5.3工程岩体多因素综合分类

5.3工程岩体多因素综合分类
影响工程岩体质量有多方面的的因素，要较准确、全面地评价工程岩体质量，就应该尽可能考虑多个因素进行综合分析。

工程岩体多因素综合分类就是从影响工程岩体质量的多种参数中综合提取一种指标进行分类。

下面分别介绍几种典型的分类方法。

5.3.1巴顿（Barton ）隧道围岩质量的Q 分类
巴顿等人总结了200多个隧道工程建设中的规律，于1974年提出了著名的隧道围岩的Q 分类。

该分类根据隧道围岩的特点，采用了六个参数。

即岩体的质量指标RQD ，岩体块裂度影响系数n J 、结构面岩壁强度降低系数a J 、应力折减系数SRF 、结构面粗糙度影响系数
r J 、地下水的影响系数w J 。

在经过统计分析后，利用上述的六个参数，提出了一个表示工
程岩体质量好坏的Q 值，按以下公式计算：
SRF
J J J J RQD Q w a r
n ⨯⨯=
（5.4）
Q 值是一个从0.001到1000的参数。

六个参数根据各自的地质条件可分别按表5.8～表5.12选取。

其中，RQD 由式（5.3）算出。

表5.8 岩体块裂度影响系数
J
表5.9 结构面岩壁强度降低系数a J
充填结构面
表5.10 应力折减系数SRF
表5.11 结构面粗糙度影响系数
J 注：*“被充填的”不连续面，如果结构面的平均间距超过3m 时，r J 再加上1.0。

表5.12 地下水的影响系数
J 巴顿等人根据Q 值将岩体质量分成九个类别，如表5.13所示。

表5.13 Q 系统分类
巴顿等人根据大量实际工程的规律，提出了没有支护条件下隧道最大安全跨度
D 与岩体分类Q 值之间的关系。

387
.02.1D
Q = （5.5）
巴顿等人提出的Q 分类在地下工程的建设中，有着一定的指导作用。

5.3.2 工程围岩的岩体力学分类法
毕昂斯基（Bieniawski 1974年）在研究影响工程岩体稳定性因素的基础上，根据各个因素对工程岩体稳定性影响的程度，分别给出了岩石抗压强度1R ，岩体质量指标2R ，结构面间距3R ，结构面状态4R 和地下水状态5R 等5个主要因素在岩体质量分类中的评分标准，将5个因素的评分相加就得到岩体质量分类分值RMR （Rock Mass Rating ），即
RMR=1R +2R +3R +4R +5R +6R (5.7)
式中前5项确定后，又考虑到结构面的产状与工程相对位置关系不同对围岩稳定性影响程度也就不同，又增补了修正指标6R ，6R 是以负分的形式赋值的。

各指标的评分标准见表5.14～表5.19
RMR的取值范围为0～100，其值越大说明岩体的质量越好，以20分为一个级差把岩体的质量划分为“很好的”一直到“很差的”共五类，见表5.20。

表5.20 岩体质量分级
Bieniawski还给出了各类工程岩体对应的自稳时间（隧洞围岩无支护下的稳定时间）及其岩体的抗剪切强度参数：c，φ值，供工程者参考，见表5.21。

RMR分类综合考虑了影响工程岩稳定性的主要因素，参数定义明确，取值方便。

因此，在欧美等国得到较为广泛的应用。

Bieniawski研究还发现RMR和Q值之间存在如下关系：
9+
RMR（5.8）
=Q
ln
44
5.3.3 我国的多因素综合性工程围岩分类
多因素综合性工程围岩分类研究工作在我国开始较早，发展较快。

上世纪八十年代前后，国内地质、铁路、煤炭、水电、军工、公路等部门，吸取了国际先进围岩分类方法，结合本地的地质、水文条件，认真总结了本部门岩体工程实践经验，研究各类岩体结构的形成机理和变形特性，先后陆续提出了比较适合本部门特点的工程围岩分类方法。

表5.22和表5.23分别为煤炭系统围岩分类和公路隧道围岩分类。

这是我国两种有代表性的分类方法，前者将围岩分为5类，从Ⅰ类至Ⅴ类，围岩的质量从最好过渡到最差；后者分为6类，从Ⅵ类至Ⅰ类，围岩的质量从最好过渡到最差。

经过多年生产实践，在各部门围岩分类标准基础上，于1994年制订了工程岩体国家分级标准(GB50218--94)，本节重点介绍这一分级标准。

在我国工程岩体分级中，首先以岩石单轴饱和抗压强度和岩体完整性指标为基本参数，按给定的经验公式计算岩体的基本质量指标；再考虑地下水、结构面、原岩原应力等因素对岩体质量的影响，修正岩体基本质量指标，将修正后的岩体质量指标作为定量指标，结合定性描述，将岩体质量分为类5级；最后还给出了各类岩体的力学性质参数和描述了各类岩体
工程的自稳能力。

