岩体质量分类Q系统评述

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中图分类号: 文献标识码:A
1 岩体质量分类Q系统的发展过程
岩体质量分类 Q 系统,简称 Q 系统,其英文名称为 The Q-system for the rock mass classification(or characterization) ,是目前应用最广的岩体质量分类方法,其最初目的是为 了确定隧洞施工时的支护方案。该系统建立了岩体质量指标 Q 与支护类型之间的关系,并 在隧洞开挖实例验证的基础上建立了洞室开挖跨度与 Q 值的关系。 Q 系统是 1974 年挪威的巴顿(Nick Barton)等人在研究了 212 个隧洞工程实例的基础 上建立起来的,它主要考虑了岩体完整性、节理特性、地下水和地应力影响,并以六个参数 (统称为 Q 参数)确定反映隧洞围岩稳定性的岩体质量指标 Q 值。Q 值按下式计算:
RQD J r J w Q= × × J n J a SRF RQD——Deere 的岩石质量指标,Jn——节理组数,这两者的比值粗略地代表岩
式中 石的块度。 Jr——最脆弱节理的粗糙度系数,Ja——最脆弱节理面的蚀变程度或充填情况,这两者 的比值代表了最脆弱节理的抗剪强度。Jw——裂隙水折减系数,SRF——应力折减系数,这 两者的比值反映围岩的主动应力。 Q 系统的发展总是与施工技术、支护技术相联系的。上世纪 70 年代,隧洞埋藏深度较 浅,212 个隧洞工程实例中隧洞埋深均小于 500 m,一般埋深为 50~250 m;跨度或直径多 为 5~15 m,少数跨度较大,212 个隧洞工程实例中有 40 个为水电工程项目,其跨度为 15~ 30 m,壁高 30~60 m;支护方法主要是素喷混凝土(plain shotcrete,简称 S)、挂网喷 混凝土(steel-mesh reinforced shotcrete 简称 S(mr))、混凝土拱衬砌(cast concrete arches, 简称 CCA)。这一阶段的隧洞特点是埋深浅、跨度小,支护型式以挂网喷混凝土加 锚杆、混凝土拱衬砌等为主。 上世纪八十年代初开始,用水拌合、钢纤维喷混凝土(S(fr))加锚杆的支护成为挪威洞 室永久支护的主要方法。经过十多年的实践,这种支护得到了明显改进。1993年,格姆斯坦 德( Grimstad)等根据1050个工程实例,建立了混凝土喷层厚度与锚杆间距、以及岩体质 量Q值之间的关系。 在极差岩体中除S(fr)和岩石锚栓以外, 使用钢筋条喷混凝土拱肋的原理 也得到了发展,这实际上已取代了混凝土衬砌。拱肋之间的厚度、宽度和间距取决于岩体质 量Q值。 为了防止岩石剥落和板裂, 在高地应力区也广泛应用了S(fr)支护。 把Q系统和S(fr)、 岩石锚杆支护措施结合起来作为隧洞的永久支护,是挪威成洞法(NMT)的最重要组成部分。 格姆斯坦德(Grimstad)、巴顿于1993年对地应力影响系数SRF 进行了修正,修正后的 Q系统不但适用于浅埋隧洞、也适用于深埋及超深埋隧洞(一般将300 m作为浅埋与深埋的分

岩体质量分类 Q 系统评述
王广德 石豫川 刘汉超 寇佳伟 (成都理工大学工程地质研究所,成都,610059) 摘要:1974年由挪威的巴顿提出的岩体质量分类Q系统,在许多国家都得到了应用,在我国地 下洞室围岩分类、 岩石地基、 岩石工程边坡岩体质量分级等方面也得到了广泛应用。 经过1993 年、2002年两次修正,变得更加完善。它不仅适用于中低地应力条件,还适用于高地应力条 件;不仅适用于硬质岩地区,还适用于软质岩地区。本文对岩体质量分类Q系统的发展过程、 优缺点、Q系统与相关围岩分类方法的关系等进行了初步论述,重点介绍了2002年修正的Q 系统。 关键词:岩体质量分类;Q系统;地下洞室围岩分类;几种围岩分类方法的相关关系;2002 年修正的Q系统
表2 RQD 取值
RQD (%)
0~25 25~50 50~75 75~90 90~100 岩石质量指标 A.很差 B.差 C 一般 D.好 E 很好
