西部高地应力地区地下洞室围岩分类研究

许春晓

河海大学防灾减灾及防护工程系，南京 (210098)

E-mail：xcxlfy2007@yahoo.com.cn

摘要：本文在围岩分类方法概述及它们存在的问题讨论的基础上，分析了高地应力地区地下洞室围岩分类中岩爆烈度、高地应力、高水压力对围岩分类的影响。并结合西部某水电站地下洞室围岩分类的工程实例，对原围岩分类方法进行修正，提出适合高地应力地区工程围岩分类方法。

关键词：地下洞室，围岩分类，高地应力，高水压力，岩爆

1．引言

随着西部大开发战略的逐步实施，西南、西北地区一系列大、巨型水电站已建或待建。受地形、空间因素制约，地下厂房往往是经济的，有时是唯一的选择。这类地下厂房大多具有埋深大、应力高、水压大等工程意义特别重大的特点，因此西部地区地下洞室围岩质量分类成为水电站勘测、设计和施工阶段的重要问题。

2．围岩分类方法概述

目前，我国的大型地下洞室围岩分类主要采用Q系统分类、水电规范分类、国标BQ 分类、RMR分类4种方法进行围岩分类。

2.1 Q系统分类

岩体质量分类Q系统（以下简称Q系统）是目前应用最广的岩体质量分类方法，该方法是1974年挪威的巴顿等人建立起来的。它主要考虑了岩体完整性、节理特性、地下水和地应力影响等，并以6个参数确定反映隧洞围岩稳定性的岩体质量指标Q值。

2.2 水电规范分类法（HC法）

HC法以岩石强度、岩体完整程度及结构面状态为基本因素，以地下水及主要结构面产状为修正因素，以基本因素和修正因素的累计得分为基本判据、以围岩强度应力比为限定判据进行围岩类别划分。该方法在考虑高地应力对围岩类别的影响时，简单地采取降级的处理方法，影响了围岩分类的精度。

2.3 国标BQ法

国标BQ法适用于各类型岩石工程的岩体质量分级，是一种通用岩体质量分类方法，已作为工程岩体分级的国家标准推广执行。BQ法在采用定量分析的时候，主要考虑了岩石的强度和岩体完整程度两个方面，而对于岩体所处的地应力环境、地下水状态以及结构面的方位等只是作为定量结果的一种修正。

2.4 RMR分类

RMR分类，即“岩体评分”，又称地质力学系统。目前也逐渐广泛地运用于边坡、坝基等工程的岩体分类，在国内、外有广泛的应用。RMR分类通过岩石的单轴抗压强度（R1）、岩石质量指标（R2）、结构面间距（R3）、结构面状况（R4）、地下水状况（R5）、结构面方位

（R6）等对岩体质量进行评分，RMR值= R1+R2+R3+R4+R5+R6。

3．几种分类方法存在的主要问题

考虑地下洞室围岩稳定性的影响因素，并结合各分类方法的特点，几种主要围岩分类方法的缺点：

Q

⑴系统的应用中存在以下几方面不足：①系统没有直接考虑岩石强度，而是通过应力折减系数间接考虑岩石强度；②系统考虑最不利结构面，没有考虑结构面的不利组合情况；

③系统考虑了低外水压力对围岩分类的影响，不足之处是未考虑高外水压力对围岩分类的影响；④有一些问题需要探索，如岩爆等级与围岩类别的关系等尚不清楚。

⑵水电HC法对高地应力条件下的围岩类别，简单地采取了降级的处理方法，势必影响围岩分类的精度。如某深埋隧洞围岩分类结果表明，HC分类在高地应力、硬质岩地区的分类结果与实际围岩类别的吻合率只有32%，适用性差。另外，该方法没有考虑高外水压力对围岩类别的影响。因此，HC法在应用到深埋隧洞围岩分类时尚需修正。

BQ

⑶法在深埋隧洞较坚硬岩中的适用性差，坚硬岩中的适用性中等；由于其分类结果受岩石强度影响较大，地应力的修正显得效果不明显。

RMR

⑷分类方法的缺点是没有考虑高地应力、高外水压力对围岩类别的影响。

综上所述：以上几种围岩分类均未考虑高地下水压力及岩爆对围岩分类的影响。另外，虽然HC法和BQ法都考虑高地应力的影响，但在高地应力区分类结果较差。因此对这3个方面重要因素应该着重分析研究。

4．主要存在问题讨论

4.1 岩爆与围岩分类

岩爆是岩体高应力区的一种重要地质现象，是指地下开挖过程中洞室围岩因开挖卸荷、应力分异造成岩石内部破裂和弹性能突然释放，而引起的爆裂松脱、剥离、弹射乃至抛掷性破坏现象。目前，我国虽然没有统一的岩爆烈度分级方案，但各个分级方案差别不大，主要把岩爆烈度分为4级[1]:Ⅰ级微岩爆、Ⅱ级中等岩爆、Ⅲ级强烈岩爆、Ⅳ级剧烈岩爆。各级别岩爆对围岩稳定性的影响程度如下：I级—影响甚微，适当的安全措施就可使施工正常进行；II级一有一定影响，应及时采取挂网喷锚支护措施，否则岩爆有向深部发展的可能；III级一有较大影响，应及时挂网喷描支护；Ⅳ级—严重影响甚至摧毁工程，必须采取相应的特殊措施加以防治。

