RMR围岩分类系统在地下工程互层岩体中的应用

许小路，廖 卓，2，刘 迪

（1.中国电建集团浙江华东建设工程有限公司，浙江 杭州 310014；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

岩体围岩分类在地下工程中起到非常重要的作用，特别是在大坝、边坡、隧洞和地下厂房等工程的设计与施工过程中［1］。目前国际上广泛使用的RMR围岩分类系统是由Bieniawski于1973年提出，并在1974、1976、1979、1989年进行了更新与修正，主要解决岩体的围岩分类，判定围岩性质，并为地下洞室、工程边坡等建筑物提供设计参数［2］。与此同时，RMR值与Q值、GSI值和HC值的关系应用研究也取得了大量的成果，大量的研究表明RMR值与Q值呈对数关系［3］，而与GSI值呈线性数正相关［4］。

本文以中东K项目抽水蓄能电站地下洞室为研究实例，分析RMR围岩分类系统在软岩与硬岩互层发育地层条件下的计算方法，验证其与Q值、GSI值和HC值的相关性。K项目为装机340 MW的抽水蓄能电站，位于地中海东岸，死海转换断层带附近，地质条件较复杂。地下洞室群处于玄武岩（硬岩，UCS＞30 MPa）与火山碎屑岩体（软岩，UCS＜15 MPa）互层发育岩体内。项目前期勘测资料较少，为达到动态设计与施工的目的，收集地质基础数据，进行围岩类别的判定，并不断对比分析总结，以减小主观误差，对项目的推进十分重要。RMR围岩分类系统的6个基本指标中，有5个基本指标在现场编录较易获得，采用半定量法易于标度统一，是本项目设计和施工主要依据的围岩类别判定标准，同时辅以Q系统和水电围岩分类HC法作为参考。

1 互层岩体RMR值计算

1.1 计算方法

RMR围岩分类方法采用和差模型，考虑了岩块单轴压缩强度R1、岩体完整性指标RQD值R2、结构面间距R3、结构面状态R4、地下水状态R5及结构面与开挖关系的修正分值R6，其中前5项之和为基本值RMRbasic，计算方法见式（1）和式（2），围岩等级划分见表1。

表1 RMR围岩分类系统围岩等级分类

式中：RMRbasic为基本值；

R6为修正值。

运用RMR法进行围岩分类判定，需把工程区域相似的地质单元进行划分，以得到针对性评价。特别是在软硬岩互层发育区域，划分地质单元进行分区评价非常重要。同时对于一个局部单元或者一个施工循环，RMR综合值对其围岩分类评价、提供设计输入也是必不可少的。根据RMR1989，对地质评价区域存在地质条件不同单元，可采用面积权重作为RMR围岩分类的最终值。而对于软硬岩两种不同地质单元，由于拱顶稳定对洞室稳定起比较重要的作用，因此在进行围岩分类时，需重点考虑拱顶的影响。

RMR综合值的计算方法，除采用先分区评分再根据面积权重值之外，采取先计算基本值RMRbasic面积权重，再根据拱顶岩性条件最后修正R6的计算方法。具体简述如下：

方法一：各区独立评分再计算面积权重，得到最终综合值RMRF1，见式（3）。

式中：RMRF1为综合值；

RMRA为区块A的RMR值；

RMAB为区块B的RMR值；

α为区块A的面积占比。

方法二：先计算面积权重RMRbasic，再根据洞顶的结构面与开挖方向的几何关系，最后修正得到

RMRF2。

式中：RMRF2为基本值先计算面积权重再修正得到综合值；

RMRbasic-A为A区块基本值；

RMRbasic-B为B区块基本值；

RMR6x为考虑拱顶不同岩性的修正值。

1.2 实例分析

本节选取K项目的地下洞室玄武岩与火山碎屑岩互层发育洞段地质资料，根据实际开挖揭露条件，进行RMR综合值的计算。同时考虑洞顶的不同岩性，将“方法二”分为洞顶火山碎屑岩和洞顶玄武岩两种情况，所划围岩分类统计见表2。