注: (1)据资料及实测结果, 当 RQD(%)≤10 (包括 RQD=0) 时, 取 RQD(%) =10 即可估算 Q 值。 (2)RQD 取值间距为 5 即可满足精度要求,例如取 RQD(%)为 100,95, 90,……等。
中σn为作用在节理面上的正应力。 表5 节理风化蚀变系数Ja 取值
残余摩擦角(度) - 25~35 25~30 20~25 8~16 25~30 16~24 8~12 6~12 6~24 Ja 0.75 1.0 2.0 3.0 4.0 4.0 6.0 8 8~12 6、8 或 8~12
(a)节理壁直接接触(无矿物充填,或只有薄膜覆盖) A.紧密闭合、坚硬、不软化、不透水的填充物,如石英、绿帘石 B.节理壁未变质,仅表面有斑染 C.节理壁轻微变质,无软化矿物盖层、砂粒、松散粘土等充填 D.粉质或砂土质薄膜覆盖,有少量粘土成分(无软化) E.软化的或低摩擦的粘土矿物覆盖层(如高岭石、云母、亚硝酸盐、滑 石、石膏、石墨,少量膨胀性粘土等) (b)错动 10cm 前节理壁直接接触(薄层矿物充填) F.裂隙含中有砂粒、松散粘土等 G.强烈超固结的、非软化粘土矿物充填(连续的,但厚度小于 5mm) H.中等或稍微超固结的、由软化矿物组成的粘土充填(厚度小于 5mm) J.膨胀性粘土充填物(连续的,厚度小于 5mm)如蒙脱石, 高岭石等, Ja 取决于膨胀性粘粒的含量和水的进入等 (c)错动时节理壁不直接接触(厚层矿物充填) KLM 不完整或破碎岩石与粘土条带区(粘土情况参见 G.H.J)
2 Q系统的适用范围及其在我国的应用
Q系统最初用于被节理切割的坚硬岩体的岩体质量分类, 后来也应用于软岩地区,例如喜 马拉雅地区某水电地下厂房的岩体强度较低,只有6~35 MPa ,成功地用Q系统进行了岩体 [6] 质量分类 。Q系统在世界范围内应用最为广泛,在我国也得到了广泛的应用。应用最多的 领域是地下洞室围岩分类,我国许多重要的水电地下厂房、引水隧洞都应用Q系统进行了围 岩分类,并与RMR分类法、我国的水电围岩分类法、国标BQ法等其它分类方法相比较,收到了 [9] [10] 较好的效果。如黄河拉西瓦水电站地下厂房 、金沙江溪洛渡水电站地下厂区 等,都成 功地应用Q系统进行了围岩分类,并收到了良好的效果。 另外,Q系统在岩石地基岩体质量分类、高陡的水电工程边坡岩体质量分类等方面也得 到了较多的应用。如周志东等成功地应用Q系统对西南某水电站坝肩岩体质量进行了分级 [11] 。但在相对较低的公路边坡岩体质量分类中,Q系统的应用效果不好,如:在对昆石高 速公路、国道108广元段、渝黔高速公路、广邻高速公路和渝邻高速公路的岩质边坡进行岩 [12] 体质量分级时 ,Q系统的分级结果与边坡实际情况不相符合。上述应用实例表明,Q系统 主要适用于地下洞室的围岩分类以及水电工程坝基、 高陡边坡岩体质量分类, 对于公路边坡 岩体质量分类尚缺乏成功的应用实例。
3 2002年修正的岩体质量分类Q系统(原作者巴顿,节译自文献 )
为了方便使用,本章将详细介绍巴顿2002年修正的Q系统
【1】
[1]

3.1 Q 系统岩体质量级别划分
在对上述六个 Q 参数取值时, Q 系统提供了比较详细的对于各个参数的取值表,可以 方便地查出各种情况下参数对应的取值,从而计算出 Q 值。Q 的范围为 0.001~1000,代表 着围岩的质量从极差的挤出性岩石到极好的坚硬完整岩体,分为 9 个质量等级,见表 1。
表3
Jn 取值
0.5~1 2 3 4 6 9 12 15 20
节理组数 Jn A.块状,没有或很少节理 B.一组节理 C.一组节理并有随机节理 D.二组节理 E.二组节理并有随机节理 F.三组节理 G.三组节理并有随机节理 H.节理在四组以上,严重节理化,岩石呈碎块状。 J. 碎裂岩石,似土状。
注:隧洞交叉口取 3×Jn,,入口处取 2×Jn。 表4 Jr 取值
表1
Q值 等级 0.001~0.01 特别差的 0.01~0.1 极差的 0.1~1 很差的
