常用围岩分类方法在某深埋隧洞适用性分析

水压力条件下的适用性均差。出现上述现象的主要原因有：Q系统通过最大切向应力与岩石抗压强度的比
值σθ/σc的大小反映高地应力对围岩类别的影响,故其在高地应力条件下的适用性较好；RMR分类没有考虑高 地应力对围岩类别的影响，其分类结果在高地应力区特别是岩爆段偏高；HC分类在高地应力区简单地采用
降级的方法，其分类结果误差较大；BQ分类对岩石强度过于敏感，其分类结果在高地应力区过于保守；这
洞最大埋深可达 2525 m。一般认为埋深大于 300 m 的隧洞为深埋隧洞、大于 500 m 的为超 深埋隧洞。伴随着埋深的增大，地应力、外水压力增高。如二郎山公路隧道最大水平地应力 为 50 MPa，锦屏二级水电站引水隧洞最大垂直地应力预计可达到 54 MPa，最大外水压力可 达 10 MPa。一般认为，最大主应力大于 20 MPa 属于高地应力，外水压力大于 1 MPa 为高 外水压力。在高地应力条件下，软岩将产生塑性流动变形、硬质岩有产生岩爆、结构性流变 的可能；在高外水压力条件下，岩体抗剪强度降低、并形成水压致裂裂缝，围岩稳定性降低。 探索高地应力条件下的围岩分类方法，建立硬质岩中岩爆烈度与围岩类别的关系、软质岩中 塑性变形量与围岩类别的关系，确定高外水压力对围岩类别影响的判别指标，是目前水利水 电围岩分类中急待解决的问题。本文采用 Q 系统、RMR 分类、水电规范 HC 分类、国标 BQ 分类等 4 种常用围岩分类方法对该深埋隧洞进行围岩分类，通过对分类结果的相关性、一致 性分析，对 4 种常用分类方法在高地应力、高外水压力条件下的适用性作出评价。 2 某深埋隧洞简介
某深埋隧洞断面为城门洞形，矩形断面尺寸 3×3 m2,拱高 0.4 m，隧洞长约 4 km，最大 埋深约 2110 m，多数洞段埋深大于 1200 m。该隧洞穿越的地层主要是三叠系中统盐塘组第 四段（T2y4）、第五段（T2y5）、第六段（T2y6）地层，岩性主要为大理岩、泥质条带灰岩等。
该深埋隧洞围岩基本特征：①穿越的地层均属硬质岩，岩石饱和抗压强度 50～100 MPa， 坚硬岩与较坚硬岩交替出现是该深埋隧洞围岩的一个特征。地层产状近直立，洞线走向与地 层走向近垂直。②岩体结构以块状结构为主，同时还存在整体、镶嵌碎裂结构、中薄层和碎 裂结构等。③多数洞段埋深大于 1200 m,其最大主应力以岩体自重应力为主。随着埋深增加， 最大主应力增大，但最大主应力与埋深不呈线性关系。最大主应力实测值为 42 MPa。④深 埋隧洞中的岩爆以Ⅰ、Ⅱ 级岩爆为主。⑤观测结果表明，外水压力在 1～10 MPa 的出水点 有 10 余个；深埋隧洞最大外水压力可达 10 MPa。
为一致性中等的可靠度，记为β0.2。描述不同分类方法的一致性时，不仅要给出其一致性等
级，同时还要给出其相应等级的可靠度，这样就保证了所得结论的可靠性。并且规定，可靠
度至少应大于 80%，一致性才能定义为相应的等级。下面把可靠度的概念引入到一致性分级
中，结合归一化差值绝对值的均值Γ，对一致性作如下分级（表 4）： 表 4 一致性分级表
四种方法均未考虑高外水压力对围岩类别的影响。另外，文中提出了一种“归一化方法”，可以对不同分类
Baidu Nhomakorabea方法分类结果进行相互比较。
关键词：岩石力学；围岩分类；高地应力；高外水压力；适用性；Q系统；RMR分类；HC分类；BQ分类；
归一化方法
中图分类号：
文献标识码：A
1 引言 随着经济的发展，地下洞室的埋深在逐渐增大。我国计划建设的锦屏二级水电站引水隧
(4) 国标 BQ 分类：指《工程岩体分级标准(GB50218-94)》[4]中的围岩分类方法，简称
（国标）BQ 分类。本分级标准虽然通过地应力修正系数考虑了地应力对围岩类别的影响，
但在本深埋隧洞的适用性尚需验证。
4 几个基本概念
(1)分类结果的相关性：对同一围岩用不同分类方法分类所得的分类结果之间存在某种
