李彥恒，馮 利，羅立平

（第二炮兵工程設(shè)計(jì)院，北京 100011）

1 引 言

巖體分級(jí)是把影響圍巖穩(wěn)定的主要地質(zhì)條件進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，劃定出不同的級(jí)別，作為地下工程設(shè)計(jì)與施工的依據(jù)。通常定量的巖體分級(jí)方法要對(duì)巖體的幾何參數(shù)、物性進(jìn)行測(cè)量、現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，這些參數(shù)最好是常規(guī)、易測(cè)的。常見的方法有工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的BQ分級(jí)[1]、挪威Barton的Q分級(jí)[2]、南非的RMR分級(jí)[3]等，此外，水利水電、鐵路、公路、國防等行業(yè)也有自己的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。這些方法各自存在一定的缺陷，如分類指標(biāo)過于籠統(tǒng)、參數(shù)難以獲取、適用范圍較窄等。

根據(jù)Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則和等面積原則，通過巖石力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，算出工程巖體主要的力學(xué)參數(shù)，可用于地下工程的巖體分級(jí)。這種方法能夠較好的反映巖體的賦存條件和力學(xué)狀態(tài)，對(duì)巖體的工程力學(xué)性質(zhì)認(rèn)識(shí)更加深入，為地下工程設(shè)計(jì)和施工支護(hù)提供更加科學(xué)、合理的依據(jù)。實(shí)踐表明，相比于最常用的BQ分級(jí)法，這種方法在深埋地下工程中更加科學(xué)、適用。

2 分級(jí)方法

地下工程建設(shè)中都要進(jìn)行鉆孔勘探和常規(guī)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，本文就利用這兩項(xiàng)工作的結(jié)果采用基于Hoek-Brown準(zhǔn)則[4－7]進(jìn)行定量地巖體分級(jí)。對(duì)于深埋地下工程，由于Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則是在巖石力學(xué)和工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的強(qiáng)度理論，它是在總結(jié)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上獲得的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，能夠反映巖石斷裂、層理、完整性的一種非線性的強(qiáng)度準(zhǔn)則，因此，這種分級(jí)法能更好地反映復(fù)雜地質(zhì)條件下巖體的賦存條件和力學(xué)狀態(tài)。

推廣修正后的Hoek-Brown準(zhǔn)則[8]為

式中：σ1為巖體破壞時(shí)的最大主應(yīng)力；σ3為巖體破壞時(shí)的最小主應(yīng)力或者三軸試驗(yàn)中的圍巖；σc為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；mb、s、a為巖體材料常數(shù)；D為巖體擾動(dòng)參數(shù)；GSI為地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)，確定主要基于巖體的巖性、結(jié)構(gòu)和不連續(xù)面的條件等，是通過對(duì)側(cè)墻、掌子面及鉆孔巖芯等表面開挖或暴露的巖體進(jìn)行的節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)來評(píng)定； mi為完整巖石的Hoek-Brown常數(shù)，根據(jù)巖石的成因劃分，可通過室內(nèi)完整巖塊的單軸、三軸壓縮試驗(yàn)得出，也可通過類比法確定，當(dāng)無試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，通過查表估算[9]。

由于該強(qiáng)度準(zhǔn)則更好地反映了巖體的強(qiáng)度特性且實(shí)用性很強(qiáng)，被工程界尤其是歐美國家所廣泛采用。Hoek采用等面積原則，將這一準(zhǔn)則描述的非線性行為簡化為線性[10]，計(jì)算中用常數(shù)等效黏聚力c和等效內(nèi)摩擦角φ確定的直線，代替極限狀態(tài)應(yīng)力變化的非線性關(guān)系。加拿大ROCKSCIENCE公司開發(fā)的RocLab軟件基于這一準(zhǔn)則和等面積原則算出巖體力學(xué)參數(shù)，包括巖體抗剪斷峰值強(qiáng)度、變形模量、單軸抗壓強(qiáng)度、整體抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度等。根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[11]附錄C：巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)（見表1），可用作定量化的巖體分級(jí)。本文采用這一軟件對(duì)某工程鉆探結(jié)果和某地下工程圍巖的巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行初步計(jì)算，由此將這種巖體分級(jí)方法和傳統(tǒng)的BQ分級(jí)法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)與巖體質(zhì)量分級(jí)對(duì)應(yīng)表Table1 Correspondence between physico-mechanical parameters and classification of rock mass

3 實(shí) 例

本文采用上述兩種方法對(duì)2個(gè)工程的圍巖進(jìn)行分級(jí)，結(jié)合施工中的工程地質(zhì)現(xiàn)象和圍巖的支護(hù)效果，對(duì)兩者結(jié)果進(jìn)行比較。

