一种改进的岩体质量分级方法RMRKv

宋彦辉,冯 满,巨广宏

(1.长安大学 地质工程与测绘学院，西安 710054；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

RMR(Rock Mass Rating)岩体质量分级是由Bieniawski 于1973年提出的，之后几十年不断完善和改进，先后出现了RMR76[1]、RMR89[2]、RMR14[3]多个版本。该系统最初是作为确定隧道支护类型的预先设计工具开发的，目前与Q系统[4]和GSI[5-6]一起成为岩石工程应用中使用最广泛的分类系统。基于该系统，又发展出针对各种岩石工程的众多岩体质量分类方法，例如矿山岩体分级系统MRMR[7-8]，岩石边坡分级方法SMR[9-10]，以及SRMR[11](主要应用于钻孔弱蚀变岩体)，CSMR[12](适用于水电站边坡)，M-RMR[13](适用于软弱、分层、各向异性和含粘土岩体)等。Aksoy[14]对RMR系统的历史发展、应用和局限性进行了系统的论述。

RMR岩体质量分级包含5项分类指标，即岩石单轴抗压强度(Rc)、岩石质量指标RQD、节理间距(D)、节理条件(Jcond)以及地下水条件(GW), 它们构成岩体的基本质量，即反映岩体本身的内在特征而不包含工程因素。在这些参数中，RQD和节理间距都是反映岩体完整程度的指标，并且其分值都是20分。然而，RQD与节理间距具有相关性，两者同时运用到同一个岩体分级系统中并不十分恰当。同时，RQD与节理间距有时并不易获取，尤其是节理间距，其值不仅与测线方向有关，同时也与测线段的长度有关，如受开挖面或露头条件影响，或在钻孔岩心中测量该指标时，往往很难准确获取所有结构面组的间距值，从而影响该指标估计值的准确性。另外，由于结构面发育的非等距性，结构面间距值的测量和估算也与测线的长度有关，不同测线长度(一般不应小于5 m)计算出的结构面间距值也存在差异。因此，在野外或勘探平硐条件受限的条件下往往难以获得符合实际的真值，也增大了野外节理调查的繁琐工作和室内计算工作量。鉴于此，可采用反映岩体节理化程度的单一指标如岩体完整性指数、RQD、节理间距、节理密度、体积节理数等来代替系统中的两个相关指标，从而使岩体分级系统在不失可靠性的前提下得到简化和更好的应用。

Celada等人根据过去几十年的经验改进了RMR[3]。在新的RMR14系统中，RQD和节理间距由每米不连续面的数量(节理密度)代替，以消除确定RQD和节理间距的困难。在该版本中，反映岩体完整程度的节理密度评分如表1所示。Liu等人[15]认为RMR14系统中的节理密度在某些情况下仍然存在获取困难的问题，他们提出了用波速比或完整性指数估算等效节理密度的方法，进而利用RMR14对岩体质量进行评价。另外，Chen and Yin[16]用块度指数代替RQD和节理间距，提出了 RMRmbi岩体质量分级系统，然而mbi的计算相当繁琐，不但需要野外详细的测量，还需要室内大量的模拟计算，因此使用起来并不方便。

表1 RMR14系统中节理密度的评分值 /(条·m-1)

岩体纵波速度的传播受到众多因素的影响，主要包括岩石介质的致密程度和硬度、结构面的发育程度等，同时尚受到结构面特征、地应力以及地下水的影响。因此，岩体纵波波速是一个综合量化参数。岩体完整性指数是完整岩块中的波速与原位岩体波速比值的平方，是一个归一化的参数，去除了岩石强度这一影响因素，主要反映岩体的节理化程度，因此，这一指标用来反映岩体的完整性是较为适用的。基于上述分析，本文旨在用完整性指数Kv代替RMR系统中两个具有相关性和重叠性的指标RQD和节理间距，从而使得RMR系统得到简化，更便于在实际岩石工程中应用。

1 RMR分级系统概述

尽管Celada等人于2014年提出了最新版本的RMR14分级系统，但从出版的文献资料看，该系统尚没有在工程中得到广泛的应用。因此，本文仍以RMR89系统为基础进行分析和研究。该系统的基本值可用下列公式表示：

RMR=R1+R2+R3+R4+R5

(1)

