許小路，廖 卓，2，劉 迪

（1.中國(guó)電建集團(tuán)浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310014；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

巖體圍巖分類(lèi)在地下工程中起到非常重要的作用，特別是在大壩、邊坡、隧洞和地下廠房等工程的設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中［1］。目前國(guó)際上廣泛使用的RMR圍巖分類(lèi)系統(tǒng)是由Bieniawski于1973年提出，并在1974、1976、1979、1989年進(jìn)行了更新與修正，主要解決巖體的圍巖分類(lèi)，判定圍巖性質(zhì)，并為地下洞室、工程邊坡等建筑物提供設(shè)計(jì)參數(shù)［2］。與此同時(shí)，RMR值與Q值、GSI值和HC值的關(guān)系應(yīng)用研究也取得了大量的成果，大量的研究表明RMR值與Q值呈對(duì)數(shù)關(guān)系［3］，而與GSI值呈線性數(shù)正相關(guān)［4］。

本文以中東K項(xiàng)目抽水蓄能電站地下洞室為研究實(shí)例，分析RMR圍巖分類(lèi)系統(tǒng)在軟巖與硬巖互層發(fā)育地層條件下的計(jì)算方法，驗(yàn)證其與Q值、GSI值和HC值的相關(guān)性。K項(xiàng)目為裝機(jī)340 MW的抽水蓄能電站，位于地中海東岸，死海轉(zhuǎn)換斷層帶附近，地質(zhì)條件較復(fù)雜。地下洞室群處于玄武巖（硬巖，UCS＞30 MPa）與火山碎屑巖體（軟巖，UCS＜15 MPa）互層發(fā)育巖體內(nèi)。項(xiàng)目前期勘測(cè)資料較少，為達(dá)到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與施工的目的，收集地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行圍巖類(lèi)別的判定，并不斷對(duì)比分析總結(jié)，以減小主觀誤差，對(duì)項(xiàng)目的推進(jìn)十分重要。RMR圍巖分類(lèi)系統(tǒng)的6個(gè)基本指標(biāo)中，有5個(gè)基本指標(biāo)在現(xiàn)場(chǎng)編錄較易獲得，采用半定量法易于標(biāo)度統(tǒng)一，是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工主要依據(jù)的圍巖類(lèi)別判定標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)輔以Q系統(tǒng)和水電圍巖分類(lèi)HC法作為參考。

1 互層巖體RMR值計(jì)算

1.1 計(jì)算方法

RMR圍巖分類(lèi)方法采用和差模型，考慮了巖塊單軸壓縮強(qiáng)度R1、巖體完整性指標(biāo)RQD值R2、結(jié)構(gòu)面間距R3、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)R4、地下水狀態(tài)R5及結(jié)構(gòu)面與開(kāi)挖關(guān)系的修正分值R6，其中前5項(xiàng)之和為基本值RMRbasic，計(jì)算方法見(jiàn)式（1）和式（2），圍巖等級(jí)劃分見(jiàn)表1。

表1 RMR圍巖分類(lèi)系統(tǒng)圍巖等級(jí)分類(lèi)

式中：RMRbasic為基本值；

R6為修正值。

運(yùn)用RMR法進(jìn)行圍巖分類(lèi)判定，需把工程區(qū)域相似的地質(zhì)單元進(jìn)行劃分，以得到針對(duì)性評(píng)價(jià)。特別是在軟硬巖互層發(fā)育區(qū)域，劃分地質(zhì)單元進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià)非常重要。同時(shí)對(duì)于一個(gè)局部單元或者一個(gè)施工循環(huán)，RMR綜合值對(duì)其圍巖分類(lèi)評(píng)價(jià)、提供設(shè)計(jì)輸入也是必不可少的。根據(jù)RMR1989，對(duì)地質(zhì)評(píng)價(jià)區(qū)域存在地質(zhì)條件不同單元，可采用面積權(quán)重作為RMR圍巖分類(lèi)的最終值。而對(duì)于軟硬巖兩種不同地質(zhì)單元，由于拱頂穩(wěn)定對(duì)洞室穩(wěn)定起比較重要的作用，因此在進(jìn)行圍巖分類(lèi)時(shí)，需重點(diǎn)考慮拱頂?shù)挠绊憽?/p>