實(shí)例1. 工程區(qū)屬中低山地貌，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，出露巖性為片麻巖、白云質(zhì)大理巖、千枚巖等，表層強(qiáng)風(fēng)化，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育。本次工程鉆探共布鉆孔2個(gè)，均為水平孔，孔深70 m，編號(hào)為A、B孔，鉆探工藝為雙管鉆進(jìn)，全孔取芯。鉆孔A揭露巖層為灰白色～白色白云質(zhì)大理巖、青灰色片麻巖，全孔平均巖芯采取率為 93.24%，平均RQD值為39.07%，鉆進(jìn)過程中從9.60 m開始循環(huán)水全部漏失。表2為鉆孔A的地層巖性及RQD值的統(tǒng)計(jì)表。鉆孔B揭露巖層為風(fēng)化碎石覆土層（12.8 m）、灰白色～白色白云質(zhì)大理巖、青灰色片麻巖，全孔平均巖芯采取率為 89.94%，平均 RQD值為33.88%，鉆進(jìn)過程中循環(huán)水大量漏失。

表2 實(shí)例1中鉆孔A地層巖性及RQD值一覽表Table2 Lithology and RQD of rock core from borehole A of example 1

根據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，白云質(zhì)大理巖的天然塊體密度為 2.71～2.81 g/cm3，平均為 2.75 g/cm3；單軸抗壓強(qiáng)度為56.2～102 MPa，平均為74.1 MPa，其中單軸抗壓強(qiáng)度和飽和彈性模量變化較大。白云質(zhì)大理巖屬堅(jiān)硬巖。片麻巖的天然塊體密度為2.69～2.86 g/cm3，平均為2.77 g/cm3；單軸抗壓強(qiáng)度為14.2～77.2 MPa，平均為52.6 MPa，其中鉆孔A的終孔段A-4（60.0～70.0 m）片麻巖的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)異常，單軸抗壓強(qiáng)度僅為14.2 MPa，屬軟巖，其余2段片麻巖也屬堅(jiān)硬巖。

根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ可按下式計(jì)算：

式中：Rc為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度；當(dāng)Rc＞90 Kv+30，則應(yīng)以 Rc=90 Kv+30，當(dāng)Kv＞0.04Rc+0.4，則應(yīng)以 Kv=0.04 Rc+0.4；Kv為巖體完整性指數(shù)。當(dāng)存在高地應(yīng)力特征和地下工程條件時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)按下式進(jìn)一步修正，即巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ]：

式中：K1為地下水影響修正系數(shù)；K2為主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；K3為初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。

根據(jù)鉆孔情況，以兩種巖石為標(biāo)志可設(shè)置2組工程巖體，其BQ值計(jì)算結(jié)果見表3。按照BQ巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，白云質(zhì)大理巖組可定為 III級(jí)（450～351），片麻巖組分級(jí)為IV級(jí)（＜ 250）。

表3 實(shí)例1中2組巖體的BQ分級(jí)法結(jié)果Table3 Classification result of two groups of rock masses obtained by BQ methods

同樣，也可以采用Hoek-Brown準(zhǔn)則計(jì)算出巖體力學(xué)參數(shù)來確定圍巖等級(jí)。本工程的鉆孔方向水平，位于坡度約為45°的山坡坡腳處，用RacLab中的斜坡模式，白云質(zhì)大理巖的斜坡高度取100 m，片麻巖的取150 m，根據(jù)RQD值和現(xiàn)場基巖出露及巖芯裂隙發(fā)育情況（見圖 1～4），白云質(zhì)大理巖的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI取55，片麻巖的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI取45，算出的巖體力學(xué)參數(shù)見表4。根據(jù)表4，白云質(zhì)大理巖分級(jí)為III級(jí)，片麻巖分級(jí)為IV級(jí)，這和采用BQ圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果相同。因此，對(duì)于淺埋工程，基于Hoek-Brown準(zhǔn)則的分級(jí)方法同傳統(tǒng)的BQ分級(jí)法結(jié)果較為一致。

圖1 實(shí)例1中A孔附近的白云質(zhì)大理巖基巖露頭Fig.1 Outcrops of dolomite marble near borehole A of example 1

圖2 實(shí)例1中A孔上方的基巖露頭Fig.2 Outcrops above borehole A of example 1

圖3 實(shí)例1中A－3孔段白云質(zhì)大理巖的巖芯照片F(xiàn)ig.3 Photo of dolomite marble core in segment A-3 of example 1

圖4 實(shí)例1中B－7孔段片麻巖的巖芯照片F(xiàn)ig.4 Photo of gneiss core in segment B-7 of example 1

表4 RacLab軟件算出的巖體力學(xué)參數(shù)Table4 Mechanical parameters of rock mass from RacLab

