工程岩体分级在引松供水工程中的应用

王连广，孙立娟，宗志聪

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春130021）

1 概 况

目前，国内外有许多工程岩体分级（分类）方法。主要有：中国水电围岩分类HC法、巴顿的Q系统分类方法、比尼奥斯基的地质力学RMR分类方法和GB50218—94《工程岩体分级标准》(下文简称《标准》)BQ法。

《标准》中的BQ法与传统的水利水电工程围岩工程地质分类HC法、巴顿的Q系统分类法及比尼威斯基RMR法等都属多参数综合分级法，但在分级因素的选取、分级实现过程以及岩体基本属性与工程属性的处理方法上，《标准》具有自身特点。《标准》首先选取岩体的坚硬程度和岩体的完整程度这2个能分别反映岩体基本属性的独立因素作为评价岩体基本质量的分级因素，平行建立定性和定量评价体系，相互验证。在岩体基本质量分级评价基础上，将影响岩体工程特性的因素作为修正因素，实现工程岩体的分级。

水电工程围岩工程地质分类HC法(现行规范中也称为T评分法，下同)、Q系统分类及RMR法相对来说是一种多参数的定性与定量同时结合的方法。在HC法的6个分级因素中，岩石的抗压强度Rb、岩体的完整性系数Kv为定量指标，结构面状态、地下水和主要结构面产状影响因素为定性指标，围岩强度应力比S为限定条件。在Q系统分类方法的6个指标中，除RQD外，其他5项指标都是根据现场调查情况查表获得，基本上是一个定性的分类方法。RMR法有6个参数指标，其中，定量3个：抗压强度Rc，RQD，节理间距；定性3个：节理面性状、地下水条件及节理产状。它们都是通过表格给出相应评分值。RMR法作为半定量、半定性的方法。

2 工程岩体级别的确定方法

《标准》是以所有与工程岩体级别划分有关的行业和专业标准的共性作为制定的基础和出发点。《标准》明确提出了岩体基本质量的概念和定性划分、定量指标2种手段确定岩体基本质量的方法。根据岩体固有的并独立于工程类型的地质属性——岩石坚硬程度和岩体完整程度2个基本因素，确定岩体基本质量的定性特征和定量指标，进而从定性和定量2个途径确定岩体基本质量级别。根据各类工程特点，考虑影响工程岩体质量的其他重要因素，对岩体基本质量BQ值进行修正，然后确定具体工程岩体级别。

《标准》对岩体基本质量的定性描述进行了规定和概化，确定了岩体坚硬程度的定性划分和岩体完整程度的定性划分方法，并提出了各级别岩体基本质量的定性特征。

根据岩体的坚硬程度和完整程度的定性描述及分类结果，按表1中岩体基本质量的定性特征，可对岩体基本质量进行定性分级。岩体基本质量分级从优至劣分为5级，即I～V级。

表1 岩体基本质量分级表

《标准》BQ法以岩石单轴饱和抗压强度Rc和岩体完整性指数Kv两因素为基本质量分级的判据，按5级分级档数，以和差法为建立公式的主要形式，经逐步回归分析，建立了带2个限制条件的岩体基本质量指标BQ计算公式及各级岩体的BQ值范围，如式（1）和表1中的各级别岩体BQ值：

式中：BQ——岩体基本质量指标；Rc——岩石单轴饱和抗压强度（应采用实测值），MPa；Kv——岩体完整性指数（应采用实测值）。

使用式（1）时，应遵守下列限制条件：

1）当Rc＞90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30和Kv代入计算BQ值；

2）当Kv＞0.04Rc+0.4时，应以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入计算BQ值。

岩体基本质量是岩体固有特性，反映了岩体最基本的力学属性，而最终工程岩体级别的确定，还需在基本质量级别的基础上进一步考虑工程因素的影响。这些与工程有关的因素主要为地下水(地表水)、岩体中软弱结构面产状与工程特征尺寸方向间的组合关系以及初始应力场等。在进行工程岩体初步分级或上述影响因素不显著时，可直接用岩体基本质量级别作为工程岩体级别，否则，均应按《标准》的要求，对岩体基本质量指标进行修正，以此确定工程岩体的级别

《标准》BQ法体系严谨，具有很强的科学性和可操作性。利用岩体基本质量指标BQ，在较大程度上减少了分级的主观性，提高了分级的精度，降低了工作难度，方便不同设计阶段的工程应用。

3 引松供水工程应用《标准》的目的和意义

吉林省引松供水工程总干线隧洞为国内最长的有压隧洞，线路长，投资大。隧洞跨越不同岩性地层较多，跨越河流、沟谷较多，地质条件很复杂。隧洞施工开挖方式有钻爆法、TBM掘进机法；隧洞一次支护方式复杂、繁多，隧洞衬砌方式有普通钢筋混凝土衬砌、预应力钢筋混凝土衬砌和不衬砌段。因此，隧洞围岩岩体质量分级、岩体级别和岩体物理力学设计参数的选取对工程安全和投资影响非常大，也决定了设计成果的可靠性和先进性。岩体物理力学设计参数选取不合理不但会对工程投资造成浪费，而且会影响工程的安全。

