工程岩体分类方法及其意义的探讨

摘要工程岩体分类是岩石力学研究的一个重要内容。

本文对国内外较具影响力的工程岩体分类方法及相应的岩体质量指标进行了归纳介绍，并对其中个别分类方法的优缺点进行了探讨，最后指出了工程岩体分类在对可利用岩体作出判别、工程优化设计过程中的重要作用，指出了工程岩体分类的指导意义。

关键词：岩体分类；质量指标；工程优化设计第1章诸论工程岩体指各类岩石工程周围的岩体，这些岩石工程包括地下工程、边坡工程及与岩石有关的地面工程，即为工程建筑物地基、围岩或材料的岩体。

而工程岩体分类是指通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把地质条件和岩体力学性质参数联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等成功与失败方面的经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法[ 1 ]。

一个工程项目在可行性研究阶段和初步设计阶段，如果缺少岩体具体而详细的强度和水文地质资料时，工程岩体分类系统就会成为一个很有用的工具。

选择合适的分类系统能帮助我们更好地了解岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题，从而为工程设计、支护衬砌、建筑选型和施工方法选择等提供参数和依据。

从这个角度而言，考虑岩块强度、结构面强度等诸多因素，以工程实用为目的的岩体分类，不仅是岩石力学研究的一个重要内容，而且对实际工程具有重要意义。

从Ritter(1879)谋求将经验方法公式化用于隧洞设计，尤其是决定支护形式开始，岩体分类系统的发展已有100多年历史。

其间，国外许多学者作了大量的研究工作，如早期的太沙基(Terzaghi,1946)、劳弗尔(Lauffer,1958)和迪尔(Deere,1964)等。

20世纪70年代以后，随着岩体工程建设的不断发展，工程岩体分类方法的研究取得了显著的进展，如威克汉姆(Wikham,1972)等提出了RSR分类法，宾尼奥斯基(Bieniawski,1973)提出了RMR分类法，巴顿(Barton,1974)等提出了Q系统分类法等。

随后，霍顿(1975)、宾尼奥斯基(1976)、巴顿(1976)和拉特利奇(1978)等分别对各种分类方法进行了一系列的比较研究。

我国于20 世纪70年代相继在一些行业或部门开展了工程岩体分类方法的研究，并自20 世纪70年代起国家及水利水电、铁道和交通等部门，根据各自特点提出了一些围岩分类方法及其应用的工程实例。

如国家为制定《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GBJ86-85），（2001年修订为GBJ50086-2001）而提出的工程岩体分类；铁道部门为制定《铁路隧道设计规范》（TB10003-2001）而提出的铁路隧道围岩分类，总参工程兵（坑道工程）围岩分类等。

1994年颁布了我国国家标准《工程岩体分级标准》（GB5018-94），该标准提出了分两步进行的工程岩体分级方法：首先根据岩体坚硬程度和完整性这两个指标进行初步定级，然后针对各类工程特点，并考虑其他影响因素对岩体基本质量指标进行修正，再对工程岩体进行进一步分级。

该标准为我国岩体工程建设中岩体分级提供了一个统一的尺度，为我国岩体工程的设计，施工提供了可靠的基础，已经被一些行业规范所采用[ 2 ]。

本文对国内外较具影响力的工程岩体分类方法进行了归纳总结，并就这些分类方法的工程指导意义进行了进一步的探讨。

第2章国外工程岩体分类2.1 太沙基岩体分类应用岩体分类进行隧洞支护设计最早的文献出现在太沙基（1947）的一篇论文中。

论文中对钢架支护承担的岩体荷载，在定性分类的基础上进行了估计，引起人们对控制岩体性质的那些特征的关注，特别是重力构成主驱动力的情况。

太沙基的描述性分类定义清晰，他认为：完整岩石既无节理也无微裂隙，因此，岩体若破裂，裂缝必然穿过坚硬岩块，由于爆破、剥落造成岩体的损伤，顶板可能在数小时或数天之内崩落，此即为剥落条件。

