由体积节理数确定岩体完整性的方法探讨

连 凌 云

(辽宁水文地质工程地质勘察院,辽宁 大连 116037)

1 概述

随着我国公路、铁路、水利水电、矿山开采等建设事业的发展，越来越多的隧道工程与日俱增，如公路隧道、铁路隧道、水利水电工程隧道、矿山巷道等。由于地质条件的复杂性、多变性和模糊性，岩体质量也呈现出各种各样的程度，如岩体非常完整岩石强度非常高的好岩体，或者岩体松散岩石几乎无强度的差岩体。岩体质量的好坏决定了岩体工程的设计、开挖与支护方案，同时也决定了成本核算、质量控制、进度编排等管理工作的具体内容。因此围岩质量程度的确定对隧道工程而言是极其重要的。

现行我国围岩质量的确定是以《工程岩体分级标准》为依据，即把岩体质量由好到差分为了6个级别。确定岩体级别的两个重要因素是岩石强度和岩体的完整性，其中对于岩体的完整性的确定，在工程实践当中仍存在一些模糊，如今年注册岩土工程师专业考试当中一道关于岩体完整性判定的案例分析题，据说99%的考生无从下手，这也从一个侧面反映出工程技术人员在现场判定岩体完整性时的欠缺。基于此，本文几何规范，以该案例分析为例对岩体完整性的判定予以分析讨论。

2 岩体分级简介

GB/T 50218—2014工程岩体分级标准是现行我国岩体分级方法与程序的基本依据，其建议的岩体分级采用BQ法，以岩石的坚硬程度和岩体的完整程度为主，采用定性判定与定量判定相结合的综合判定方法。

2.1 定性判定

2.1.1 岩石的坚硬程度

岩石坚硬程度的定性划分以地质锤对岩石锤击时的手感、击碎程度及声音和岩石的浸水反应为主，把岩石划分为坚硬岩、较坚硬岩、较软岩、软岩和极软岩一共5个类别。从坚硬岩到极软岩，锤击声由清脆逐渐过渡到哑，回弹程度由有回弹逐渐过渡到无回弹，震手反应由震手逐渐过渡到有凹痕，击碎程度由难击碎逐渐过渡到手可捏碎，浸水反应由无吸水反应逐渐过渡到可捏成团。

在划分岩石坚硬程度时，需考虑岩石的风化程度。风化程度以岩石遭受到的风化剧烈程度划分为全风化、强风化、中风化、微风化和未风化5个类别。主要是根据岩石结构构造的变异程度、矿物色泽的变化、是否出现铁锰质渲染、是否出现风化次生矿物或风化夹层等来判定。

2.1.2 岩体的完整程度

岩体完整程度的定性划分以岩体发育结构面组数、平均间距、结构面的结合程度等为主，将岩体完整程度划分为完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎5个类别。完整一般发育1组～2组结构面，且间距大于1 m，相应的结构类型为整体状或巨厚层状；较完整一般发育1组～3组结构面，间距以0.4 m～1 m为主，岩体结构类型主要为块状结构；较破碎一般发育2组～3组结构面，间距0.4 m～0.2 m，岩体结构类型为镶嵌结构；破碎一般发育结构面组数大于3组，间距小于0.2 m，岩体结构以碎裂结构为主；极破碎的结构面呈无序状态，岩体以散体结构为主。

2.1.3 岩体定性分级

综合根据岩石的坚硬程度和岩体的完整程度，可以将围岩级别定性判定Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ和Ⅵ一共六个级别，如表1所示。

表1 围岩级别定性判定

2.2 定量判定

定量判定以岩石的坚硬程度和岩体的完整程度的定量数据为主，采用式(1)首先计算岩体的基本质量指标BQ。

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

其中，Rc为岩石饱和单轴抗压强度；Kv为岩体的完整性系数。

使用该式时应遵守下列限制条件：

1)当Rc>90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30和Kv代入计算BQ值；

2)当Kv>0.04Rc+0.4时，应以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入计算BQ值。

计算出BQ之后，根据各岩体工程的具体特点，分别考虑地下水、结构面的不利组合以及地应力等因素对BQ进行修正，得到修正后的岩体基本质量指标[BQ]，然后根据BQ或[BQ]对岩体进行分级，如表2所示。

表2 围岩级别定量判定依据

3 关于岩体完整性系数的讨论

岩体的完整性系数是表达岩体完整程度的定量指标，其定义为纵波在岩体当中的传播速度和岩石当中的传播速度的比值的平方，即：

(2)

