地下水封洞库岩体质量分级体系研究

季惠彬，晏鄂川，宋 琨，王章琼

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，武汉 430074;2.北京东方新星石化工程股份有限公司，北京 100070)

1 研究背景

随着经济的发展和国际环境的变化，我国在石油消费方面，对外依存度增加迅速，这将直接影响我国的经济发展和社会稳定。因此，大力发展石油储备，是关系着国家政治、经济、军事安全的重要因素。地下水封洞库是20世纪70年代兴起的一种地下储油方式，具有造价低、安全隐蔽、运营管理费用低、节约土地、不污染环境和油耗量低等优点，因此，成为石油储备的重要形式。洞库的工程岩体条件是洞库建设中需重点关注的因素，对岩体质量进行分级是进行洞库支护方案确定、开挖方式选择的必要前提。

工程岩体质量分级的研究始于20世纪40年代，经过几十年大量学者的研究和发展，提出了多种分级方法，如Terzaghi分级体系［1］、Deere的RQD 分级体系［2］、Wickham 的RSR 分级体系［3］、Bieniawski的RMR 分级体系［4－5］、Barton 的Q 分级体系［6－7］、Hoek的GSI分级体系［8］和国标 BQ 分级体系［9］等。由于地下水封洞库多为大跨度、高边墙、不衬砌或少衬砌的地下洞室，建库岩体多为质量较好的花岗岩、花岗片麻岩等，采用常用的分级方法(RMR，Q和BQ)评价结果为90%以上的岩体质量为II级及以上，且最多只能划分出Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ3个等级。显然，采用这3种分级方法，难以将地下水封洞库围岩质量等级明显地区分开来，显得较为粗糙。而支护方案建议与岩体质量等级是相对应的，按现有岩体质量等级来确定的支护方案，对于地下水封洞库而言，肯能会大量出现过度支护或支护不足的现象。因此，有必要提出一种新的岩体质量分级体系，以细化地下水封洞库岩体质量等级。

本文在分析了地下水封洞库工程岩体特征和常用的岩体质量评价方法对其评价的局限性的基础上，针对影响地下水封洞库围岩稳定性的主要因素，提出了适用于地下水封洞库岩体质量分级体系(UWCQ)，并应用该分级体系进行黄岛地下水封洞库工程的岩体质量评价。

2 岩体质量分级影响因素研究

岩体质量分级是为工程建设服务，是为工程岩体的稳定性和支护方案提供定性化建议，因此，对工程岩体稳定性产生影响的各基本工程地质要素都对岩体质量的好坏产生影响。通过分析，将影响工程岩体质量分级的因素归纳如下。

2.1 岩块强度

岩块是岩体的主要构成部分，岩体的力学特性由岩块强度和结构面组合、结构面强度等因素共同决定。岩块的抗压强度是反映岩石力学性质的主要指标之一，它在岩体工程分级及工程岩体稳定性评价计算中都是极其重要的指标。

2.2 岩体完整性

在工程实践中，常用岩体质量指标(RQD)确定岩体完整性。该指标统计简单、意义明确，直接反映了岩体被结构面切割破碎的程度，在诸多分级方法中被作为重要参数使用。

2.3 结构面

结构面是指在长期地质历史过程中形成的各种不连续面，其特征主要包括产状、连续性(常用线连续性系数、迹长和连续性系数表示)、密度、形态(起伏形态、粗糙度)、张开度、充填胶结特征等。地下水封洞库围岩的结构面决定了洞室围岩的稳定性及变形破坏模式，其形态和规模须保持在一定的范围之内，才能同时满足洞室稳定性及水封条件的要求。

2.4 地下水

地下水在地下水封洞库中所起的作用具有双重性。一方面，地下水的赋存情况反映了岩体中结构面的发育程度，地下水越丰富，则岩体越破碎，岩体质量越差，这必将对工程岩体的稳定性造成威胁;另一方面，根据地下水封洞库的工作原理，在储存液化天然气的过程中，须满足水封条件，以保证液化气不会汽化溢出，因此岩体当中需要存在一定的地下水流动通道，即一定规模的结构面。

2.5 地应力

地应力形成于长期的地质历史过程中，是岩体地质环境的主要构成部分。地应力的大小、方向及分布特征，对工程建设具有重要意义。地下水封洞库往往位于地质构造相对简单、区域性断裂不甚发育的地区，因此地应力水平相对较低。

在确定岩体质量分级体系的影响因素时，须遵循覆盖全面、相互独立、获取简易、重点突出的原则。上述5个影响因素较全面地涵盖了影响岩体质量的主要因素，在大多数分级方法中均有体现。

3 地下水封洞库岩体质量分级体系

3.1 地下水封洞库围岩特点及分级体系构建基础

地下水封洞库对建库的地质环境要求极高，洞库选址时多考虑岩体条件较好区域，因此，洞库围岩强度、完整性等条件通常较好。而且因洞库建设需考虑水封条件的长期稳定与岩体的渗透特性，故洞库岩体对渗透特性有一定要求。

