度Jr和節(jié)理蝕變系數(shù)Ja等三個指標；第三類巖體所處的環(huán)境指標采用節(jié)理水折減系數(shù)Jw和應力折減系數(shù)SRF等兩個系數(shù)。采用上述三類指標計算Q值的公式如下：

由于上述各個參數(shù)對圍巖分級的影響程度不同，Q法對上述各參數(shù)分配了不同的取值范圍，分別是 0

表2 Q值法隧道圍巖級別劃分表

Q值法是各項指標的積商模型，由于上述公式中Ja和SRF在分母中，取值的誤差會導致Q值的離散度比較大，從而影響對圍巖分級的準確性。

4 RMR法確定圍巖等級

由南非Z.T.Bieniawksi在1973年提出，后經(jīng)多次修改，于1989年發(fā)表在《工程巖體分類》一書中。該分類系統(tǒng)也是采用三大類指標進行綜合判斷。第一類巖性指標采用巖石單軸抗壓強度Rc和巖石質(zhì)量指標RQD；第二類巖體的結(jié)構(gòu)特性指標采用巖體節(jié)理間距和節(jié)理條件等兩個指標；第三類巖體所處的環(huán)境指標采用地下水條件指標、節(jié)理產(chǎn)狀和隧道走向的關系等。計算RMR值的方法是首先根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件對5種指標進行評分，即A1巖石單軸抗壓強度 Rc、A2巖石質(zhì)量指標RQD、A3節(jié)理間距、A4節(jié)理條件和A5地下水條件等，將各個指標的評分相加求得總分即RMR基本值，再根據(jù)節(jié)理產(chǎn)狀和隧道走向關系即指標B進行修正，得出修正的RMR值，即RMR=A1+A2+A3+A4+A5+B。各指標的評分方法和取值范圍可參閱相關文獻。在現(xiàn)場根據(jù)各個工點隧道開挖面的地質(zhì)狀況對各個指標進行評分，算數(shù)求和得出RMR值，然后按照表3對圍巖進行分級。

表3 RMR法圍巖級別劃分表

由于RMR法較全面地考慮了影響隧道圍巖穩(wěn)定性的眾多因素；同時，綜合指標RMR值的計算模型是和差模型，即將各因素以和差形式綜合，計算簡單、離散性小，容易操作，因此在世界各國得到比較廣泛的應用。

5 中國公路隧道圍巖分級法和RMR法及Q值法對應關系

匯總表1、表2和表3得到中國公路隧道圍巖分級法和RMR法、Q法對應關系如表4所列。

表4 隧道圍巖分級BQ值法、RMR法和Q法對應關系表

根據(jù)表4的對應關系，無論采用哪種綜合指標都可以轉(zhuǎn)換到中國的隧道圍巖分級，然后根據(jù)圍巖等級確定支護方案和襯砌設計。現(xiàn)在以伊朗德黑蘭北部高速公路項目塔隆隧道內(nèi)一次設計變更為例，闡述上述三種分級法對應關系在國際工程的技術交流中的作用。

德黑蘭北部高速公路項目是連接伊朗首都德黑蘭和里海海岸城市恰盧斯的山區(qū)高速公路，全長121 km，雙向4車道，設計行車速度80 km/h。一期工程是從德黑蘭起點開始的32 km，塔隆隧道是該標段內(nèi)最長的隧道，左線長4 842m，右線長4 892m，最大埋深965 m，地應力明顯。隧道左線開挖到里程LK23+933時，根據(jù)設計圖紙該處屬于III級圍巖，支付方式是錨網(wǎng)噴，然而，該支護方式無法滿足安全要求。現(xiàn)場的地質(zhì)條件是，掌子面巖體較破碎，黑色凝灰?guī)r，微風化，如圖1所示。圍巖兩組節(jié)理加局部紊亂節(jié)理發(fā)育，張開度約2 mm，間距約50 cm，節(jié)理走向與隧道軸線夾角約65°，節(jié)理面粗糙，中等巖爆，地下水不發(fā)育，局部裂隙水。圍巖飽和單軸抗壓強度為45 MPa。

圖1 LK23+933掌子面地質(zhì)條件圖示

按照上述現(xiàn)場地質(zhì)條件，分別采用BQ值法、Q值法和RMR法對圍巖等級進行判別如下。

5.1 采用BQ值判斷圍巖等級

按照中國的公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范，上述現(xiàn)場地質(zhì)條件應取 Kv=0.6，K1=0.1，K2=0.1，K3=0.5，則根據(jù)公式BQ=90+3Rc+250Kv和 [BQ]=BQ－100（K1+K2+K3）計算得到[BQ]值為 305，查表 4可知對應的圍巖等級是Ⅳ級。

5.2 采用Q值判斷圍巖等級

按照Q法的規(guī)范，上述現(xiàn)場地質(zhì)條件應取RQD=70%，Jn=6,Jr=3，Ja=4，Jw=1，SRF=6，則：

根據(jù)表4，Q值1.46對應的圍巖等級是Ⅳ級。

5.3 采用RMR值判斷圍巖等級

按照RMR法的規(guī)范，上述現(xiàn)場地質(zhì)條件應取A1=4，A2=13，A3=10，A4=10，A5=7，B=-12，則根據(jù) RMR=A1+A2+A3+A4+A5+B計算得RMR=32。查表4可知，RMR法分級是Ⅳ級圍巖。

上述計算結(jié)果顯示中國BQ法、挪威Q值法和南非RMR法對該案例中圍巖等級的判別是一致的，屬于IV級圍巖。為此，向監(jiān)理申請按照IV級圍巖變更支護設計，即采用錨網(wǎng)噴和格柵鋼架組合支付方式，變更申請獲得了批準。

6 結(jié)語

（1）上述中國公路隧道圍巖分級法和RMR法、Q法的相互對應關系是以德黑蘭北部高速公路項目的工程實踐為基礎，對應關系簡單，可操作性強，為項目實施過程中的技術交流創(chuàng)造了條件。

（2）中國公路隧道圍巖分級法和RMR法、Q法的相互對應關系為中外之間就隧道圍巖分級的技術交流建立了共同的平臺，也是為中國規(guī)范推廣到國際市場的一次嘗試。

（3）由于隧道圍巖分級的部分定量指標的取值存在一定的模糊性，因此，上述三種分級法的定量對應關系還需要通過更多的國際工程實踐進一步完善。

[1]JTG D70-2004，公路隧道設計規(guī)范[S].

[2]JTG C20-2011公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[3]GB50218-94工程巖體分級標準[S].

[4]劉漢啟，張敏靜，等.基于RMR分級標準的隧道圍巖級別的劃分[J].公路,2008，(9):179.