修正水电HC法在地下厂房洞室围岩分级中的应用研究

唐志强，张瑞超，王磊，冯文凯，吉锋

1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；2.中国电建集团中南勘察设计研究院有限公司，长沙 410014)

1 引言

地下厂房洞室围岩的稳定性是指施工过程中，在无支护条件下洞室围岩的自稳能力。由于地下厂房洞室围岩的稳定性关系到洞室的设计、施工甚至是水电站厂房系统的安全运营，因此一直以来都是国内外学者研究的主要课题[1-4]。

围岩分级法是判断地下洞室稳定性的定性分析方法，目前，国内外常用的地下洞室围岩分级方法有5种,如水电围岩分级HC法[5-6]，巴顿的岩石质量分级Q系统[7]，基于GSI值的围岩分级方法[8-9]，比尼奥斯基提出的RMR分级法[10-11]及国标BQ岩体质量分级方法[12-14]。上述各种方法对于岩体完整程度的考虑所采用的指标有所不同，如HC法与国标BQ法均采用Kv来表征岩体完整程度，而RMR法则采用的RQD值和结构面间距来表征岩体完整程度，Q系统采用RQD/Jn来表征岩体完整程度。在常用的5种围岩分级方法上，许多学者还基于不同的地质条件，提出了新的围岩分级方法。王增良等[15]考虑高地应力和低外水压力对软弱围岩的影响，建立了DBQ软弱围岩分级系统；齐三红等[16]等通过综合考虑多组节理的影响，提出了加权平均的评分计算方法，对每组节理赋予不同的权重，得到了修正RMR围岩分级方法。

水电HC法根据Kv的不同取值，可将岩体完整程度划分为完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎5类[17]，可以较全面地反映岩体的完整程度。但Kv值的测试难度较高，不利于现场测试特别是施工阶段频繁测定，且结果受测试环境及岩体风化状态的影响，准确性难以得到保证[18]。岩体体积节理数Jv是国际岩石力学委员会(ISMR)推荐的用于描述岩体节理化程度及单元岩体块度的定量指标[19]，能在一定程度上反映岩体的完整程度。殷明伦等采用岩体体积节理数来表征岩体完整性系数[20]。《工程岩体分级标准》[12]中以及胡修文等[21]采用岩体体积节理数Jv代替岩体完整性系数Kv，应用在围岩分级中，但该方法仍是只有一个指标表征岩体完整程度，存在一定的局限性，在实际工程中难以得到很好的应用。

为此，本文通过采用另一个衡量岩体完整程度的指标——Jv值，并结合岩体完整性系数Kv值，综合评价围岩岩体的完整程度，由此得到了修正水电HC法。通过工程实例验证了修正水电HC法的合理性，可推广在类似工程的地下洞室稳定性评价中。

2 水电HC法简介

水利水电围岩工程地质分级(简称HC法)[5-6]以岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状5项因素的评分为基本判据，围岩强度应力比为限定判据。5项分级因素中，可分为基本因素和修正因素。基本因素中，岩石强度以单轴饱和抗压强度Rb为定量指标(评分A)，岩石完整程度以完整性系数Kv为定量指标(评分B)，结构面状态(评分C)。修正因素中，地下水状态(评分D)按干、渗水或滴水、线流与涌水4种情况，结合基本因素总评分获得；主要结构面产状(评分E)按其与洞轴线夹角取得。把上述各个因素的评分值求和就得到岩体的总评分值T，如式(1)所示：

T=A+B+C+D+E

(1)

水电HC法围岩分级结果如表1所示。

表1 水电HC法围岩分级表

3 对水电HC法的修正

3.1 修正因素讨论

水电HC法共有5项评分指标，其中岩石的饱和单轴抗压强度Rb、岩体完整性系数Kv及结构面状态3个指标为基本因素，地下水状态及结构面产状两个指标为修正因素。各分级指标对围岩类别的影响程度不同。根据表2可知，岩体完整性程度对评分影响的相对比例为40%，在所有指标中，对分级结果影响最大。

表2 各分级指标对岩体质量分级结果的影响

传统HC法中岩体完整性系数采用岩体完整性系数Kv来表征，但根据段世委、许仙娥[18]的研究结果可知，岩体完整性系数Kv的测定仍存在着一些问题，准确度难以得到保证，如：(1)声波测试成本较大，数据处理周期较长，不利于频繁测定；(2)用于波速测定的岩体和岩块的风化程度不同，会导致测得到的Kv值误差较大；(3)岩体完整性系数Kv值存在大于1的情况，出现这种情况可能有以下3个方面的原因：一是测试方法造成的，二是由于测试环境造成的，三是在高地应力地区，由于岩芯取出后应力释放，测得的纵波波速可能会比处于原始应力状态的岩体波速低，计算出的岩体完整性系数就可能大于1。因此，仅仅使用Kv值来反映围岩岩体完整性程度存在一定的不合理性，例如当围岩评分值处于两个级别的临界值附近时，会对围岩类别判断的准确性造成很大的影响。

