工程巖體分級(jí)在引松供水工程中的應(yīng)用

王連廣，孫立娟，宗志聰

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春130021）

1 概 況

目前，國(guó)內(nèi)外有許多工程巖體分級(jí)（分類）方法。主要有：中國(guó)水電圍巖分類HC法、巴頓的Q系統(tǒng)分類方法、比尼奧斯基的地質(zhì)力學(xué)RMR分類方法和GB50218—94《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(下文簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)BQ法。

《標(biāo)準(zhǔn)》中的BQ法與傳統(tǒng)的水利水電工程圍巖工程地質(zhì)分類HC法、巴頓的Q系統(tǒng)分類法及比尼威斯基RMR法等都屬多參數(shù)綜合分級(jí)法，但在分級(jí)因素的選取、分級(jí)實(shí)現(xiàn)過(guò)程以及巖體基本屬性與工程屬性的處理方法上，《標(biāo)準(zhǔn)》具有自身特點(diǎn)?！稑?biāo)準(zhǔn)》首先選取巖體的堅(jiān)硬程度和巖體的完整程度這2個(gè)能分別反映巖體基本屬性的獨(dú)立因素作為評(píng)價(jià)巖體基本質(zhì)量的分級(jí)因素，平行建立定性和定量評(píng)價(jià)體系，相互驗(yàn)證。在巖體基本質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，將影響巖體工程特性的因素作為修正因素，實(shí)現(xiàn)工程巖體的分級(jí)。

水電工程圍巖工程地質(zhì)分類HC法(現(xiàn)行規(guī)范中也稱為T評(píng)分法，下同)、Q系統(tǒng)分類及RMR法相對(duì)來(lái)說(shuō)是一種多參數(shù)的定性與定量同時(shí)結(jié)合的方法。在HC法的6個(gè)分級(jí)因素中，巖石的抗壓強(qiáng)度Rb、巖體的完整性系數(shù)Kv為定量指標(biāo)，結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水和主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響因素為定性指標(biāo)，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比S為限定條件。在Q系統(tǒng)分類方法的6個(gè)指標(biāo)中，除RQD外，其他5項(xiàng)指標(biāo)都是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況查表獲得，基本上是一個(gè)定性的分類方法。RMR法有6個(gè)參數(shù)指標(biāo)，其中，定量3個(gè)：抗壓強(qiáng)度Rc，RQD，節(jié)理間距；定性3個(gè)：節(jié)理面性狀、地下水條件及節(jié)理產(chǎn)狀。它們都是通過(guò)表格給出相應(yīng)評(píng)分值。RMR法作為半定量、半定性的方法。

2 工程巖體級(jí)別的確定方法

《標(biāo)準(zhǔn)》是以所有與工程巖體級(jí)別劃分有關(guān)的行業(yè)和專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的共性作為制定的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。《標(biāo)準(zhǔn)》明確提出了巖體基本質(zhì)量的概念和定性劃分、定量指標(biāo)2種手段確定巖體基本質(zhì)量的方法。根據(jù)巖體固有的并獨(dú)立于工程類型的地質(zhì)屬性——巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度2個(gè)基本因素，確定巖體基本質(zhì)量的定性特征和定量指標(biāo)，進(jìn)而從定性和定量2個(gè)途徑確定巖體基本質(zhì)量級(jí)別。根據(jù)各類工程特點(diǎn)，考慮影響工程巖體質(zhì)量的其他重要因素，對(duì)巖體基本質(zhì)量BQ值進(jìn)行修正，然后確定具體工程巖體級(jí)別。

《標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)巖體基本質(zhì)量的定性描述進(jìn)行了規(guī)定和概化，確定了巖體堅(jiān)硬程度的定性劃分和巖體完整程度的定性劃分方法，并提出了各級(jí)別巖體基本質(zhì)量的定性特征。

根據(jù)巖體的堅(jiān)硬程度和完整程度的定性描述及分類結(jié)果，按表1中巖體基本質(zhì)量的定性特征，可對(duì)巖體基本質(zhì)量進(jìn)行定性分級(jí)。巖體基本質(zhì)量分級(jí)從優(yōu)至劣分為5級(jí)，即I～V級(jí)。

