于世波，王 輝，曹輝，葉光祥

(1.北京礦冶研究總院，北京100160;2.中國(guó)中鐵置業(yè)集團(tuán)有限公司，北京100055)

多種工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的關(guān)聯(lián)及其應(yīng)用探討

于世波1，王 輝2，曹輝1，葉光祥1

(1.北京礦冶研究總院，北京100160;2.中國(guó)中鐵置業(yè)集團(tuán)有限公司，北京100055)

總結(jié)了常用工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的相互關(guān)系。以土屋銅礦露天邊坡工程地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)RMR-GSI法、Q-GSI法和GSI圖表法三種方法的工程巖體質(zhì)量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行探討分析。分析結(jié)果表明，基于大量工程地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的RMR-GSI換算法和Q-GSI換算法能夠避免單一GSI圖表法主觀性大、量化結(jié)果不強(qiáng)的特點(diǎn)。參與調(diào)查的結(jié)構(gòu)面越多，多種方法計(jì)算的GSI值越接近。大量的工程地質(zhì)調(diào)查能夠提高GSI值的精確程度，對(duì)于邊坡穩(wěn)定性分析尤為重要。

相互關(guān)系;GSI法;工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià);RMR-GSI法;Q-GSI法

工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)是對(duì)所有工程巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減和確定的前提和基礎(chǔ)。工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的結(jié)果直接關(guān)系著邊坡、地下工程穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確性和可靠性。巖石力學(xué)工作者在多年的工程實(shí)踐中已經(jīng)發(fā)展起來(lái)多種工程巖體的評(píng)價(jià)方法，其中包括單一指標(biāo)分級(jí)方法(以RQD、彈性波速度指標(biāo)為分類(lèi)依據(jù))［1］和巖體綜合指標(biāo)分級(jí)方法(以RMR分級(jí)方法［2］、Q系統(tǒng)分類(lèi)方法［3－4］、GSI地質(zhì)力學(xué)方法［5］和我國(guó)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)推薦的［BQ］分級(jí)方法［6］等為代表)。近年來(lái)，隨著對(duì)自然崩落法的研究，日漸發(fā)展起來(lái)的MRMR分級(jí)方法［7－9］日益得到廣泛的應(yīng)用。

工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)主要作用是為工程巖體強(qiáng)度參數(shù)折減和工程巖體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段能夠直接且唯一服務(wù)于工程巖體力學(xué)參數(shù)折減［10－11］的工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法是GSI地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)法，但經(jīng)過(guò)大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，RMR值和 Q值能夠?qū)崿F(xiàn)向 GSI值的換算和轉(zhuǎn)化(即RMR-GSI換算法和Q-GSI換算法)，且這三種方法在確定工程巖體質(zhì)量上互有優(yōu)劣，以下將介紹三種方法之間的相互關(guān)系。同時(shí)，以土屋銅礦現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查為依托，研究三種方法在工程中的應(yīng)用差異性及共同性及對(duì)工程實(shí)踐的指導(dǎo)作用。

1 多方法相互關(guān)系

1.1 多方法評(píng)價(jià)必要性

作為唯一能應(yīng)用于工程巖體參數(shù)折減的工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，GSI法在國(guó)內(nèi)外節(jié)理化巖體工程中得到了廣泛的應(yīng)用。在GSI法中，GSI值的確定取決于巖體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)面表面條件兩個(gè)因素，但這兩個(gè)因素的表述都帶有很強(qiáng)的主觀性，GSI值讀取時(shí)采用目測(cè)法，使得GSI值的主觀性更大，雖然蔡明等［12］對(duì)GSI法進(jìn)行了修正，對(duì)巖體結(jié)構(gòu)以及巖塊尺寸進(jìn)行了定量化定義和處理，但通過(guò)工程地質(zhì)調(diào)查得出的GSI值與工程實(shí)例倒退計(jì)算得出的GSI值仍有一定的差距。因此，僅憑GSI圖表法讀取GSI值具有主觀性大、量化結(jié)果不強(qiáng)等特點(diǎn)。