为解决岩体完整性系数Kv的测定误差所带来的对岩体完整性表述不准确的问题，考虑采用另一个可以反映岩体完整性程度的指标值——岩体体积节理数Jv，与岩体完整性系数Kv共同表征岩体完整程度。Jv是国际岩石力学委员会(ISRM)推荐使用来定量评价岩体节理化程度和单元岩体的块度的指标[19]。Jv值的获取方法大体可分为两类，一是现场实测法，主要有直接法、间距法、条数法[22]，另一种是统计模拟分析法。现代工程中，使用最为广泛的为国标[12]中的间距法，此方法是通过对每米测线上的成组节理数和每立方米岩体中的非成组节理数求和，从而得到Jv值。相比于Kv值的测定对于环境的要求较高，且数据处理周期长，Jv值的获取显得极为便捷，且准确性也能得到保证。因此，采用岩体完整性系数Kv和岩体体积节理数Jv综合表征岩体完整性系数是可行的。

3.2 修正的岩体完整性程度指标计算方法

岩体完整性系数Kv与岩体体积节理数Jv均是能够在一定程度上反映岩体完整性程度的指标，且两者存在一定的对应关系，国标《工程岩体分级标准》[12]中，给出了Kv值和Jv值的这种对应关系，如表3所示。

表3 Kv与Jv对应表

基于Kv和Jv的对应关系，给出新的完整性程度评分表，如表4所示。

表4 新的岩体完整性程度评分表

但实际工程中会存在两者的取值不满足表3中对应关系的情况。假如某地下洞室部分开挖断面实测岩体完整性系数Kv=0.80，根据表4可知，岩体完整程度评分值B1=32.00；实际的岩体体积节理数Jv=6，根据表4可知，岩体完整程度评分值B2=26.57；此时，两个指标所表征的岩体完整程度明显不同，单独采用岩体完整性系数Kv进行岩体完整程度评价时，可能会导致岩体完整程度评分偏高。而大量的工程实践表明，由于对围岩岩体完整程度判定不准确，往往容易导致围岩分级偏高、支护措施不足的情况出现，地下洞室施工及运营安全难以得到保证。

为解决上述问题，准确地表征围岩岩体的完整程度，现基于工程施工中安全为主的考虑，选择两个指标中表征岩体完整性程度更差的指标为主，另一个指标为辅，以此保证施工时所采取的支护结构更为安全。因此，引入基于Kv值的权重系数K1和基于Jv值的权重系数K2，对于不同的Kv、Jv取值，采取不同的权重系数，具体取值见表5、表6。

表5 基于Kv值的权重系数K1建议取值表

表6 基于Jv值的权重系数K2建议取值范围

基于对Kv值和Jv值完整性评分的综合考虑，提出修正的岩体完整性程度指标计算公式，如式(2)所示。

(2)

式中，B修为修正后的岩体完整性程度评分值；K1为基于Kv值的权重系数，具体取值见表5；K2为基于Jv值的权重系数，具体取值见表6，并满足K1+K2=1。

4 工程实例验证

4.1 工程概况及基本地质条件

五岳抽水蓄能电站位于河南省光山县殷棚乡境内，工程区地理位置为：北纬31°50′19″，东经114°34′57″。输水发电系统包括引水系统、地下厂房洞室群、尾水系统，其中主厂房采用地下首部式布置，开挖尺寸165.0 m×24.5 m×55.1 m(长×宽×高)，顶拱高程为50.50 m。

地下厂房布置区岩性主要为晚燕山期侵入的中粒二长花岗岩，弱风化及以下岩石较致密坚硬，力学强度较高，岩体完整性较好，岩体结构以块状、次块状为主，Vp波速一般大于4 100 m/s，平均值在5 000 m/s以上，完整岩体(Kv>0.75)的占70.8%，较完整岩体(0.75>Kv>0.55)的占28.75%；但布置区节理裂隙相对较发育，最发育的节理主要是以下两组：①走向30°～50°；②走向290°～300°。前一组的发育程度相对较高，但长度一般较小，与洞轴线大角度相交，后一组与洞轴线夹角也超过45°，发育长度最大可达10 m以上。节理密集带共8条，其中走向NNE(20°～45°)的3条，NEE(70°)的1条，NWW(285°～295°)的3条，NNW(350°)仅1条，均为陡倾，倾角介于60°～87°之间；还发育有一条中倾角节理，产状为340°～350°/SW∠32°～60°。

地下厂房区洞室内岩体的地下水发育程度均不高，主要为潮湿或少量渗水，基本未见滴水和线状流水现象。厂区地应力场以自重应力为主，最大主应力为8.59 MPa，属低地应力场。

