结合工程案例简述工程围岩分类的几种方法

结合工程案例简述工程围岩分类的几种方法

中国地质大学（武汉）工程学院 赵连

摘要：岩体工程分类是岩体力学中的一个重要研究课题，它既是工程岩体稳定性分析的基础，也是岩体工程地质条件定量化的一个重要途径。当前常用的岩体分类方法有很多，本文结合笔者的实习经历，主要阐述了其中岩体地质力学分类法（RMR分类法），巴顿岩体质量分类法（Q指标分类法）以及HC水电分类法及其具体操作方法，同时分析了它们之间的联系和存在的问题，具有良好的实际指导意义和理论发展意义。

关键字：岩体工程分类 RMR分类 Q指标分类 HC水电分类 联系 问题

一．引言

岩体工程分类实际上是通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把工程地质条件和岩体力学性质参数联系起来，并借鉴已建工程设计，施工和处理等方面成功与失败的经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法。其目的是通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题，为工程设计，支护衬砌，建筑物选型和施工方法的选择等提供参数和依据。目前国内外提出的岩体分类方案有数十种之多，其中以考虑各种地下洞室围岩稳定性的居多。有定性的，有定量或半定量的，有单一因素分类，也有考虑多种因素的综合分类。各种方案所考虑的原则和因素也不尽相同，但岩体的完整性和成层条件，岩块强度，结构面发育情况和地下水等因素都不同程度的考虑到了。常用的岩体分类方法有迪尔和米勒的双指标分类发，国际《岩土工程勘察规范》GB50021-94中提出的岩石强度分类法，BQ岩体质量分类法，国际《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GBJ86-85中提出的洞室围岩分类法，岩体地质力学分类法（RMR分类法），巴顿岩体质量分类法（Q指标分类法）以及HC水电分类法等多种岩体分类方法。下面主要以岩体地质力学分类法（RMR分类法），巴顿岩体质量分类法（Q指标分类法）以及HC水电分类法为例来简述岩体工程分类。

二．几种常用的岩体分类方法

2.1岩体质量分类法（Q指标分类法）

岩体质量分类Q 系统，简称Q 系统，其英文名称为The Q-system for the rock mass classification（or characterization），是目前应用最广的岩体质量分类方法，其最初目的是为了确定隧洞施工时的支护方案。该系统建立了岩体质量指标Q 与支护类型之间的关系，并在隧洞开挖实例验证的基础上建立了洞室开挖跨度与Q 值的关系。Q 系统是1974 年挪威的巴顿（Nick Barton）等人在研究了212 个隧洞工程实例的基础上建立起来的，它主要考虑了岩体完整性、节理特性、地下水和地应力影响，并以六个参数（统称为Q 参数）确定反映隧洞围岩稳定性的岩体质量指标Q 值。Q 值按下式计算：

Q=( RQD / Jn) ×（Jr/ Ja）×（Jw/ SRF）

式中

RQD——Deere 的岩石质量指标，定义为大于10cm的岩心累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数；Jn——节理组数，这两者的比值粗略地代表岩石的块度。Jr——最脆弱节理的粗糙度系数，Ja——最脆弱节理面的蚀变程度或充填情况，这两者的比值代表了最脆弱节理的抗剪强度。Jw——裂隙水折减系数，SRF——应力折减系数，这两者的比值反映围岩的主动应力。这些标准的具体取值和评分标准如下：