RMR巖體分類(lèi)系統(tǒng)與Q系統(tǒng)以更為詳細(xì)的分類(lèi)參數(shù)為基礎(chǔ)(表1)，強(qiáng)調(diào)各基礎(chǔ)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查的量化值，對(duì)于節(jié)理化巖體的適用性和應(yīng)用性較強(qiáng)，在幾十年的應(yīng)用過(guò)程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)且得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，巖石力學(xué)工作者建立了RMR值和Q值向GSI值轉(zhuǎn)換的換算關(guān)系。這兩種方法的換算避免了單一GSI法計(jì)算中GSI值主觀性大、目測(cè)值變化大的缺點(diǎn)。但仍有一定的缺陷，在后續(xù)將結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.2 多方法之間的換算

RMR值與GSI值之間的換算:

式中:RMR89為 Bieniawski于 1989年修正的RMR分類(lèi)法指標(biāo)，且將地下水參數(shù)的指標(biāo)設(shè)為15，不考慮節(jié)理方向的指標(biāo)修正的總和。式中的限制條件為:RMR89＞23。

Q值與GSI值之間的換算:

圖表法確定GSI值:

當(dāng)使用圖表法評(píng)價(jià)巖體的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI時(shí)，可由巖體的結(jié)構(gòu)特征Jv(Jv也可由式RQD=115－3.3Jv反求，當(dāng)Jv＜4.5時(shí)，取RQD=100)和表面條件確定該巖體的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI。

由于采用Hoek-Brown準(zhǔn)則進(jìn)行工程巖體力學(xué)參數(shù)確定時(shí)GSI值對(duì)于巖體工程特別是邊坡工程的穩(wěn)定性影響較大，GSI值較小的變化可能引起安全系數(shù)的較大變化(較小范圍內(nèi)GSI值的變化可能導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)在規(guī)范要求的安全系數(shù)上下浮動(dòng)較大)。因此，取得較為可靠的GSI值極其重要。下述以土屋銅礦露天邊坡的大量工程地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)三種不同方法確定的GSI值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探討GSI值不同確定方法之間的差異性和共同性及其產(chǎn)生的原因。

2 工程地質(zhì)概況及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

2.1 工程地質(zhì)概況

土屋銅礦位于新疆哈密市境內(nèi)，為大型斑巖型銅礦床。礦區(qū)內(nèi)礦體及圍巖主要為次閃長(zhǎng)玢巖、玄武巖、角礫熔巖和安山巖。區(qū)內(nèi)F16斷層為主控?cái)嗔?，礦體底板靠近F16斷裂的巖礦破碎，完整性差，巖石及礦石的穩(wěn)固性相對(duì)較弱，開(kāi)采時(shí)容易出現(xiàn)局部滑坡和崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。礦區(qū)近地表的礦石、巖石，由于風(fēng)化，礦石及巖石的穩(wěn)定性較差，采礦、剝離過(guò)程中易垮塌。礦區(qū)出露的第四系殘坡積物、洪積層，孔隙發(fā)育，接受大氣降水的滲入補(bǔ)給，但很快流失。巖層不含水，但透水。礦區(qū)地下水類(lèi)型為構(gòu)造斷裂破碎帶脈狀水，賦存于F16構(gòu)造斷裂破碎帶中，主要接受大氣降水滲入補(bǔ)給，地下水水位埋深29.54～57.12 m，水位標(biāo)高598～625 m，鉆孔單位涌水量0.000 2 L/s·m，屬于富水性極弱的含水層，水量極貧乏。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查

準(zhǔn)確的、大量的工程地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)是進(jìn)行工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的前提和基礎(chǔ)。針對(duì)土屋銅礦的工程地質(zhì)條件及剝離情況，采用高精度手持GPS進(jìn)行定位，投入15人次、行程25 km，完成了7個(gè)鉆孔1 792.3 m的工程地質(zhì)編錄、750.5 m的鉆孔聲波測(cè)試、262條結(jié)構(gòu)面的密度、組數(shù)、產(chǎn)狀和延伸程度以及各組結(jié)構(gòu)面相互切割關(guān)系、結(jié)構(gòu)面的張開(kāi)度、粗糙度、起伏度、充填情況、充填物、水的賦存狀態(tài)的調(diào)查。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，完成了土屋銅礦的露天邊坡工程地質(zhì)分區(qū)，具體如圖1所示。