同时，地下水封洞库，尤其是地下水封储气洞库，为防止液态气体的汽化进而引起泄露，通常需要保持数十年的蒸汽压力。且在洞库使用寿命期限内，随着库存的输出和补充，必然发生多次压力的变化。围岩的工程特点，必须能抵抗较大变幅的压力影响，满足在循环压力作用下的长期稳定性的要求。目前，国内外有10余种岩体质量分级体系，各分级体系都出自具体的行业、部门，因而对特定的领域具有较强的适用性，难以推广到所有工程中。由于地下水封洞库岩体的特殊性，上述岩体质量分级方法应用于该类工程时显得过于粗糙和片面，无法满足实际需要。

Q分级方法是目前国际上通用的岩体质量分级方法之一，具有考虑因素较为全面、计算公式含义明确、分级支护方案详细等优点，本文拟以Q分级为基础，结合地下水封洞库围岩岩体质量普遍较高、运行期间要求水封条件等特点，对Q分级方法进行一定的修正，构建适用于地下水封洞库围岩岩体质量评价体系。

同时需要指出的是，尽管Q分级方法考虑的影响因素较为全面，但岩体结构特征、节理组数/间距、产状与开挖轴线关系等对地下水封洞库围岩稳定性影响较大的因素并未考虑到。RMR，BQ分级方法较全面地考虑了岩体完整性、优势结构面产状与洞室轴线关系等因素对质量分级的影响，这在一定程度上可以弥补Q分级方法在这方面的不足。因此，在Q分级方法的基础上，吸收RMR，BQ分级方法的部分优点，可以建立适用于地下水封洞库的围岩质量评价体系。

3.2 地下水封洞库岩体质量分级体系(UWCQ)

地下水封洞库一般建在花岗岩地区，岩块强度较高，岩体完整性较好，地应力水平较低，这些因素对洞室稳定性的影响差异并不显著。但结构面的空间分布、形态、力学特性，以及水的赋存条件等，对工程岩体的稳定性及洞库正常工作运行影响较大，因此，在影响因素权重的分配上，对这两类因素予以重点考虑。根据地下水封洞库围岩稳定性主要影响因素，提出如下岩体质量等级计算公式:

式中:RQD为岩体质量指标;Jd为节理分布情况系数(节理组数和密度);Jr为节理面粗糙度系数;J0为优势节理产状与洞室轴线关系系数;Jw为裂隙水出露情况影响系数;SRF为地应力影响折减系数;p为储存压力影响系数。

综合考虑，本文提出以工程地质特征基本相同，且洞室进深≥10～20m的范围作为评价区间。各参数的取值情况据表1至表7给出。

表1 RQD参数分类与取值范围Table 1 Classification and value ranges of RQD

表2 Jd参数分类与取值范围Table 2 Classification and value ranges of Jd

表3 Jr参数分类与取值范围Table 3 Classification and value ranges of Jr

表4 Jo参数分类与取值范围Table 4 Classification and value ranges of Jo

表5 Jw参数分类与取值范围Table 5 Classification and value ranges of Jw

表6 SRF参数分类与取值范围Table 6 Classification and value ranges of SRF

表7 p参数分类与取值范围Table 7 Classification and value ranges of p

表8 UWCQ岩体质量分级Table 8 UWCQ rock mass quality classifications

由上可知，据公式(1)及表1至表7可计算得到地下水封洞库工程岩体质量得分及其级别。为了细化岩体质量等级，同时在形式上尽可能与Q系统分级保持一致，分别将Q系统分级中Ⅱ、Ⅲ级各进一步分为2类:Ⅱ－1、Ⅱ－2;Ⅲ－1、Ⅲ－2。详见表8。

该岩体质量分级体系，充分考虑了岩石完整性、结构面特征、地下水作用、地应力方向、介质压力等与洞库长期稳定密切相关的因素，且指标间较为独立，关联性不大;相应的参数信息获取容易，适用于地下水封洞库围岩质量分级。

3.3 支护方案

岩体质量分级的根本目的在于根据岩体质量判断围岩可能发生的破坏模式，提出相应合适的支护方案，因此，支护方案是岩体质量分级应用的核心。由于洞库经过选址，大部岩体质量高、稳定性好，支护方式多为注浆、喷射混凝土、挂网喷混凝土、随机锚杆、系统锚杆，及其组合。

本分级体系中，确定支护方案时考虑的因素与Q系统分级体系有所不同，即除岩体质量等级之外，着重考虑可能对地下水渗流状态的改变。前期黄岛等地下水封洞库施工经验表明，出现地下水入渗情况时，如处理不当，将会造成十分严重的后果(如地下水入渗流量较大时，采用锚杆支护，则可能导致入渗流量增大，其结果是疏干了局部地下水，洞库在运行期中出现泄漏)，因此在建议支护方案时，要考虑尽量减少对天然条件的改变。

4 工程应用

国家石油储备黄岛地下水封洞库工程建设场地位于青岛市，库址区所在区域属华北板块与扬子板块结合带之胶(南)—威海造山带，但次级断裂均处于库址区外围，库址区无无区域断裂带通过。库址区属低山丘陵地貌，库址区出露的地层主要是晚元古界浅肉红色—浅青灰色花岗片麻岩，细粒花岗片麻结构，块状构造。洞库最大主应力为水平主应力，方向为NWW向，优势方向为N73°W，水平主应力数值在6～16MPa。库址主要发育五组结构面及一组缓倾角结构面。

