岩体基本质量指标在电力工程基础定额岩石分类中的应用探讨

李院兵， 周鹃花

(1.武汉联动设计股份有限公司，湖北 武汉 430074； 2.深圳榕亨实业集团有限公司，广东 深圳 518000)

“土石比”是工程施工及概(预)算定额中的概念，是指土石方工程(主要是挖方)中土方和石方的比例。“土”、“石”的工程分类与地质分类有着本质区别，工程上“岩石”分类主要考虑开挖方法及其难易程度，地质学上“岩石”分类主要考虑矿物颗粒间的胶(固)结情况、结构构造特征及其物理力学性质，至少在目前，工程界或地质界还没有很好地解决两者的对应关系，常常导致土石方工程的结算价超过概算价、招标控制价，或结算价远低于控制价，给概(预)算编制单位带来经济损失。在勘察设计阶段，准确地进行土壤与岩石分类，是编制概算、招标控制价的基础。

1 岩石(普氏)分类及坚固性系数

目前土石方工程采用以坚固性系数为基础的工程岩石分类方案，该方案常称为岩石(普氏)分类法，它将土壤和岩石分为16类，其中土壤分为Ⅰ-Ⅳ类(f<1.5)，岩石分为Ⅴ-ⅩⅥ类(1.5≤f<25)，坚固性系数f值越大，岩、土越坚固，其抵抗外力的能力也愈强。

岩石的坚固性是采矿工程中最基本的概念之一，是指岩石抵抗拉压、剪切、弯曲、冲击和热力等作用的综合能力，常用岩石某一种性质(抗钻性、抗爆性、硬度、耐磨性等)来表示。前苏联学者Protodyakonov(普氏)于1907年首次提出岩石坚固性概念，并用坚固性系数f(也称普氏系数、紧固系数、强度系数等)来表征，主张以岩石在抵抗破碎时产生的综合变形(压缩、拉伸、剪切)的平均值来确定，但由于岩石的抗压强度对岩石的坚固性起主导作用，且抗压强度值容易获得，因此以岩石单轴极限抗压强度来确定坚固性系数，岩石坚固性系数计算公式[1]为：

(1)

式中：σ为规则试样岩石单轴抗压强度(MPa)。

岩石坚固性系数f值是一个相对值，它假定(或许是统计)致密粘土(理解为泥岩)的抗压强度为10 MPa，把岩石单轴极限抗压强度的1/10作为岩石的坚固性系数，其物理意义是表征某种岩石比致密粘土坚固，用于估计岩石抵抗破碎的能力,反应岩石开挖的难易程度。

因生产条件和技术不断发展，与之有关的一些方法与指标已不适用，岩石坚固性系数测定方法一直在改进。普氏之子(小普氏)于1950年提出了“捣碎法”，其涵义为“捣碎岩石所消耗能量与产生的粒度<1 mm的岩粉总体积之比”[1]，实质是在“压、剪、弯、冲、热”等作用下的一个综合性指标，可用式(2)表示：

(2)

式中：E为捣碎岩石所消耗的能量；V为消耗能量E所产生的粒度<1 mm的岩粉总体积；k为比例系数。

比较式(1)和式(2)发现，两者的内涵相差甚远，但由于“捣碎法”试验相对繁琐，多限于实验与研究，在工程实践中难以推广，目前大部分工程岩石分类仍然采用式(1)确定的坚固性系数进行分类。

2 现行电力工程土、石方分类的缺陷分析

2.1 普氏分类法在土石方工程分类中的缺陷

岩石(普氏)分类法的优点是以岩块强度为基础，指标简单、概念清楚、容易获取、分类容易，在采矿、隧道工程中应用广泛，但该分类方案是在采矿工程中形成与发展起来的，当用于土石方工程时，则存在明显的缺陷:

(1) 岩石(普氏)分类法没有考虑岩体裂隙的发育程度对挖掘难易程度的影响。虽然采矿与土石方工程都属于挖掘工程，但挖掘环境不同。采矿、隧道工程挖深较大，风化裂隙少，多在地下巷道挖掘，具有定向性，尚有巷道支撑，受空间自由度制约，岩体裂隙对岩体紧固性的贡献度有限。而土石方工程一般位于地表浅部，发育各类构造面及大量无规律风化裂隙，空间自由度大，同采矿、隧道工程巷道定向开挖相比，土石方工程的挖掘要自由得多，裂隙对开挖、捣碎有很大影响。

(2) 由式(1)确定的坚固性系数主要反应岩石的抗钻、抗爆性，不能真实反应岩石开挖的难易程度。在影响因素相同的条件下，坚固性系数只有相对强弱(难易)意义，作为绝对值进行分类存在很大缺陷，如对于很坚硬的岩块，如果裂隙发育，则很容易脱离母岩。

