李院兵， 周鵑花

(1.武漢聯(lián)動設(shè)計股份有限公司，湖北 武漢 430074； 2.深圳榕亨實業(yè)集團有限公司，廣東 深圳 518000)

“土石比”是工程施工及概(預(yù))算定額中的概念，是指土石方工程(主要是挖方)中土方和石方的比例?！巴痢?、“石”的工程分類與地質(zhì)分類有著本質(zhì)區(qū)別，工程上“巖石”分類主要考慮開挖方法及其難易程度，地質(zhì)學(xué)上“巖石”分類主要考慮礦物顆粒間的膠(固)結(jié)情況、結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征及其物理力學(xué)性質(zhì)，至少在目前，工程界或地質(zhì)界還沒有很好地解決兩者的對應(yīng)關(guān)系，常常導(dǎo)致土石方工程的結(jié)算價超過概算價、招標(biāo)控制價，或結(jié)算價遠(yuǎn)低于控制價，給概(預(yù))算編制單位帶來經(jīng)濟損失。在勘察設(shè)計階段，準(zhǔn)確地進(jìn)行土壤與巖石分類，是編制概算、招標(biāo)控制價的基礎(chǔ)。

1 巖石(普氏)分類及堅固性系數(shù)

目前土石方工程采用以堅固性系數(shù)為基礎(chǔ)的工程巖石分類方案，該方案常稱為巖石(普氏)分類法，它將土壤和巖石分為16類，其中土壤分為Ⅰ-Ⅳ類(f<1.5)，巖石分為Ⅴ-ⅩⅥ類(1.5≤f<25)，堅固性系數(shù)f值越大，巖、土越堅固，其抵抗外力的能力也愈強。

巖石的堅固性是采礦工程中最基本的概念之一，是指巖石抵抗拉壓、剪切、彎曲、沖擊和熱力等作用的綜合能力，常用巖石某一種性質(zhì)(抗鉆性、抗爆性、硬度、耐磨性等)來表示。前蘇聯(lián)學(xué)者Protodyakonov(普氏)于1907年首次提出巖石堅固性概念，并用堅固性系數(shù)f(也稱普氏系數(shù)、緊固系數(shù)、強度系數(shù)等)來表征，主張以巖石在抵抗破碎時產(chǎn)生的綜合變形(壓縮、拉伸、剪切)的平均值來確定，但由于巖石的抗壓強度對巖石的堅固性起主導(dǎo)作用，且抗壓強度值容易獲得，因此以巖石單軸極限抗壓強度來確定堅固性系數(shù)，巖石堅固性系數(shù)計算公式[1]為：

(1)

式中：σ為規(guī)則試樣巖石單軸抗壓強度(MPa)。

巖石堅固性系數(shù)f值是一個相對值，它假定(或許是統(tǒng)計)致密粘土(理解為泥巖)的抗壓強度為10 MPa，把巖石單軸極限抗壓強度的1/10作為巖石的堅固性系數(shù)，其物理意義是表征某種巖石比致密粘土堅固，用于估計巖石抵抗破碎的能力,反應(yīng)巖石開挖的難易程度。

因生產(chǎn)條件和技術(shù)不斷發(fā)展，與之有關(guān)的一些方法與指標(biāo)已不適用，巖石堅固性系數(shù)測定方法一直在改進(jìn)。普氏之子(小普氏)于1950年提出了“搗碎法”，其涵義為“搗碎巖石所消耗能量與產(chǎn)生的粒度<1 mm的巖粉總體積之比”[1]，實質(zhì)是在“壓、剪、彎、沖、熱”等作用下的一個綜合性指標(biāo)，可用式(2)表示：

(2)

式中：E為搗碎巖石所消耗的能量；V為消耗能量E所產(chǎn)生的粒度<1 mm的巖粉總體積；k為比例系數(shù)。

比較式(1)和式(2)發(fā)現(xiàn)，兩者的內(nèi)涵相差甚遠(yuǎn)，但由于“搗碎法”試驗相對繁瑣，多限于實驗與研究，在工程實踐中難以推廣，目前大部分工程巖石分類仍然采用式(1)確定的堅固性系數(shù)進(jìn)行分類。

2 現(xiàn)行電力工程土、石方分類的缺陷分析

2.1 普氏分類法在土石方工程分類中的缺陷

巖石(普氏)分類法的優(yōu)點是以巖塊強度為基礎(chǔ)，指標(biāo)簡單、概念清楚、容易獲取、分類容易，在采礦、隧道工程中應(yīng)用廣泛，但該分類方案是在采礦工程中形成與發(fā)展起來的，當(dāng)用于土石方工程時，則存在明顯的缺陷:

