工程岩体分级研究综述

尹红梅，张宜虎，周火明，钟作武

（1.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉 430000；2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

工程岩体分级研究综述

尹红梅1，张宜虎2，周火明2，钟作武2

（1.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉 430000；2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

岩体质量分级是工程人员认识岩体的重要途径，工程岩体分级方法的发展在很大程度上反映了岩体工程实践的能力和水平。厘清工程岩体分级方法的发展现状及趋势，对了解和把握岩体工程实践的现状和方向有重要意义。首先对目前常用或产生深远影响的岩体分级方法进行介绍，指出工程岩体分级方法的发展具有如下特点：①所考虑的核心因素由岩块强度过渡到岩体结构和结构面特征；②由仅考虑岩体自身特征过渡到综合考虑岩体所处环境条件；③由定性分级过渡到定量与定性相结合的综合分级。现有分级方法的不足主要体现在：①针对深部工程岩体或复杂条件岩体，现有分级方法适用性不够；②有必要扩充岩体分级方法的输出信息，使之除包含岩体稳定特征外，还包含岩体参数及处置措施；③国内工程岩体分级较为凌乱，需要进一步统一和细化。针对以上不足，给出了具体的改进建议。

工程岩体；质量；分级；现状；改进

1 概 述

工程岩体指工程影响范围内的岩体，一般包括：地下工程岩体、工业与民用建（构）筑物地基、大坝基岩、边坡岩体等［1］。工程岩体分级是按岩体质量，将其划分为不同级别。工程岩体分级的意义在于帮助工程人员宏观把握岩体工程特征，为工程设计和施工服务。

岩体分级方法的发展是随着人们工程意识的转变不断进步的。早在18世纪末，俄国人维尔聂尔就提出将岩石分为坚硬岩、次坚硬岩、软岩、破碎岩、松散岩等五级的分级方法；此后，1861年，欧洲人霍夫曼又提出按开采工具将岩石分为六级的分级方法。这个时期的分级，主要从施工角度出发，为施工服务。20世纪初，出现了为支护设计确定地压力的分级方法，如1926年的普罗托吉雅柯诺夫分级、1946年的太沙基分级，这阶段的分级将岩体视为荷载，还没有意识到岩体自身的承载能力。20世纪50年代，才陆续出现以岩体稳定性评价和支护方式确定为主要目的的分级方法。评价岩体稳定性和确定支护方式，是目前绝大多数分级方法的主要指导思想［2］。

一般认为，工程岩体分级的意义主要体现在勘察或设计阶段早期，为工程人员宏观把握工程区岩体特征提供途径。但是，随着分级理论的发展和分级经验的积累，岩体分级逐渐被赋予了更深远的意义。很多工程科研人员已意识到，岩体分级是目前能把握岩体宏观工程特征的唯一有效途径［3］，而且，岩体级别或岩体质量指标由于包含众多因素影响，其内涵要远较单个力学指标或物理指标丰富。随着分级方法的发展，完全有可能在可靠的工程岩体分级基础上，直接建立岩体级别（或岩体质量指标）与工程措施的关系，进而改进整个岩体工程研究的总体思路。

图1 常规岩体工程研究思路与改进后的岩体工程研究思路对比Fig.1 Comparison between conventional and improved research ideas for rock mass engineering

图1对比给出了常规岩体工程研究思路和基于岩体质量分级方法改进后的岩体工程研究思路。不难看出，工程岩体分级具有深刻内涵和广阔前景。本文将首先按时间脉络，对目前常用或产生过深远影响的岩体分级方法作简要介绍，然后在此基础上，评述岩体分级方法的发展历程，并就岩体分级方法的发展趋势及改进提出作者自己的观点。

2 典型工程岩体分级方法

2.1 Terzaghi岩体载荷指标分级［4］

为确定支护压力，为洞室开挖支护提供参考意见，Terzaghi于1946年提出岩体载荷指标分级方法，如表1所示。依据坚硬程度、完整性、风化程度和膨胀性，将岩体分为九级，给出了各级别岩体载荷系数和建议支护措施。依据载荷系数可估算顶板及边墙部位所需支护反力。受当时工程手段限制，给出的支护措施以钢支撑为主。

