任文明，梁久正

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

大型地下洞庫巖體力學(xué)參數(shù)取值及工程應(yīng)用中國石油天然氣管道局科技資助（局科10-1-A）

任文明，梁久正

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

節(jié)理巖體強(qiáng)度與力學(xué)參數(shù)可通過最新版的廣義Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則進(jìn)行估計，其預(yù)測結(jié)果能夠滿足工程應(yīng)用。建立在現(xiàn)場工程巖體詳細(xì)工程地質(zhì)勘察基礎(chǔ)上的Q系統(tǒng)法，不僅為確定巖體GSI指標(biāo)提供了便利，也可用于詳細(xì)設(shè)計階段的支護(hù)設(shè)計。通過工程應(yīng)用說明了采用Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則預(yù)測節(jié)理巖體力學(xué)參數(shù)的過程。

巖體力學(xué)；參數(shù)；地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI；Q系統(tǒng)法；地下洞庫

0 引言

在地下洞室、隧道、邊坡等巖體力學(xué)工程的設(shè)計或數(shù)值軟件模擬分析中，經(jīng)常需要用到巖體力學(xué)參數(shù)，巖體力學(xué)參數(shù)可通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)來獲得，但這通常比較耗時，費(fèi)用高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性有時還有待商榷。為解決這一工程問題，許多巖體力學(xué)工作者做了大量卓有成效的工作[1-8]，目前應(yīng)用較為廣泛的用來預(yù)測巖體力學(xué)參數(shù)的新方法是2002版廣義Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則。

在廣義Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則中一個非常重要的輸入?yún)?shù)是地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI，GSI是Hoek在Bieniawski的RMR巖體分類系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行局部修正后提出的，去掉了RMR中的地下水和節(jié)理產(chǎn)狀影響[9]。1995年之前，RMR巖體分類系統(tǒng)在工程應(yīng)用中有較好的效果，因?yàn)檫@時遇到的工程巖體質(zhì)量相對較好 （30

在前人研究的基礎(chǔ)上，基于2002版廣義Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則，對某地下洞庫項(xiàng)目初步設(shè)計階段巖體穩(wěn)定分析中力學(xué)參數(shù)取值問題進(jìn)行了研究，在對場地工程地質(zhì)勘察報告進(jìn)行詳細(xì)分析研究后，采用GSI系統(tǒng)分析確定巖體力學(xué)參數(shù)。

1 廣義Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則

Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則是Hoek等在參考格里菲斯經(jīng)典強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)上，通過大量實(shí)驗(yàn)，首先于1980年提出的巖體非線性破壞經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則。其強(qiáng)度估算的普遍公式為：

式中σ′1——巖體破壞時的最大有效主應(yīng)力；

σ′3——巖體破壞時的最小有效主應(yīng)力；

σci——組成巖體的完整巖塊單軸抗壓強(qiáng)度；

s，a——材料常數(shù)；

mb——通過材料常數(shù)mi折減得到。

式中D——巖體擾動參數(shù)，主要考慮爆破破壞和

應(yīng)力松弛對節(jié)理巖體的擾動程度。

由式 （1）可得巖體單軸抗壓強(qiáng)度σc和抗拉強(qiáng)度 σt：

巖體變形模量Em（GPa）采用下式：

式 （7a）適用于 σci≤100 MPa，式 （7b） 適用于 σci>100 MPa。

考慮巖體整體行為時的巖體強(qiáng)度σ′cm為：

當(dāng) σt< σ3< σ′3max（σ′3max為側(cè)限應(yīng)力的上限），通過對式 （1）表征的曲線進(jìn)行線性擬合，可得等效Mohr-Coulomb參數(shù)，摩擦角φ和黏聚力c：

式中γ——巖體容重；

H——隧道埋深。

如果水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，應(yīng)采用水平應(yīng)力代替γH。

2 巖體GSI值的量化

GSI系統(tǒng)的核心工作是對工程巖體進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘察，以便獲得不同巖體的GSI值，進(jìn)而根據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則計算巖體力學(xué)參數(shù)。Hoek根據(jù)自己的研究給出了每類巖體的GSI指標(biāo)范圍。從工程師的角度，希望得到GSI指標(biāo)的準(zhǔn)確值，基于這一目的，Sonmez和Ulusay提出了一種GSI指標(biāo)量化方法[10]，在Sonmez等的GSI量化系統(tǒng)中，主要考慮了兩個因素，巖體結(jié)構(gòu)等級SR（structure rating）和結(jié)構(gòu)面表面特征等級SCR（surface condition rating）。蘇永華[11]引入巖體塊度指數(shù)和風(fēng)化指標(biāo)對GSI取值進(jìn)行量化。

GSI系統(tǒng)量化過程的重要因素是不連續(xù)面的數(shù)量和方位，只有在這些參數(shù)易于量測的工程巖體中，GSI指標(biāo)量化才有意義。通常在構(gòu)造作用發(fā)育的工程巖體中，巖體結(jié)構(gòu)受到破壞，不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的數(shù)量和方位不易準(zhǔn)確獲得，這種情況下還是應(yīng)采用Hoek提出的GSI參考值，在地下洞室、隧道和邊坡等穩(wěn)定分析中，一般情況下是可以滿足工程要求的。

也有采用通過RMR值或Q值與GSI的關(guān)系式來計算GSI指標(biāo)，在質(zhì)量較好巖體中，應(yīng)用效果良好；但是在非常差和非均質(zhì)巖體中 （如GSI<35）,不建議采用這種關(guān)系式來確定GSI指標(biāo)[6]。