根据各级别岩爆对围岩稳定性的影响程度[2]，王广德等提出岩爆烈度与围岩类别关系表1

表1建议的岩爆烈度与围岩类别的关系表

Tab.1 Correlation table between rock intensity and surrounding rock rating

围岩类别岩爆烈度及描述

ⅠⅡ

无岩爆或

脆性完整硬质岩在高地应力下可能发生Ⅰ级岩爆

Ⅲ脆性完整硬质岩在高地应力下可能发生Ⅱ级岩爆Ⅳ脆性完整硬质岩在高地应力下可能发生Ⅲ级岩爆Ⅴ脆性完整硬质岩在高地应力下可能发生Ⅳ级岩爆高地应力条件下围岩变形破坏[3]：⑴脆性完整硬质岩体中的岩爆；⑵裂隙发育的硬质岩体中的结构性流变：结构性流变是指在高应力区完整性差的坚硬或较坚硬岩体中，由于工程开挖，结构面依应力状态而发生一系列复杂的时间相关性力学行为和力学响应，使工程岩体表现出显著流变的现象和过程；⑶高地应力下软岩的塑性流动：在深部地层中，围岩处于高地应力环境中，并且由于软岩的强度低，单轴饱和抗压强度在5—15MPa之间，甚至更低。因此，围岩变形破坏非常强烈[4]。

因此在高地应力地区引入一些修正系数对各分类方法进行修正如表2

表2高地应力修正阶段围岩分类方法说明表

Tab.2 The high crustal stress correct phase classification of surrounding rock masses illuminate table

高地应力修正阶段

Q系统法讨SRF进行了修正，并称为WQ系统

RMR分类法引入地应力修正系数K对RMR进行修正，并称为WRMR分类

HC分类法引入地应力修正系数K对HC进行修正，并称为WHC分类

BQ分类法未修正，不使用

4.3 高水压对围岩分类的影响

目前，对外水压力的大小尚无统一的划分标准，本文所说的高水压力是指外水压力大于1MPa，相当于100m以上的水头高度。

高水压条件下：⑴岩体的抗剪强度降低；⑵水力劈裂作用对围岩稳定性的影响。由于隧洞开挖，洞室周边的围岩应力状态发生变化。当遇到导水裂隙时，水从隧洞排出，水压力突然降低，导致张开裂隙突然闭合，甚至导致局部岩体断裂，在高外水压力的推动下，断裂的围岩被冲入洞室内，被冲走的岩体周围有了更大的位移空间，更多的张开裂隙闭合、更大范围的岩体被冲走，这就是高压突水形成的基本过程[5]。

因此在高水压地区引入一些修正系数对各分类方法进行修正如表3

表3高水压修正阶段围岩分类方法说明表

Tab.3 The high external waterpressure correct phase classification of surrounding rock masses illuminate table

高水压修正阶段

Q系统法在WQ系统的基础长，对高外水压力进行修正，并命名为JPQ分类

RMR分类法在WRMR分类基础上，对高外水压力进行修正，并命名为JPRMR分类

HC分类法在WHC分类基础上，对高外水压力过行修正，并命名为JPHC分类

BQ分类法未修正，不使用

5．工程实例

西南某长隧洞、高水头、大流量的引水式电站地下洞室，具有埋深大、洞线长、洞径大的特点。由此导致高地应力、高外水压力问题突出将对工程设计和施工产生较大影响。

观测资料表明，其中部分洞段单轴饱和抗压强度与垂直洞线方向的最大初始应力比值σc/σ1﹤7属于高地应力区，长探洞最高外水压力可达10.22MPa，可以预测，在考虑雨季地下水位升高的情况下，引水隧洞的最高外水压力将达到l0Pa以上。因此必须考虑岩爆、高地应力和高水压力对围岩分类的影响，在原分类方法的基础上进行修正并讨论计算结果的合理性。分类结果表和讨论结果如下：表4 高地应力修正前、后各分类方法与实际围岩类别吻合率统计（%）

整个洞段中低地应

力区

高地应力

区

高地应力

岩爆段

高地应力

非岩爆段

高外水压

段

较坚

硬岩

坚硬岩

Q 77.6 90.4 75.9 63.5 81.2 44.4 80.2 76.6 WQ 84.3 90.4 83.5 87.0 82.0 44.4 87.6 83.0 RMR .2 94.2 60.1 25.2 75.2 72.2 69.4 62.2 WRMR 80.1 94.2 78.2 85.2 75.2 72.2 75.2 82.1 HC 34.6 88.5 27.3 59.1 13.5 50.0 5.5 45.8 WHC 76.7 88.5 75.1 77.4 74.1 44.4 74.1 78.8