表1 Terzaghi岩体载荷指标分级Table1 Terzaghi’s rock loading index classification method

2.2 Lauffer岩体分级［5］

Lauffer于1958年建议用自稳时间和有效跨度对岩体进行分级，如图2所示。该分级方法将岩体划分为七级，A为极好岩体，大致相当于Terzaghi分级中的Ⅰ级岩体；G为极差岩体，大致相当于Terza ghi分级中的VIII－IX级岩体。

图2 Lauffer岩体分级Fig.2 Lauffer’s rock mass classification method

2.3 岩石质量指标RQD分级［6］

RQD（Rock Quality Designation）由Deere于1967年提出。它用长度超过10 cm的岩芯长度占总岩芯长度的百分比来确定岩体质量级别。RQD分级标准如表2所示。

表2 RQD分级Tab le 2 RQD method

为避免依据钻孔岩芯计算RQD时的方向性问题，Palmstrom于1982年给出了依据体积节理数Jv估算RQD的经验公式：

2.4 岩石结构指标RSR分级［7］

Wickham于1972年提出RSR（Rock Structure Rating）分级。RSR是第一个包含多指标的半定量分级系统，

式中：A为地质指标，与岩石类别、坚硬程度、地质结构有关；B为结构指标，与节理间距、节理产状、地下洞室走向有关；C为反映地下水和节理条件的指标，与A，B加和、节理条件、渗水量等因素有关。各指标的具体确定方法可参见文献［7］。

2.5 地质力学指标RMR分级［8］

Bieniawski于1976年提出RMR（Rock Mass Rating）分级，后经多次修订。目前常用的为1989年修订版。RMR分级方法考虑了6个指标：①岩块强度；②RQD；③节理间距；④节理条件；⑤地下水条件；⑥节理产状。对每一项指标的取值，RMR分级方法都给出了详细的确定方法。通过6项指标的加和，综合确定RMR值。

RMR分级系统将岩体划分为五级，表3给出了各级别岩体的划分标准以及各级别岩体自稳时间及力学特征。RMR分级方法中，还给出了不同级别岩体建议开挖及支护方式，如表4，表中的支护方式也主要为岩石锚杆、混凝土喷层及钢支撑。

RMR分级系统提出后，有很多扩展，如结合采矿工程，Laubscher（1977，1984，1990）提出了MRMR系统（Modified Rock Mass Rating System），在RMR的基础上考虑了初始应力和应力场的变化，而且考虑了爆破和风化的影响［9］。Cummings等（1982）和Ken dorski等（1983）提出了MBR系统（Modified Basic RMR）。针对边坡岩体，提出了SMR（Slope Mass Rat ing）分级方法，重点突出了结构面方向与开挖方式对边坡稳定的影响［10］。SMR分级是比较有代表性的边坡工程岩体的分级方法。

SMR＝RMR＋（F1·F2·F3）＋F4。（3）式中，修正系数F1，F2，F3，F4的取值可参见文献［10］。

依据SMR值，按表5确定岩体级别，并预估边坡岩体的可能破坏模式及所需支护方式。

表3 RMR分级中不同级别岩体特征Table3 Characterization of rock mass grades by RMR classification

表4 依据RMR确定10 m跨度地下洞室开挖及支护措施Table4 Suggestions on the excavation and supporting measures for 10m spanning underground caverns based on RMR classification

表5 依据SMR分级评估边坡稳定性及所需支护措施Table5 Estimations of slope stability and supporting method based on SMR classification

2.6 Q系统分级［11，12］

Barton等人于1974年针对地下工程岩体提出Q（Rock Tunnelling Quality Index）分级：

式中：RQD为岩石质量指标；Jn为结构面组数；Jr为结构面粗糙度系数；Ja为结构面变质系数；Jw为节理水约减系数；SRF为应力约减系数。

由Q指标和等效尺度De，可按图3确定支护措施。等效尺度De由洞室跨度L和开挖支护率ESR按下式计算：

ESR按表6确定。

图3 由Q分级估测支护措施Fig.3 Estimations of supporting m ethod based on Q value

表6 Q分级系统中开挖支护率ESR的确定Table6 Determ ination of ESR in Q value classification system

Barton于1999年对Q系统进行修订，提出了针对TBM隧道开挖的Q分级系统QTBM：

式中：RQD0为沿隧道开挖方向的RQD值（%）；σm为沿隧道开挖方向的岩体强度；F为平均切割力；CLI为切片使用寿命指标；q为岩石中石英含量（%）；σθ为开挖面上的重分布应力。

