巴顿Q系统围岩分类在软弱岩体隧洞中的应用

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摘要：巴顿Q系统围岩分类法适应性广，在国际上认可度较高。以巴基斯坦某水电站导流隧洞工程为例，探索了该方法在软弱沉积岩岩体中的应用;结合工程施工实际，将其评价结果与相关规范中推荐的方法进行了比较分析。结果表明，该分类方法成熟可靠、适用性较好，可为其他类似工程提供参考。

关键词：巴顿Q系统;围岩分类;软弱岩体;隧洞;巴基斯坦

中图法分类号：TV554文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.05.013

1工程简介

巴基斯坦某水电站位于东北部吉拉姆河干流，该工程设计了3条平行导流洞，长度为420-473m;开挖断面为圆形，开挖直径14.1～14.9m。采用钻爆法分上下半洞进行施工。

隧洞穿越的地层为上第三系中新世Nagri组沉积岩，岩性主要为砂岩、互层状泥质粉砂岩以及粉砂质泥岩（统称“泥质岩”）。砂岩单层厚度为8～15m，泥质岩单层厚度为14～20m，岩体较完整，裂隙不发育，未见大型断层或剪切带分布。岩层产状平缓，倾角为9°～10°，岩层走向与导流隧洞轴线夹角为68°～73°，属于大角度相交。隧洞上覆岩体厚度20-106m。砂岩饱和抗压强度25～30MPa，属于较软岩;粉砂质泥岩和泥质粉砂岩饱和抗压强度分别为8～12 MPa、10～15MPa，均属软岩。地下水总体不发育，在隧洞内呈零星断续出露，以点滴状为主。地应力测试表明：该区域以水平应力为主导，最大水平主应力为2.5～7.9MPa，最小水平主应力为16-5.5MPa;最大水平主应力方向的侧压力系数为1.7～2.9，属中低应力地区。工程区地震动峰值加速度为0.2眙，相应地震基本设防烈度为Ⅷ度。

2巴顿Q系统

巴顿Q系统分类法由挪威岩土工程技术研究所Barton等人提出，是一种地下洞室围岩质量分类方法。该方法在实践总结中不断得到完善，在国际上应用广泛。

巴顿Q系统使用6个参数来定量表达岩体质量，其表达式为

3实际工程应用

3.1参数取值原则及其确定

（2）Jn。在完成隧洞围岩地质编录后，立即进行裂隙统计。隧洞内主要结构面为层面，其次为1-2组陡倾裂隙，一般取Jn=6。开挖后的砂岩与泥质岩隧洞如图1所示。

对于只发育有层面的岩体，取L=2;在洞口处（按2.5倍洞径长度考虑），取Jnx2;在交叉洞段（围岩较完整，按2倍洞径长度考虑），取Jnx3。

（3）Jro结构面表面主要为平直型，对于平直粗糙型，取Jr=1.5;对于平直平滑型，取Jr=l;对于局部有光滑镜面的结构面，取Jr=0.5。

（4）Ja结构面一般无厚层充填。在砂岩中，结构面表面一般附少量矿物及岩屑，取Ja=2.0;在泥质岩中，沿层面多有软化及断续泥化现象，部分岩体遇水易膨胀，取Ja=4.0。

（5）Jw地下水总体不发育，在隧洞内呈零星断续出露，以点滴状为主，开挖面总体干燥，取Jw=1.0。

（6）SRF。该区域属中低应力地区，隧洞中泥质岩强度较低，粉砂质泥岩与其他岩层的层面为相对软弱结构带（面），SRF可以取5.0（开挖深度≤50m时）或2.5（开挖深度>50m时）;砂岩强度相对较高，σc/σ1=5.5-15.6（其中σc为岩石无侧限抗压强度，σ1为最小水平主应力）。若按坚硬完整岩石考虑，SRF应取1.0;但综合分析认为，砂岩仍属于较软岩，考虑其受到泥质岩的软弱接触面的影响，建议同泥质岩一致，SRF取5.0或2.5。

3.2计算及评价结果

该隧洞共进行了264次开挖循环，在各回次开挖循环完成后，根据现场地质编录成果按上述参数取值原则进行隧道围岩评价，Q值范围为0.04～3.75，见图2。评价结果为：①该导流洞围岩类别主要以差为主（0.1

根據以上判定的围岩类别，在隧洞开挖完成后分别对其实施了初期支护，在支护完成后、后续二次衬砌完成前，隧洞未发生任何掉块、垮塌等失稳破坏现象，隧洞施工顺利完成。收敛监测结果表明，各观测断面中隧洞最大收敛变形为9.23mm，表明隧洞稳定性较好，同时验证了以上参数选取的可靠性。

4巴顿Q系统在软弱岩体中的适应性分析

根据《水力发电工程地质手册》中的建议及有关学者的研究，采用巴顿Q系统与国标分类结果的对比情况见表1～2。

采用GB50287-2016《水力发电工程地质勘察规范》（以下简称“《规范》”）“附录L”中推荐的围岩详细分类方法进行了对比分析，两种典型围岩的分类见表3。

以上分类表明，以砂岩为主的围岩判定为Ⅲ类，与巴顿Q系统分类比较一致;以泥质岩为主的围岩判定为V类，即表现为极不稳定，无自稳能力。但从实际施工过程来看，该类围岩在开挖后3-7d内仍能保持自稳，即与Ⅳ类围岩的典型特征更为接近。由此可见巴顿Q系统的围岩划分方法在该工程软弱岩体中具有较好的适应性。

对两种方法的主要评价参数的对比分析可知，岩石强度在软弱岩体中的作用最为明显。《规范》对岩石强度的评分范围为0-30，其权重能直接影响围岩的分类，因此完整性较好的泥质岩均判定为V类，围岩分类偏差。但在巴顿Q系统分类中并未将岩石强度参数考虑在内，原因与SRF这一参数有关。当岩层完整、坚硬时，该参数对围岩Q值影响明显;当岩层完整但强度较低时，如工程以较软岩和软岩为主时，应充分考虑软岩夹层的作用，或直接将整个岩层判定为软岩层，从而使SRF能体现岩石强度，否则Q值会明显偏大。

5结论

在工程实践中，当地下洞室位于软弱岩体中时，若采用巴顿Q系统分类方法，应考虑岩体强度，主要是在SRF参数取值时注意相对软弱岩层的影响。在使用《规范》中推荐的分类方法时，可按《规范》建议与其他围岩分类方法对比使用。不同隧洞工程的地质条件错综复杂、变化多样，对于巴顿Q系统中6个参数的选择，仍需要在实践中不断探索总结，以增强其适应性。