岩体质量分类Q系统评述

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]
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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。