（1）RQD的取值一般以施工阶段现场实测统计数据为准，在某一段岩体中，如有n个RQD

值则其值；

（2）Jn取值：据野外实测与室内分析确定，具体取值如下表所列。

Jn取值表

组

数Jn值

理

节

A.裂隙较少且发散，或只有少量隐裂隙0.5~1

B.1组或1组加零散裂隙2~3

C.2组或2组加零散裂隙4~6

D.3组或3组加零散裂隙9~12

E.4组或4组以上12~15

（3）Jr取值：节理粗糙度系数取值标准如下表所列。

Jr的取值情况

节 理 粗 糙 度 系 数Jr值

a.不连续分布的裂面4

b.波状粗糙,或不规则3~4

c.波状光滑2~3

d.平直粗糙1.5~2

e.平直光滑1~1.5

f.镜面0.5

（4）Ja取值：节理蚀变度系数取值标准如下表所列。

Ja的取值

节 理 蚀 变 程 度Ja

a.裂面闭合，充填物为石英或绿帘石等坚硬，不软化，不透水矿物0.75~1

b.裂面仅有微蚀变痕迹1~2

c.裂面微蚀变，不含软化矿物薄膜，岩砾及无粘土岩屑等2~3

d.裂面壁有岩屑及未软化的粘土矿物等3~4

e.裂面有软化或低抗剪强度的泥膜（如高岭土，石英等）4

（5）Jw取值：考虑地下厂房区地下水丰富，多呈流水、局部涌水状。因此，本区节理水折减系数Jw值根据不同情况，一般可取0.8～1.0。

（6）SRF取值：厂房区岩石坚硬，地应力中等偏高（12～20MPa），应力折减系数SRF结合本区的情况，确定其具体取值如表下所列。

应力折减系数的取值

应 力 折 减 因 素SRF

1σt/σ1 σc/σ应 力 高 低 情 况

a.靠近地表,低应力>200 >13 2.5

b.中应力200~10 13~0.66 1~2

c.高应力10~5 0.66~0.33 0.5~2

d.中等岩爆5~2.5 0.33~0.16 5~10

根据上述取值原则，按Q系统的计算公式，计算出Q值，再根据下表所列的分级标准即可

得出枢纽区Q系统的岩体分级结果如下。

由Q值确定的岩石级别

Q值>40 10~40 1~10 0.1~1 <0.1

岩体级别I II III IV V

评价优良中差劣

2.2岩体RMR分类（Bieniawski，1973）

比尼奥斯基（Bieniwaski）的地质力学分类方法是采用多因素评分，求其代数和（RMR值）来评价岩体质量。主要采用了5个分类因素：岩石单轴抗压强度、岩石质量指标RQD、裂面间距、裂面性状及地下水状态，其具体的评分标准准如下表所列。需要说明的是：

（1）根据已有单轴抗压强度试验数据，以及点荷载强度、回弹值等资料，结合地下厂房区不同的岩性和风化状况，对各个洞室中的岩石均进行取值。

（2）RQD的取值一般以施工阶段现场实测统计数据为准，在某一段岩体中，如有n个RQD 值则其值。

（3）裂隙间距以野外实测及室内分析相结合，综合得出其取值范围。

（4）裂面特征：裂面粗糙度以整段的平均特征来定义，局部情况不予考虑。张开度主要考虑卸荷状况和平硐实测的情况；裂面胶结度主要结合充填物的性状考虑；结构面的连续性，对错动带和挤压带其延伸长度是主要的，而对基体裂隙则主要考虑其连通率。裂面风化程度主要根据野外的划分确定。

（5）地下水状态按干燥、湿润、潮湿、渗水~滴水、涌水等级别划分，并给予相应的权值和得分。

地下厂房区岩体质量RMR分类因素及评分标准表

标

准

数评

参

分

1 岩石强度(MPa) 点荷载>8 4~8 2~4 1~2

单轴抗压强度>200 100~200 50~100 25~50 10~25 3~10 <3

分15 12 7 4 2 1 0

评

2 岩石质量指标RQD（%）90~100 75~90 50~75 25~50 <25

分20 17 13 8 3

评

3 裂面间距（cm）>200 60~200 20~60 6~20 <6

分20 15 10 8 5

评

4 裂面特征

粗 糙 度很粗糙微粗糙微粗糙光滑/

张 开 度未张开<1mm <1mm 1~5mm >5mm

连 续 性不连续弱连续弱连续连续连续

岩石风化程度未风化微风化弱风化

下段弱风化

上段强风化

胶 结 度好较好中等差极差

评

分25 20 12 6 0

5 地 下 水干燥湿润潮湿渗水~滴水涌水

评

分15 10 7 4 0

在确定完上述各参数的权值和得分后，按RMR值的计算公式可求的所评价岩段的RMR值，根据其大小，再运用Bieniwaski的岩体分级划分标准，可将地下厂房区岩体划分为五级，如下表所列。

由RMR值确定的岩体级别

RMR总评分100~81 80~61 60~41 40~21 <20

岩体级别I II III IV V

评价优良中差劣

2.3水利水电围岩工程地质分类(HC分类)

根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）水电地下工程围岩分类标准（HC分类），以控制围岩稳定的岩石强度、岩体完整强度、结构面状态、地下水和主要结构面产状五项因素之和的总评分为基本依据，以围岩强度应力比作为限定判据，并应符合下表的规定。

水电工程围岩工程地质分类表

围岩类别围岩稳定性围岩总评分T 围岩强度应力比S 支护类型

I 稳定。围岩可长期稳定，一般无不稳定体T＞85 ＞4 不支护或局部锚杆或局部喷薄层混凝土。大跨度时，喷凝土、系统锚杆加钢筋网

II 基本稳定。围岩整体稳定，不会产生塑性变形，局部可能产生掉块85≥T>65 ＞4

III 局部稳定性差。围岩强度不足，局部会产生塑性变形，不支护可能产生塌方或变形破坏。完整的较软岩，可能暂时稳定65≥T>45 ＞2 喷混凝土、，系统锚杆加钢筋网。跨度为20至25m时，并浇筑混凝土衬砌

