高地应力条件下围岩质量分类方法研究

第２３卷　第５期２００８年５月地球科学进展ＡＤＶＡＮＣＥＳＩＮＥＡＲＴＨＳＣＩＥＮＣＥＶｏｌ．２３　Ｎｏ．５Ｍａｙ．，２００８文章编号：１００１８１６６（２００８）０５０４８２０７高地应力条件下围岩质量分类方法研究赵其华１，陈近中２，彭社琴１（１．成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川　成都　６１００５９；２．四川省地质工程勘察院，四川　成都　６１００７２）摘　要：围岩质量分类是隧道及地下工程领域重要的技术工作之一。限于经验，目前常用的围岩质量分类方法主要适用于中低应力、低应力环境，而在高地应力地区的适宜性较差。文章结合某水电工程实例，先后采用ＢＱ分类、ＨＣ分类、ＲＭＲ分类以及Ｑ系统分类方法，分别就４种方法分类结果的相关性、吻合率和一致性等方面开展了系列对比研究和初步的成因分析。发现无论是上述４种方法各自的分类依据和指标，还是各指标权重的大小均有较大差异。故针对高地应力环境，以及研究区高地应力条件下的岩爆问题，分别对现行Ｑ系统分类、ＨＣ分类和ＲＭＲ分类方法逐一进行了修正。如Ｑ系统重点修正了地应力折减系数、节理粗糙度系数Ｊｒ和节理风化蚀变系数Ｊａ；ＨＣ分类提出了考虑高地应力和岩爆烈度的地应力折减系数，而取消了强度应力比Ｓ；ＲＭＲ方法主要修正了Ｒ６，并增加了地应力折减系数Ｋ等。修正后的Ｑ、ＨＣ、ＲＭＲ方法所得结果更接近实际情况。最后，基于概率统计方法，建立了采用多种方法的围岩综合分类方案。关　键　词：高地应力；围岩质量分类；岩爆中图分类号：ＴＵ４５７　　　文献标志码：Ａ１　引　言随着我国西部大开发战略的实施，大型水电、交通等基础设施不断地涌现，许多新的问题亟需工程地质界研究和解决。特别是在西部高山峡谷地带进行地下洞室或边坡的开挖，高地应力环境对工程有很大的影响。在工程建设的各阶段（规划、勘察、设计和施工）中，正确、及时地对围岩质量作出评价，是经济、合理地进行岩体开挖和加固支护设计、快速安全施工，以及建筑物安全运行必不可少的条件。然而，目前我们所熟悉的围岩质量分类方法在中低地应力条件下的适应性较好，所得到的结果也比较令人满意，但对高地应力的考虑过于简单或模糊。因此，高地应力条件下的围岩分类方法还需要进一步探索、研究。２　各围岩质量分类方法中参数的取值及其适宜性分析目前，常用的围岩质量分类方法主要是以下４种方法，即岩体基本质量（ＢＱ）分类（国标《工程岩体分类标准》ＧＢ５０２１８９４）、水利水电工程围岩工程地质（ＨＣ）分类（国标ＧＢ５０２８７９９）、岩体地质力学分类（ＲＭＲ）以及Ｑ系统分类方法。２．１　岩体基本质量（ＢＱ）分类岩体基本质量指标（ＢＱ）是以岩石单轴饱和抗压强度（σｃｗ）和岩体完整性系数（Ｋｖ）为基本因素，以地下水（Ｋ１）、主要结构面产状（Ｋ２）及天然地应力（Ｋ３）为修正因素，按照式（１）和式（２）计算得到的数值。根据［ＢＱ］值的大小，把岩体基本质量分为Ⅰ～Ⅴ五大类。　收稿日期：２００８０４１２；修回日期：２００８０４１４．基金项目：四川省杰出青年学科带头人培养基金项目“开发边坡卸荷机理”（编号：０４ｚｑ０２６０１６）资助．　作者简介：赵其华（１９６５），男，江苏泰兴人，教授，博士生导师，主要从事边坡工程、地质灾害评价与治理工程设计等领域的科研、教学工作．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]［ＢＱ］＝ＢＱ－１００（Ｋ１＋Ｋ２＋Ｋ３）（１）ＢＱ＝９０＋３σｃｗ＋２５０Ｋｖ（２）　　ＢＱ分类方法是一个定性与定量相结合、经验判断与测试计算相结合的方法，也是一个相对抽象和笼统的分类方法。ＢＱ值只是反映岩体的基本质量，且对岩石单轴抗压强度过于敏感。因而，该方法不能对一些特定环境下的岩体质量做出准确的判定。２．２　水利水电工程围岩工程地质（ＨＣ）分类ＨＣ分类方法以岩石强度（Ａ）、岩体完整性（Ｂ）、结构面状态（Ｃ）、地下水（Ｄ）和主要结构面产状（Ｅ）５项因素之和的总评分为基本判据，围岩强度应力之比（Ｓ）为限定判据的围岩分类方法，其计算公式为式（３）。当Ｓ不满足要求时，岩体质量按照直接降一级方法处理。