表1 巖體基本質(zhì)量分級(jí)表

《標(biāo)準(zhǔn)》BQ法以巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc和巖體完整性指數(shù)Kv兩因素為基本質(zhì)量分級(jí)的判據(jù)，按5級(jí)分級(jí)檔數(shù)，以和差法為建立公式的主要形式，經(jīng)逐步回歸分析，建立了帶2個(gè)限制條件的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ計(jì)算公式及各級(jí)巖體的BQ值范圍，如式（1）和表1中的各級(jí)別巖體BQ值：

式中：BQ——巖體基本質(zhì)量指標(biāo)；Rc——巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度（應(yīng)采用實(shí)測(cè)值），MPa；Kv——巖體完整性指數(shù)（應(yīng)采用實(shí)測(cè)值）。

使用式（1）時(shí)，應(yīng)遵守下列限制條件：

1）當(dāng)Rc＞90Kv+30時(shí)，應(yīng)以Rc=90Kv+30和Kv代入計(jì)算BQ值；

2）當(dāng)Kv＞0.04Rc+0.4時(shí)，應(yīng)以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入計(jì)算BQ值。

巖體基本質(zhì)量是巖體固有特性，反映了巖體最基本的力學(xué)屬性，而最終工程巖體級(jí)別的確定，還需在基本質(zhì)量級(jí)別的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮工程因素的影響。這些與工程有關(guān)的因素主要為地下水(地表水)、巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與工程特征尺寸方向間的組合關(guān)系以及初始應(yīng)力場(chǎng)等。在進(jìn)行工程巖體初步分級(jí)或上述影響因素不顯著時(shí)，可直接用巖體基本質(zhì)量級(jí)別作為工程巖體級(jí)別，否則，均應(yīng)按《標(biāo)準(zhǔn)》的要求，對(duì)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行修正，以此確定工程巖體的級(jí)別

《標(biāo)準(zhǔn)》BQ法體系嚴(yán)謹(jǐn)，具有很強(qiáng)的科學(xué)性和可操作性。利用巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ，在較大程度上減少了分級(jí)的主觀性，提高了分級(jí)的精度，降低了工作難度，方便不同設(shè)計(jì)階段的工程應(yīng)用。

3 引松供水工程應(yīng)用《標(biāo)準(zhǔn)》的目的和意義

吉林省引松供水工程總干線隧洞為國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的有壓隧洞，線路長(zhǎng)，投資大。隧洞跨越不同巖性地層較多，跨越河流、溝谷較多，地質(zhì)條件很復(fù)雜。隧洞施工開挖方式有鉆爆法、TBM掘進(jìn)機(jī)法；隧洞一次支護(hù)方式復(fù)雜、繁多，隧洞襯砌方式有普通鋼筋混凝土襯砌、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌和不襯砌段。因此，隧洞圍巖巖體質(zhì)量分級(jí)、巖體級(jí)別和巖體物理力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取對(duì)工程安全和投資影響非常大，也決定了設(shè)計(jì)成果的可靠性和先進(jìn)性。巖體物理力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)選取不合理不但會(huì)對(duì)工程投資造成浪費(fèi)，而且會(huì)影響工程的安全。

TBM掘進(jìn)機(jī)開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)較小，采用常規(guī)、經(jīng)驗(yàn)性的巖體分級(jí)和巖體物理力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)選取已經(jīng)不適合當(dāng)前技術(shù)水平的發(fā)展要求。目前，國(guó)內(nèi)水電系統(tǒng)已建和在建的引水隧洞工程對(duì)巖體分級(jí)和圍巖分類提出了具有針對(duì)性和實(shí)用性的分類方法。例如，天生橋二級(jí)水電站強(qiáng)巖溶深埋長(zhǎng)大隧洞在設(shè)計(jì)處理過(guò)程中，總結(jié)提出了考慮以巖體溶蝕風(fēng)化程度、巖溶發(fā)育程度、溶洞充填物性狀、溶洞發(fā)育部位及地下水活動(dòng)狀態(tài)五個(gè)判別因素，對(duì)圍巖類別進(jìn)行判別、修正。錦屏二級(jí)水電站引水隧洞根據(jù)深埋、高應(yīng)力、強(qiáng)巖爆的實(shí)際情況，采用了適合于錦屏特點(diǎn)的JPF圍巖分類法進(jìn)行詳細(xì)圍巖分類，根據(jù)試驗(yàn)成果結(jié)合巖體工程地質(zhì)性狀，確定巖石力學(xué)參數(shù)值。因此，引松供水總干線隧洞也非常有必要根據(jù)試驗(yàn)成果、參照國(guó)內(nèi)相近工程經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)線路巖體性狀特點(diǎn)進(jìn)行巖體分級(jí)，確定合適的物理力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)。