(3) 由式(2)确定的坚固性系数虽然能较准确反应捣碎岩石的难易程度，但在实际岩土工程勘察中，最主要任务是获取岩土体的物理力学性质参数(如岩石抗压强度)，若无研究需要，则不可能采用“捣碎法”去获取坚固性系数。

(4) 普氏分级较多，实际工作中难以做到如此精细，使用时不便于对照。

(5) 普氏分类表中，还把“用钻机钻孔1 m所需要的时间”作为一个指标，但随着技术进步，钻探水平(钻探机械动力、钻头材料)已今非昔比，仍然使用该指标显然不合理。

2.2 电力工程概(预)算定额中的土、石方分类缺陷

目前电力工程概(预)算定额中的土、石方分类采用的就是岩石(普氏)分类法，但优化了分级数量，对其分级进行了归并，将土方分为普通土和坚土，将石方分为松(砂)石、次坚石、普坚石、特坚石。为了便于操作，对各级分类列举了大量的土壤及岩石名称，并说明了开挖方案(工具)，其分类与普氏分类的对应关系及开挖方法如表1所示。

表1 电力行业土壤及岩石(普氏)分类表Table 1 Classification table of soil and rock (Protodyakonov’s coefficient)in power industry

但是，归并后的土壤及岩石，除具有前述土石方工程普氏分类固有的缺陷外，还存在以下缺陷：

(1) 定额表中列举了很多土壤、岩石类型，但同自然界相比数量甚少，且大部分的表述不符合《岩土工程基本术语标准(GB/T 50279—2014)》[2]，如“胶结力弱的砾岩”(概念模糊)、“风化岩”(地表浅部基本都属于风化岩，且因凭个人经验判断，风化程度也不一定能准确界定)、“砂岩”(因其组成物质、胶结物、风化程度不同，强度相差十分悬殊)；又如“电力建设工程概算定额(2018年版，建筑工程)”中的“普通岩石”和“坚硬岩石”(文字表述上，一般“普通”对“特殊”、“坚硬”对“松软”，定额表中“普通岩石”和“坚硬岩石”是如何划分的没有作交代)等。

(2) 相对而言，现行2018年版的“架空输电线路工程预算定额”比较符合岩土工程的表述，它将全风化岩定义为松(砂)石、强风化岩定义为岩石。但自然界岩石种类繁多，各类岩石矿物含量不一样，抗风化、演化的路径也不一样，同等风化程度的岩石，岩石种类不同强度差别很大。从开挖的难易程度判断，全风化甚至某些强风化岩可以定义为松(砂)石，也可以定义为坚土。

正因为存在这些缺陷，工程地质人员在勘察设计阶段很难依据定额标准来确定岩石的工程分类，有的项目勉强确定了分类，甚至还确定了“土石比”，基本上都是凭经验、“拍脑袋”，在实际施工中大多会因分类不准或“土石比”误差过大而出现争议，最终还必须根据现场实际情况来讨论确定。

2.3 土壤及岩石现场分类缺陷

在实际工作中，当“土方”、“石方”出现争议时，解决的方法就是在现场试挖，通常采用以下2种方法进行界定：

(1) 以开挖工具进行界定。采用人工和半机械化开挖，使用锹镐、尖镐、风镐等简单工具能够开挖的定义为“土”，否则为“岩石”，一般适用于小(微)型工程。

(2) 以挖机施工的难易程度进行界定。这种方法是以带钩反铲挖机来区分，能钩动，就是“土方”；钩不动，就是“石方”。这种方法很原始，也很直观，但“钩不动”是一个模糊概念，它与挖机性能、工程的进度要求甚至是操作人员的熟练程度有关，仍容易产生分歧。

这2种方法在特定的项目上，因相关各方需要相互协商，故常能取得较好的效果，但其个性化强，确定的分类原则难复制，且都是在施工现场确定，仍不能有效解决勘察设计阶段的土壤与岩石分类。

3 影响岩石开挖难易程度的因素

为了找到能够在勘察设计阶段准确确定岩石工程分类的方法，就必须了解影响岩石开挖难易程度的因素。

土石方挖掘工程的本质是采用人工或机械使岩块(土壤)脱离母体并移除。大量的工程实践表明，岩石开挖的难易程度主要受岩石硬度、岩体完整性、风化程度控制，同时还受岩石密度、地形条件、开挖深度的影响。