ＨＣ＝Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｅ（３）　　根据多年的工程实例验证，ＨＣ方法在中低应力区的围岩分类中适宜性较好，但是在高地应力区，适用性相对较差。究其原因，主要是因为ＨＣ分类方法对于地应力的考虑过于简化，只是根据围岩的强度应力比Ｓ对岩体级别进行简单的降一级处理，未进行量化，且没有区别高地应力段中岩爆段和非岩爆段岩体质量的差异。２．３　岩体地质力学分类（ＲＭＲ）岩体地质力学分类（ＲＭＲ）是岩块强度（Ｒ１）、ＲＱＤ值（Ｒ２）、节理间距（Ｒ３）、结构面性状（Ｒ４）、地下水（Ｒ５）及主要结构面产状的影响（Ｒ６）６项因素评分之和。ＲＭＲ＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４＋Ｒ５＋Ｒ６（４）　　地质力学分类（ＲＭＲ）有３个基本参数是定量的，另３个基本参数是定性的，是一个半定量、半定性方法。该分类方法强调结构面发育程度及其力学性状的作用；重视结构面走向与隧道轴线的几何关系对隧道稳定的影响。但对节理组数、地应力等未加考虑。因而，它在高地应力区适宜性仍然较差。２．４　Ｑ系统分类Ｑ系统分类的Ｑ值是由岩石质量指标（ＲＱＤ）、节理组数目数（Ｊｎ）、节理粗糙程度（Ｊｒ）、节理蚀变值（Ｊａ）、节理含水折减系数（Ｊｗ）和应力折减系数（ＳＲＦ）６个参数按照式（５）确定的。Ｑ＝ＲＱＤＪｎ·ＪｒＪａ·ＪｗＳＲＦ（５）　　Ｑ系统分类方法除了岩体质量指标ＲＱＤ外，其余５项指标都是根据现场调查的描述查表得出，它基本上是一个定性的分类方法，需要有经验的地质人员参加，主观随意性较大。据经验Ｑ系统分类适用于被裂隙分割的硬岩地区。Ｑ系统分类对高地应力条件有一定的考虑，在高地应力区的适宜性较其它３种方法好。３　典型围岩分类结果的差异分析大渡河上游某电站坝区平洞内片帮严重、河床钻孔中饼状岩芯发育，实测地应力高达３９ＭＰａ（ＳＰＤ９平洞０＋４００ｍ处）。这些都表明坝区属于高—极高地应力地区。为此，利用上述４种方法对片帮严重的ＳＰＤ９平洞进行围岩质量分类，并把全洞段和高地应力段的分类结果进行对比分析，以探讨高地应力对围岩质量分类的影响。３．１　相关性分析４种分类方法之间的相关性统计结果列入表１。统计表格中可以看出：６种相关关系中，高地应力段的相关系数比全硐段的小，说明地应力对各种分类结果有不同程度的影响；ＢＱ、ＨＣ和ＲＭＲ之间呈线性关系，Ｑ与其它３种方法之间呈非线性关系。表１　各方法之间相关性统计表Ｔａｂｌｅ１　Ｒｅｌａｔｉｖｉｔｙｂｅｔｗｅｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ相关关系相关方程（ｙ～ｘ）相关性系数ｒＢＱＨＣ（ｙ～ｘ）全硐段高地应力段ｙ＝２．７９１１ｘ＋２２１．３７ｙ＝２．１４７８ｘ＋２６６．４７０．６９０．３３ＢＱＲＭＲ（ｙ～ｘ）全硐段高地应力段ｙ＝１．６７７８ｘ＋２９２．１４ｙ＝０．９７６ｘ＋３４７．１３０．５３０．２４ＢＱＱ（ｙ～ｘ）全硐段高地应力段ｙ＝３８５．８９ｅ０．００２３ｘｙ＝４０１．５８ｅ０．００１８ｘ０．３９０．４７ＲＭＲＨＣ（ｙ～ｘ）全硐段高地应力段ｙ＝１．０３８４ｘ－１．８１６ｙ＝０．７７３７ｘ＋１６．３４１０．８２０．４７ＲＭＲＱ（ｙ～ｘ）全硐段高地应力段ｙ＝４．４０６Ｌｎ（ｘ）＋５５．７４１ｙ＝１．２１６４Ｌｎ（ｘ）＋６６．６１２０．４３０．１９ＱＨＣ（ｙ～ｘ）全硐段高地应力段ｙ＝０．０００１ｘ２．７０１３ｙ＝４Ｅ－０５ｘ２．９２２１０．３９０．１８３．２　吻合率分析吻合率就是２种方法的分类结果相同的所有分类段段长之和与整个平硐长度之比，用百分比表示，统计结果见表２。从表中可以得出：全硐段吻合率的平均值为４２．５％，其中ＨＣＲＭＲ之间的吻合率最大，为６１％，ＢＱＲＭＲ之间的吻合率最小，仅１４．５％；高地应力段平均吻合率为４３．０％，其中ＢＱＲＭＲ之间的吻合率最小仅１１．０％。全硐段和高地应力段的吻合率在总体上差别不大。３８４第５期　　　　　　　　　　　　赵其华等：高地应力条件下围岩质量分类方法研究　　　　　　　　　表２　４种分类方法相互吻合率统计表Ｔａｂｌｅ２　Ｒａｔｉｏｏｆｓｉｍｉｌａｒｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｆｏｕｒ吻合关系ＢＱＨＣＢＱＲＭＲＢＱＱ吻合率（％）全硐段高地应力段３８．