4 《標(biāo)準(zhǔn)》在引松供水工程中的初步使用和遇到的問(wèn)題

引松供水總干線隧洞和下游相連的長(zhǎng)春干線隧洞總長(zhǎng)99.2 km，其中連續(xù)自然洞段長(zhǎng)72.2 km。相對(duì)于大壩、樞紐、電站廠房等工程，有隧洞線路長(zhǎng)、連續(xù)有壓輸水，地質(zhì)條件跨度大，淺埋隧洞較多等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用《標(biāo)準(zhǔn)》BQ法確定工程巖體的級(jí)別并最終確定巖石物理力學(xué)參數(shù)的過(guò)程中，遇到了一些新的實(shí)際問(wèn)題。比如，99.2 km長(zhǎng)的隧洞，僅有兩個(gè)勘探試驗(yàn)平硐的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)，前期的地質(zhì)勘察成果中的參數(shù)是根據(jù)查表或經(jīng)驗(yàn)提供的參數(shù)值。而試驗(yàn)值與地質(zhì)報(bào)告建議值存在較大差別，因此，需要對(duì)沿線的大量試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行整理，核算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ，進(jìn)行巖體級(jí)別確定。

由于是地下線性工程，復(fù)雜地質(zhì)條件下的初始地應(yīng)力、地下水條件的變化以及主要軟弱結(jié)構(gòu)面影響等因素，對(duì)確定巖體完整性指數(shù)Kv和BQ法的計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響。

此外，通過(guò)BQ法確定了工程巖體級(jí)別后，在最終選取巖體物理力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，需要根據(jù)工程實(shí)際和類似工程經(jīng)驗(yàn)選擇合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。

為了更好的解決實(shí)際應(yīng)用中遇到的問(wèn)題，引松供水項(xiàng)目組組成專題研究小組，進(jìn)行總干線隧洞工程巖體質(zhì)量分級(jí)和巖體物理力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)專題研究。

5 結(jié) 語(yǔ)

引松供水工程總干線隧洞巖體力學(xué)試驗(yàn)研究工作歷經(jīng)多年，完成了大量的室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)和部分現(xiàn)場(chǎng)巖石力學(xué)試驗(yàn)研究工作。成果已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)深度和規(guī)范要求，但由于引松供水工程為超長(zhǎng)距離有壓引水隧洞，圍巖物理力學(xué)參數(shù)的選取對(duì)工程投資影響明顯，尤其是圍巖的變形參數(shù)和抗剪強(qiáng)度參數(shù)的選取對(duì)工程投資和安全非常敏感，而變形參數(shù)和抗剪強(qiáng)度參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)少，線路較長(zhǎng)，也不可能全線路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。另外，總干線穿越巖性多、構(gòu)造繁多，對(duì)工程施工安全和運(yùn)行安全影響因素復(fù)雜。因此，在前期大量試驗(yàn)資料基礎(chǔ)上，對(duì)總干線輸水隧洞圍巖按《標(biāo)準(zhǔn)》BQ法進(jìn)行分級(jí)，按不同圍巖級(jí)別的BQ值進(jìn)行定量分析，計(jì)算圍巖變形參數(shù)和抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并與前期地質(zhì)工作采用的水電HC圍巖分類法及巖體物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比和調(diào)整。對(duì)線路圍巖物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，經(jīng)水工、地質(zhì)、試驗(yàn)專家的共同研討，最終提供詳細(xì)的線路沿線圍巖物理力學(xué)參數(shù)選取值。明確、合理的滿足了施工圖階段圍巖穩(wěn)定和襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)的選取。

［1］GB50218—94,工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

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