Q 系统岩体分类等级表
1~4 差的 4~10 一般 10~40 好的 40~100 很好的 100~400 极好的 400~1000 特别好的
3.2 Q 参数取值
Q 系统中有六个基本参数,即 RQD 、Jn 、Jr 、Ja 、Jw 、SRF ,简称为 Q 参数,其取 值是评价岩体质量 Q、Qc、Q0 值的基础。表 2~表 7 是 Q 参数的取值方法,隧洞开挖及设 计中所需要的 Q 参数在表 2~表 7 中全部给出, 以此评价 Q 值。 其中,Qc =Q×σc /100, Q0 是 荷载作用方向或测试方向上的 Q 值。 值得注意的是,计算 Q 值时,对于 RQD<10,包括 RQD=0,是用 RQD=10 代替的。考
Jr 节理粗糙度系数 (a)节理壁直接接触(无矿物充填,或只有薄层矿物充填) (b)错动 10cm 前节理壁直接接触(薄层矿物充填) A.不连续节理 B.粗糙或不规则的,波状 C.平滑的,波状 D.光滑的,波状 E.粗糙或不规则的,平直的 F.平滑的,平直的 G.光滑的,平直的 (c) 错动时节理壁不直接接触(厚层矿物充填) H.含有厚度足以阻碍节理壁接触的粘土带 J.含有厚度足以阻碍节理壁接触的砂质、砾质或碎裂带
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虑到 Q 值是反映在对数坐标系中的,记录表上的 RQD 用平均值就可以满足精度要求,从左 到右 RQD 可以是 10,15,25,35,……,85,95,100。用对数坐标表示 Q 也提醒人们认 真对待小数位。下面的 Q 值是合理的:0.004, 0.07, 0.3, 6.7, 27, 240 等。不要使用 Q=6.73 或 类似的写法,因为这会让人误解其精度。 在表的脚注里给出了对 Jw、SRF 取值的建议,正如某些专家建议的那样,不必将它们 都设为 1.0。因为 Q 系统是一种多因素的分类方法,它与 RMR 方法有着完全不同的结构。 由于新的支护技术的出现(如 B+S(fr),参见文献[4]) ,这些表格中的内容,在 1993、1994 年对反映块状岩石高地应力条件下 SRF 的取值进行修改的基础上也进行了修正。
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界线;将500 m作为深埋与超深埋的分界线)。这一阶段Q系统得到了补充完善。 2002年,巴顿又在此基础上对Q参数的取值进行了修改和补充说明。主要对以下内容进 行了修改和补充:①对Jr、Ja的取值进行了说明,并认为最脆弱节理或不连续介质无论从方 向上还是抗剪强度上都是对稳定性最不利的。②对Jw、SRF的取值提出了建议,建议不必将 它们都设为1.0。③对开挖影响范围与Jw、SRF的取值进行了补充说明。并开始探索有效应 力、水对岩石的软化效应对Q值的影响,以及静弹性模量、地震波速与影响范围的关系。④ 1/3 对软弱破碎岩石挤压作了补充说明,认为当埋深H>350 Q 时,岩石可能会被挤出。⑤对支 护类型、不喷混凝土区的锚杆间距也做了一些调整,如第4种支护类型由原来的“系统锚杆 不加筋喷4~10cm混凝土” 变为 “钢筋条喷混凝土拱肋加锚杆” ; 第8种支护类型由原来的 “挂 网喷混凝土,加肋和锚杆”变为“钢筋条喷混凝土拱肋加锚杆”;缩小了不喷混凝土区的锚 杆间距等。参见3.3节图1。⑥给出了新的Q值与RMR的对应关系。⑦对施工方法(TBM法、 钻爆法)与Q值的关系做了说明。
4 3 2 1.5 1.5 1.0 0.5 1.0 1.0
注:(1)该取值适用于小规模及 中等规模的节理; (2)如果相关 节理组的平均间距大于3m,则Jr 增加1.0; (3)平直、光滑且具 有线理的节理,如果线理方向合 适,Jr可取0.5这些最脆弱节理或不连续介 质无论从方向上还是抗剪强度 上都是对稳定性最不利的。其抗 剪强度τ≈σn tan-1(Jr/Ja),其
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