(1) 巖石(普氏)分類法沒有考慮巖體裂隙的發(fā)育程度對挖掘難易程度的影響。雖然采礦與土石方工程都屬于挖掘工程，但挖掘環(huán)境不同。采礦、隧道工程挖深較大，風(fēng)化裂隙少，多在地下巷道挖掘，具有定向性，尚有巷道支撐，受空間自由度制約，巖體裂隙對巖體緊固性的貢獻(xiàn)度有限。而土石方工程一般位于地表淺部，發(fā)育各類構(gòu)造面及大量無規(guī)律風(fēng)化裂隙，空間自由度大，同采礦、隧道工程巷道定向開挖相比，土石方工程的挖掘要自由得多，裂隙對開挖、搗碎有很大影響。

(2) 由式(1)確定的堅固性系數(shù)主要反應(yīng)巖石的抗鉆、抗爆性，不能真實反應(yīng)巖石開挖的難易程度。在影響因素相同的條件下，堅固性系數(shù)只有相對強弱(難易)意義，作為絕對值進(jìn)行分類存在很大缺陷，如對于很堅硬的巖塊，如果裂隙發(fā)育，則很容易脫離母巖。

(3) 由式(2)確定的堅固性系數(shù)雖然能較準(zhǔn)確反應(yīng)搗碎巖石的難易程度，但在實際巖土工程勘察中，最主要任務(wù)是獲取巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)(如巖石抗壓強度)，若無研究需要，則不可能采用“搗碎法”去獲取堅固性系數(shù)。

(4) 普氏分級較多，實際工作中難以做到如此精細(xì)，使用時不便于對照。

(5) 普氏分類表中，還把“用鉆機鉆孔1 m所需要的時間”作為一個指標(biāo)，但隨著技術(shù)進(jìn)步，鉆探水平(鉆探機械動力、鉆頭材料)已今非昔比，仍然使用該指標(biāo)顯然不合理。

2.2 電力工程概(預(yù))算定額中的土、石方分類缺陷

目前電力工程概(預(yù))算定額中的土、石方分類采用的就是巖石(普氏)分類法，但優(yōu)化了分級數(shù)量，對其分級進(jìn)行了歸并，將土方分為普通土和堅土，將石方分為松(砂)石、次堅石、普堅石、特堅石。為了便于操作，對各級分類列舉了大量的土壤及巖石名稱，并說明了開挖方案(工具)，其分類與普氏分類的對應(yīng)關(guān)系及開挖方法如表1所示。

表1 電力行業(yè)土壤及巖石(普氏)分類表Table 1 Classification table of soil and rock (Protodyakonov’s coefficient)in power industry

但是，歸并后的土壤及巖石，除具有前述土石方工程普氏分類固有的缺陷外，還存在以下缺陷：

(1) 定額表中列舉了很多土壤、巖石類型，但同自然界相比數(shù)量甚少，且大部分的表述不符合《巖土工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50279—2014)》[2]，如“膠結(jié)力弱的礫巖”(概念模糊)、“風(fēng)化巖”(地表淺部基本都屬于風(fēng)化巖，且因憑個人經(jīng)驗判斷，風(fēng)化程度也不一定能準(zhǔn)確界定)、“砂巖”(因其組成物質(zhì)、膠結(jié)物、風(fēng)化程度不同，強度相差十分懸殊)；又如“電力建設(shè)工程概算定額(2018年版，建筑工程)”中的“普通巖石”和“堅硬巖石”(文字表述上，一般“普通”對“特殊”、“堅硬”對“松軟”，定額表中“普通巖石”和“堅硬巖石”是如何劃分的沒有作交代)等。

(2) 相對而言，現(xiàn)行2018年版的“架空輸電線路工程預(yù)算定額”比較符合巖土工程的表述，它將全風(fēng)化巖定義為松(砂)石、強風(fēng)化巖定義為巖石。但自然界巖石種類繁多，各類巖石礦物含量不一樣，抗風(fēng)化、演化的路徑也不一樣，同等風(fēng)化程度的巖石，巖石種類不同強度差別很大。從開挖的難易程度判斷，全風(fēng)化甚至某些強風(fēng)化巖可以定義為松(砂)石，也可以定義為堅土。

正因為存在這些缺陷，工程地質(zhì)人員在勘察設(shè)計階段很難依據(jù)定額標(biāo)準(zhǔn)來確定巖石的工程分類，有的項目勉強確定了分類，甚至還確定了“土石比”，基本上都是憑經(jīng)驗、“拍腦袋”，在實際施工中大多會因分類不準(zhǔn)或“土石比”誤差過大而出現(xiàn)爭議，最終還必須根據(jù)現(xiàn)場實際情況來討論確定。