７５３８．０１４．５１１．０１９．２５２２．６７吻合关系ＨＣＲＭＲＨＣＱＲＭＲＱ吻合率（％）全硐段高地应力段６１　６４．６７５４．５６４．６７４９．０４７．０３．３　一致性分析同一分类段运用ＢＱ、ＨＣ、ＲＭＲ、Ｑ４种分类方法进行分类，可能会出现４种情况，即４种方法的结果都相同、３种相同、２种相同和各不相同，具体统计见表３。从表中可以看出，有３种、２种分类结果相同的情况占绝大部分，占８６％左右，４种结果都相同的情况只占１４％左右，而各分类结果各不相同的情况没有出现。表３　４种分类方法的一致性统计表Ｔａｂｌｅ３　Ｒａｔｉｏｏｆｓｉｍｉｌａｒｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｆｏｕｒ分　段４种结果相同３种结果相同２种结果相同各种结果互不相同比例（％）比例（％）比例（％）比例（％）全硐段１４．２５３７．２５５８．５００高地应力段１４．３３３４．３３５１．３４０３．４　４种方法的分类结果在整个平硐中的对比分析就整个ＳＰＤ９平硐各类岩体所占的比例而言（图１～４），ＨＣ和Ｑ分类方法所得的Ⅱ类岩体所占比例较为接近，分别为４７．７５％、５６．２５％，主要差异在Ⅲ１、Ⅲ２、Ⅳ类岩体所占比例。４种分类方法中只有ＲＭＲ分类结果有Ⅰ类岩体，占４．５％，Ⅱ类岩体占７５％，其结果较实际情况明显偏大。而ＢＱ分类中，Ⅱ类岩体仅占２．５％，Ⅲ１、Ⅲ２岩体分别占４８．５％、４３．２５％，其结果较实际情况明显偏小。图１　ＢＱ分类结果饼状图　　　　　　　　　　　　　　　图２　ＨＣ分类结果饼状图Ｆｉｇ．１　ＣａｋｙｄｒａｗｉｎｇｏｆＢＱｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔ　　　　　Ｆｉｇ．２　ＣａｋｙｄｒａｗｉｎｇｏｆＨＣｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔ图３　ＲＭＲ分类结果饼状图　　　　　　　　　　　　　　　图４　Ｑ分类结果饼状图Ｆｉｇ．３　ＣａｋｙｄｒａｗｉｎｇｏｆＲＭＲｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔ　　　　　Ｆｉｇ．４　ＣａｋｙｄｒａｗｉｎｇｏｆＱｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔ３．５　各分类结果差异的原因分析从以上分析可以看出，不同分类方法无论是在具体的分类段上还是在整个平硐上，它们的结果之间绝大部分存在差异，个别甚至差异较大。其原因主要为各方法所考虑的因素不一致，部分影响该工程岩体质量类别的主要因素在个别分类方法中所占的权值过小，甚至未予考虑。表４为典型岩体质量分类方法所考虑的因素统计表，从表中可知：①各分类方法所考虑的全部因素为６～８个，其中基本因素为２～６个，修正因素为１～３个；②各方法考虑的因素中，地质因素最多，力学因素次之，工程因素最少。以下分别对ＢＱ、ＨＣ、ＲＭＲ、Ｑ４种定量分类方法所考虑的因素及其对该工程的影响进行简单分析。（１）ＢＱ分类方法主要以岩石饱和抗压强度和岩体完整性系数为判定岩体质量的主要因素，以地下水、主要结构面产状和地应力为修正因素，其分类结果对岩体的强度过于敏感。锦屏二级水电站引水４８４　　　　　　　　　　　　　　　　　地球科学进展　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第２３卷表４　典型岩体质量分类方法所考虑的因素一览表Ｔａｂｌｅ４　Ｆａｃｔｏｒｓｏｆｔｙｐｉｃａｌｒｏｃｋｑｕａｌｉｔｙｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｌｉｓｔ分类方法地质因素力学因素工程因素结构面组数间距状态ＲＱＤ岩体结构完整性风化卸荷地应力地下水地质构造岩石强度岩石波速岩体波速结构面方位施工方法工程规模ＢＱ分类　　☆　　★☆☆★☆☆☆ＨＣ分类　　★　　★☆☆★☆☆☆ＲＭＲ分类★★★★★　　☆Ｑ分类★★★★★★　　　　注：★为基本因素，☆为修正因素隧道围岩分类成果表明［１］，ＢＱ分类