Barton等人于1980年、1993年还提出了依据Q系统计算锚杆长度L、最大不支护跨度、顶板支护压力Proof的经验公式：

Bieniawski在综合111个工程实例的基础上，于1976年给出了Q与RMR的经验关系：

但Goel等人在1996提出，Q与RMR之间很难建立令人满意的经验关系，因为Q考虑了地应力条件，RMR没考虑地应力条件；另外RMR考虑了岩块强度，Q则没有。所以他建议：用N代替Q（N为SRF取1时的Q值），用RCR代替RMR（RCR为不计岩块强度指标，且不进行结构面方向修正的RMR值），然后建立N与RCR的相关关系［13］。他们的统计结果表明：

2.7 地质强度指标GSI分级

Hoek于1994年提出GSI（Geological Strength Index）分级［14］。Sonmez和Ulusay于1999年对GSI系统进行了修订，引入了2个新参数：岩体结构指标SR和结构面条件指标SCR［15］。

为确定岩体结构指标SR，将岩体划分为4类：B类：镶嵌良好，未扰动，含3组正交裂隙；VB类：镶嵌结构，部分扰动，含4组或4组以上裂隙；B／D类：含褶皱或断层，被多组裂隙切割；D类：碎裂松散岩体。各类别岩体结构形态如图4所示。依据岩体结构类别或体积节理数Jv，通过查阅图5中的曲线获得岩体结构指标SR。

结构面条件指标SCR由三方面因素综合确定，其一为粗糙系数Rr；其二为风化系数Rw；其三为充填系数Rf。SCR＝Rr＋Rw＋Rf。Rr，Rw，Rf按表7确定。

图4 不同类型岩体结构形态Fig.4 Different structures of rock masses in GSI system

图5 岩体结构指标SR确定经验曲线Fig.5 The curve used to determ ine SR

图6 经Sonmez和Ulusay修订的GSI分级系统Fig.6 GSI classification system ad justed by Sonmez and Ulusay

表7 结构面条件指标SCR确定方法Table 7Determ ination of SCR

GSI值由SR和SCR通过查询图6综合确定。Hoek和Brown指出，对于较高质量岩体（GSI＞25），GSI与RMR89′存在以下经验关系［16，17］：

式中：RMR89′是依据1989年修订版、地下水条件系数取15、结构面修正系数取0时的RMR值。

2.8 中华人民共和国国标BQ分级

自上世纪70年代以来，国内工程岩体分级的发展与国外基本同步，不同的是，国内工程岩体分级带有更强的行业或部门色彩。与岩体有关的各行业、各部门，基本上都有本行业的岩体分级体系。如针对地下工程岩体，公路部门有“公路隧道围岩分类”，铁路部门有“铁路隧道围岩分类”，水利水电部门有“水利水电工程围岩工程地质分类”，总参工程兵部还提出了“坑道工程围岩分类”；针对边坡工程岩体，《建筑边坡工程技术规范中》给出了“岩质边坡的岩体分类”；针对工业与民用建（构）筑物地基，《岩土工程勘查规范》和《建筑地基基础设计规范中》都给出了相应的岩体分级方法［18－20］。

为减小各部门、各行业间由于标准不统一所导致的工作重复、资源浪费等问题，受国家计委委托，水利部、铁道部、建设部等多部门联合编制了国标《工程岩体分级标准》（GB50218－94），作为国内适用于各类工程岩体分级的统一方法和纲领性文件。《工程岩体分级标准》的结构如图7所示。

《工程岩体分级标准》采用两步走的分级思路，首先依据岩石坚硬程度和岩体完整程度，确定岩体基本质量指标BQ，然后再依据岩体所处工程环境条件，对岩体基本质量指标加以修订，得到工程岩体质量指标［BQ］。国标还采用定性与定量相结合、经验判断与测试计算相结合的分级方法，综合得到能宏观反映岩体稳定特征的质量级别［21，22］。

《工程岩体分级标准》自提出以来，得到了各部门、各行业拥护，很多部门都依据国标所提出的分级结构对本行业的岩体分级体系进行了修订，或者是在国标基础上，针对本专业特点加以细化，提出了适用于本专业的分级体系。但是《工程岩体分级标准》颁布实施至今，也暴露出了一些问题，如就如何确定工程岩体质量指标［BQ］，标准的说明不够明确，致使国标在实际应用时感觉深度不够，很多时候都要借助国内外其它分级方法加以修订或验证。