表2 两种方法围岩分类占比 %

根据统计结果可知，当洞顶是火山碎屑岩时，采用两种分类方法对于该洞段的围岩分类占比基本相似，方法二的Ⅳ类围岩仅比“方法一”的围岩分类占比相差3%；但当采用“方法二”，洞顶是玄武岩的情况时，Ⅳ类围岩占比增加至62%，是“方法一”判定的Ⅳ类围岩占比的近3倍，差异较大。

分析原因发现，该洞段的玄武岩岩体内优势节理以平行开挖方向和垂直开挖方向的陡倾角节理为主（图1），因此R6x＝R6y＝-12的情况修正较多，其频次分布见图2。因此采用“方法二”考虑拱顶围岩不同进行R6分值判定时，其围岩分类结果较“方法一”差别大，导致Ⅳ类围岩判定偏多。即拱顶出现软岩时，Ⅲ类围岩占比变高，而实际情况是拱顶出现硬岩隧洞较软岩隧洞稳定，因此与实际矛盾。因此，本工程的软硬互层发育的地质条件不适合采用方法二进行RMR综合值计算。

图1 节理等密度

图2 R6修正值频次分布

进一步分析两种方法计算的RMR值与Q值、GSI值三者之间的关系，其相关系数见表3。统计发现，RMR值与Q值、GSI值均呈正相关关系。采用“方法二”时，当拱顶是玄武岩时，相关系数差异较大，降低较多。表明“方法二”不适用本工程地质条件，与上段结论一致。因此采用“方法一”分别计算RMRA、RMRB值后，再计算面积权重综合得到RMRF1较合理。下文分析亦采取“方法一”计算RMR综合值。

表3 两种方法RMR值与Q值和GSI值相关系数对比

2 RMR值相关性分析

2.1 RMR值与Q值关系

Q系统几乎与RMR法同时提出，是挪威岩土工程研究所N.Barton等人在1974年根据以往数个地下工程开挖实例研究后提出的积商模型，在国际范围广泛使用［5］。很多学者研究了RMR法与Q法之间的关系，大量研究表明两者呈对数关系。Bieniawski［6］于1976年提出的RMR＝9 ln（Q）+44，Rutledge和Preston［7］于1978年基于新西兰的工程提出RMR＝5 ln（Q）+43，Cameron Clarke and Budavari于1981年提出的RMR＝5 ln（Q）+60.8，以及Abad and al于1984年提出的RMR＝10.5 ln（Q）+41.8等。

本文依托K项目地下工程地质基础数据，采用“方法一”，研究分析了火山碎屑岩体与玄武岩互层发育段数据，得到的相关关系见表4及图3、图4。

图3 火山碎屑岩及玄武岩Q值与RMR值关系

图4 互层岩体综合值Q值与RMR值关系

表4 GSI与RMR拟合公式统计

根据统计结果表明RMR值与Q值之间呈对数相关关系，相关系数介于0.35～0.55之间，得到的两者之间经验方程与Bieniawski于1976年提出的关系基本一致。其中对于软岩火山碎屑岩体时，相关系数最小为0.35，而对于玄武岩体相关系数最大为0.55，说明两者的关系比较适用于硬岩。分析原因可知，主要是火山碎屑岩体的无明显的结构面发育导致，对其结构面的认识仍然存在一定的认识局限性。RMR围岩分类系统对于结构面发育不明显的火山碎屑岩体的存在应用局限性，因此其对软岩的应用参数选取仍需进一步研究。