2.3 土壤及巖石現(xiàn)場分類缺陷

在實際工作中，當(dāng)“土方”、“石方”出現(xiàn)爭議時，解決的方法就是在現(xiàn)場試挖，通常采用以下2種方法進(jìn)行界定：

(1) 以開挖工具進(jìn)行界定。采用人工和半機械化開挖，使用鍬鎬、尖鎬、風(fēng)鎬等簡單工具能夠開挖的定義為“土”，否則為“巖石”，一般適用于小(微)型工程。

(2) 以挖機施工的難易程度進(jìn)行界定。這種方法是以帶鉤反鏟挖機來區(qū)分，能鉤動，就是“土方”；鉤不動，就是“石方”。這種方法很原始，也很直觀，但“鉤不動”是一個模糊概念，它與挖機性能、工程的進(jìn)度要求甚至是操作人員的熟練程度有關(guān)，仍容易產(chǎn)生分歧。

這2種方法在特定的項目上，因相關(guān)各方需要相互協(xié)商，故常能取得較好的效果，但其個性化強，確定的分類原則難復(fù)制，且都是在施工現(xiàn)場確定，仍不能有效解決勘察設(shè)計階段的土壤與巖石分類。

3 影響巖石開挖難易程度的因素

為了找到能夠在勘察設(shè)計階段準(zhǔn)確確定巖石工程分類的方法，就必須了解影響巖石開挖難易程度的因素。

土石方挖掘工程的本質(zhì)是采用人工或機械使巖塊(土壤)脫離母體并移除。大量的工程實踐表明，巖石開挖的難易程度主要受巖石硬度、巖體完整性、風(fēng)化程度控制，同時還受巖石密度、地形條件、開挖深度的影響。

3.1 巖石硬度

巖石硬度是巖石表面的局部應(yīng)對另一物體壓入時的阻力，而巖石強度是巖石整體破碎時的阻力，兩者是有區(qū)別的，把巖石的單軸抗壓強度簡單地作為巖石硬度的指標(biāo)是不全面的。對于鉆進(jìn)破碎巖石來說，工具對孔底巖石的破碎方式在大多數(shù)情況下是局部壓碎，巖石硬度指標(biāo)更接近于鉆進(jìn)破碎巖石的難易程度，巖石的壓入硬度比單軸抗壓強度更具有實際意義。理論分析及實驗表明，巖石壓入硬度為單軸抗壓強度的1～20倍[3]。但是，巖石單軸抗壓強度是工程勘察取得的最主要的、也是最易取得的參數(shù)，所以《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)[4]根據(jù)巖體的錘擊效應(yīng)、浸水效應(yīng)及巖石單軸飽和抗壓強度，將巖石的堅硬程度采用定性、定量的方法劃分為五類，即堅硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖、極軟巖，巖石越堅硬，巖體越穩(wěn)定，開挖的難度越大。

3.2 巖體完整性

天然巖體被節(jié)理裂隙分割為不同的塊體，每個待挖體含有多個結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面的強度比巖體本身強度弱得多，且結(jié)構(gòu)面中充填介質(zhì)的性質(zhì)和強度也影響巖石的可挖性，當(dāng)介質(zhì)為粘土質(zhì)(軟弱層)時，其強度降低更為明顯。因此，在其它條件相同的情況下，巖石的開挖難易程度受結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)面類型及巖性等控制，其是衡量巖體開挖難易程度的重要指標(biāo)。

巖體完整性以巖體的結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度及特征為定性評價依據(jù)，以巖體完整性系數(shù)為定量評價依據(jù)，據(jù)此分為五類[4]，即完整、較完整、較破碎、破碎、極破碎，巖體越完整，越難開挖。

3.3 風(fēng)化程度

風(fēng)化程度是風(fēng)化作用對巖體的破壞程度，一方面使巖石疏軟、物理力學(xué)性質(zhì)變壞，另一方面使巖體中裂隙增多、解體從而影響巖體完整性，進(jìn)而影響開挖的難易程度。

巖石的風(fēng)化類型主要有化學(xué)風(fēng)化和物理風(fēng)化，其中，化學(xué)風(fēng)化以礦物逐漸演化成粘土礦物或溶解(分解)成離子流失、巖石硬度顯著降低為特征，而物理風(fēng)化以巖石在熱脹冷縮、凍融循環(huán)等自然力的作用下發(fā)生破碎解體，礦物成分未發(fā)生顯著變化，破碎后的碎塊硬度與母巖相比變化較小。

