沙特NEOM隧道項目Q系統圍巖分類及支護體系研究*

方 磊

(中國鐵建國際集團有限公司,北京 100039)

0 引言

隧道圍巖分類、支護類型和參數的選擇是決定隧道結構設計、施工方案、工程造價和作業人員安全最重要的因素[1]。Q系統分類法作為巖土工程領域應用最廣的巖體質量評價方法之一,由Barton等于1974年提出,詳盡闡述了節理蝕變度、節理粗糙度對圍巖強度及穩定性的影響機制,以Q值來對圍巖質量進行等級評價,從而確定各級圍巖的支護類型與支護參數[2]。

沙特NEOM隧道支洞項目設計標準高、工期要求緊、安全質量管理嚴格,對隧道支護提出了較高要求;同時,NEOM新城位于沙漠地帶,地質工作的研究基礎薄弱,區域性工程地質資料相對缺失,缺少隧道施工案例。因此,準確判定隧道圍巖級別,對隧道圍巖進行分級分類,是保證項目安全生產和工程質量的重要先決條件。

針對海外項目在施工標準與管理流程方面的不同要求,本文基于挪威法隧道施工的工藝特點,對Q值圍巖分級法進行深入研究,并根據圍巖特征對不同支護類型的支護參數進行設計,建立了一套適用于不同圍巖等級的支護體系,并在NEOM隧道支洞項目的應用中驗證了其安全性和可行性。

1 工程概況

1.1 項目概況

NEOM隧道支洞項目項目包括6條支洞,總長度為8 415m(含明洞),設計為馬蹄形斷面,斷面尺寸為11.69m×8.62m,采用挪威法工藝,鉆爆法施工。隧道埋深約20～380m,洞身地層主要為元古代花崗巖和寒武系砂巖。本項目典型斷面尺寸如圖1所示。

圖1 典型斷面尺寸Fig.1 The typical section size

1.2 地質工作情況

在地質勘察階段對基礎地質資料工作的研究不足,設計文件中對不良地質體的判斷不準確。挪威隧道施工法依據地質素描判定的Q值劃分圍巖類別,直接確定工程對應的支護結構參數,針對不良地質體的超前預測手段較為單一。為保證隧道安全生產及施工質量,從超前預測、掌子面判定、隱蔽工程記錄等方面,形成了“超前探孔-地質素描-TDMS隧道文件管理系統”的地質工作流程(見圖2)。針對超前探孔在爆破開挖前識別出的潛在不良地質體,采用TSP超前地質預報[3],進一步確認掌子面前方的地質情況,必要時進行超前支護;重視隱蔽工程的記錄工作,以50m為周期,繪制隧道縱向地質剖面圖及節理極坐標圖等,作為Q值判定的補充資料,收集匯總至TDMS(tunnel data manage ment system)中。

圖2 NEOM隧道項目地質工作流程Fig.2 Geological workflow of NEOM tunnel

1.3 開挖支護工序分析

根據Q系統判定結果,圍巖穩定性由強到弱,支護類型分為AD-1～AD-5;其中施工占比較高的AD-1～AD-3,無仰拱封閉,采用全斷面爆破開挖法,單個爆破循環進尺3～5m,主要采用噴射混凝土加注漿錨桿進行支護,混凝土噴射厚度為50～100mm。爆破開挖的單循環時間為20h左右,爆破開挖與支護工序如圖3所示。

圖3 開挖支護工序Fig.3 Excavation support process

2 Q值圍巖分級法分析

2.1 計算方法

根據挪威巖土工程研究所發布的2015版Q系統使用手冊,Q值的計算包含6個取值參數,計算公式如下:

(1)

Q值范圍為0.001～1 000,劃分為9個質量等級[4],Q值由小到大,分別代表圍巖質量從極差的膨脹性巖石到極好的堅硬完整巖體,如表1所示。

表1 Q系統圍巖分級Table 1 Q-system rock classification

2.2 分類參數取值

2.2.1巖體質量指標RQD

巖體質量指標RQD定義為鉆進回次中大于10cm的柱狀巖芯長度之和與當次進尺的百分比,通常以5為間隔取值。在野外環境下,常采用單位巖體的節理數目進行計算[5]:

RQD=115-3.3Jv

(2)

式中:Jv為單位巖體的節理數目。RQD取值如表2所示。

表2 RQD取值標準Table 2 Standard of RQD value

2.2.2節理組數Jn

相同時期內由同一構造作用所形成的相互平行或近于平行的節理,稱為節理組;無規律出現間隔數米的節理稱為隨機節理[6]。在隧道施工中,節理組數Jn的取值,根據掌子面及拱頂的節理組數量確定,Jn的取值并不簡單等于節理組的數量,在隧道交叉口取3Jn,在隧道洞口取2Jn,具體取值標準如表3所示。

表3 Jn取值標準Table 3 Standard of Jn value

2.2.3節理粗糙系數Jr

節理的形狀、節理壁的光滑程度、節理間的接觸方式,將影響巖體的整體強度。節理摩擦特性取決于節理壁的特征,通常使用“粗糙”“光滑”等術語,對節理在小尺度(mm,cm)的粗糙度進行描述;使用“起伏”“平直”等術語,對節理在大尺度(m)的粗糙度進行描述。

在計算Q值時,需選擇與開挖穩定性相關的最不利節理組的Jr值(考慮節理組走向與洞室軸線間的關系,并不一定為最小值),即此時節理剪切最可能發生。如果相關節理組的平均間距大于 3m,則Jr取值可增加1.0,平直、光滑的線狀節理抗剪強度低,Jr可取0.5,具體取值標準如表4所示。

