巖體質量評價分級方法研究綜述

工程巖體的質量是復雜巖體工程性質特征的綜合反映。它不僅客觀地反映了巖體結構固有的物理力學特性，而且為工程穩定性分析、巖體的合理利用以及正確選擇各類巖體力學參數等提供了可靠的依據。因此巖體質量評價是溝通巖體工程勘察、設計和施工的橋梁與紐帶。目前國內外關于巖體質量綜合評價方法體系繁多，各類巖體質量評價分級方法的參評因素、評價標準等都不相同，對同一個評價對象，不同的評價方法可能會有不同的評價結果。那么各種分級方法之間是否具有可比性和相關性呢?又怎樣相互驗證各種方法評價結果的可靠性呢?研究各類巖體質量評價分級方法間的相關性具有非常重要的工程意義，尤其在國際間的交流合作、工程承包等方面，更需要有一個統一的工程巖體評價分級標準。1國內外巖體質量評價方法巖體質量評價研究經歷了近一個世紀發展歷史，而且地下工程巖體質量評價研究較其它工程開展得更早更完善。在本世紀30～40年代，國際上代表性的工程巖體質量評價方法主要有Ф.М.Сад-ренский分類(1937)，Н.Н.Маспов分類(1941)，Terzaghi分類(1946)等；50～60年代期間主要有Lauffer分類(1958)，Deere的RQD分類(1964)。這些分類多偏重于單指標定性或定量分類。進入70年代以后，巖體質量分類由定性向定量，由單因素向多因素方向發展，代表性的方法有美國的Wickham巖石結構(RSR)分類(1974,1978)，挪威Barton的Q系統(1974,1980)，南非Bieniawski的RMR分類(1974,1976)，日本菊地宏吉的壩基巖體分類(1982)，西班牙Romana的邊坡巖體SMR分類(1985,1988,1991)，美國Williamson的統一分類(1984)等。我國對巖體質量評價研究開展較晚，主要有谷德振、黃鼎成(1979)的Z-分類，王思敬等人(1980)彈性波指標Za分類，關寶樹(1980)的圍巖質量Q分類，楊子文(1982,1984)的M分類，陳德基(1983)塊度模數MK分類，王石春等人(1980,1985)RMQ分類，邢念信(1979,1984)坑道工程圍巖分類，東北工學院(1984)圍巖穩定性動態分級，長委的三峽YZP分類(1985)，水電部昆明勘測設計院(1988)提出大型水電站地下洞室圍巖分類，王思敬(1990)巖體力學性能質量系數Q分類，水利水電工程地質勘察規范(1991)，工程巖體分級國家標準(1993)，曹永成，杜伯輝(1995)基于RMR體系修改的CSMR法，陳昌彥的巖體質量動、靜態綜合評價體系(1997)等等。國內外對工程巖體質量分級評價研究最初都主要是在地下工程方面，以后才逐漸擴展到壩基工程和邊坡工程，由于各種評價方法的側重點不同，因此所選用的參評因素以及分級方法也都不同。關于國內外典型工程巖體分級方法總結如表1。上述分析結果表明，目前各類巖體質量評價研究表現為如下特點：(1)巖體質量評價由單因素定性分級向多因素定性和多因素定量綜合模式發展。單一定性分級具有較大的主觀性，缺乏統一分級標準；另一方面，影響巖體質量的因素常具有不確定性、復雜性和模糊性等特征，因此用少數幾個固定的評價指標和簡單的數學表達式難以準確全面地概括所有情況，巖體質量的完全定量化分級只能具有數學意義。因此只有以定量分析為基礎，結合定性分析才能充分有效地綜合評價巖體質量發育特征。(2)由于各類工程巖體評價方法的應用和分析側重點不同，相應地采用了不同的評價指標和分級標準。實際上，巖體質量評價目的是定量反映工程巖體結構的復雜性，為工程巖體穩定性評價以及工程巖體的綜合利用提供依據。而影響巖體穩定性及其結構復雜性的因素可概括為地質因素和工程因素，其中地質因素又是主導因素，這為各種評價方法的換算提供了理論基礎，使各種評價方法的評價因素有逐漸接近的趨勢。