公式(1)中:R1为完整岩块单轴抗压强度Rc的评分值；R2为岩石质量指标RQD的评分值；R3为节理间距D的评分值；R4为节理条件的评分值；R5为地下水条件评分值。其中，R1、R2、R3的评分标准如图1～3所示[15]，也可用公式(2)～(4)求取；R4、R5的评分标准见表2、3所示。

表2 节理条件评分表

图1 岩石单轴抗压强度评分曲线

(2)

R2=0.0008RQD2+0.085RQD+3

(3)

R3=-1.9507D2+11.328D+5

(4)

图2 岩石质量指标RQD评分曲线

图3 节理间距D评分曲线

表3 地下水条件评分表

根据RMR评分总和，将岩体质量分为五级，如表4所示。

表4 RMR岩体质量分级

2 基于完整性指数的改进RMR系统(RMRKv)

前已述及利用岩体完整性指数替代岩石质量指标RQD及节理间距D的原由，本节将着重探讨如何建立新的改进评价系统。由于拟改进的评价系统仅是用完整性指数替代RQD及节理间距，而其它评价指标保持不变，故新的系统可用下式表示：

RMRKv=R1+RKv+R4+R5

(5)

公式(5)中:RMRKv为改进的RMR系统评分总和；RKv为岩体完整性指数的评分值；其他符号意义同前。根据RMRKv划分岩体质量等级同表4所示。可见，新的改进系统中关键是如何确定岩体完整性指数的评价标准。考虑改进系统应与原系统保持一致，因此，RKv的最高评分应为RQD及节理间距D最高评分的和，即RKv最高评分为40分。在此基础上，考虑RQD、节理间距及岩体完整性指数之间的关系，从而确定RKv的取值标准。

2.1 RQD与节理间距的相关关系

RQD自被Deere提出以来在岩石工程领域得到了广泛运用，但它也存在一定的缺陷，例如当岩芯长度小于10 cm或大于10 cm时，不能提供更详细的有效信息，导致利用该指标评估岩体的完整性时显得较为粗糙。表5列出了RQD值与岩体完整性的对应关系。

表5 RQD与岩体完整性的关系

节理间距D是同组结构面中相邻两条之间的垂直距离。通常用一定测线长度内的平均间距表示。数值上与节理密度互为倒数。利用节理间距表征岩体的完整程度如表6所示。

表6 节理间距与岩体完整性的关系

Priest等[17]通过大量的结构面间距统计分析，认为结构面间距多服从负指数分布，并推导出岩体RQD与结构面线密度λ之间存在如下关系：

RQD=100e-0.1λ(1+0.1λ)

(6)

由公式(6)可估算出RQD与节理间距之间的对应关系如表7及图4所示。

表7 节理间距与RQD的对应关系

图4 节理间距与RQD的关系曲线

2.2 RQD与完整性指数Kv的相关关系

工程实践表明，岩体完整性指数Kv与体积节理数Jv之间存在较好的相关关系。GB/T 50218-2014《工程岩体分级标准》[18]综合众多研究成果提出了两者之间的相关关系如表8所示。

表8 岩体完整性指数与RQD的对应关系

根据Palmström(2005)[18]建立的RQD与体积节理数之间的统计关系(公式6)，可以得到岩体完整性指数与RQD之间的对应关系如表8所示。

RQD=110-2.5JV

(7)

