改进的GSI系统在洞室围岩力学参数识别中的应用

眭敏磊，张发明

（河海大学地球科学与工程学院，江苏南京 210098）

在地下工程中，工程岩体的物理力学指标的选择是需要慎重考虑的，岩体的变形和强度特性由诸多因素控制，包括岩石强度、岩体完整程度、地下水、初始应力状态，结构面与洞轴线的空间关系、结构面状态等。结构面广泛存在于岩体中，不同的结构面几何特征和性状对岩体的影响程度不同，相同的结构面特征对不同岩性的岩体的影响也不尽相同。为了在工程中经济合理地进行岩体开挖和支护设计、安全施工，必须对工程岩体稳定性作出评价。对于分析判断工程岩体稳定性的数值计算和物理模型试验，需要获得岩体的物理力学参数。经验公式法是建立在以往大量工程实践经验和岩石力学室内试验的基础上的一种简易方法，只需少量的地质勘察和岩石力学试验就能确定工程岩体级别，估算出物理力学参数，确定工程岩体稳定性，因而被普遍接受。GSI体系是Hoek［1］于1995年提出工程岩体分类系统。1998年，Hoek 和 Marnio［2］在 GSI表进行增加且对 GSI岩体分类表进行量化，使其更方便使用。李达等［3］对GSI体系进行修正，主要通过结构面产状对岩体结构等级SR的修正，引入结构面产状对GSI取值的影响。笔者认为结构面产状对岩体力学性质的影响，可能是通过对结构面条件等级的影响，来达到对GSI体系的修正。而在传统的GSI体系中，未考虑结构面组合对GSI取值的影响，显然结构面的产状与其他几何特征一样都是对岩体的变形和强度有重要影响的，本文拟通过结构面产状对结构面条件等级SCR的修正，以达到对GSI取值的修正。

2 GSI体系与改进的GSI体系

2.1 传统GSI体系

GSI（Geological Strength Index）地质强度指标，通过岩体结构特征（SR）与结构面条件（SCR）特性（粗糙度、充填、风化程度等）的描述对SR和SCR分别进行评分，进而评价岩体质量。在GSI体系中（Hoek et al.1998），岩体结构被划分为4个等级，结构面表面条件划分为5个等级，缺乏定量标准导致在工程中应用性较差。Sonmez［4］提出基于GSI体系中的岩体结构等级SR和结构面表面特性的定量描述方法，且拟合了SR与体积节理密度Jv的定量关系:

而结构面的条件特征SCR由3个部分组成:SCR=Rr+Rw+Rf，其中 Rr、Rw、Rf分别为粗糙度、风化程度和充填。Hoek和Brown基于Griffith的断裂理论，通过大量三轴试验资料和岩体现场试验结果的分析统计，提出广义Hoek-Brown强度准则。Hoek［5］考虑岩体扰动因素，提出了根据GSI值确定H-B参数的关系式，之后又补充了岩体变形模量与GSI的关系式［6］。

2.2 改进的GSI体系

2.2.1 SR 的计算

岩体结构特征等级（Structure Rating）是对岩体内结构面组成的岩体结构进行评分，SR可以根据体密度Jv、块体大小Vb或RQD计算得出。体积节理数Jv指单位体积岩体内的节理总数，是（ISRM）国际岩石力学委员会推荐来描述岩体节理化程度和单元岩体块度的指标之一。在工程应用中，直接求得Jv困难，通常是通过测线法和测窗法先测得结构面的线密度（Jl）和面密度（Ja）。根据已有的线密度资料，可参照工程岩体分级标准（GB50218-94）建议的体密度与线密度的关系式:

式中，Jln为第n组节理组的线密度，即每米长测线上的节理数;Jk为每立方米非成组节理条数。Palmström［6］通过大量的实测数据，得出节理面密度和体积节理数间存在较好的线性相关性，即:

式中，Na为面密度;K为相关系数，取值在1～2.5之间变化，均值为 1.5，当测面与主要节理组走向平行时，K值取2.5;主要节理组走向与测面锐夹角为φ，由以上条件拟合出相关系数和夹角的关系曲线得出K关于夹角φ的关系式:

笔者认为岩体等效影响参数K’可通过各组节理组的Ki值取加权平均值，即:

式中，n为岩体中节理组数;ni为第i组节理组节理面密度。Jv可通过下式求解:

2.2.2 SCR 值计算的改进

GSI体系未考虑结构面组合对工程岩体的影响，传统确定SCR取值的方法［7］没有考虑岩体开挖面和建筑物之间的空间效应。事实上由于结构面产状不同，结构面与洞轴线的组合关系不同，对工程岩体稳定的影响程度也不同。

在结构面产状分组的基础上，按其倾角和倾向进行进一步分组，参照工程岩体分级标准（GB50218-94）对主要软弱结构面影响修正的相关建议，确定结构面组产状对SCR的影响系数Ai，Ai为与岩体基本质量BQ相关的系数。

Ai为节理组产状对SCR的影响因子，根据结构面与洞室轴线夹角越小，相对开挖面倾向外，中缓倾角的结构面对围岩力学参数影响较大的原理，从而通过Ai修正结构面条件参数SCR，影响系数越大，该组结构面的SCR越大。则各组结构面的评分取值分别为 Rwi’=Rwi× Ai，Rfi’=Rwi× Ai，Rri’=Rri×Ai。即第i组结构面的SCR值为SCRi=Rwi’ +Rfi’+Rri’。

式中ki为第i组节理组的产状修正系数;ni为第i组节理组占总节理数的比例。

表1 SCR修正系数取值及结构面统计Tab.1 Modified parameters of SCR and statistics of structure planes

表2 各组结构面表面特征SCR值统计Tab.2 Statistics results of surface characteristics rating（SCR）of structure planes

表3 不同修正条件下GSI和强度参数计算结果Tab.3 Strength parameters of H-B and M-C failure criterion and deformation modulus

文献［3］在文中所取的结构面统计结果见表1，基于分组统计Jv的思路，可得岩体等效影响参数K’取值为 K’=1.503，计算得结构面体密度Jv=1.01 条/m3，将 Jv代入式（1）中可得 SR=79.6。根据测窗内结构面性质的描述和其他地质编录资料结果分析，确定各组结构面的条件评分，代入式（7）、（8）分别确定产状对其影响系数Ai及其SCR值如表2所示，代入式（8）得SCR=10.5。而传统的计算SCR的方法得出结果为12。

根据 Sonmez［4］绘制的 GSI体系量化图，可得SCR未改进时，GSI=73.70;根据文献［3］中的SR改进法计算得 GSI=70.8;SCR改进后，GSI=66.00。平均单轴抗压强度为79.74 MPa，岩体扰动因子D取0.7，岩体材料参数mi取29，可计算出围岩的H-B强度参数、M-C强度参数和岩体变形模量如表3所示。

对比可以发现，改进SCR法相对于改进SR的计算结果偏小，而二者相较与传统的GSI体系计算结果来说都是较小的，这也说明结构面的组合产状存在着对岩体强度的弱化。对比文献［3］中反演的结果，c=2 MPa，φ=58°。可知SCR改进方法相对于SR改进方法，粘聚力c更接近于反演值，误差减小了约10%，而摩擦角φ相对于反演值有微小的偏移。

3 工程应用

句容抽水蓄能电站上水库正常蓄水位267.00 m，死水位239.00 m，总库容1 706×104 m3。坝型为钢筋混凝土面板堆石坝，主坝最大坝高约175.00 m，坝顶长度为779.68 m。输水发电系统位于仑山山体内，设计三洞六机。隧洞总长1 337.80 ～1 372.10 m，静水头差最大为201 m，除引水上平洞及部分尾水洞外，均采用钢板衬砌。地下厂房245.50 m×25.30 m×57.20 m（长×宽×高），位于-10 m高程，总装机容量6×225 MW。

根据《句容抽水蓄能电站预可行性研究阶段专题研究报告》，就整体而言，输水线路由上库左岸穿过仑山主峰后直达下水库右岸，轴线方向为N42°E →N43°E→ N28°E，沿线山体雄厚，冲沟不发育，仅北西侧发育一条深切冲沟（F8断裂发育带），沟向近SN，沟源与输水线相距约200 m，地面高程为80～400 m，上水库进/出水口坡度较陡为35～40°，主峰至下水库进/出水口坡度为25～30°，沿线基岩大范围裸露，呈弱风化～微风化状。不良物理地质现象不发育，地表植被发育。

PD2洞轴线走向为S28°W，在平硐PD2内发育有8组优势结构面，其走向与洞轴线的夹角及其倾角如表4所示。采样区域岩体主要以Ⅲ类为主，取其岩体基本质量平均值400，求得相应的结构面参数影响系数Ai详见表4。