2.2 RMR值与GSI值相关性

地质强度指标GSI值是Hoek基于研究多年岩体经验准则的基础上，提出的用于计算岩体变形模量的指标。该体系囊括了Hoke-Brown破坏方程和岩体质量评价标准，其主要考虑岩体的结构类型和结构面的状况［8］。GSI值的判定在现场操作性比较强，但由于其只考虑了两个因素，所以其主观性比较强。而RMR值经过研究发现其与GSI值比较相近，并且考虑了6个要素，因此很多情况下直接用RMR值进行GSI值估算。国内外学者们在GSI值的定量确定方面进行了大量的研究工作，包括经验公式的定量化。如Marinos和Hoek［9］于2005年基于RMR1989提出的GSI值与RMR值的关系式（5），但为了避免二次重复计算，其要求地下水的状态R5为完全干燥状态，且不进行R6修正，同时对于岩体质量较差的岩体（RMR＜23）也不适用。

Hoek等人在2013年于第47届美国岩石力学和岩土力学讨论会上从GSI的定义出发对其定量化评价进行了分析研究，得出了GSI与RMR系统参数之间的关系见式（6）［9］。

式中：Jcond89为RMR89中的结构面状态分值。

通过对K项目地下洞室260个循环基础资料的收集，运用公式（6）进行GSI计算，分析其与RMR值的相关关系，见图5、图6，不同岩性所拟合方程见表5。

表5 GSI与RMR拟合公式统计

图5 火山碎屑岩及玄武岩GSI值与RMR关系

图6 互层岩体综合值GSI值与RMR关系

和RMR值与Q值的关系类似，GSI值与RMR值呈线性关系。根据计算，互层岩体的RMR值与GSI之间的相关关系比较良好，但是其中对于软岩火山碎屑岩体时，相关系数最小（r＝0.26），而对于玄武岩体相关系数最大（r＝0.41），说明两者的关系比较适用于硬岩。同时容易得出，火山碎屑岩体的GSI值基本上均大于玄武岩，根据公式（6），说明岩体的完整性对GSI值起到了控制作用，而结构面状态对该区域软岩的影响较小，也说明利用公式（6）计算结构面发育不明显的火山碎屑岩体时存在一定的局限性。

3 围岩分类归一化综合分析

围岩分类种类较多，且各种围岩分类之间的关系目前并无本质上的联系，多为经验总结关系，而对于同一地质条件的认识，由于主观性因素的存在，每种围岩分类方法都有一定的区别。中国《水电发电工程地质勘察规范（GB 50287—2016）》中提出了地下工程围岩分类HC法［10］，应用本项目的RMR值与HC值的关系见图7，易知两者存在良好的线性关系，获得的关系方程为HC＝0.35RMR+27.8，相关系数为0.46。

图7 RMR值与HC值关系

在评价同一个地质条件时，用不同的围岩分类方法进行相互校核佐证是十分有必要的。而为了更好地综合应用不同围岩分类方法，三者进行了总分为100分归化，并取得三者的平均值。计算统计结果见图8，对比分析发现，RMR值与综合法计算的围岩类别判定范围一致性较好，而HC水电围岩分类方法对于本研究对象而言，Ⅳ类围岩的占比和RMR的Ⅲ类围岩占比相似，同时两者之间的围岩等级划分虽然都是5级，分值也均是0～100，但是代表的围岩等级范围非唯一对应关系。

图8 不同围岩分类方法围岩等级占比

4 结语

在计算软硬岩体互层发育地质条件的RMR值方法中，对于先分区评分再计算面积权重值的“方法一”较先计算面积权重基本值再根据拱顶岩性最后修正RMR值的“方法二”合理。前者的RMR值较后者拱顶是硬岩时高，且与Q的相关性较好，因此“方法一”较适用于软硬互层岩体发育地质条件计算RMR的综合值。RMR值与Q值及GSI值具有良好的相关关系，且岩体为硬质的玄武岩时，两者的相关性最高；而岩体为软质的火山碎屑岩体时，两者的相关性较差。本文依托K项目得出的RMR值与Q值的关系方程为RMR＝7ln（Q）+43。RMR围岩分类方法对于结构面发育较少的或者不发育的火山碎屑岩体应用存在一定的局限性。在采用RMR值、HC值、Q值归一化平均方法进行围岩分类时，其结果与只采用RMR值基本相似，且得出HC法在进行围岩分类划分时较RMR法围岩类别低一个级别。