IV 不稳定。围岩自稳时间很短，规模较大的各种变形和破坏可能发生45≥T>25 ＞2 喷混凝土、系统锚杆加钢筋网，并浇筑混凝土衬砌

V 极不稳定。围岩不能自稳，变形破坏严重T≤25

围岩强度应力比S 可利用岩石饱和单轴抗压强度Rb (MPa) 、岩体完整性系数Kv 、围岩的最大主应力σm (MPa) 算得,其计算公式如下:

S = ( Rb ×Kv) /σm

（1）岩石强度的评分表如下：

岩石强度的评分表

岩质类型硬质岩软质岩

坚硬岩 中硬岩 较软岩 软岩

饱和单轴抗压强度Rb (MPa) Rb＞60 60≥Rb＞30 30≥Rb＞15 15≥Rb＞5

岩石强度评分A 30~20 20~10 10~5 5~0

注：1 岩石饱和单轴抗压强度大于100Mpa时，岩石强度的评分为30；

2 当岩体完整程度与结构面状态评分之和小于5时，岩石评分大于20的，按20评分。（2）岩体完整程度评分规定：

岩体完整程度评分表

注：1 当60MPa≥Rb>30MPa，岩体完整性程度与结构面状态评分之和>65时，按65评分；

2 当30MPa≥Rb>15MPa，岩体完整性程度与结构面状态评分之和>55时，按55评分；

3 当15MPa≥Rb>5MPa，岩体完整性程度与结构面状态评分之和>40时，按40评分；

4 当Rb≤5MPa，属特软岩，岩体完整性程度与结构面状态不参加评分。

（3）结构面状态的评分表如下：

结构面状态评分表

注：1 结构面的延伸长度小于3m时，硬质岩、较软岩的结构面状态评分另加3分，软岩加2分；结构面延伸长度大于10m时，硬质岩、较软岩减3分，软岩减2分；

2 当结构面张开度大于10mm，无充填时，结构面状态的评分为零。

（4）地下水状态的评分表如下：

修正后的地下水评分表

注：基本因素评分T′系前述岩石强度评分A、岩体完整性评分B和结构面状态评分C的和。（5）主要结构面产状的评分表如下：

主要结构面产状评分表

注：1 按岩体完整程度分级为完整性差、较破碎和破碎的围岩不进行主要结构面产状评分的修正。

2 本围岩工程地质分类不适用于埋深小于2倍洞径或跨度的地下洞室和特殊土、喀斯特洞穴发育地段的地下洞室。

3 大跨度地下洞室围岩的分类除采用本分类外，尚应采用其他有关国家标准综合评定。对国际合作的工程还可采用国际通用的围岩分类对比使用。

三．以上几种围岩分类方法的相互关系

比尼威斯基的RMR 分类法，Q 系统分类发，HC水利水电围岩分类法都是采用多指标相结合综合分析的围岩分类法。它们采用的指标体系既有相同点，又有区别。相同点是都考虑了岩体的完整性、裂隙面的性质、地下水的影响，但RMR分类较为重视结构面的影响，未考虑地应力因素，Q系统分类考虑了岩体结构面的影响、地应力因素及支护所需的参数，但未直接考虑岩石的单向抗压强度和结构面的方位。对三种分类体系中各指标的选取应该结合工程特性及已有资料建立起统一的标准，从而减少人为因素的影响。

3.1地下洞室围岩分类的原则

地下洞室围岩分类,应根据各种围岩的主要工程地质性质来进行。岩体的工程地质性质是变形性质、强度性质、开挖性、透水性等各种岩体因素(包括岩体的应力环境) 的复杂结合。围岩分类必须适当地把起支配作用的因素结合起来进行，要使分类具有实践和理论上的意义。

3.2三种分类方法的特点

通过以上的分析,我们可以得出三种围岩分类方法的特点：

(1) 以上三种方法运用多个指标复合的方法，考虑了岩石的强度、岩体的完整性、结构面的特征、地下水和地应力等一些影响围岩稳定性的重要因素，从多个角度综合分析了洞室围岩结构性质和稳定性特性。

(2) 对围岩类别判定指标根据其对围岩稳定性影响的个指标的情况运用数值评分。运用评分这一简单、直观的方法，使围岩分类具有一定的数值依据，同原有的规范比较，判断出围岩的等级，比较直观。如Q系统的总评分值一Q值，RMR法的总评分一RMR值；HC法的总评分一T值，又称之为Hc值。