完整硬岩还可能遇到岩爆，即岩板（块）从顶板或侧壁上突然剧烈地脱落下来。

层状岩石：由单个岩层组成，沿层与层之间的边界间的岩块局部紧密结合，侧壁无需支护，剥离及岩爆都可能发生。

块体及薄层岩石：由完整或几乎完整的岩块组成，各自分离，岩块间无化学结合，侧壁需支护。

破碎岩：破碎但未受化学扰动，具流动特性。

如果大多数甚至全部碎块细如沙粒，则位于地下水位之下的破碎岩石具有含水砂层的性质。

挤压岩石：缓慢地朝隧洞中产生位移，无明显体积增量，先决条件是膨胀性小的云母矿物或粘土矿物微粒或次微粒含量较高。

膨胀岩石：膨胀岩石向隧洞内产生位移，主要局限于那些富含膨胀性矿物如含蒙脱石的岩石。

太沙基的这种分类方法尽管受主观的或经验的影响，但它简便易行，不需要进行复杂的地质调查或岩体物理力学测试。

这种分类方法常为长隧道设计所采用，按这种分类方法所确定的支护结构上的荷载是作为岩石松动力荷载考虑的。

如果围岩产生的实际压力远大于这种松动荷载，则这种方法就不适用了。

2.2劳弗尔支撑时间分类法劳弗尔（1958）认为未支护跨度的自稳时间与洞室所在岩体的质量有关。

在隧洞中，未支护跨度定义为隧洞的跨度，若在掌子面到最近的支护距离大于隧道跨度的情况下，定义为掌子面到最近的支护距离。

劳弗尔提出的分类方法已被许多专家修正，形成了现在所谓新奥法的一部分。

自稳时间要概念的意义在于隧洞跨度增大将使可供安装支护的时间大大减少，如一条小跨度的导洞可以在少量支护情况下成功建造，而同样岩体条件下的大跨度隧洞，如果不立即安装牢固的支护，则可能是不稳定的。

新奥法包括在各种破坏发生前的自稳时间有限的岩石条件下进行隧洞安全施工的多种技术，这些技术包括采用顶拱小型导洞、分步开挖和采用多平硐方法形成支护环，以便进行大规模开挖。

此类技术可用于开挖太沙基所说的有可能产生挤压和膨胀问题的页岩、泥岩之类的软岩，这项技术同样适用于非常破碎岩体的隧洞施工。

但是，在将这些技术使用于开挖坚硬岩石时，应非常小心，因为其破坏机制不同。

在对坚硬岩石中的洞室进行设计时，假设围绕洞室的岩体的稳定性与时间无关时应该小心，因为，当结构面形成的楔形体露于洞室的顶部时，一旦岩石支护被去掉，它将会垮落，这种现象可能发生在爆破掘进中或者在随后的扩挖期间。

如果要求这些楔形体保持原位或要提高其安全性，必须尽快地安装支护，最好在支护安装之前，整个楔形体前能被清除。

另一方面，承受高应力的岩石中的洞室破坏常由于开挖导致应力环境的改变而产生，此时，洞室逐渐破坏，表现形式为自行剥落、片帮或者以岩爆的形式突然发生。

不管大哪种情况下，支护设计均应该多多考虑应力方面的改变而不是仅仅注意开挖的自稳时间。

2.3 RQD岩石质量指标分类岩石质量指标RQD是由迪尔等人于1964年提出的，是根据岩芯记录提供对岩体质量的定量评价，认为钻探获得的岩芯完整程度与岩体的原始裂隙、硬度、均质性等状态有关。

岩石质量指标的定义是大于10cm的完整岩芯占岩芯总长度的百分比，岩芯直径至少为54.7mm，并用双层岩芯管钻进[ 3 ]。

(2-1)根据RQD值的大小，将岩体质量划分为5类。

表2-1 基于RQD的岩体分类Palmstrom(1982)提出，在没有岩芯资料但在地表露头或探硐中可以看到不连续面时，岩石质量指标的值也可以通过单位体积内节理数（不连续面）来估计，对于不含粘土的岩体的换算关系为(2-2)式中——每立方米中的总节理数，又称为体积节理数。