表4 结构面走向与洞轴线走向夹角及其影响参数的估计Tab.4 The angle between strike of structure planes and axis of tunnel and estimation of modified parameters

表5 H-B和M-C参数Tab.5 Strength parameters of H-B and M-C failure criterion

根据结构面性状描述，确定各组结构面的条件评分，及其产状与洞轴线之间的关系确定结构面产状的修正系数Ai，然后确定各组结构面的SCR值，将各组结构面的SCRi评分值代入式（8）得SCR=12.95。而传统的计算SCR的方法得出的是 SCR=13.75。

围岩岩性主要为白云岩及灰岩，平均单轴抗压强度为46 MPa，平均岩体变形模量为44.1 GPa，主厂房爆破开挖效果良好，扰动系数取0.5，H-B常参数mi为10，结构面间距统计置信区间为43～53 cm，根据 Palmström［5］总结的 SR 与 Jv、Vb、S 及RQD的关系式及图表，估算得SR≈47。根据Sonmez［4］绘制的 GSI体系量化图，可得 SCR 未改进时，GSI=56.70;SCR 改进后，GSI=53.50。然后根据Hoek-Brown破坏准则2002年的最新修正，确定σ3max约为3 MPa，依据GSI值与H-B参数之间的关系式，计算出围岩的H-B强度参数如表5所示，结合Mohr-Coulomb准则，可求得围岩的抗剪强度参数，在低围压下进行回归分析，得到围岩抗剪强度参数如表5所示。

PD2主要围岩为白云岩及灰岩，基于现场变形试验和室内试验（句容抽水蓄能电站预可行性研究阶段专题研究报告）给出隧洞围岩的力学指标建议值 Em=8.0 Gpa，c=0.87 MPa，φ=38.5°。

比较表5和隧洞围岩的力学指标建议值可以发现:相较于建议值，未改进的GSI体系计算的变形模量和粘聚力结果偏大;改进的GSI体系则相应的分别减小约22.3%和8.3%;而摩擦角比较相近的。若按传统的GSI体系对围岩的物理力学参数进行估计，得到的值需进行折减，经过改进之后得到明显改善。开挖扰动明显弱化了岩体力学参数，比较分析改进SCR时的结果可以发现:相对于不考虑开挖扰动时围岩的计算结果，考虑扰动时的围岩等效变形模量的影响最大，减小约50%，c减小了约 20%，而 φ值变化较小，亦减小了约10%。

4 结论

（1）结构面的产状对岩体整体强度的影响应是通过对岩体结构面条件SCR的弱化，以达到对GSI取值的影响。

（2）在地下工程中，岩体结构面条件SCR应考虑结构面产状与开挖面的空间关系。其中与洞轴线小角度相交，中缓倾角的结构面对围岩变形和强度影响最大，不利于围岩稳定。

（3）通过引入结构面产状组合对GSI体系取值的影响，能较为准确地进行节理化岩体强度参数及岩体变形模量的求取，考虑扰动时改进的GSI计算结果与建议值较为接近。

［1］HOEK E.Strength of rock and rock masses［J］.ISRM News Journal，1994，2（2）:4-16.

［2］HOEK E，MARINOS P，BENISSI M.Applicability of the geological strength index（GSI）classification for very weak and sheared rock masses:The case of the Athens schist formation［J］.Bull.Eng.Geol.Environ，1998，57（2）:151-160.

［3］黄达，黄润秋，张永兴.基于改进GSI体系确定三峡地下厂房围岩等效变形模量及强度［J］.中国地质大学学报，2008，34（6）:1030-1036.

［4］SONMEZ H，GOKCEOGLU C，ULUSAY R，et al.Indirect determination of the modulus of deformation of rock masses based on the GSI system［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences＆Geomechanics Abstracts，2004（41）:849-857.

［5］PALMSTROM A.Characterizing rock masses by the RMI for use in practical rock engineering—Part 1:The development of the rock mass index（RMI）［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，1996，11（2）:175-188.

［6］HOEK E，BROWN E T.Practical estimates of rock mass strength［J］.Int J Rock Mech Min Sci，1997，34（8）:1165-1168.

［7］HOEK E，CARRANZA T C，CORKUM B.Hoek-Brown failure criterion［C］//2002 edition.Proceedings of the fifth North American rock mechanics symposium，2002:267-273.