3 工程應(yīng)用

3.1 概述

某地下洞庫工程，在初步設(shè)計階段根據(jù)勘察規(guī)范進(jìn)行了詳細(xì)的工程地質(zhì)勘察，場區(qū)出露地層有太古界表殼巖系、中元古界長城系、古生界寒武系、中生界侏羅系~白堊系和新生界第四系。巖石主要是太古界變質(zhì)巖和燕山期侵入巖，發(fā)育多條斷層以及各種節(jié)理裂隙。

該區(qū)侵入巖主要是燕山期花崗巖，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物成分為鉀長石和石英。地表巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，向深部變?nèi)酢?/p>

為了模擬分析地下洞室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，正確選取現(xiàn)場巖體力學(xué)參數(shù)作為數(shù)值分析軟件的輸入?yún)?shù)就顯得頗為重要。

3.2 Q系統(tǒng)和GSI指標(biāo)

巖體質(zhì)量主要取決于巖體破裂程度，根據(jù)組成巖體的完整巖塊性質(zhì)、破裂程度、節(jié)理產(chǎn)狀等可給出巖體質(zhì)量分級，本工程主要采用Barton提出的Q系統(tǒng)。

根據(jù)現(xiàn)場的工程地質(zhì)勘察，首先定出工程開挖中可能遭遇到的巖石分類，基于Barton的Q系統(tǒng)，計算出每類巖石的Q值；其次通過各種巖石在場區(qū)分布情況的統(tǒng)計分析，得出每類巖石的概率分布值。

經(jīng)過分析，地質(zhì)工作者給出了場區(qū)遭遇到的10種巖石分類，分類時考慮了巖性 （花崗巖，鐵鎂質(zhì)和酸性侵入體）、構(gòu)造、風(fēng)化和熱液蝕變作用的影響。具體分類情況見表1。

根據(jù)Q分類系統(tǒng)，可將場區(qū)遇到的巖體分為5種，見表2。仔細(xì)分析按Q值的巖石分布情況，大體呈雙峰分布 （bimodal distribution），即很差、差巖體分級以及很好巖體分級。

場區(qū)工程地質(zhì)勘察過程中，為獲得較為詳細(xì)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況等，項(xiàng)目組做了大量的工作，先后完成了工程地質(zhì)鉆探、綜合水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)、水文干涉實(shí)驗(yàn)、孔內(nèi)波速測試、孔內(nèi)超聲波成像、地溫測試、室內(nèi)巖石實(shí)驗(yàn)等工作內(nèi)容，現(xiàn)將Hoek-Brown準(zhǔn)則所需要的完整巖塊單軸抗壓強(qiáng)度σci和彈性模量Ei列于表3。

表1 巖石分類情況

表2 巖體分級對應(yīng)的GSI指標(biāo)

表3 單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量

為考慮地下洞室開挖時爆破對圍巖穩(wěn)定的擾動影響，設(shè)擾動系數(shù)D=0.8，根據(jù)2002版Hoek-Brown準(zhǔn)則，利用RocLab軟件計算的花崗巖的Hoek-Brown巖體參數(shù)和等效Mohr-Coulomb巖體參數(shù)見表4。

根據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則計算得到的巖體參數(shù)被用于地下洞室的平面及三維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析中，項(xiàng)目組采用通用有限元程序ABAQUS對地下儲油洞室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析 （見圖1～3），結(jié)果表明在該廠區(qū)的巖體條件下是適合建設(shè)地下洞室的，滿足安全性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

4 結(jié)論

（1）節(jié)理巖體的力學(xué)參數(shù)可根據(jù)最新版的Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則計算得到，省去了大量的現(xiàn)場力學(xué)實(shí)驗(yàn)，只要獲得組成巖體的完整巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度σci和GSI指標(biāo)即可。Hoek-Brown為節(jié)理巖體力學(xué)參數(shù)的估計提供了簡捷、經(jīng)濟(jì)、適用的新途徑。

（2）在確定巖體GSI指標(biāo)時，不必過分追求GSI系統(tǒng)的量化，在對場地進(jìn)行詳細(xì)的工程地質(zhì)勘察后，可以參考Hoek給出的每類巖體的GSI值。

（3）Barton的Q系統(tǒng)為確定GSI指標(biāo)奠定了良好基礎(chǔ)，并且也可以用于詳細(xì)設(shè)計階段的地下洞室支護(hù)設(shè)計，建議大型地下工程可以采用Q巖體分級系統(tǒng)，雖然它目前在國內(nèi)應(yīng)用得比較少。

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Selection and Engineering Application of Rock Mechanical Parameters for Large Underground Rock Cavern

REN Wen-ming（China Petroleum Pipeline Engineering Co.,Ltd.,Langfang 065000,China），LIANG Jiuzheng

The strength and mechanical parameters of jointed rock mass can be estimated in terms of the lately generalized Hoek-Brown failure criterion,the estimated results can be applicable in project properly.Q system based on careful geology observations of in situ rock mass provides convenience to determine rock mass index GSI.Furthermore,it can be applied in detailed support design.An engineering calculation process shows how the mechanical parameters of jointed rock mass are estimated by means of Hoek-Brown failure criterion.

rock mechanics;parameter;geological strength index GSI;Q system;underground rock cavern

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.004

任文明 （1981-），男，河南輝縣人，工程師，2007年畢業(yè)于中國石油大學(xué) （華東）巖土工程專業(yè)，碩士，目前主要從事地下洞室的工程設(shè)計工作。

2011-01-03；

2011-11-17