RMR綜合值的計(jì)算方法，除采用先分區(qū)評(píng)分再根據(jù)面積權(quán)重值之外，采取先計(jì)算基本值RMRbasic面積權(quán)重，再根據(jù)拱頂巖性條件最后修正R6的計(jì)算方法。具體簡(jiǎn)述如下：

方法一：各區(qū)獨(dú)立評(píng)分再計(jì)算面積權(quán)重，得到最終綜合值RMRF1，見(jiàn)式（3）。

式中：RMRF1為綜合值；

RMRA為區(qū)塊A的RMR值；

RMAB為區(qū)塊B的RMR值；

α為區(qū)塊A的面積占比。

方法二：先計(jì)算面積權(quán)重RMRbasic，再根據(jù)洞頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)面與開(kāi)挖方向的幾何關(guān)系，最后修正得到

RMRF2。

式中：RMRF2為基本值先計(jì)算面積權(quán)重再修正得到綜合值；

RMRbasic-A為A區(qū)塊基本值；

RMRbasic-B為B區(qū)塊基本值；

RMR6x為考慮拱頂不同巖性的修正值。

1.2 實(shí)例分析

本節(jié)選取K項(xiàng)目的地下洞室玄武巖與火山碎屑巖互層發(fā)育洞段地質(zhì)資料，根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖揭露條件，進(jìn)行RMR綜合值的計(jì)算。同時(shí)考慮洞頂?shù)牟煌瑤r性，將“方法二”分為洞頂火山碎屑巖和洞頂玄武巖兩種情況，所劃圍巖分類(lèi)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 兩種方法圍巖分類(lèi)占比 %

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，當(dāng)洞頂是火山碎屑巖時(shí)，采用兩種分類(lèi)方法對(duì)于該洞段的圍巖分類(lèi)占比基本相似，方法二的Ⅳ類(lèi)圍巖僅比“方法一”的圍巖分類(lèi)占比相差3%；但當(dāng)采用“方法二”，洞頂是玄武巖的情況時(shí)，Ⅳ類(lèi)圍巖占比增加至62%，是“方法一”判定的Ⅳ類(lèi)圍巖占比的近3倍，差異較大。

分析原因發(fā)現(xiàn)，該洞段的玄武巖巖體內(nèi)優(yōu)勢(shì)節(jié)理以平行開(kāi)挖方向和垂直開(kāi)挖方向的陡傾角節(jié)理為主（圖1），因此R6x＝R6y＝-12的情況修正較多，其頻次分布見(jiàn)圖2。因此采用“方法二”考慮拱頂圍巖不同進(jìn)行R6分值判定時(shí)，其圍巖分類(lèi)結(jié)果較“方法一”差別大，導(dǎo)致Ⅳ類(lèi)圍巖判定偏多。即拱頂出現(xiàn)軟巖時(shí)，Ⅲ類(lèi)圍巖占比變高，而實(shí)際情況是拱頂出現(xiàn)硬巖隧洞較軟巖隧洞穩(wěn)定，因此與實(shí)際矛盾。因此，本工程的軟硬互層發(fā)育的地質(zhì)條件不適合采用方法二進(jìn)行RMR綜合值計(jì)算。

圖1 節(jié)理等密度

圖2 R6修正值頻次分布

進(jìn)一步分析兩種方法計(jì)算的RMR值與Q值、GSI值三者之間的關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，RMR值與Q值、GSI值均呈正相關(guān)關(guān)系。采用“方法二”時(shí)，當(dāng)拱頂是玄武巖時(shí)，相關(guān)系數(shù)差異較大，降低較多。表明“方法二”不適用本工程地質(zhì)條件，與上段結(jié)論一致。因此采用“方法一”分別計(jì)算RMRA、RMRB值后，再計(jì)算面積權(quán)重綜合得到RMRF1較合理。下文分析亦采取“方法一”計(jì)算RMR綜合值。