3.1 岩石硬度

岩石硬度是岩石表面的局部应对另一物体压入时的阻力，而岩石强度是岩石整体破碎时的阻力，两者是有区别的，把岩石的单轴抗压强度简单地作为岩石硬度的指标是不全面的。对于钻进破碎岩石来说，工具对孔底岩石的破碎方式在大多数情况下是局部压碎，岩石硬度指标更接近于钻进破碎岩石的难易程度，岩石的压入硬度比单轴抗压强度更具有实际意义。理论分析及实验表明，岩石压入硬度为单轴抗压强度的1～20倍[3]。但是，岩石单轴抗压强度是工程勘察取得的最主要的、也是最易取得的参数，所以《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)[4]根据岩体的锤击效应、浸水效应及岩石单轴饱和抗压强度，将岩石的坚硬程度采用定性、定量的方法划分为五类，即坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩，岩石越坚硬，岩体越稳定，开挖的难度越大。

3.2 岩体完整性

天然岩体被节理裂隙分割为不同的块体，每个待挖体含有多个结构面。结构面的强度比岩体本身强度弱得多，且结构面中充填介质的性质和强度也影响岩石的可挖性，当介质为粘土质(软弱层)时，其强度降低更为明显。因此，在其它条件相同的情况下，岩石的开挖难易程度受结构面、结构面类型及岩性等控制，其是衡量岩体开挖难易程度的重要指标。

岩体完整性以岩体的结构面发育程度及特征为定性评价依据，以岩体完整性系数为定量评价依据，据此分为五类[4]，即完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎，岩体越完整，越难开挖。

3.3 风化程度

风化程度是风化作用对岩体的破坏程度，一方面使岩石疏软、物理力学性质变坏，另一方面使岩体中裂隙增多、解体从而影响岩体完整性，进而影响开挖的难易程度。

岩石的风化类型主要有化学风化和物理风化，其中，化学风化以矿物逐渐演化成粘土矿物或溶解(分解)成离子流失、岩石硬度显著降低为特征，而物理风化以岩石在热胀冷缩、冻融循环等自然力的作用下发生破碎解体，矿物成分未发生显著变化，破碎后的碎块硬度与母岩相比变化较小。

岩石风化程度的划分多采用工程地质定性评价方法，主要以野外特征鉴别为主，从岩石结构、矿物成分、颜色、钻(挖)难易程度等方面进行综合分析确定，辅助定量指标如波速比Kv、风化系数Kf等。目前各行业普遍将岩体风化程度划分为5类[5]，即未风化、微风化、中风化、强风化、全风化，岩石风化越弱，开挖难度越大。

3.4 容重

容重(重度)是密度乘以重力加速度，密度是单位体积的质量，是间接反映岩土致密程度的参数。单位体积中包含有固、液、气三相体积(孔隙体积、水体积、裂隙体积、矿物颗粒体积)，固相体积占比越大，容重越大，岩土越密实。密度对土类的开挖难易程度影响较大，密度越大，说明土体越密实，开挖越困难，但对岩石的影响有限。

3.5 地形条件

地形是指地表高低起伏、坡度大小、空间分布等特征，地形条件决定了岩块在自重作用下产生变形和运动的自由度。较陡的地形，破碎岩块能够迅速脱离母体，便于进一步凿岩，如在场地平整中，突出地面的坚硬石牙用铁锤、钎、镐也很容易清除，但当其埋藏于地下时不借助施工机械是难以清除的。地形条件对“土石比”影响较大，但对土壤和岩石的分类影响小。

3.6 开挖深度

开挖深度对岩体的可挖性影响直观，在其它条件相同的情况下，深度越大，岩石的风化程度越弱，岩石越坚硬，石渣的清除也越困难。随着深度增加，石方比例逐渐提高，挖得越深，开挖的难度越大，土石比越小。

4 岩体基本质量指标在土、石方工程分类中的应用分析

4.1 分类因素的确定

无论采用何种岩石分类方案，首先需确定分类因素，选择分类因素应遵循3个基本原则[6]:

(1) 重要性原则。分类因素必须是控制岩体可挖性最重要、最基本的因素。

(2) 独立性原则。分类因素必须具有独立性，避免含义重复，避免一个因素的变动引发其它因素的联动。

(3) 易得性原则。分类因素的指标必须容易获取，只有容易获取的指标，才具有实际应用的可能。

4.2 岩体基本质量指标

岩体基本质量是岩体所固有的、影响工程岩体稳定性的最基本属性，它的决定因素是岩石抗压强度Rc和岩体完整性系数Kv值，计算公式[4]为：

BQ=100+3Rc+250Kv

(3)

实践表明，Rc和Kv对岩体质量的影响是非线性的，当Kv值极低(如极破碎)时，Rc值的增大对岩体质量的改善作用不大；同样，当Rc值很低(如极软岩)，Kv值的增大也不能改善岩体的质量。因此，采用式(3)计算BQ值时，要分情况讨论：