高地应力一般指最大主应力大于 20 MPa，本次深埋隧洞围岩分类中的地应力分区采用 《工程岩体分级标准 GB50218－94》中规定：σc /σ1 值在 4～7 之间的洞段属于高地应力区， σc /σ1 小于 4 的洞段属于极高地应力区。其中，σc 为单轴饱和抗压强度，σ1 为垂直洞线 方向的最大初始应力。该深埋隧洞从 520 m 处开始，σc /σ1 在 1～4 之间，据此，把该深埋 隧洞划分为中低地应力区（0～520 m）、高地应力区（520～4165 m）。高地应力区又划分为
减系数 SRF 中的 J、K 项做了修正，从而补充了高地应力区非岩爆岩段 SRF 值的取值方法。
修正前、后的 J 、K 项取值方法参见表 1ٛ。
表 1 修正前、后的 J、K 项对照表
描述
σc/σ1
修正前的 J 项
J.中等应力，最有利的应力条件
200～10
修正后的 J 项
J.中等应力，最有利的应力条件
谓归一化方法就是把每种分类方法的围岩类别判定指标――总评分值的取值范围都看作
0～1。不同分类方法所得的分类结果经归一化处理后，其相对大小便可体现出来。
围岩类别判定指标：指定量判定围岩类别的指标，如 Q 系统的总评分值——Q 值，RMR
法的总评分——RMR 值；HC 法的总评分——T 值，这里称之为 HC 值；BQ 法的总评分——[B
Q]值，这里称之为 BQ 值等。把上述指标进行归一化处理后分别得到 q、rmr、hc、bq（以相
应的小写字母表示），这里把这四个参数称为归一化的围岩类别判定指标或归一化值。归一
化处理的具体方法如下：① Q 系统围岩类别判定指标的归一化：Q 值与 RMR、HC、BQ 呈对数
关系，Q 系统围岩类别判定指标的归一化采用如下形式：q＝（LgQ-Lg0.001)/(Lg1000-Lg0.
(3) HC 分类：指 1999 年发布的《水利水电工程地质勘察规范 GB50287-99》[3]中的围岩 工程地质分类方法（简称 HC 法）。HC 分类规定：对于Ⅱ类围岩，当 S<4 时；对于Ⅲ、Ⅳ 类围岩，当 S<2 时，围岩类别相应降低一级。该方法在考虑高地应力对围岩类别的影响时， 简单地采取了降级的处理方法，势必影响围岩分类的精度。
表明 Q 系统与 RMR 分类的一致性越好。
如何描述分类结果一致性的可靠度呢?这里做以下定义:不同分类方法分类结果的归一
化值差值的绝对值小于α（0≤α≤1）的概率称为一致性的可靠度，以字母βα表示，βα
称为差值绝对值小于α的可靠度。例如，两种不同分类方法对同一围岩分类结果的归一化值
差值的绝对值小于 0.1 的概率，称为一致性好的可靠度，记为β0.1；该值小于 0.2 的概率称
200～10
修正前的 K 项
K．高应力、非常紧密结构，一般利于稳定，也 可能不适于巷帮稳定
10～5
σθ/σc 0.01～0.3 0.01～0.2
0.3～0.4
SRF 1.0 1.0
0.5～2.0
修正后的 K 项
K.高应力、非常紧密结构，一般有利于稳定
10～1
0.2～1
1～2.5
(2) RMR 分类：即 “岩体评分”，又称地质力学系统，是 1973 年由比尼奥斯基 （Bieniawski）提出的。RMR 分类的缺点是没有考虑高地应力对围岩类别的影响。
别的影响。分述如下：
（1）Q 系统：1974 年由挪威的巴顿提出的岩体质量分类 Q 系统，经过 1993 年、2002 年两次修正，Q 系统变得更加完善，参见文献[1。2]。Q 系统通过地应力折减系数 SRF 反映高
地应力对围岩类别的影响。本次围岩分类采用的是 2002 年修正的 Q 系统，只是对地应力折
值之间的差值，称为归一化差值，代表了不同分类方法之间的差异，该值在-1～+1 之间，
越是接近 0，则表明两种分类方法之间分类结果愈接近，即分类方法之间的一致性越好。这
里把 q、rmr、hc、bq 之间差值绝对值的平均值称为绝对平均差值，并以希腊字母Γ表示，
Γ＝0～+1。例如Γq-rmr 表示归一化值 q 与 rmr 差值的绝对值的平均值，该值越是接近 0，
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高地应力区岩爆段和高地应力区非岩爆段。岩爆是从 520m 开始出现的,呈不连续状分布于高 地应力区。
3 常用围岩分类方法简介 Q 系统、RMR 分类、水电规范 HC 分类、国标 BQ 分类等 4 种常用围岩分类方法都是