从表中可以看出：

WQ，WRMR在整个洞段、高地应力区、高地应力区岩爆段吻合率均有较大的提高，说

明通过修正解决了在岩爆段分类结果不理想的问题。WHC在整个洞段、高地应力区、高地

应力区岩爆段以及高地应力区非岩爆段吻合率均有了较大的提高，说明修正后的WHC分类

方法解决了HC分类采用简单的降级的方法引起的误差，在高地应力区适用性较好。

5.2 对高水压力的修正

表5 地下水发育段岩体各分类方法分类结果统计

Q系统 RMR分类 HC分类

WQ分类 JPQ分类WRMR

分类JPRMR

分类

WHC分类 JPHC分类

比例长

度比例长

度

比例长

度

比例长

度

比例长

度

比例长

度

Ⅱ 4.5 8 0.0 0 0.0 0 0.0 025.746 16.8 30

Ⅲ79.9 143 53.1 9554.7 9849.7 48.687 43.6 78

Ⅳ15.6 28 46.9 8445.3 8150.3 9025.746 39.7 71

Ⅴ0.0 0 0.0 0 0.0 0 0.0 00.0 0 0.0 0 吻合率44.4 83.3 72.2 77.8 44.4 66.7

从表中可以看出：

WQ系统在高外水压力修正前，在高外水压力段围岩类别以Ⅲ类为主，部分为Ⅳ类，修

正后的主要变化是Ⅳ类围岩数量增多。吻合率从44. 4%提高到83.3 %

WRMR分类，高外水压力修正前、后围岩类别变化不大，但修正后比修正前的评分值

降低，修正后高外水压力段围岩类别以IV ，III类为主。吻合率从72.2%提高到77.8%。

WHC分类，高外水压力修正后围岩类别有所降低，修正前高外水压力段围岩类别以Ⅲ、

Ⅳ类为主，个别为Ⅱ类，修正后高外水压力段围岩类别以Ⅳ、Ⅲ类为主，个别为V类、Ⅱ

类，Ⅱ类围岩比修正前明显减少。吻合率从44. 4%提高到66. 7%。

以上结果表明，修正后三种方法分类评出高外水压力条件下围岩类别以Ⅳ，Ⅲ类为主，

这与实际情况基本吻合，有着较好的适用性。

6．结论

1．在中低地应力区Q，RMR，HC分类的适用性均较好，说明在中低地应力条件下常

用围岩分类方法在应用上已经比较成熟。

2．岩爆级别与围岩类别有着一定的关系。

3．Q分类考虑了高地应力对围岩类别的影响，在各种情况下（除高地应力区岩爆段）所得的结果均较接近实际围岩类别。总体上，Q分类在该区适用性较好。但高外水压力考虑不足，需进行修正。

4．进行高地应力和高水压修正后的Q系统、RMR、HC分类方法与实际围岩类别具有较好的吻合性。

5．在高地应力地区，BQ法所得的围岩分类结果是四种分类方法中最差的一种，其整体吻合率较低。因其对岩石强度赋予的权重较大，故不适合高地应力环境下的围岩分类。

参考文献

[1] 张倬元,宋建波,李攀峰. 地下厂房洞室群岩爆趋势综合预测力法［J］. 地球科学进展. 2004. 19( 3): 451-456.

[2] 王兰生,徐林生等. 深埋长隧道高地应力与围岩稳定问题-“川藏公路二郎山隧道高地应力测试、监测及围岩稳定性分析与工程措施”专题研究报告［R］. 2002. 71-90.

[3]韩爱果,聂德新. 某电站地下厂房围岩质量综合分级［J］. 地质灾害与环境保护. 2002. 13(2):75-79.

[4] 王文,任光明,左三胜等. 深埋长大隧道围岩分类评价的探讨与应用［J］. 地质灾害与环境保护. 1997. 8(4):14-21.

[5] 胡卸文,黄润秋. 水利水电工程中的岩体质量分类探讨［J］. 成都理工学院学报. 1996. 23(3):-68. The research of the underground excavation classification of

surrounding rock masses in the west high crustal stress area

Xu Chunxiao

Disaster Prevention and Reduction Engineering and Protective Engineering, Hohai University,

Nanjing (210098)

Abstract

The article basic on the summarization of the underground excavation method and the discussion on problem of the method. Then analyze the influence of the rock burst, high crustal stress, high external waterpressure on high crustal stress of the area high crustal stress. And combine the example of one water and electricity station classification of surrounding rock masses in west area, Modify the originally classification of surrounding rock masses, advance new classification of surrounding rock masses which fit to high crustal stress area.

Keywords：underground excavation, classification of surrounding rock masses, high crustal stress, high external waterpressure, rock burst