表3 兩種方法RMR值與Q值和GSI值相關(guān)系數(shù)對(duì)比

2 RMR值相關(guān)性分析

2.1 RMR值與Q值關(guān)系

Q系統(tǒng)幾乎與RMR法同時(shí)提出，是挪威巖土工程研究所N.Barton等人在1974年根據(jù)以往數(shù)個(gè)地下工程開(kāi)挖實(shí)例研究后提出的積商模型，在國(guó)際范圍廣泛使用［5］。很多學(xué)者研究了RMR法與Q法之間的關(guān)系，大量研究表明兩者呈對(duì)數(shù)關(guān)系。Bieniawski［6］于1976年提出的RMR＝9 ln（Q）+44，Rutledge和Preston［7］于1978年基于新西蘭的工程提出RMR＝5 ln（Q）+43，Cameron Clarke and Budavari于1981年提出的RMR＝5 ln（Q）+60.8，以及Abad and al于1984年提出的RMR＝10.5 ln（Q）+41.8等。

本文依托K項(xiàng)目地下工程地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用“方法一”，研究分析了火山碎屑巖體與玄武巖互層發(fā)育段數(shù)據(jù)，得到的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)表4及圖3、圖4。

圖3 火山碎屑巖及玄武巖Q值與RMR值關(guān)系

圖4 互層巖體綜合值Q值與RMR值關(guān)系

表4 GSI與RMR擬合公式統(tǒng)計(jì)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明RMR值與Q值之間呈對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)介于0.35～0.55之間，得到的兩者之間經(jīng)驗(yàn)方程與Bieniawski于1976年提出的關(guān)系基本一致。其中對(duì)于軟巖火山碎屑巖體時(shí)，相關(guān)系數(shù)最小為0.35，而對(duì)于玄武巖體相關(guān)系數(shù)最大為0.55，說(shuō)明兩者的關(guān)系比較適用于硬巖。分析原因可知，主要是火山碎屑巖體的無(wú)明顯的結(jié)構(gòu)面發(fā)育導(dǎo)致，對(duì)其結(jié)構(gòu)面的認(rèn)識(shí)仍然存在一定的認(rèn)識(shí)局限性。RMR圍巖分類(lèi)系統(tǒng)對(duì)于結(jié)構(gòu)面發(fā)育不明顯的火山碎屑巖體的存在應(yīng)用局限性，因此其對(duì)軟巖的應(yīng)用參數(shù)選取仍需進(jìn)一步研究。

2.2 RMR值與GSI值相關(guān)性

地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI值是Hoek基于研究多年巖體經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，提出的用于計(jì)算巖體變形模量的指標(biāo)。該體系囊括了Hoke-Brown破壞方程和巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其主要考慮巖體的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和結(jié)構(gòu)面的狀況［8］。GSI值的判定在現(xiàn)場(chǎng)操作性比較強(qiáng)，但由于其只考慮了兩個(gè)因素，所以其主觀性比較強(qiáng)。而RMR值經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)其與GSI值比較相近，并且考慮了6個(gè)要素，因此很多情況下直接用RMR值進(jìn)行GSI值估算。國(guó)內(nèi)外學(xué)者們?cè)贕SI值的定量確定方面進(jìn)行了大量的研究工作，包括經(jīng)驗(yàn)公式的定量化。如Marinos和Hoek［9］于2005年基于RMR1989提出的GSI值與RMR值的關(guān)系式（5），但為了避免二次重復(fù)計(jì)算，其要求地下水的狀態(tài)R5為完全干燥狀態(tài)，且不進(jìn)行R6修正，同時(shí)對(duì)于巖體質(zhì)量較差的巖體（RMR＜23）也不適用。

Hoek等人在2013年于第47屆美國(guó)巖石力學(xué)和巖土力學(xué)討論會(huì)上從GSI的定義出發(fā)對(duì)其定量化評(píng)價(jià)進(jìn)行了分析研究，得出了GSI與RMR系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系見(jiàn)式（6）［9］。

式中：Jcond89為RMR89中的結(jié)構(gòu)面狀態(tài)分值。

通過(guò)對(duì)K項(xiàng)目地下洞室260個(gè)循環(huán)基礎(chǔ)資料的收集，運(yùn)用公式（6）進(jìn)行GSI計(jì)算，分析其與RMR值的相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)圖5、圖6，不同巖性所擬合方程見(jiàn)表5。

表5 GSI與RMR擬合公式統(tǒng)計(jì)