實(shí)例2. 對(duì)于大深埋、高地應(yīng)力的地下工程，用通常的BQ圍巖分級(jí)方法存在一定的局限性，因?yàn)檫@種方法不能反映高圍壓下非線性巖體力學(xué)的一些特點(diǎn)（諸如硬巖軟化等），從而可能導(dǎo)致過高估計(jì)巖體的強(qiáng)度，造成施工支護(hù)的強(qiáng)度和措施不夠，設(shè)計(jì)防護(hù)的要求和實(shí)際情況不符。

某深埋地下工程，工程巖體的巖性以近水平產(chǎn)狀的砂巖為主，夾少量泥質(zhì)砂巖、泥巖，地應(yīng)力極高（最大主應(yīng)力約為45 MPa），砂巖單軸抗壓強(qiáng)度平均為180 MPa，泊松比為0.275，鉆孔的RQD值平均在 80%以上，完整性指數(shù)取 0.9，圍巖的基本質(zhì)量指標(biāo)BQ = 90+333+225 = 648。

為反映圍巖的高地應(yīng)力狀態(tài)，取修正系數(shù) K3=1.0，反映泥巖夾層對(duì)巖體整體強(qiáng)度的影響，取K2=0.4，由于無地下水，取 K1= 0，則修正后的砂巖巖體[BQ]= 648-140 = 508。根據(jù)巖體質(zhì)量指標(biāo)分類的圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該工程的圍巖分級(jí)為 II級(jí)（550～451）。

若采用Hoek-Brown準(zhǔn)則估計(jì)巖體力學(xué)參數(shù)，用RacLab的沉積地層的厚層硬巖夾軟巖（Flysch）模式，地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI取70。最大第三主應(yīng)力采用自定義模式取值為15 MPa，擾動(dòng)參數(shù)D取0.75（爆破擾動(dòng)大：非光爆掘進(jìn)，單爆破進(jìn)尺3～4 m），E取 39 GPa，計(jì)算出的 c值為 5.2 MPa，φ值為39°，巖體單軸抗拉強(qiáng)度為 1.08 MPa，巖體單軸抗壓強(qiáng)度為17.77 MPa，巖體變形模量為12.3 GPa。根據(jù)表1，該工程砂巖巖體分級(jí)為III級(jí)。

施工前期階段，由BQ法的圍巖分級(jí)結(jié)果，按照《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》[11]中提供的II類圍巖初期支護(hù)措施，進(jìn)行圍巖初護(hù)作業(yè)，即毛洞跨度在5～10 m之間，采用80～100 mm厚噴射混凝土或者50 mm厚噴射混凝土，設(shè)置1.5～2.0 m長的錨桿進(jìn)行初護(hù)。掘進(jìn)支護(hù)完成后的一年多來，不斷出現(xiàn)側(cè)墻、拱角處圍巖噴層破壞，這一現(xiàn)象個(gè)別地方甚至反復(fù)出現(xiàn)，這說明按照II類圍巖的初護(hù)措施不符合實(shí)際的圍巖強(qiáng)度。在后期施工過程中，加強(qiáng)初護(hù)強(qiáng)度：在前期初護(hù)措施的基礎(chǔ)上增加鋼筋網(wǎng)，在交叉部位還設(shè)置鋼拱架，事實(shí)上按照III類圍巖來做初護(hù)，之后的圍巖噴層破壞大大減少，這說明實(shí)際的圍巖條件就應(yīng)該按照 III類進(jìn)行初護(hù)。因此，對(duì)深埋地下工程的圍巖分級(jí)，BQ法存在一定的局限性，不能真實(shí)反映圍巖的力學(xué)狀態(tài)，采用基于Hoek-Brown準(zhǔn)則的圍巖分級(jí)更加符合深埋地下工程實(shí)際的圍巖質(zhì)量情況。

4 結(jié) 語

通過兩個(gè)工程實(shí)例的圍巖分級(jí)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析可見，對(duì)于淺埋工程，基于Hoek-Brown準(zhǔn)則的分級(jí)方法同傳統(tǒng)的BQ分級(jí)法結(jié)果較為一致。對(duì)深埋地下工程的圍巖分級(jí)，采用BQ分級(jí)法存在一定的局限性，不能真實(shí)反映圍巖在大埋深、高地應(yīng)力條件下的力學(xué)狀態(tài)和工程地質(zhì)特性，本文方法更加符合深埋地下工程實(shí)際的圍巖質(zhì)量情況，無論是淺埋地下工程，還是深埋地下工程，基于Hoek-Brown準(zhǔn)則的圍巖分級(jí)法都更加科學(xué)、適用。

[1]中華人民共和國水利部,中華人民共和國建設(shè)部發(fā)布.GB 50218－94 工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國計(jì)劃出版社1994. 7

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[11]原國家冶金工業(yè)局. GB 50086－2001 錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S]. 北京: 中國計(jì)劃出版社2001.