巖石風(fēng)化程度的劃分多采用工程地質(zhì)定性評價方法，主要以野外特征鑒別為主，從巖石結(jié)構(gòu)、礦物成分、顏色、鉆(挖)難易程度等方面進(jìn)行綜合分析確定，輔助定量指標(biāo)如波速比Kv、風(fēng)化系數(shù)Kf等。目前各行業(yè)普遍將巖體風(fēng)化程度劃分為5類[5]，即未風(fēng)化、微風(fēng)化、中風(fēng)化、強風(fēng)化、全風(fēng)化，巖石風(fēng)化越弱，開挖難度越大。

3.4 容重

容重(重度)是密度乘以重力加速度，密度是單位體積的質(zhì)量，是間接反映巖土致密程度的參數(shù)。單位體積中包含有固、液、氣三相體積(孔隙體積、水體積、裂隙體積、礦物顆粒體積)，固相體積占比越大，容重越大，巖土越密實。密度對土類的開挖難易程度影響較大，密度越大，說明土體越密實，開挖越困難，但對巖石的影響有限。

3.5 地形條件

地形是指地表高低起伏、坡度大小、空間分布等特征，地形條件決定了巖塊在自重作用下產(chǎn)生變形和運動的自由度。較陡的地形，破碎巖塊能夠迅速脫離母體，便于進(jìn)一步鑿巖，如在場地平整中，突出地面的堅硬石牙用鐵錘、釬、鎬也很容易清除，但當(dāng)其埋藏于地下時不借助施工機械是難以清除的。地形條件對“土石比”影響較大，但對土壤和巖石的分類影響小。

3.6 開挖深度

開挖深度對巖體的可挖性影響直觀，在其它條件相同的情況下，深度越大，巖石的風(fēng)化程度越弱，巖石越堅硬，石渣的清除也越困難。隨著深度增加，石方比例逐漸提高，挖得越深，開挖的難度越大，土石比越小。

4 巖體基本質(zhì)量指標(biāo)在土、石方工程分類中的應(yīng)用分析

4.1 分類因素的確定

無論采用何種巖石分類方案，首先需確定分類因素，選擇分類因素應(yīng)遵循3個基本原則[6]:

(1) 重要性原則。分類因素必須是控制巖體可挖性最重要、最基本的因素。

(2) 獨立性原則。分類因素必須具有獨立性，避免含義重復(fù)，避免一個因素的變動引發(fā)其它因素的聯(lián)動。

(3) 易得性原則。分類因素的指標(biāo)必須容易獲取，只有容易獲取的指標(biāo)，才具有實際應(yīng)用的可能。

4.2 巖體基本質(zhì)量指標(biāo)

巖體基本質(zhì)量是巖體所固有的、影響工程巖體穩(wěn)定性的最基本屬性，它的決定因素是巖石抗壓強度Rc和巖體完整性系數(shù)Kv值，計算公式[4]為：

BQ=100+3Rc+250Kv

(3)

實踐表明，Rc和Kv對巖體質(zhì)量的影響是非線性的，當(dāng)Kv值極低(如極破碎)時，Rc值的增大對巖體質(zhì)量的改善作用不大；同樣，當(dāng)Rc值很低(如極軟巖)，Kv值的增大也不能改善巖體的質(zhì)量。因此，采用式(3)計算BQ值時，要分情況討論：

(1) 當(dāng)Rc>90Kv+30時，以Rc=90Kv+30和Kv代入計算BQ值。

(2) 當(dāng)Kv>0.04Rc+0.4時，以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入計算BQ值。

為了比較的直觀性，將Kv=0.05～0.95、Rc=1～120 MPa的計算結(jié)果列于表2中，根據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50218—2014)》，將巖體基本質(zhì)量分為Ⅰ-Ⅴ級(為便于比較，本文將“Ⅴ”級拆分為“Ⅴ1”和“Ⅴ2”兩級)(表2)，巖石越堅硬、巖體完整性越好，巖體基本質(zhì)量越好。

表2 巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)計算及分級表Table 2 Calculation and classification table of rock mass basic quality(BQ)

4.3 巖體基本質(zhì)量指標(biāo)作為巖石工程分類的可行性分析

影響巖石開挖難易程度的6種因素中，有的內(nèi)涵存在相互交叉、相互影響。工程實踐和理論分析表明，巖石硬度、巖體完整性相互獨立，對巖石開挖難易程度影響最大，同時其具有易得性。巖石硬度、巖體完整性恰恰是影響巖體基本質(zhì)量的最基本因素，這就決定了利用巖體基本質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行巖石工程分類是可行的。