圖5 火山碎屑巖及玄武巖GSI值與RMR關(guān)系

圖6 互層巖體綜合值GSI值與RMR關(guān)系

和RMR值與Q值的關(guān)系類(lèi)似，GSI值與RMR值呈線性關(guān)系。根據(jù)計(jì)算，互層巖體的RMR值與GSI之間的相關(guān)關(guān)系比較良好，但是其中對(duì)于軟巖火山碎屑巖體時(shí)，相關(guān)系數(shù)最?。╮＝0.26），而對(duì)于玄武巖體相關(guān)系數(shù)最大（r＝0.41），說(shuō)明兩者的關(guān)系比較適用于硬巖。同時(shí)容易得出，火山碎屑巖體的GSI值基本上均大于玄武巖，根據(jù)公式（6），說(shuō)明巖體的完整性對(duì)GSI值起到了控制作用，而結(jié)構(gòu)面狀態(tài)對(duì)該區(qū)域軟巖的影響較小，也說(shuō)明利用公式（6）計(jì)算結(jié)構(gòu)面發(fā)育不明顯的火山碎屑巖體時(shí)存在一定的局限性。

3 圍巖分類(lèi)歸一化綜合分析

圍巖分類(lèi)種類(lèi)較多，且各種圍巖分類(lèi)之間的關(guān)系目前并無(wú)本質(zhì)上的聯(lián)系，多為經(jīng)驗(yàn)總結(jié)關(guān)系，而對(duì)于同一地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)，由于主觀性因素的存在，每種圍巖分類(lèi)方法都有一定的區(qū)別。中國(guó)《水電發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范（GB 50287—2016）》中提出了地下工程圍巖分類(lèi)HC法［10］，應(yīng)用本項(xiàng)目的RMR值與HC值的關(guān)系見(jiàn)圖7，易知兩者存在良好的線性關(guān)系，獲得的關(guān)系方程為HC＝0.35RMR+27.8，相關(guān)系數(shù)為0.46。

圖7 RMR值與HC值關(guān)系

在評(píng)價(jià)同一個(gè)地質(zhì)條件時(shí)，用不同的圍巖分類(lèi)方法進(jìn)行相互校核佐證是十分有必要的。而為了更好地綜合應(yīng)用不同圍巖分類(lèi)方法，三者進(jìn)行了總分為100分歸化，并取得三者的平均值。計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖8，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，RMR值與綜合法計(jì)算的圍巖類(lèi)別判定范圍一致性較好，而HC水電圍巖分類(lèi)方法對(duì)于本研究對(duì)象而言，Ⅳ類(lèi)圍巖的占比和RMR的Ⅲ類(lèi)圍巖占比相似，同時(shí)兩者之間的圍巖等級(jí)劃分雖然都是5級(jí)，分值也均是0～100，但是代表的圍巖等級(jí)范圍非唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖8 不同圍巖分類(lèi)方法圍巖等級(jí)占比

4 結(jié)語(yǔ)

在計(jì)算軟硬巖體互層發(fā)育地質(zhì)條件的RMR值方法中，對(duì)于先分區(qū)評(píng)分再計(jì)算面積權(quán)重值的“方法一”較先計(jì)算面積權(quán)重基本值再根據(jù)拱頂巖性最后修正RMR值的“方法二”合理。前者的RMR值較后者拱頂是硬巖時(shí)高，且與Q的相關(guān)性較好，因此“方法一”較適用于軟硬互層巖體發(fā)育地質(zhì)條件計(jì)算RMR的綜合值。RMR值與Q值及GSI值具有良好的相關(guān)關(guān)系，且?guī)r體為硬質(zhì)的玄武巖時(shí)，兩者的相關(guān)性最高；而巖體為軟質(zhì)的火山碎屑巖體時(shí)，兩者的相關(guān)性較差。本文依托K項(xiàng)目得出的RMR值與Q值的關(guān)系方程為RMR＝7ln（Q）+43。RMR圍巖分類(lèi)方法對(duì)于結(jié)構(gòu)面發(fā)育較少的或者不發(fā)育的火山碎屑巖體應(yīng)用存在一定的局限性。在采用RMR值、HC值、Q值歸一化平均方法進(jìn)行圍巖分類(lèi)時(shí)，其結(jié)果與只采用RMR值基本相似，且得出HC法在進(jìn)行圍巖分類(lèi)劃分時(shí)較RMR法圍巖類(lèi)別低一個(gè)級(jí)別。