(3)上述各類巖體質量的評價方法都是從不同側面選擇幾個固定的參評因素，按一定標準進行簡單的線性運算，從而得出巖體質量的綜合評分，并據此進行巖體質量分類。這些方法雖然簡單方便，但無法反映復雜多變的地質情況，只能反映巖體質量的某一方面特征。但是由于影響巖體質量的因素常具有多層次性、模糊性、不確定性等復雜特點，對于不同地質背景和具體工程，其影響因素及權值都不是固定的，既有共同性，又有特殊性。因此工程巖體質量評價應當采用靜態和動態等多種評價方法從不同側面進行巖體質量的綜合評價。(4)隨著巖體質量分級的不斷完善，巖體質量評價與巖體穩定性分析的有機結合是巖體質量評價發展的必然趨勢。2巖體結構與巖體質量上述各類評價方法的參評因素可歸納為兩類，即巖石強度和巖體完整性，再附以工程修正因素。而前二者又可統一為巖體結構和構造作用的綜合效應，因此，巖體結構和構造作用是控制巖體質量發育和分級的根本，這些都決定了上述工程巖體質量評價方法(體系)之間具有可比性和相關性的物質基礎。巖體結構分類實質是對巖體變形程度和復雜性的一種綜合概括，定性反映了巖體質量的一個重要特征即巖體完整性。而巖體質量評價則是以定性和定量方式綜合反映巖體的復雜性，并為工程適用性做出評價。因此巖體結構與巖體質量之間存在著必然的聯系和對應，根據不同的巖體結構與巖石組成，可以定性地評價巖體質量及穩定狀態。本文通過對大量巖體工程的各類巖體結構及其相應的巖體質量發育特征進行統計分析，將二者的相應關系綜合概化為表2。這些表明，巖體結構越完整，巖體質量就可能越好；相反如果巖體質量差，巖體結構就可能以碎裂、鑲嵌結構等為主。但是這種相關性是有條件的，是在相同巖性和環境下才成立的，若二者變化了，則相應的巖體質量評價結果也不可能相似，表2也充分地說明了這一點。3相關的定量關系研究關于各種巖體質量評價分級方法間的相關性研究，國外主要進行了Bieniawski的RMR系統與Barton的Q系統之間以及RMR與Wickham的RSR系統之間的關系研究，并給出了相應的關系式，國內對此很少見到有關的定量關系的研究報道。本文試圖對RMR法，Q分類、谷德振的Z分類、水電地下圍巖分類及工程巖體分級標準等目前幾種主要的巖體質量評價分級方法的分級相關性進行系統的定量研究，以期建立起相互的對應關系。3.1圍巖分類及各指標的關系中國工程巖體分級國家標準認為巖體基本質量是由巖石堅硬程度(RC)和巖體完整性程度(KV)所決定，并采用定性和定量綜合方法將巖體基本質量分為五級。Bieniawski提出的巖體權值系統(RockMassRating,RMR)則綜合考慮了巖石材料單軸抗壓強度、RQD、不連續面間距、充填條件、方向及地下水等地質因素和工程因素，采用和差方法得到巖體質量評分值并將其分為五級。該方法非常重視塊體規模，分類更重視塊度，但對節理組數、地應力等未加考慮，而且對節理組產狀的修正也未有明確意見，這些都限制了RMR法在地下工程以外的其它工程方面的應用。實踐表明，RMR法能較好地反映中等堅固巖體質量，但對較差巖體則欠佳，而且RMR法的評價結果有時太過于保守。Barton提出的隧道支護襯砌的圍巖分類Q系統主要考慮了6個參數即(1)RQD；(2)節理組數(Jn)；(3)最不利節理面的粗糙度(Jr)；(4)節理面變質程度或沿軟弱節理充填情況(Ja)；(5)涌水量(JW)和(6)地應力條件(SRF)，將巖體質量分成了九級。該方法則強調了節理組數(Jn)、節理面粗糙度(Jr)及節理蝕變(Ja)等因素比節理方向的影響更重要，因此若考慮節理方向性時，該方法就會顯得不太合適，另外它只考慮了巖體自身的完整性而未考慮巖塊強度和工程因素。谷德振等則認為巖體質量主要受控于巖塊強度(Rc)、結構面抗剪強度(f)和巖體完整性(I)，并提出了巖體質量Z-分類，并將巖體質量分為五級。