根據(jù)大量的工程經(jīng)驗，將Ⅰ-Ⅴ級巖體的開挖、破除方法列于表3中。通過對電力定額的研究，并將表3與表1的開挖方法進(jìn)行比較，可得出電力定額中工程巖石分類與巖體基本質(zhì)量等級的概略對應(yīng)關(guān)系。

表3 巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)與電力工程定額巖石分類對照表Table 3 Comparison table of basic quality index (BQ) of rock mass androck classification of power engineering quota

如表3所示，即便同屬電力行業(yè)，各定額的分類標(biāo)準(zhǔn)仍有很大差異，人為增加工程地質(zhì)人員在勘察階段對巖石的工程分類難度。如采用巖體基本質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行分類，各專業(yè)的巖石分類將能得到統(tǒng)一。

利用巖體基本質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行巖石工程分類的主要優(yōu)點有以下幾點：

(1) 具有普適性。巖體基本質(zhì)量是巖體所固有的、影響工程巖體穩(wěn)定性的最基本屬性。在工程實際中，凡涉及巖石的地基、邊坡、隧道、基坑等，均是以巖體基本質(zhì)量指標(biāo)為基礎(chǔ)。應(yīng)結(jié)合工程特點，考慮其它影響穩(wěn)定性的因素，對巖體基本質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行修正，形成本專業(yè)(如邊坡工程、地下洞室)的工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 指標(biāo)容易獲取。在巖土工程勘察階段，凡涉及巖石的地質(zhì)條件，均需采取巖石樣品進(jìn)行單軸抗壓強度試驗，同時需通過工程地質(zhì)調(diào)查、RQD值計算、聲波測井等手段獲取巖體完整性參數(shù)，無需進(jìn)行復(fù)雜的巖塊搗碎試驗。

(3) 能夠在設(shè)計階段為工程概算提供相對準(zhǔn)確的巖石分類成果，減少施工階段的分類糾紛。

(4) 無需對各類巖石進(jìn)行大量的枚舉，套用標(biāo)準(zhǔn)簡單，便于地質(zhì)專業(yè)與其它專業(yè)溝通交流。

電力行業(yè)土石方工程的顯著特征是開挖深度小、多處于地表附近、風(fēng)化程度強烈、巖質(zhì)較軟、巖石破碎。開挖的方式同邊坡工程或地下洞室工程的“定向性”相比屬于“無序性”(相對而言)，巖體產(chǎn)狀或地下水對其影響小，涉及的巖石基本質(zhì)量等級絕大多數(shù)屬于Ⅳ-Ⅴ級，準(zhǔn)確區(qū)分“堅土”、“松(砂)石”、“次堅石”3級尤為重要。

5 總結(jié)

(1) 土石方工程中巖石(普氏)分類法基本屬于單因素(巖石抗壓強度)分類，較少考慮巖體完整性影響，與“巖石堅固性”內(nèi)涵有顯著性差異，在勘察設(shè)計階段難以進(jìn)行巖石分類。

(2) 巖石的開挖難易程度與巖體基本質(zhì)量均受巖石堅硬程度和巖體完整性控制，兩者具有較強的關(guān)聯(lián)性，可通過巖體基本質(zhì)量指標(biāo)評估巖石的開挖難易程度，進(jìn)行巖石工程分類并確定開挖方法。

(3) 表3中的分類對應(yīng)關(guān)系不一定準(zhǔn)確，但BQ≤450(Ⅲ-Ⅴ級)時得到了大量工程現(xiàn)場的驗證(指開挖方法得到檢驗，受工程特點限制，Ⅰ-Ⅱ級巖石尚未得到檢驗)，對工程地質(zhì)人員而言，這比普氏分類具有更好的適用性和可操作性。

(4) 表1和表3均顯示不同的定額標(biāo)準(zhǔn)，土壤和巖石分類標(biāo)準(zhǔn)具有差別，雖然相應(yīng)定額單價可能考慮了這種差別，但它給分類設(shè)置了障礙，不利于工程施工人員和勘察設(shè)計人員的技術(shù)交流與成本控制。

(5) 建議工程概(預(yù))算定額中的巖石分類直接采用巖石基本質(zhì)量等級，通過調(diào)整定額單價(實際上，等同分類的巖石，現(xiàn)行各定額單價也不是統(tǒng)一的)達(dá)到“跨界”統(tǒng)一，為勘察設(shè)計階段確定巖石分類、工程概算和投標(biāo)限價提供相對統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。