图7 国标《工程岩体分级标准》（GB50218－94）的主要结构Fig.7 Structure of National Standard for Classification of Engineering Rock Masses（GB50218－94）

3 工程岩体分级方法发展特点

表8列出了目前常用的各类工程岩体分级方法所考虑的分级因素，从中可看出，工程岩体分级方法的发展具有如下特征：

（1）分级指标的内涵有所转变。其中最明显的是早期分级普遍比较重视岩块强度，后期的分级则更关注岩体结构及结构面特征。

（2）分级因素逐渐变多。早期的分级大多只注重某一方面的岩体特征，通常只关注岩体本身的特征；后期的分级所考虑的因素明显增多，开始更多地关注岩体所处环境条件。

（3）分级指标由定性描述向定性与定量相结合过渡。早期的分级多为定性分级，很大程度上依赖现场工作人员的经验；后期的分级多为定性与定量相结合，不仅有定性描述，还有定量指标，使分级结果更客观，使用更方便。

表8 不同工程岩体分级方法所考虑的分级因素对比Table8 Comparison of classification factors in different classification methods

4 工程岩体分级方法发展趋势

Einstein等人于1979年提出，好的分级方法需要具备以下特征：①容易使用，容易更新；②输入参数简单、易获取；③能准确预测岩体行为；④不易受主观影响；⑤确保安全且经济［23］。

后期分级方法的发展总体秉承了上述要求，但近年来，随着岩体工程实践的发展，对岩体分级也提出了新的要求，这些新要求从一定程度上反映了工程岩体分级方法的发展趋势：

（1）岩体工程已逐渐由浅部发展到深部，对浅部岩体，现有分级方法能总体满足要求，能做出较准确的工程预测，但对深部岩体，现有分级方法会普遍“失灵”。其原因主要在于，控制浅部岩体稳定性的因素与控制深部岩体稳定性的因素存在很大差异，现有分级重点考虑的都是控制浅部岩体稳定性的因素，对控制深部岩体稳定性的因素考虑不足。

（2）现有分级方法，尤其是国内工程岩体分级方法，其立足点多是工程岩体稳定性，分级因素的选取原则大多为是否对稳定性产生影响。但在岩体工程实践中，对工程岩体分级往往有更多需求，如希望通过分级，获得岩体参数、确定支护措施等。一方面，现有分级系统需要对输出信息有所扩充，除输出岩体级别及稳定性外，还需输出各级别岩体建议参数及处治措施；另一方面，由于影响岩体参数、支护措施的因素与影响岩体稳定性的因素并不完全一致，即使现有分级系统能准确预测岩体稳定性，并不一定就能准确预测岩体参数，或者给出合理的工程处治措施，现有分级方法需要就此作进一步修订和补充。

（3）国内岩体分级目前仍存在“百花齐放、百家争鸣”的态势，部门、行业间的分级体系不配套、不统一，由此不仅造成极大资源浪费，而且不利于整个分级体系的发展。

5 工程岩体分级方法改进建议

作为国内外第一个跨行业的通用基础性岩体分级国家标准，《工程岩体分级标准》已逐渐被广大工程人员所接受，在实际工程中也得到了越来越多的应用。《标准》从很大程度上直接反映了国内工程岩体分级的现状及水平。如果能够针对《标准》的不足，对《标准》作进一步的修订和补充，势必将推动标准的普及应用，对改善国内工程岩体分级“百家争鸣”的现状也将有积极意义。本节中，将主要针对《工程岩体分级标准》提出改进建议。

《工程岩体分级标准》的框架非常明确，首先依据岩石坚硬程度和岩体完整程度确定岩体基本质量指标，然后再结合岩体所处环境条件对基本质量指标进行修订，得到工程岩体质量指标。岩石坚硬程度和岩体完整程度两项指标能够表征岩体基本质量，但是基本质量指标BQ的计算公式是否合理，需要进一步验证；而且BQ定量指标与定性描述是否完全吻合，由定量指标确定的岩体级别与由定性特征确定的岩体质量级别是否完全一致，也需要进一步校验。