岩石质量指标是一个与方向有关的参数，其值的变化可能很大，取决于钻孔的方向，使用体积节理数概念在减少该参数的方向性影响方面非常有用。

岩石质量指标试图反映现场的岩体质量，用金钢石钻具钻取岩芯时，必须小心以保证由操作或钻进产生的破裂在确定岩石质量指标时能被鉴定出来。

当将Palmstrom方程用于根据露头测绘估计时，不应包括爆破产生的破裂面[ 4 ]。

2.4 RSR岩体结构等级分类法威克姆（1972）曾提出了一种比较全面的岩体分法的方法，该方法充分考虑了岩体结构特性和状况，并给出具体参数的定量指标RSR，岩石的等级则是由RSR的定量指标来划分：RSR=A+B+C式中A——表征岩体种类和地质构造特征的参数B——表征沿掘进方向的节理类型的参数C——表征地下水对节理状况影响的参数对某一地质剖面而言，RSR值是参数A、B和C的总和，它反映了岩体结构的质量。

参数A是一种评价隧道轴线所穿过的岩体的结构状况的参数，它与隧道的开挖尺寸无关，也与其施工措施和支护手段无关，在工程建设前期，需要进行规范化的地质勘察获取有关的地质构造特征的资料，用来确定该参数A的取值。

参数B是与节理类型（走向、倾角和节理间距）和掘进方向有关的参数，一般地质调查或地质图给出岩层的走向和倾角。

据此，可得到岩层的有关节理类型参数的近似值。

相应的隧道掘进方向是由工程规划所确定。

通常可使用地质资料提供的岩层的节理特征并预先选用几种工程布置（隧道走向）取得节理间距估算的平均值，如节理密度或岩体块度分析，岩心分析或RQD（岩石质量指标）等地质资料，并结合考虑岩层产状和掘进方向的影响。

参数C是一项影响支护量级的地下水流动估计参数，它考虑如下因素：（1）岩体结构性所有质量，即A+B之和表示的数值；（2）节理面的状况；（3）地下水的渗出量。

在预测地层的水文地质条件时，分析地下水流动情况应结合抽水试验、当地水井情况、地下水位、地表水文、地形和降雨量等因素综合考虑。

评价节理面的状况特征，应考虑地表情况、地质历史、钻孔岩芯取样等方面的情况综合分析。

对于某一地质剖面而言，RSR值是参数A、B、C的总和，此值范围一般在25~100之间，反映了岩体结构的质量，隧道穿过的每一特别地层的结构特性都应予以分别分析与评价，从而得到相应的RSR值。

根据所得的岩体的RSR值，可由下式估算岩体荷载：（2-3）式中Wr——岩体荷载D——开挖直径RSR——岩体结构等级一旦得到了Wr的值，便可应用荷载——结构法进行地下结构的设计。

2.5 RMR岩体力学等级分类法岩体力学等级是宾尼奥斯基（1973）提出的一种岩体分类方法，该分类法考虑了岩石抗压强度、岩体质量指标、节理间距及节理状况地下水等五种因素，根据个参数，建立了岩体质量评分标准从而进行岩体分类。

岩体力学等级的确定方法分两步进行：第一步对某一特定岩体，先按岩石抗压强度、岩体质量指标、节理间距及节理状况地下水等五种因素逐一评定，并按规定的评分标准评出分数，然后再把五个单因素的分数累加起来，得到岩体分类指标RMR的初值；第二步，根据节理裂产状变化对第一步得到的初值加以修正。

修正的目的，在于进一步强调节理裂隙对岩体稳定产生的不利影响，修正评分的取值办法如表2-2所示，经修正后的岩体总评分实质上就是岩体质量综合评价指标。

表2-2 按节理方向的修正评分值以此为划分岩体工程分类的依据，将岩体进行分类。

表2-3 按总评分确定的岩体类别宾尼奥斯基在评价岩体质量时，十分重视岩体中结构面的因素，对节理的状态赋值最高，其次是岩石质量指标和节理间距。