其中，vm为岩体当中的纵波波速；vr为岩石当中的纵波波速。

如果岩体当中存在结构面，则结构面对岩体波速会产生阻碍作用，导致波速下降，因此岩体完整性系数的最大值为1，最小值为0。岩体完整性系数与岩体完整程度的对照情况见表3。

表3 Kv与岩体完整程度的对应关系

尽管隧道工程在勘察阶段对岩体进行了围岩级别的划分，但由于勘察技术水平的限制，在勘察阶段划分的围岩级别与施工当中所揭露的实际的围岩级别之间一般存在较大的差别，因此在隧道工程的施工阶段，一般均需要对围岩级别进行现场判定。

由于岩体的完整性系数是由纵波波速确定的，所以严格来讲在施工阶段应该用岩体和岩石的波速数据确定岩体的完整性系数，但现场波速实验往往会耗费较大的人力、物力和财力，而且实验会严重影响施工进度，因此在施工阶段用波速实验确定岩体完整性系数是不现实的，《工程岩体分级标准》给出了替代的简易方法，即用体积节理数来确定岩体的完整性系数。

岩体体积节理数Jv，应选择在掌子面或岩体完全出露部位进行结构面统计，统计部位的测窗面积，不应小于(2×5)m2。岩体体积节理数Jv值按式(3)计算：

Jv=S1+S2+…+Sn+Sk

(3)

其中，Jv为岩体体积节理数,条/m3；Sn为第n组节理每米长测线上的条数；Sk为每立方米岩体非成组节理条数。

体积节理数Jv与岩体完整性系数Kv的对应关系见表4。

表4 Jv与Kv对照表

4 案例分析

为了详细说明根据体积节理数来确定完整性系数的方法，选取2018年注册岩土工程师专业考试上第二题为典型案例进行分析。题目是这样的：在近似水平的测面上沿正北方向布置6 m长测线测定结构面的分布情况，沿测线方向共发育了3组结构面和2条非成组节理，测量结果见表5，要求确定岩体的完整性。

表5 结构面统计结果

题目的问题是让考生根据测量数据判定岩体的完整程度，这个题目是典型的出自于隧道工程的实际案例分析。尽管题目告诉了结构面组数，但根据已知条件似乎不能完全确定平均间距和结合程度。因为题目中的实测间距为一个区间值，意思是在这条测线上的间距最小为下限值，最大为上限值，但上限值和下限值的平均值应该不是这一组节理的平均间距，而且题目告诉的结构面特征也不能充分说明结构面的结合程度，因此定性判定的思路似乎不通，应该是用定量方法来判定。

定量判定需要波速数据和体积节理数来确定完整性系数，但题目没有波速数据，因此只能用体积节理数来计算完整性系数，所以关键是如何计算体积节理数。由前述可知，体积节理数的准确定义为每立方米岩体当中的节理数目，关键是如何计算出Sn。Sn的定义是第n组节理沿其法向方向在每米长度上的条数，如果知道了节理的平均间距，则Sn即为平均间距的倒数。由于本题目节理平均间距似乎不能确定，所以只能用其他办法来求Sn。

由地质学知识可知，当测线方向与节理面的法向方向一致的时候，则测线上的总条数除以测线总长度即为Sn。题目中尽管告诉了测线长度和测线上的条数，但测线的方向并不与结构面的法向方向一致，因此必须要将题目当中告诉的测线长度转换为法向方向的长度，转化原理图见图1，其中OA为实际的水平测线，OE为测线在法向方向的长度，a为测线方向与结构面倾向方向之间的夹角，b为结构面倾角，则OE=OA×cosa×sinb。

由以上分析可得，岩体的完整性系数的计算过程如下：

Jv=4+2.18+4.08+0.33=10.6。

则由Jv与Kv的对应关系可得：

5 结语

通过案例分析可知，由体积节理数确定岩体的完整性系数的时候，需要注意以下几个问题：

1)明确体积节理数的概念，体积节理数的准确定义为每立方米岩体当中的节理数目，也就是说在岩体当中切取1 m3的岩体，里面一共包含的节理数，包括成组的节理和非成组的随机裂隙。

2)关于测线的换算，当测线的方向与结构面的法向方向不一致的时候，则必须通过几何关系对测线的长度进行换算，即将测线的视长度换算为真长度。

3)计算出体积节理数后，利用体积节理数和完整性系数的对应关系，采用插值的方法即可求出岩体的完整性系数。