TBM掘进机开挖对围岩的扰动较小，采用常规、经验性的岩体分级和岩体物理力学设计参数选取已经不适合当前技术水平的发展要求。目前，国内水电系统已建和在建的引水隧洞工程对岩体分级和围岩分类提出了具有针对性和实用性的分类方法。例如，天生桥二级水电站强岩溶深埋长大隧洞在设计处理过程中，总结提出了考虑以岩体溶蚀风化程度、岩溶发育程度、溶洞充填物性状、溶洞发育部位及地下水活动状态五个判别因素，对围岩类别进行判别、修正。锦屏二级水电站引水隧洞根据深埋、高应力、强岩爆的实际情况，采用了适合于锦屏特点的JPF围岩分类法进行详细围岩分类，根据试验成果结合岩体工程地质性状，确定岩石力学参数值。因此，引松供水总干线隧洞也非常有必要根据试验成果、参照国内相近工程经验，针对线路岩体性状特点进行岩体分级，确定合适的物理力学设计参数。

4 《标准》在引松供水工程中的初步使用和遇到的问题

引松供水总干线隧洞和下游相连的长春干线隧洞总长99.2 km，其中连续自然洞段长72.2 km。相对于大坝、枢纽、电站厂房等工程，有隧洞线路长、连续有压输水，地质条件跨度大，浅埋隧洞较多等特点。在实际应用《标准》BQ法确定工程岩体的级别并最终确定岩石物理力学参数的过程中，遇到了一些新的实际问题。比如，99.2 km长的隧洞，仅有两个勘探试验平硐的现场试验参数，前期的地质勘察成果中的参数是根据查表或经验提供的参数值。而试验值与地质报告建议值存在较大差别，因此，需要对沿线的大量试验参数进行整理，核算岩体基本质量指标BQ，进行岩体级别确定。

由于是地下线性工程，复杂地质条件下的初始地应力、地下水条件的变化以及主要软弱结构面影响等因素，对确定岩体完整性指数Kv和BQ法的计算结果会产生影响。

此外，通过BQ法确定了工程岩体级别后，在最终选取岩体物理力学设计参数时，需要根据工程实际和类似工程经验选择合理的设计参数。

为了更好的解决实际应用中遇到的问题，引松供水项目组组成专题研究小组，进行总干线隧洞工程岩体质量分级和岩体物理力学设计参数专题研究。

5 结 语

引松供水工程总干线隧洞岩体力学试验研究工作历经多年，完成了大量的室内岩石力学试验和部分现场岩石力学试验研究工作。成果已经满足设计深度和规范要求，但由于引松供水工程为超长距离有压引水隧洞，围岩物理力学参数的选取对工程投资影响明显，尤其是围岩的变形参数和抗剪强度参数的选取对工程投资和安全非常敏感，而变形参数和抗剪强度参数现场试验少，线路较长，也不可能全线路进行现场试验。另外，总干线穿越岩性多、构造繁多，对工程施工安全和运行安全影响因素复杂。因此，在前期大量试验资料基础上，对总干线输水隧洞围岩按《标准》BQ法进行分级，按不同围岩级别的BQ值进行定量分析，计算围岩变形参数和抗剪强度参数，并与前期地质工作采用的水电HC围岩分类法及岩体物理力学参数进行对比和调整。对线路围岩物理力学参数指标，经水工、地质、试验专家的共同研讨，最终提供详细的线路沿线围岩物理力学参数选取值。明确、合理的满足了施工图阶段围岩稳定和衬砌结构设计基础参数的选取。

［1］GB50218—94,工程岩体分级标准［S］.

［2］董学晟.《工程岩体分级标准》的编制［J］.人民长江，1991，22（12）：34—39.

［3］董学晟.《工程岩体分级标准》的研究［J］.长江科学院院报，1992，9（4）：1—9.

［4］柳赋铮.岩体基本质量和工程岩体分级［J］.长江科学院院报，1991，8（4）：55—63.

［5］林韵梅.岩体基本质量定量分级标准BQ公式的研究［J］.岩土工程学报，1999，21（4）：481—485.

［6］GB50487—2008,水利水电工程地质勘查规范［S］.

［7］柳赋铮.三峡船闸高边坡岩体分级及力学参数的研究［R］.武汉：长江科学院，1995.

［8］李云林，蔡 斌.“工程岩体分级”国家标准在高坝洲工程的应用［J］.长江科学院院报，1994，11（3）：33—40.

［9］喻 勇，蔡 斌.湖南渫水皂市水利枢纽工程岩体分级［J］.岩石力学与工程学报，2001，20（增）：1 889—1892.

［10］喻 勇.宁波市周公宅水库工程岩体分级报告［R］.武汉：长江科学院，2000.

［11］任重阳，唐爱松.岩体工程质量分级应用研究［J］.岩土力学，2003，24（增）：53—57.