圖1 露天邊坡工程地質(zhì)分區(qū)圖Fig.1 Engineering geological zones of open pit slope

3 多方法應(yīng)用探討

進(jìn)行多種工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的相關(guān)關(guān)系分析的基礎(chǔ)是必須以可靠、足量的工程地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)為依據(jù)。由于土屋銅礦屬于大型斑巖型銅礦床，鑒于斑巖型銅礦的熱液型成礦特性，調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)露天邊坡內(nèi)的工程地質(zhì)特性不隨巖性的變化而表現(xiàn)出巨大的差異性，因此，在進(jìn)行工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)按分區(qū)進(jìn)行更具代表性和適應(yīng)性。表2～4分別為基于大量工程地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)和補(bǔ)充勘察及詳察資料的RMR換算法、Q換算法和GSI的圖表法所得的GSI值。

表2 RMR-GSI換算表Table 2 Conversion relation of RMR to GSI

將三種方法得到的土屋銅礦不同分區(qū)的GSI值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖2所示?？梢钥闯?

表3 Q-GSI換算表Table 3 Conversion relation of Q to GSI

表4 圖表法GSI統(tǒng)計(jì)值Table 4 Statistic of GSI charting

1)不同GSI計(jì)算方法得到的計(jì)算結(jié)果分布規(guī)律一致，雖然不同工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法之間的調(diào)查內(nèi)容、調(diào)查側(cè)重點(diǎn)等之間存在一定差異，但最終采用不同計(jì)算方法的GSI值差異性相對(duì)較小。

2)①區(qū)、②區(qū)由于參與調(diào)查的結(jié)構(gòu)面較多，三種方法計(jì)算結(jié)果及其平均值接近，而③區(qū)、④區(qū)由于結(jié)構(gòu)面調(diào)查數(shù)量相對(duì)較少，計(jì)算結(jié)果相差較大。因此，進(jìn)行大量的工程地質(zhì)調(diào)查對(duì)于工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)有必要性，能夠縮小不同方法所得GSI值之間的范圍，提高GSI值精確程度。

3)不同GSI值的計(jì)算方法涉及到大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，尤其是露天邊坡結(jié)構(gòu)面的調(diào)查，受到爆破振動(dòng)及開(kāi)挖卸荷的影響，采礦活動(dòng)誘導(dǎo)裂隙很容易對(duì)于原生結(jié)構(gòu)面的調(diào)查產(chǎn)生干擾(如圖3所示)，由于調(diào)查人員辨識(shí)水平、結(jié)構(gòu)面在工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法中占的比例不同，反映到GSI值上就會(huì)產(chǎn)生較大差異。

4)在以安全系數(shù)為控制條件的邊坡穩(wěn)定性分析中，對(duì)于GSI值的要求更為準(zhǔn)確，因此，需要進(jìn)行大量的工程地質(zhì)調(diào)查;而深部節(jié)理化巖體工程穩(wěn)定性分析對(duì)GSI值的要求相對(duì)較低，采用一種或多種計(jì)算方法均能滿(mǎn)足分析要求。

圖2 不同方法計(jì)算的GSI值之間的相互關(guān)系Fig.2 Relationship between GSI values derived from different calculation methods

圖3 露天邊坡結(jié)構(gòu)面分布示意圖Fig.3 Structural plane distribution diagram of open pit slope

4 結(jié)論

本文結(jié)合土屋銅礦的工程實(shí)例，對(duì)多種工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的相互關(guān)聯(lián)進(jìn)行了分析探討，得出以下結(jié)論:

1)GSI地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)圖表法讀取的GSI值具有主觀性大、量化結(jié)果不強(qiáng)的特點(diǎn)，基于大量工程地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的RMR-GSI換算法和Q-GSI換算法能夠避免單一GSI圖表法這一缺點(diǎn)。

2)參與調(diào)查的結(jié)構(gòu)面越多，多種方法計(jì)算的GSI值越接近，大量的工程地質(zhì)調(diào)查能夠提高GSI值的精確程度，對(duì)于邊坡穩(wěn)定性分析尤為重要。

3)排除爆破振動(dòng)及開(kāi)挖卸荷等采礦活動(dòng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的裂隙等對(duì)工程地質(zhì)調(diào)查的干擾，提高調(diào)查人員的辨識(shí)水平，能夠有效減少不同方法GSI值的差異性。

［1］沈明榮，陳建峰.巖體力學(xué)［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2006: 107－109.

［2］Bieniawski Z T.Engineering Rock Mass Classifications［M］.New York:John Wiley，1989:251.

［3］Barton N，Lien R，Lunde J.Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support［J］.Rock Mechanics，1974，6 (4):189－236.

［4］Barton N.Some new Q－value correlations to assist in site characterization and tunnel design［J］.International Journal of Rock Mechanics＆Mining Sciences，2002，39:185－216.

［5］Evert Hoek.Rock mass properties for underground mines［C］∥SME，2000:467－474.

［6］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組.GB50218－1994工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，1995:11－12.

［7］Laubscher D H.A geomechanics classification system for the rating of rock mass in mine design［J］.Journal of the south African institute of mining and metallurgy，1990，90(10):57－273.

［8］Laubscher D H，Jakubec J.The MRMR rock mass classification for jointed rock masses［C］//Underground Mining Methods:Engineering Fundamentals and International Case Studies.Colorado: SME，2000:475－481.

［9］Jakubec J，Laubscher D H.The MRMR rock mass classification system in mining practice［C］//International Conference＆Exhibition on Mass Mining.Brisbane:Australasian Institute of Mining and Metallurgy，2000:413－421.

［10］Evert Hoek，Brown E T.The Hoek-Brown failure criterion– a 1988 update［C］//Proceedings of the 15th Canadian Rock Mechanics Symposium.Toronto:University of Toronto，1988:31－38.

［11］Evert Hoek，Carlos Carranza-Torres，Brent Corkum.Hoek-Brown failure criterion–2002 edition［C］//Proceedings of NARMSTAC2002，Mining Innovation and Technology.Toronto:University of Toronto，2002:267－273.

［12］Cai M，Kaiser P K，Uno H，et al.Estimation of rock mass deformation modulus and strength of jointed hard rock masses using the GSI system［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2004(41):3－19.

Discussion on interrelation of several quality evaluation methods of engineering rock mass and its application

YU Shibo1，WANG Hui2，CAO Hui1，YE Guangxiang1
(1.Beijing General Research Institute of Mining＆Metallurgy，Beijing 100160，China; 2.China Railway Real Estate Group Co.，Ltd.，Beijing 100055，China)

In this paper，the interrelation of common quality evaluation methods of engineering rock mass has been summarized.It has been discussed and analyzed that the results of engineering rock mass quality derived from RMR-GSI，Q-GSI and GSI chart based on the engineering geological survey data of open pit slope in Tuwu Copper Mine.Analysis results showed that the subjectivity and unavailability of the single GSI method could be avoided by using the chart RMR-GSI and Q-GSI methods based on a large number of engineering geological survey data.The GSI value calculated by different methods will be much closer by increasing the amount of structural plane surveyed.A large number of engineering geological surveys can improve the GSI accuracy which is particularly important for slope stability analysis.

interrelation;GSI method;quality evaluation of engineering rock mass;RMR-GSI method;Q-GSI method

TD353;TD854+.6

Α

1671-4172(2015)01-0083-04

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAB01B01，2013BAB02B02)

于世波(1985–)，男，工程師，碩士，巖土工程專(zhuān)業(yè)，主要從事邊坡工程、深部災(zāi)害控制等方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.01.019