2.3 完整性指数(Kv)的评分标准

根据表7、图4(或表8)及公式(3)、(4)，当用Kv代替RQD和节理间距进行RMR系统的评分时，结果如表9所示。

表9 替代RQD及节理间距D的Kv评分标准

根据表9结果，并假定当Kv=1时，评分值为40，当Kv接近0时(如Kv=0.01)评分值取8，则得到Kv与评分值之间的关系曲线如图5所示。

图5 Kv与评分值关系曲线

3 实例研究

玛尔挡水电站坝址位于青海省玛沁县拉军镇上游约5 km的黄河干流上，左岸为果洛州玛沁县，右岸为海南州同德县，西宁～果洛省道(S101)通过坝址右坝肩，距西宁市公路里程约363 km，对外交通便利。玛尔挡大坝为面板堆石坝，最大坝高220 m，正常蓄水位3 275.00 m。坝址位于峡谷出口处，两岸均为平台，顶部高程 3330.00～3 345.00 m。河水位3 086.40～3 082.00 m，水面狭窄(宽40～70 m)，斜坡前缘基岩面出露高程3 310.00 m左右，基岩裸露良好，两岸不甚对称。坝址区地层岩性主要为三叠系中～上统(T2-3-Ss)变质砂岩及中生代侵入斑状二长岩(πγ5)。其中变质砂岩呈灰～灰绿色～灰黑色，中细粒结构，偶夹砂质板岩，中厚～厚层状，砂岩单层厚度一般>30 cm，板岩较薄(单层厚度一般<10 cm)。整体属区域变质岩(轻度)，靠近侵入接触带部位，变质程度加深。其间穿插有侵入岩脉(二长岩脉、细晶岩脉和石英脉)；二长岩多由斑晶和基质组成，斑晶由钾长石及少量斜长石组成，基质由斜长石、钾长石、黑云母和石英等组成，矿物组成较简单。

坝址区地质构造特征表现为三叠系地层整体呈近E-W向陡倾单斜构造(倾向S)，构成反倾纵向谷坡；中生代侵入岩(二长岩)与三叠系地层呈侵入接触；基岩中断裂构造以中小型断层、裂隙及长大裂隙为主，其中尤以长大裂隙为主。野外节理调查统计表明，变质砂岩及二长岩中均发育4组主要节理。

为评价坝址区岩体质量，在两岸几十条勘探平硐中进行了详细的岩体质量调查统计工作，包括测线法节理裂隙调查统计、RQD测量、结构面条件调查、地下水条件调查、岩体卸荷与风化程度调查等。取得了详细的第一手资料。结合在各勘探平硐硐壁进行的岩体纵波速度测试资料，为岩体质量的RMR分级提供了资料支持。表10列出了勘探平硐PD4不同硐段的完整性指数、RMR分级系统中各分项的评分值以及BQ分级的评分值。除PD4外，本研究中还采用了其他18条勘探平硐的调查测试成果，如PD1、PD2、PD3等，为简便起见，不逐一列出。

表10 平硐PD4不同硐段岩体完整性指数及岩体质量评分

根据上述19条勘探平硐数据，得到改进后的RMR系统RMRKv与原RMR值之间的关系如图6所示。

从图6可知，RMR与RMRKv之间的分级对应关系如表11所示。

图6 RMR与RMRKv之间的关系

从表11可以看出，用改进的RMRKv评价岩体质量时，当岩体质量较好时(Ⅰ～Ⅲ级)，两者评价结果基本一致；当岩体质量较差时，用RMRKv进行评价稍偏保守，大约和RMR相差半级。为比较RMRKv与BQ之间的差别，将两者关系示于图7。

表11 RMR与RMRKv的分级对应关系

图7 BQ与RMRKv关系

同样，BQ与RMRKv之间的分级对应关系如表12。

表12 BQ与RMRKv的分级对应关系

从表中可知，用RMRKv进行岩体质量分级时，当岩体质量较好时，RMRKv稍显保守;当岩体质量为一般～较差时(Ⅲ-Ⅳ级)，RMRKv分级比BQ高半级。综上可知，改进的RMRKv系统对岩体质量的评价介于RMR和BQ之间，是一种切实可行的分级系统。

4 结 论

(1)RMR系统中岩石质量指标RQD和节理间距D都是用来反映岩体完整程度的指标，两者具有一定的重叠性和相关关系。

(2)在实际工程当中，RQD和节理间距D有时并不易获得，尤其是节理间距不但受测线方向的影响，同时也受测线长度等多因素的干扰。

(3)采用岩体完整性指数这一指标代替RMR系统中的RQD和节理间距D，并通过岩体完整性指数、RQD及节理间距之间的关系，提出了岩体完整性指数的评分方法，并在此基础上建立了一种改进的RMR分级方法，称之为RMRKv方法，实例研究表明，RMRKv方法在评价岩体质量时比原RMR系统稍显保守。

(4)当岩体质量为一般～较差时，该方法比BQ分级略高，表明该方法介于RMR与BQ之间，可用于工程实际当中。

本文研究实例来源于单一工程，且岩性为硬质岩，在其他地质条件下该分级体系的运用尚需不断在工程中印证。