(3) 水电规范分类、RMR分类及Q系统分类依据及相对关系见下表。

表（1）水电规范分类、RMR分类及Q系统分类依据及相对关系

分类体系水电规范分类RMR分类Q 系统分类

分类依据岩石强度，岩体完整性，地下水，地应力，结构面岩石强度，岩体完整性，结构面，地下水岩体完整性，结构面，地应力，地下水

围岩

类别Ⅰ＞85 ＞80 ＞40

Ⅱ85～65 80～60 40～10

Ⅲ65～45 60～40 10～1

Ⅳ45～25 40～20 1～0.1

Ⅴ＜25 ＜20 ＜0.1

表（2）水电规范分类，RMR分类，Q 系统分类三种围岩分类方法的相互关系

3.3以上三种分类方法存在的主要问题

由于影响地下洞室围岩稳定性的因素很多，几种围岩分类方法主要存在的问题如下：

（1）Q系统的应用中存在以下几方面不足：①没有直接考虑岩石强度，而是通过应力折减系数间接考虑岩石强度;②考虑最不利结构面，没有考虑结构面的不利组合情况;③考虑了低外水压力对围岩分类的影响，不足之处是未考虑高外水压力对围岩分类的影响;④有一些问题需要探索，如岩爆等级与围岩类别的关系等尚不清楚。

（2）水电HC法对高地应力条件下的围岩类别，简单地采取了降级的处理方法，势必影响围岩分类的精度。如某深埋隧洞围岩分类结果表明，HC分类在高地应力、硬质岩地区的分类结果与实际围岩类别的吻合率较低，适用性差。

（3）RMR分类方法的缺点是没有考虑高地应力、高外水压力对围岩类别的影响。在深埋隧洞和高水压地段实用性差。

四．地下洞室围岩分类方法存在的主要问题及发展方

目前,地下洞室围岩分类方法多样化，由单指标向多项复合指标发展。但目前地下洞室围岩分类依然存在一定的问题，其中主要问题分述如下：①没有直接考虑洞室的结构尺寸、几何形状、洞室跨度等方面的因素。然而这些因素是影响围岩应力分布的重要因素,因而也是围岩分类的主要参数。围岩分类中要考虑这些因素,还有赖于洞室围岩应力计算方法的改进,特别是被结构面切割的岩体应力计算方法的改进。②没有直接考虑结构面的组合,虽然考虑了最不利于稳定的结构状况,但结构面的组合显然比某单一结构面对围岩稳定的影响大。目前运用块体分析理论、数字模拟，关键快等分析围岩稳定性,收到了良好的效果。把块体分析理论引入围岩分类,通过引入块体分析方法考虑结构面的组合关系,提高围岩分类的可靠度,具有良好的使用性和可靠性，将会是未来岩体分类发展的方向。③目前的围岩分类多是在一

维、二维内进行的,很少能扩展到三维空间。实现三维空间的围岩分类还受到CAD 技术发展的制约,现有CAD 软件绘制的立体展示图不够直观,开发专用的展示隧道结构面组合关系的三维CAD 绘图软件,将使围岩分类变得更加准确、直观。④中～低地应力、低外水压力条件下的围岩分类方法比较成熟,以往的围岩分类多是在这种条件下的围岩分类,所得到的结果也比较令人满意。但高地应力、高外水压力条件下的围岩分类方法还不成熟,需要进一步探索。

⑤岩爆与围岩类别的关系、软岩塑性流动对围岩类别的影响等问题还不清楚,尚需进一步研究。

通过对地下洞室围岩分类存在的一些问题的研究分析，地下洞室围岩分类将向以下方向发展: ①建立高地应力区岩爆与围岩类别的关系,确定高地应力、高外水压力、软岩塑性流动对围岩类别的影响判别指标,是目前水电围岩分类急需解决的问题; ②采用多因素综合指标分类。考虑更多的、影响围岩稳定性的主要因素,定量与定性描述相结合,定量描述的比重越来越大;

③许多新理论、新方法(如数理统计、模糊数学、数据模拟、神经网络、专家系统和分形理论等) 将在围岩分类中得到更广泛的应用和发展; ④引入块体理论考虑结构面的组合对围岩稳定性的影响; ⑤运用现代CAD 绘图技术实现地下洞室结构面三维仿真,将使围岩分类变得更为直观、形象; ⑥注重建立围岩分类结果与支护类型、施工方法、岩体力学参数之间的相关关系; ⑦改进节理岩体围岩应力的计算方法,直接考虑洞室几何形状、跨度的围岩分类;

⑧重视施工地质工作,在施工的同时进行围岩分类,实现信息化施工(这种做法已在二郎山公路隧道的施工中得到证实,也是确保大型水电工程安全施工的有效方法)。总之，就是要在不断的工程实践中总结经验，不断的加以改进，确保现有的分类方法不断的优化，不断的合理化。