表5.22煤炭系统围岩分类表
围岩分类
岩层描述巷道开挖后
围岩稳定状态
（3~5m跨度）
岩种举例
类
别
名称
Ⅰ稳定
围岩
1．完整坚硬岩层，R b>60Mpa
不易风化；
2．层状岩层层间胶结好，无
软弱夹层
围岩稳定，长期不
支护，无碎块掉落
现象
完整的玄武岩，石
英质砂岩，奥陶纪
灰岩，茅口灰岩，
大治厚层灰岩
Ⅱ稳定性
较好的
岩层
1．完整的比较坚硬岩层，
R b=40~60Mpa；
2．层状岩层，胶结较好；
3．坚硬块状岩层，裂隙面闭
合，无泥质充填物，R b>60Mpa
围岩基本稳定，较
长时间不支护会
出现小块掉落
胶结好的砂岩、砾
岩，大治薄层灰岩
Ⅲ中等稳
定岩层
1．完整的中硬岩层，
R b=20~40Mpa；
2．层状岩层以坚硬层为主，
加有少数软岩层；
3．比较坚硬的块状岩层，
R b=40~60Mpa
能维持1个月以
上稳定，会产生局
部岩块掉落
砂层，砂质页岩，
粉砂岩，石灰岩，
硬质凝灰岩
Ⅳ稳定性
较差的
岩层
1．较软的完整岩层，
R b<20Mpa；
2．中硬的层状岩层；
3．中硬的块状岩层，
R b=20~40Mpa
围岩的稳定时间
仅有几天
页岩，泥岩，胶结
不好的砂岩，硬煤
Ⅴ不稳定
岩层
1．易风化潮解剥落的松软岩
层；
2．各类破碎岩层
围岩很容易产生
冒顶片帮
灰质页岩，花斑泥
岩，软质凝灰岩，
煤，破碎的各类岩
石
注：1．岩层描述：将岩层分为完整的、层状的、块状的、破碎的4种：（1）完整岩层：层理和节理裂隙的间距不大于1.5m；（2）层状岩层：层与层间距小于1.5m；（3）块状岩层：节理裂隙间距小于1.5m 大于0.3m；（4）破碎岩层：节理裂隙间距小于0.3m；
2．当地下水影响围岩的稳定时，应考虑适当降级；
3．R b为岩石的单向饱和抗压强度。

表5.23 公路隧道围岩分类
注：1、公路隧道围岩分级表中“级别”和“围岩主要工程地质条件”栏，不包括特殊地质条件的围岩，如膨胀性围岩、多年冻土等。

2、层状岩层的层厚划分为：厚层：大于0.5m；中层：0.1～0.5m；薄层：小于0.1m。

5.3.3.1岩体基本质量指标(BQ)计算与基本质量分级
岩体基本质量指标(BQ)按下式计算：
v c K BQ 250390++=σ (5.9)
式中 BQ —岩体基本质量指标；
c σ—岩石单轴饱和抗压强度(Mpa )
v K —岩体完整性指数值，由式(5.2)计算。

使用公式(5.9)时，应遵守下列限制条件：
(1)当3090+>v c K σ时，应以3090+=v c K σ和v K 代入式(5.9)计算BQ 值； (2)当4.004.0+>c v K σ时，应以4.004.0+=c v K σ和c σ代入式(5.9)计算BQ 值。

根据BQ 值，将岩体基本质量分为5级，见表5.24。

5.25和表
5.26。

表5.25中的风化程度划分见表5.27。

表5.26 岩体完整程度的定性划分
表5.27岩石风化程度的划分
5.3.3.2岩体基本质量指标的修正
岩体基本质量指标的确定只考虑了岩体的坚硬度和完整性两个重要因素，此外，地下水、软弱结构面的产状和原岩应力状态等因素对岩体质的影响通常是不容忽视的，这几个因素对岩体质量的影响，可以按下式进行修正：
[]()321100K K K BQ BQ ++-= (5.10)
式中：[BQ]—岩体基本质量指标修正值； BQ —岩体基本质量指标； 1K —地下水影响修正系数；
2K —主要软弱结构面产状影响修正系数； 3K —原岩应力状态影响修正系数。

1K 、2K 、2K 的值分别由表5.28、表5.29、表5.30查出；若表中没有所列的地质条件，
修正系数应该取零。

由式(5.9)计算出岩体基本质量指标，再通过式(5.10)的修正，最后根据岩体基本质量指标修正值查表5.24确定岩体质量等级。

1 2
35.3.3.2 各类工程岩体的物理力学参数和工程自稳能力的确定
岩体的级别确定后，可以由表5.31和表5.32查出岩体的物理力学性质参数和结构面的强度参数；还可以由表5.33查出各类岩体地下工程的自稳时间。

表5.32 岩体结构面抗剪断峰值强度
表5.33 地下工程岩体自稳能力
注：①小塌方：塌方高度小于3m，或塌方体积小于30 m；
11 ②中塌方：塌方高度3~6m ，或塌方体积小于30~100 m3；
③大塌方：塌方高度大于6m ，或塌方体积大于100 m3。

④当实际自稳能力与表中相应级别的自稳能力不相符时，应对岩体级别作适当调整。

习 题
1、谈一谈工程围岩分类的目的、意义和一般原则，通常考虑哪些因素？
2、什么是岩体的完整性系数？什么是岩石质量指标(RQD)？
3、试比较岩体按Q 指标分类、按 RMR 指标分类和按BQ 指标分类特点，说明它们之间的异同。

4、某工程岩体在勘探后得到如下资料：Mpa R c 45=，s m V pm 3000=，s
m V pr 4500=；平巷开挖后有点滴状出水；岩体结构面产状变化大，无优势结构面；围岩最大重分布应力Mpa 19max =σ。

试按我国工程岩体分级标准判定该岩体基本质量的级别。

5、某岩体单轴饱和抗压强度强度Mpa R c 5.42=；岩石较坚硬，但岩体较破碎，岩石的弹性纵波速度s m V pr 4500=、岩体的弹性纵波速度s
m V pm 3500=；工作面潮湿，有的地方出现点滴出水状态；有一组结构面，其走向与巷道轴线夹角大约为25度、倾角为33度；没有发现极高应力现象。

试按我国工程岩体分级标准判别该岩体基本质量级别和考虑工程基本情况后的级别。