定量分析与定性描述相结合、定量成分占优势的分类方法，都没有考虑高外水压力对围岩类
内在联系，这种内在联系称为分类方法之间的相关性。本次围岩分类的相关性分级按表 2
执行。
表 2 相关性分级表
相关系数 <0.2 0.2～0.4 0.4～0.6 0.6～0.8 >0.8
相关性 差
一般
中等
好
很好
(2)分类结果的一致性及其研究方法：对同一围岩采用不同分类方法分类所得分类结果
会有些差异，这种差异的大小由一致性反映，其差异越小，一致性越好。
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常用围岩分类方法在某深埋隧洞适用性分析
王广德 1 石豫川 1 刘汉超 1 寇佳伟 1 单治钢 2 周春宏 2
（1 成都理工大学工程地质研究所，成都，610059；2 国家电力公司华东勘测设计院，杭州，310014）
摘要：某深埋隧洞局部地应力高达42 MPa,局部外水压力高达10 MPa,具有高地应力、高外水压力的特点。
好
中等
差
0≤α0≤0.1
0.1<α0≤0.2
α0>0.2
0<Γ≤0.05 0.05<Γ≤0.1 Γ≤0.1 0.1<Γ≤0.15 0.15<Γ≤0.20
很好
好
中等偏好
中等
中等偏差
注：这里取不同方法分类结果之间的归一化值差值的绝对值小于α0（0≤α0≤1）的可靠度βα0=0.8。 并用α0q-rmr 表示 q 与 rmr 之间差值的绝对值满足βα0＝0.8 时对应的α0，其它分类α0 的表示方法依此类 推。这样所得的分类结果将具有 80％的可靠度。
001)= (LgQ+3)/6。② RMR 法围岩类别判定指标的归一化：rmr＝RMR/100。③ HC 法围岩类
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别判定指标的归一化：hc＝HC/100。④ BQ 法围岩类别判定指标的归一化：由 BQ 法的围岩 分级表及 BQ、[BQ]的计算公式可知，BQ、[BQ]的取值下限为 90 ，上限为 700（Rc 最大值取 120，Kv 最大值取 1）。故有 bq＝([BQ]-90)/(700-90)= ([BQ]-90)/610。
表 3 中列出了归一化前、后围岩类别的划分标准。
表 3 围岩类别划分表
V
IV
III
II
I
Q 0.001~0.01 0.01~0.1
0.1~4
4~100
>100
q 0~0.17 0.17~0.33 0.33~0.6 0.60~0.83 0.83~1
RMR 0~20
20~40
40~60
60~80 80~100
rmr 0~0.2 0.2~0.4 0.4~0.6 0.6~0.8 0.8~1
HC
0~25
25~45
45~65
65~85 85~100
hc 0~0.25 0.25~0.45 0.45~0.65 0.65~0.85 0.85~1
[BQ] 0~250 250~350 350~450 450~550 550~700
现有围岩分类方法多，每种方法都有各自的评分标准，在实际应用中，对同一岩体用不
同分类方法进行围岩分类所得的分类结果难以统一。由相关性分析可知，Q 与 RMR、HC、BQ
呈对数函数关系，RMR、HC、BQ 之间呈线性相关关系,其中 Q、RMR、HC、BQ 为相应分类方法
的总评分值。根据这种相关关系，这里提出一种分类结果的处理方法―――归一化方法。所
bq 0~0.26 0.26~0.42 0.42~0.59 0.59~0.75 0.75~1
从表中可以看出，归一化处理后，不同分类方法的围岩类别划分界限值很接近，可以通
过比较归一化的围岩类别判定指标的相对大小，对围岩质量的好坏进行定量判别并对不同方
法所得分类结果进行对比。
对同一围岩用四种不同方法进行分类，归一化后的围岩类别判定指标 q、rmr、hc、bq
一般认为，最大主应力大于20 MPa属于高地应力，外水压力远大于1 MPa为高外水压力。采用Q系统、RMR
分类、水电规范HC分类、国标BQ分类等4种常用围岩分类方法对该隧洞进行了围岩分类。分类结果表明，
高地应力条件下，Q系统的适用性较好，RMR分类、HC分类、BQ分类适用性均差； 4种分类方法在高外