表4 Jr取值標準Table 4 Standard of Jr value

2.2.4節理蝕變系數Ja

除節理粗糙度外,節理充填物的特性對巖塊間抗剪強度的影響也尤為重要[7],分類取決于填充物的粗糙度和厚度。對于光滑的節理,填充1mm就足以防止巖壁接觸;然而,對于粗糙和起伏的節理,可能需要幾毫米甚至幾厘米。

填充礦物的類型及其特性對于Ja值的推導具有決定性作用。水是否會軟化礦物質填充物也很重要,可以通過將礦物質樣品放入水中進行測試。由于在某些黏土中只需要少量的水即可引起膨脹,因此通常會給出高Ja值。

必須評估給定位置所有節理組的Ja值。在計算Q值時,必須使用對開挖穩定性最不利節理組的Ja值(考慮節理組走向與洞室軸線間的關系,并不一定為最大值),即最有可能發生剪切的節理組。Ja的具體取值標準如表5所示。

表5 Ja取值標準Table 5 Standard of Ja value

2.2.5節理水折減系數Jw

節理裂隙水的存在會軟化或沖掉節理間的礦物充填物,減少節理面上的摩擦,從而降低圍巖強度。水壓可以降低節理壁上的法向應力,使巖塊更容易剪切[8]。Q系統通過節理裂隙水折減系數Jw,描述地下水對圍巖質量的影響,根據掌子面的滲水、滴水的流量及流速確定,在判定Jw時,應綜合考慮地面降水、隧道埋深、封閉方法和排水措施等,具體取值標準如表6所示。

表6 Jw取值標準Table 6 Standard of Jw value

2.2.6應力折減系數SRF

一般來說,SRF 描述了地下巖壁周圍的應力和巖石強度之間的關系。應力的影響通常可以在掌子面直接觀察得到,如剝落、板裂、變形、擠壓和塊體釋放等。然而,在壓力現象可見之前可能會經過一些時間。可以測量巖體的應力和強度,然后根據巖石單軸抗壓強度σc與主應力σ1之間的關系或最大切向應力σθ與σc之間的關系來計算 SRF。在地質勘察階段,SRF可以根據覆蓋層和地形特征或區域性地質構造的經驗來規定。SRF取值標準如表7所示。

表7 SRF取值標準Table 7 Standard of SRF value

2.3 Q值算例

以4號支洞第405循環為例,進行Q值計算。

1)巖體質量指標RQD

根據地質素描及計算結果,單位巖體的節理數目Jv=18.75,因此,RQD=110-2.5Jv=63.125。

2)節理組數Jn

根據地質素描結果,出現J1,J2,J3 3組節理及JR1,JR2隨機節理,根據取值標準,節理組數Jn=12。

3)節理粗糙系數Jr

根據現場地質素描,地質情況為第2類,根據“b 錯動10cm前節理壁能直接接觸:E粗糙或不規則的,平直的”,節理粗糙系數Jr=1.5。

4)節理蝕變系數Ja

根據現場地質素描,地質情況應歸為第1類節理壁直接接觸(無礦物充填或只有薄膜覆蓋),節理壁輕微變質,無軟化礦物蓋層、砂粒、松散黏土等充填,節理蝕變系數Ja=2。

5)節理水折減系數Jw

根據現場地質素描,為開挖時干燥或有局部小水流(潮濕或極少水滴),節理水折減系數Jw=1。

6)應力折減系數SRF

根據現場地質素描,屬于堅硬巖石,主要是巖石應力問題,故應力折減系數SRF取值為1。綜上可得Q值:

支護類型屬于AD-3,可細分為AD-3A。

3 圍巖支護體系設計

3.1 圍巖支護類型劃分

每個循環處理完欠挖后,由專業地質工程師進行地質素描,對Q系統中的各分類參數進行賦值并計算Q值,根據地質素描報告和Q值確定支護類型與參數。本項目根據Q值劃分的支護類型及占比如表8所示,各支護類型的支護參數如表9所示。

表8 Q值劃分支護類型及占比Table 8 Support type of Q value and percentage

表9 各支護類型的支護參數Table 9 Support parameters for each support type

3.2 典型支護類型與支護參數

由表8可知,本項目最常見的支護類型為AD-2和AD-3,如圖4,5所示。支護類型AD-2,單循環設計進尺為5m,全斷面開挖,噴射混凝土厚度為75mm,錨桿間距2.1m;支護類型AD-3,單循環設計進尺為3m,全斷面開挖,噴射混凝土厚度為100mm,錨桿間距1.5m。

圖4 AD-2支護類型Fig.4 Support type AD-2

圖5 AD-3支護類型Fig.5 Support type of AD-3

此外,針對軟弱巖土體或局部超挖量過大的情況,采用L形鋼筋固定鋼筋網片的方法,防止巖體掉塊、崩落。

4 結語

Q系統分類法能夠對隧道圍巖質量進行定量綜合分析,在實際項目應用中具有較高的適用性和可操作性。同時,支護等級的劃分與支護參數的選擇與Q值密切相關,當圍巖等級較好時可主要使用“注漿錨桿+噴射混凝土”的支護方式;當圍巖等級較弱時,還需要借助“格柵/型鋼鋼架+鋼筋網片”的方式確保支護體系的安全。

隨著中國企業越來越多地在海外承建隧道項目,沙特NEOM隧道支洞項目對Q系統分類法圍巖判定與支護體系的探索和創新,不僅有力保證了項目的施工安全與施工質量,也為今后同類項目的順利實施積累了寶貴經驗。