此分類中并未考慮具體工程類型的影響，它所反映的也主要是巖體的基本質量，而且各參評因素的影響權值是不同的，其重要性為f>I>S，其中S=Rc/100為巖塊的堅強系數。水電工程地下圍巖分類(1999)則更強調巖體結構完整性及結構面的發育狀態，以定性分析為主，提出了圍巖的五級分類法。但該方法不適用于埋深淺以及洞穴發育地段的圍巖質量評價。3.2預測結果及分析本文根據人工神經網絡具有很強的學習、計算和知識處理能力等特點，用大量的訓練、學習樣本，建立起輸入輸出變量間復雜的非線性關系，對目前常用的幾種主要的巖體質量評價分級方法的分級相關性進行了系統的定量研究，有關部分計算結果如表3。在具體計算時，首先將各級巖體質量評價值歸一化變換為區間值，然后再將輸出值乘以相同倍數，即得真正的值。因此在處理過程中，由于還原時一般都擴大100倍，即使預測時誤差很小，還原后也可能很大，但從表3的預測結果表明這樣處理結果仍能符合誤差范圍的。計算結果表明，由Z值預測RMR值的相對誤差平均為15%±，質量等級對判率為88%，預測分級與實際基本一致，但Z分級較RMR法分級相對高一些。由水電工程圍巖分級方法預測的RMR值的相對誤差平均為10%±左右，質量分級對判率為85%，二者的分級基本一致。根據上述方法對各種巖體質量評價分級標準進行計算和綜合對比分析，并參考有關文獻，對各種方法分級的相關性總結如表4，其中表中同一分級欄內的各種方法的分級是可以換算的。上述分析表明，雖然各種方法的分級參評因素不同，但都是以巖體結構完整性和巖石強度為控制巖體質量發育和分級的基礎，因此它們之間具有可比性和相關性的物質基礎，各種方法所得到的巖體分級是可以相互對比和換算的，從而提高了巖體質量綜合評價和分級結果的可靠性并為各種方法的評價結果提供了統一認識以及相互驗證的依據。3.3工程應用3.3.1巖體結構及巖體質量綜合評價本工程擬建場地內的基巖主要為震旦紀中統的霧迷山組白云質灰巖，地基巖體斷裂、裂隙構造發育，在100×80m2的場地范圍內發育了兩條多期次的正斷層和三條規模較大的溶蝕裂隙槽，巖體節理裂隙極發育，RQD值平均為10%～30%，巖體縱波速度平均為2000～3000m/s，橫波速度約800～1500m/s，巖體十分破碎，總體為層狀碎裂巖體結構。根據工程場地巖體結構分析，采用多種動、靜態巖體質量綜合評價方法系統地研究和評價了擬建場地地基巖體質量的發育特征及其空間分布，綜合計算結果如表5。表5的計算結果表明，盡管各類評價方法的分級方案不同，但根據本文建議的各類分級方法的換算對比原則，對本場地地基巖體質量的綜合評價分級結果是可靠的和一致的。擬建場地南、北兩區的地基巖體質量具有明顯的差別，北區地基巖體相對較完整，地基巖體質量為IV級，而南區地基巖體破碎、不完整，溶蝕、風化作用發育，地基巖體質量綜合評價為V級。3.3.2巖體質量綜合評價體斷裂結構與巖體質量評價三峽工程永久船閘區巖體主要為前震旦紀的花崗巖體，SA7排水主洞及其支洞內統計段的巖體結構以微風化～新鮮的整體～塊狀結構為特征，巖體完整～較完整，本文采用多種評價方法對此段排水洞的巖體質量進行綜合評價分級，其計算結果如表6。上述的分析表明，雖然各種巖體質量分級方法所考慮的影響因素和側重點不同，所得的分級方案也可能不同，從而對同一工程巖體的質量評價所得的分級結果可能會不同。但是它們的分級基礎是相似的，即都以地質因素為主導，因此各種分級方法之間是可以換算和對比的。根據本文建議的各類巖體質量分級方法的換算對比方案，三峽工程永久船閘SA7排水主洞及其支洞的巖體質量分級比較一致，總體為I～II類，巖體質量良好，這是保證船閘邊坡巖體穩定的基礎。4工程巖體質量評價體系國內外巖體質量評價分級研究正在由單因素定性分級向多因素、多指標的定性和定量綜合模式發展。盡管主要的巖體質量評價分級方法的應用和側重點不同，但其