(1) 当Rc>90Kv+30时，以Rc=90Kv+30和Kv代入计算BQ值。

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

为了比较的直观性，将Kv=0.05～0.95、Rc=1～120 MPa的计算结果列于表2中，根据《工程岩体分级标准(GB/T 50218—2014)》，将岩体基本质量分为Ⅰ-Ⅴ级(为便于比较，本文将“Ⅴ”级拆分为“Ⅴ1”和“Ⅴ2”两级)(表2)，岩石越坚硬、岩体完整性越好，岩体基本质量越好。

表2 岩体基本质量指标(BQ)计算及分级表Table 2 Calculation and classification table of rock mass basic quality(BQ)

4.3 岩体基本质量指标作为岩石工程分类的可行性分析

影响岩石开挖难易程度的6种因素中，有的内涵存在相互交叉、相互影响。工程实践和理论分析表明，岩石硬度、岩体完整性相互独立，对岩石开挖难易程度影响最大，同时其具有易得性。岩石硬度、岩体完整性恰恰是影响岩体基本质量的最基本因素，这就决定了利用岩体基本质量指标进行岩石工程分类是可行的。

根据大量的工程经验，将Ⅰ-Ⅴ级岩体的开挖、破除方法列于表3中。通过对电力定额的研究，并将表3与表1的开挖方法进行比较，可得出电力定额中工程岩石分类与岩体基本质量等级的概略对应关系。

表3 岩体基本质量指标(BQ)与电力工程定额岩石分类对照表Table 3 Comparison table of basic quality index (BQ) of rock mass androck classification of power engineering quota

如表3所示，即便同属电力行业，各定额的分类标准仍有很大差异，人为增加工程地质人员在勘察阶段对岩石的工程分类难度。如采用岩体基本质量指标进行分类，各专业的岩石分类将能得到统一。

利用岩体基本质量指标进行岩石工程分类的主要优点有以下几点：

(1) 具有普适性。岩体基本质量是岩体所固有的、影响工程岩体稳定性的最基本属性。在工程实际中，凡涉及岩石的地基、边坡、隧道、基坑等，均是以岩体基本质量指标为基础。应结合工程特点，考虑其它影响稳定性的因素，对岩体基本质量指标进行修正，形成本专业(如边坡工程、地下洞室)的工程岩体分级标准。

(2) 指标容易获取。在岩土工程勘察阶段，凡涉及岩石的地质条件，均需采取岩石样品进行单轴抗压强度试验，同时需通过工程地质调查、RQD值计算、声波测井等手段获取岩体完整性参数，无需进行复杂的岩块捣碎试验。

(3) 能够在设计阶段为工程概算提供相对准确的岩石分类成果，减少施工阶段的分类纠纷。

(4) 无需对各类岩石进行大量的枚举，套用标准简单，便于地质专业与其它专业沟通交流。

电力行业土石方工程的显著特征是开挖深度小、多处于地表附近、风化程度强烈、岩质较软、岩石破碎。开挖的方式同边坡工程或地下洞室工程的“定向性”相比属于“无序性”(相对而言)，岩体产状或地下水对其影响小，涉及的岩石基本质量等级绝大多数属于Ⅳ-Ⅴ级，准确区分“坚土”、“松(砂)石”、“次坚石”3级尤为重要。

5 总结

(1) 土石方工程中岩石(普氏)分类法基本属于单因素(岩石抗压强度)分类，较少考虑岩体完整性影响，与“岩石坚固性”内涵有显著性差异，在勘察设计阶段难以进行岩石分类。

(2) 岩石的开挖难易程度与岩体基本质量均受岩石坚硬程度和岩体完整性控制，两者具有较强的关联性，可通过岩体基本质量指标评估岩石的开挖难易程度，进行岩石工程分类并确定开挖方法。

(3) 表3中的分类对应关系不一定准确，但BQ≤450(Ⅲ-Ⅴ级)时得到了大量工程现场的验证(指开挖方法得到检验，受工程特点限制，Ⅰ-Ⅱ级岩石尚未得到检验)，对工程地质人员而言，这比普氏分类具有更好的适用性和可操作性。

(4) 表1和表3均显示不同的定额标准，土壤和岩石分类标准具有差别，虽然相应定额单价可能考虑了这种差别，但它给分类设置了障碍，不利于工程施工人员和勘察设计人员的技术交流与成本控制。

(5) 建议工程概(预)算定额中的岩石分类直接采用岩石基本质量等级，通过调整定额单价(实际上，等同分类的岩石，现行各定额单价也不是统一的)达到“跨界”统一，为勘察设计阶段确定岩石分类、工程概算和投标限价提供相对统一的标准。