《工程岩体分级标准》在实际应用中反映出的最大问题在于工程岩体质量指标［BQ］的确定上，尤其针对边坡工程岩体，标准只给出了指导性意见，没有给出具体的需要考虑的因素及取值方法，这极大地阻碍了《标准》的应用。建议针对坝基、边坡、地下工程等几类常见岩体，在《标准》中给出明确的工程岩体质量指标［BQ］的确定方法。其中边坡工程岩体可以参照SMR或CSMR系统，地下工程岩体可以参照Q系统。

扩充《工程岩体分级标准》的输出信息，在基本质量指标基础上，完善物理力学参数取值表；在工程岩体质量指标基础上，给出自稳能力及建议支护措施。

作为国标，《工程岩体分级标准》需要与时俱进，需要反映岩体工程研究领域的新成果，需要解决实际工程中出现的新问题。针对深部岩体或处于复杂应力条件下的岩体，《标准》需要给出指导性原则，阐明其与浅部岩体的差异，或者对现有分级方法的适用条件给出明确界定。

《工程岩体分级标准》颁布之后宣贯不够，也在很大程度上阻碍了《标准》的应用和推广。在对《标准》进行修订的同时，还需要通过开展培训等形式加强对《标准》的宣贯力度。

在完善《标准》自身的同时，还需要采取强制性措施，使各部门、各行业的标准尽量向国标“靠拢”，在国标所规定的框架内进一步细化、发展，逐步改变国内工程岩体分级的凌乱现状，使其有序化。

6 结论与建议

首先按时间脉络介绍了国内外应用相对广泛的工程岩体分级方法，在此基础上，分析了工程岩体分级的发展历程，指出工程岩体分级的发展具有如下特点：随着工程人员对岩体认识的不断深入，岩体分级所考虑的核心因素由最初的岩块强度逐渐过渡到岩体结构和结构面特征，由最初的仅考虑岩体本身的特征逐渐过渡到综合考虑岩体自身特征及周边环境条件，由最初的定性分级逐渐过渡到定量与定性相结合的综合分级。

岩体分级方法的发展具有如下趋势：首先，现有分级体系已难以满足深部岩体工程或复杂条件下岩体工程实践的需求，有进一步修订和发展的必要；另外，现有分级体系的输出信息较为单一，大多只有岩体稳定性，需要将输出信息扩充，使之能包含岩体参数及处置措施；最后，国内工程岩体分级方法较为凌乱，有需进一步统一，然后在统一的基础上再进行细化的必要。针对《工程岩体分级标准》的不足，从分级指标、输出信息、适用条件、宣贯推广等几个方面给出了具体的改进建议。

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（编辑：姜小兰）

Review on the Classification of Engineering Rock M ass

YIN Hong mei1，ZHANG Yi hu2，ZHOU Huo ming2，ZHONG Zuo wu2
（1.CCCC Second Harbor Consultants Co.，Ltd.，Wuhan 430000，China；2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Rockmass classification is an importantmeans for engineers to identify the properties of engineering rock mass.The developmentof the classificationmethods somewhat reflects the status quo of rock engineering.The com monly used classification methodswere introduced so as to elaborate on the characteristics of classification method development as follows：1.the core factor changed from the strength of rock block to the rock mass structure and the properties of structural plane；2.apart from the properties of rock block itself，the surrounding conditions of the rock were also covered in nowadays classificationmethods；3.instead of qualitative classification，the integration of qualitative classification and quantitative classification were used in the newly developedmethods.It’s also summa rized that the classificationmethods exhibit the following developing trends：firstly，classificationmethods should be developed tomeet the requirements of rock engineering in deep or complex conditions.Secondly，the output infor mation should not only include rock stability states，but also parameters and treatingmethods.Thirdly，domestic classification systems are disordered and inefficient，and therefore needs to be unified and subdivided.Suggestions are also given to improve the classification systems.

rock mass；quality；classification；status quo；improve

P588；TU457

A

1001－5485（2011）08－0059－08

2010 09 19；

2010 12 13

“十一五”国家科技支撑计划专题（2008BAB29B01－1）；973课题（2011CB710603）；水利部公益性行业科研专项经费项目（201001008）

尹红梅（1979 ），女，湖南南县人，硕士，工程师，主要从事公路工程设计及地质灾害研究工作，（电话）13554098335（电子信箱）yinmei20＠163.com。