为了直观地说明UWCQ分级方法在实际工程中如何使用，本文选取黄岛地下水封洞库某施工巷道开挖断面(图1)进行围岩质量的UWCQ分级。为对各指标均有涉及，选择断面的岩体情况较差。在所示开挖深度范围内，洞室左壁结构面分布较密集，有岩脉通过，局部壁面潮湿。

根据钻孔勘察资料，该区域该深度范围内，RQD值约80。优势节理组数为2组，且密度大于0.5条/m，节理分布情况系数Jd取7.0。根据现场描述，节理面平直光滑，节理面粗糙度系数Jr取1.5。优势节理产状与洞室轴线夹角多数小于30°，多数节理倾角较大，优势节理产状与洞室轴线关系系数Jo取12。区内裂隙水仅引起小范围壁面潮湿，裂隙水出露情况影响系数Jw取1.0。区内岩体被多条岩脉穿插，已形成一定规模的破碎带，但区内地应力属中等地应力，洞室埋深大于50m，因此地应力影响折减系数SRF取1.5。储油洞库运行期间，液态石油对洞壁的压力变化范围小于1MPa，储存压力影响系数p取1.0。

根据UWCQ计算公式，得到UWCQ评价体系的岩体质量分级结果为1.14，按照UWCQ分级方法，岩体质量分级结果为Ⅲ－2。

图1 黄岛地下水封洞库某施工巷道开挖地质展示图Fig.1 Sketch of the geology of construction roadway at Huangdao underground water-sealed cavern

根据分级结果，建议支护方案为(方案①):局部注浆+随机锚杆+挂网喷混凝土(10cm混凝土)。若按Q分级体系，岩体质量为III级，支护方案为(方案②):系统锚杆+挂网喷混凝土(12～15cm混凝土)。通过施工发现，若采用方案②，则会导致施工过程中地下水沿锚孔大量流出，涌水量增加，这对地下水封洞库过程的水封效果影响较大，对洞库工程的长期安全不利。采用方案①，施工过程涌水量既未增加，也未出现掉块、较大变形等问题，保证了地下水封洞库工程的长期安全性。

5 结论

(1)地下水封洞库建设场地选择性较大，岩体工程地质条件较好，而现有的岩体质量分级体系涵盖了从最好的岩体到最差的岩体，且具有较强针对性，对评价地下水封洞库岩体质量存在局限性，不适应洞库建设的需要。

(2)结合地下水封洞库岩体特点，在Q分级体系基础上，建立UWCQ分级体系。该体系选取的计算参数含义明确，易于获得，适合地下水封洞库岩体特点和工程现场实际情况。

(3)通过工程应用研究，证明UWCQ分级体系对评价地下水封洞库岩体质量是可行的，建议的支护方案能满足工程需求。

［1］TERZAGHI K.Rock Defects and Loads on Tunnel Supports.In Rock Tunneling with Steel Supports［M］.Youngstown，Ohio:Commercial Shearing and Stamping Company，1946:17－99.

［2］DEERE D U，DEERE D W.The Rock Quality Designation(RQD)Index in Practice.In Rock Classification Systems for Engineering Purposes:ASTM Special Publication［R］.Philadelphia:American Society for Testing and Materials，1988:91－101.

［3］WICKHAM G E，TIEDEMANN H R，SKINNER E H.Support Determination Based on Geologic Predictions［C］∥Proceedings of the North American Rapid Excavation and Tunneling Conference，AIEM，New York，1972:43－64.

［4］BIENIAWSKI Z T.Engineering Classification of Jointed Rock Masses［J］.Transactions of the South African Institution of Civil Engineers，1973，15:335－344.

［5］BIENIAWSKI Z T.Engineering Rock Mass Classifications［M］.New York:Wiley，1989.

［6］BARTON N R，LIEN R，LUNDE J.Engineering Classification of Rock Masses for the Design of Tunnel Support［J］.Rock Mechanics，1974，6(4):189－239.

［7］BARTON N.Some New Q-value Correlations to Assist Insite Characterization and Tunnel Design［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences＆Geomechanics Abstracts，2002，39(2):185－216.

［8］HOEK E，MARINOSP，BENISSIM.Applicability of the Geological Strength Index(GSI)Classification for Very Weak and Sheared Rock Masses:The Case of the Athens Schist Formation［J］.Bulletin of Engineering Geology and the Environment，1998，57(2):151－160.

［9］GB50218—94，工程岩体分级标准［S］.北京:中国计划出版社，1995.(GB50218—94，Engineering Rock Mass Classification Standard［S］.Beijing:China Planning Press，1995.(in Chinese))

［10］尹红梅，张宜虎，周火明，等.工程岩体分级研究综述［J］.长江科学院院报，2011，28(8):59－66.(YIN Hong-mei，ZHANG Yi-hu，ZHOU Huo-ming，etal.Review on the Classification of Engineering Rock Mass［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2011，28(8):59－66.(in Chinese))