隧道围岩Q值分级与支护设计优化

马云飞

（石家庄铁道大学土木工程学院 石家庄 050043）

烧锅隧道项目位于承德市双滦区烧锅村的山丘地段，隧道全长1 100m，全隧道单向纵坡1.2%，最大埋深76.5m。洞区地面标高为370～460m，地质构造为小型的带状陆相盆地堆积，以中侏罗世晚期的类磨拉斯建造为主，产状平缓，地层有第四系覆盖层。隧道所在山体岩性主要为侏罗系中统后城组砾岩，紫红色，砾状结构，颗粒支撑胶结，中厚层～巨厚块状构造，岩石中砾石成份以安山岩为主并伴有熔结凝灰岩、流纹岩、硅质岩及粘土岩等。

1 隧道围岩分级

根据《公路隧道设计规范》［1］及国际惯用方法，项目组确定采用Q值分级法对隧道围岩进行现场分级，并依据确定的围岩级别对隧道支护设计进行优化［2］。

1.1 Q系统分级法

Q系统分级法主要参考围岩结构、完整性和应力情况及其对应的6个参数，通过公式计算得到Q值，每一个Q值都反映所在掌子面处的围岩情况，为了更具有代表性，Q值可以是一个范围。Q系统分级方法能给围岩的好坏赋于一个数值，使围岩分级的结果更接近实际的地质情况。Q值按如下公式计算：

式中：Q为N.Barton岩质评定系数；RQD为岩体质量指标；Jn为岩体组数；Jr为节理粗糙度；Ja为节理蚀变系数；Jw为节理水折减系数；SRF为应力折减系数。式 中 第 一 个 商 数 RQD／Jn表示岩体完整性；第二个商数Jr／Ja表示结构面形态，充填物特征及次生变化程度；第三个商数Jw／SRF表示水与应力存在时对岩体质量的影响。

1.2 Q系统围岩分级与支护

Q系统分级法将围岩分为异常坏到异常好9个级别，对应Q值的范围为0.001～1 000，岩体变形系数分为3级（0.05～50GPa）、抗剪强度分为2个级别（0.1～20MPa）。根据计算得到的掌子面的Q值和工程的跨度、高度以及安全要求等指标结合在一起就可以在Q系统的支护图表［3］中查到该处的支护设计建议。由此，通过现场的围岩分级可以将施工、调查、设计优化有机地结合在一起。

由于Q系统分级法主要侧重于对围岩的完整性的考察，即结构面的发育情况，同时也考虑到地下水渗透和地应力的影响，结果通过具体的数值表示，与国内公路隧道围岩分级相比，其结果较为直观。现场确定每个参数的值，通过公式计算得到Q值。

2 烧锅隧道优化设计

公路隧道作为道路工程永久性构筑物，应避免隧道围岩日久风化和水的侵蚀，产生松弛、掉块、坍塌以至于围岩失稳，危急行车安全；建成后能适应长期运营的需要，所以隧道设计中的优化支护是十分必要的。烧锅隧道在实际施工中对每一处发生变化的围岩都采用现场Q值分级法对围岩进行现场分级，并根据现场确定的围岩级别对原有支护设计进行优化，通过优化设计确保质量和安全。

2.1 Q值法隧道围岩分级

2.1.1 里程K1＋350处Q值分级

（1）掌子面岩体整体性一般，RQD＝50～60。

（2）掌子面发育有2组优势结构面（1组层面和1组陡倾角节理）和随即节理，Jn＝6。

（3）节理面基本上平直、光滑，局部起伏，取Jr＝1～1.5。

（4）层面间没有软质和低摩擦系数的粘土矿物覆盖，层间结合较好；节理夹有泥砂状物质，基本闭合，取Ja＝4。

（5）掌子面干燥，Jw＝1。

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（6）有软弱层，隧道埋深大于50m，SRF＝2.5。

由公式计算得：Q＝0.83～1.50。

因此该掌子面围岩为差，定为IV级围岩。

2.1.2 里程K1＋770处Q值分级

（1）掌子面岩体整体性以及强度都比较高，RQD＝65。

（2）掌子面发育有2组优势结构面（1组层面和1组陡倾角节理）和随即节理，Jn＝6。

（3）层间厚度绝大部分在0.6～1.0m之间，局部薄层在0.2～0.3m之间；节理面基本上平直、光滑，局部起伏，取Jr＝1～1.5。

（4）层面结合性较好，层面间局部有软质和低摩擦系数的粘土矿物覆盖；节理夹有泥砂状物质，张开度为1～3m，取Ja＝4。

（5）掌子面干燥，Jw＝1。

（6）有软弱层，隧道埋深大于50m，SRF＝2.5。

由公式计算得：Q＝1.08～1.63。

因此该掌子面围岩为差到一般，定为IV级。

2.1.3 围岩定级

依据Q值分级法，现场确定烧锅隧道该2段围岩级别为IV级。

2.2 隧道优化设计方案

根据现场地质情况及相关规范，为方便施工，在不改变隧道界限的条件下，对烧锅隧道的原设计V级隧道围岩支护方式作如下优化。

（1）开挖尺寸由12.32m降为12.20m。

（2）取消原有设计中格栅钢架。

（3）为加强锚固，锚杆长度由3.5m变为3.0 m，间距也由1.2m降至1.0m。

（4）将原有的水泥砂浆锚杆改为早强水泥药包锚杆，并在端头加设托板以增强锚固。

（5）C20喷射混凝土厚度由20cm改为15 cm，预留变形由7cm降为4cm。

（6）为了方便施工，提高超挖回填部分的密实度，改善围岩受力条件，超挖部分由C25S6防渗混凝土改为C20喷射混凝土。见图1。

图1 烧锅隧道IV级围岩复合衬砌结构图（优化）

采用优化的设计方案进行施工后，及时对隧道围岩进行了监控和量测，通过观测数据表明围岩稳定，支护结构受力符合要求。通过优化设计，保证了隧道工程质量，避免了不必要的施工浪费，有效地降低了施工成本，加快了施工进度。

3 结论

由于隧道设计阶段的围岩分级与实际施工时的实际情况差异往往很大，如果照图施工可能会出现如下两种情况：①实际围岩质量比设计时预计的好，因此设计支护的强度与刚度要比实际需要的支护强，就会造成施工的浪费；②实际围岩质量比设计时预计的差，因此设计支护的强度与刚度要比实际需要的支护弱，就会不安全，有可能出现塌方甚至造成人员伤害和财产损失，并影响工期。因此采用隧道围岩Q值分级法对围岩进行快速现场分级后，依据分级情况进一步优化相应的隧道支护设计，大大弥补了在设计阶段地质勘探资料与实际地质情况之间的差距所造成的支护设计不尽完善的缺点，对隧道施工及时提出了改进建议，从而减少了不必要的浪费与损失，同时也大大降低了隧道施工的风险，避免了以上2种情况的发生，推进了围岩分级与隧道支护设计和施工的技术进步，取得了良好的技术、经济和社会效益。

［1］JTG70－2004公路隧道设计规范［S］.北京：人民交通出版社.2004.

［2］闫莫明，徐祯祥，姜自洪.岩土锚固技术手册［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］静天文，江玉生，李 晓.公路隧道围岩分类与支护优化设计［M］.北京：人民交通出版社.2006.