4.2 修正水电HC法分段围岩分级

在五岳抽水蓄能电站主厂房洞开挖之前，设计单位根据沿厂房轴线方向的勘探平洞所揭露的地质情况，对厂房区围岩进行了初步分级，但勘探平洞的洞径远小于厂房。在主厂房中导洞开挖过程中，暴露出了很多勘探平洞中没有出露的地质现象。因此，需要对开挖后的主厂房洞重新进行围岩分级，这对保证施工质量以及优化支护设计都有着极其重要的意义。

应用修正前及修正后的水电HC法，分别对五岳抽水蓄能电站主厂房中导洞上、下游边墙的部分围岩进行了计算及分级，具体计算及分级结果见表7。

表7 修正前后围岩HC总评分值及级别对比

分级结果表明，对主厂房大部分围岩的分级结果，修正前后的HC总评分值相差不大；但在节理裂隙相对较发育的洞段，岩体完整性系数Kv与岩体体积节理数Jv的对应关系较差，修正后的HC法能够更好地表征围岩岩体的完整性程度，从而得到更准确的HC总评分值，使得优化后的围岩级别与支护时依据的实际围岩级别更为吻合，能够作为优化支护设计的依据。例如：CZX0-25～CZX0-29处岩性为微风化中粒二长花岗岩，发育有1组主要节理，产状为N75°E/NW59°，局部还发育有2组节理及随机节理，成组节理的产状分别为S65°E/SW69°、S61°E/NE78°，岩体结构总体上呈次块状，局部为块状，岩体完整性系数Kv=0.6，嵌合程度较紧密，局部微张；岩石坚硬，饱和单轴抗压强度为83 MPa，岩石强度评分A=25.7；Kv=0.6，修正前岩体完整性评分B=24.0，根据表5，K1取值为0.28，岩体体积节理数Jv=12，根据表4，基于Jv值的完整性评分B2=20.4，K2取值为0.72，则修正后的岩体完整性评分B修=21.4；主要结构面平直粗糙，闭合无填充，结构面状态评分C=21；无地下水，评分D=0；主厂房洞轴线方向为N15°W，主要结构面产状为N75°E/NW59°，Kv>0.55，则结构面产状评分E=-5。所以修正前HC法总评分T=65.7，围岩级别为II级；修正后HC法总评分T修=63.1，围岩级别为III级。在实际工程中，由于节理切割形成了楔形体，对围岩稳定性产生了不利影响，因此围岩定性分级结果为III级，支护时依据的围岩级别也为III级，所采取的支护结构更为安全。因此，修正前的围岩级别与实际不符；而根据Kv值和Jv值共同表征岩体完整性程度的修正HC法能更为准确地判断围岩级别。

本修正方法的意义在于：当Kv和Jv不满足《工程岩体分级标准》[12]中给出的Kv值和Jv值的对应关系时，单一的采用岩体完整性系数Kv值可能会导致围岩分级结果偏高、支护措施不足的情况出现，而按照本修正方法进一步计算，可能使围岩级别下降一级，从而在设计时采取更为安全的支护结构，对于隧道的施工及运营都有着重要的作用。大量工程实践表明，隧道施工过程中常遇到因围岩分级结果偏高，支护结构设计不合理，导致施工过程中存在安全隐患，对施工人员的安全及施工进度都产生不利的影响。水电站地下厂房洞室由于施工难度大，施工工期长，安全要求高，对于支护结构的设计应更为重视。由此可见，准确进行洞室围岩分级，对于洞室开挖甚至水电站运营至关重要。

5 结论

(1) 水电HC分级法中，采用岩体完整性系数Kv来表征围岩岩体完整性程度较为单一，且岩体完整性系数Kv值的测定仍存在一定的问题，准确性难以得到保证。这就导致对岩体完整性程度的表征存在误差，围岩分级不准确，工程上偏于不安全。

(2) 在HC分级法的基础上，引入岩体体积节理数Jv，与岩体完整性系Kv共同表征围岩岩体完整程度。并通过引入权重系数K1、K2，将不同Kv、Jv取值情况下，两者对围岩岩体完整程度的影响进行量化，并采用修正的岩体完整程度指标计算公式计算岩体完整程度评分值，从而使围岩分级更为准确、合理。

(3) 工程实例计算，验证了修正HC法在地下厂房洞室围岩分级中的合理性，尤其是当Kv值和Jv值与《工程岩体分级标准》[12]给出的对应关系不吻合时，按照修正的岩体完整性程度指标计算公式，可以得到更合理的岩体完整程度评分值，也可能使围岩级别降低一级，在洞室设计时可采取更为安全的支护结构，确保地下洞室的施工和运营安全。