几种常用隧道围岩分类方法的综合运用

1、214隧道工程几种常用隧道围岩分类方法的综合运用吴章利*1，吴强2（1.贵州省煤田地质局，贵州贵阳550081；2.中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵州贵阳550081）摘要：在前人的研究成果上，将三种常用围岩分类方法（Q法、RMR法、HC法）以概率 统计的基本理论为基础加以综合利用，建立一套围岩概率分类方法理论计算公式。运用该新方法 对锦屏二级水电站引水隧洞部分围岩段进行分类，并将分类结果同前人研究成果及现场勘查成果 进行对比分析，发现分类结果基本吻合，该方法合理可行。关键词：围岩分类；数学期望；最大概率对于隧洞开挖稳定性的研究，首先必须准确把握隧洞岩体分类并给出定性评价，因为围岩等级

2、分类是应用工程类比法进行隧道设计的基础，同样也是其他设计法、稳定性分析和工程施工的基 础，其地位相当重要。经过前人的不断研究，总结出许多隧道围岩分类方法，例如：Q指标法、RMR法、BQ法、HC法等，这些方法都有各自的适用范围及优缺点。对于不同地质环境下的围岩 分级，究竟用什么方法更准确，是一个值得研究的问题。如此可以考虑运用概率理论将几种常用的 围岩分类方法综合利用，发挥不同方法的优点，以保证在不同地质条件下围岩分类的准确性。常用围岩分类方法1.1 Q指标法Q指标（Q System） 1又称NGI隧道质量指标，该方法是挪威岩土工程研究所的N.Barton、 R.Lien和J.Lunde等人在1

3、974年根据对以往地下开挖工程稳定性的大量实例分析研究后提出的。首 先确定隧道开挖质量指标一一Q指标，其计算公式为式（1）：c_RQD J JQ =. r wJ J SRF式中:RQD岩体质量指标，为大于10cm岩芯柱（不包括软弱物质）总长度与钻进总长度之比的 百分数；J 节理组数系数；匕节理面粗糙度系数；Jw 节理含水折减系数；SRF地应力影响折减系数。对于RQD值，Palmstrom（1982）提出，当取不到岩芯时，RQD可通过公式RQD = 1153.3Jv 确定，式中J代表每立方米岩体中的节理总数。其他J、J、J、J、SRF均通过规范查表得 vnrw到。通过Q值，围岩分为9个等级。RM

4、R 法RMR分类法是Z.T.Bieniawski（ 1974年）首先提出的，他通过对岩体材料单轴抗压强 度；岩体质量指标R1；不连续面间距R2；走向与倾角R3；不连续性条件R4；地下水条 件R6六个参数进行分析研究，在此基础上提出了岩体力学等级分类法（又称 CSIR）即RMR分 类。RMR分类等级就是为以上六个参数的综合值，即公式（2）。通过评分围岩分为5级。R=R+R2+R3+R4+R5+R6（2）HC 法针对水利水电工程地质勘查，国家在1999年发布的水利水电工程地质勘查规范GB50287- 993。其中提出专为水利水电工程地质分类方法即Hydropower Classifying，简称H

5、C分类，该方法评价的基本因素为：岩石强度A、岩体完整程度B、结构面状态C、地下水E和主要结构面 产状F。根据规范查表可以得到以上5个基本参数的评分结果，可以得到基本因素评分T = A+B + C 和修正因素评分T=D+E，而围岩总评分即为基本因素评分与修正因素评分之和。计算公式为：T =T+T。分为5个等级。概率论围岩分类理论2.1基本计算理论根据概率论理论，随机试验E的所有可能结果组成的集合称为E的样本空间4，记为S。样本 空间的元素，也就是E的每个结果，就是样本点。而所有样本空间中的子集称为随机事件4。随机 事件在一次实验中发生的可能性的大小就是随机事件的概率4，将这两个概念运用在隧道围岩

6、分类 中，我们可以这么理解，各个分类方法就是一个样本空间，而其中运用每个分类方法分出的围岩级 别就是单个随机事件。概率围岩分类方法的基本理念就是要综合利用几种常用围岩分类方法，我们假设这文章中提到 三种分类方法（Q指标、RMR分类法、HC法）是相互独立的随机事件A、B、C，其发生概率分别 为P（A）、P（B）、P（C），并且三者在判定中起到的作用也是相同的。根据概率理论分析，三 种围岩分类方法评判结果是相容的，则同时出现的概率及统一评定结果概率是其各自概率的乘积， 见公式（3）。P （ApC ）= P（A ）. P（B ）（C ）（3）综上所述我们可以分别计算每个分类方法中每一个等级的围岩所出

7、现的概率，然后将其概率相 乘，所得到的概率最大值所对应的围岩类别，就是综合了三种围岩分类方法的一致判定结果。但是存在一个矛盾，Q指标法有9个等级，而RMR法和HC法只有5个等级，我们必须找到 一个统一的标准，才便于概率计算。根据规范运用RQD值可以表达指标Q性质，反应围岩稳定情 况，因此可以将岩石分类统一标准，全部分成5类，如表1所示。表1围岩级别划分表级别Q(RQD)RMR (R)HC(T)I稳定100 90100 9085II基本稳定90 75907085 64III 一般75 50705065 45W差50 25502545 25V极不稳定252585）。假定三种分类方法的5类围岩级别的

8、区间段统一为（X, Y）,那么岩石类别在每个区间段出现的概率计算公式为：P（L） = 1 - E（X ）-LD式中：L各个方法的评分值，评分标准；E（X -Y）区间段（X，Y）数学期望；D区间总长度，统一标准后均为100。对于各区间段数学期望的计算，根据围岩分类评分计算方法，各区间段为线性连续变量，其计 算公式见式（5）。a + bE =2其中a、b分别区间最大最小值，根据该公式可以计算出三种分类方法各自围岩级别数学期望 值，见表2。表2各围岩级别数学期望表级别Q (RQD)RMR (R)HC (T)I稳定959592.5II基本稳定858075III 一般62.56055W差37.537.5

9、35V极不稳定12.512.512.52.3综合评定计算公式通过上述分析，根据表2及公式（3）、（4）可以得到综合这三种分类方法的情况下，每一类 围岩的概率计算公式，具体参见表3。III62.5 - Q10060 - R)r-1 - k55 - T)100J100J官一-1 -J kIIP -r185-Q)r .180 - Rr175 - Tp -1k100J1k100J1k100JIVP =r1 -37.5 - Q)r-1 -37.5 - R)r-1 -35 - T)k100Jk100Jk100Jp1- J k 100 J k12.5 - Rr 12 一5 T J k 100 J100注：式

10、中Q为RQD值，R为RMR总评分值，T为HC法总评分值。根据计算结果最大概率所对应的围岩类别即是综合三种评价方法得出的围岩类别，其各级围岩的评价（如稳定或基本稳定）描述在统一规定后与表1中各级围岩的评价标准一致。见公式（6）。妇=MAX Pj，Pii，Piii，Piv，Pv工程实例选取锦屏二级电站1号引水隧洞作为事例，运用概率论围岩分类方法进行分级评价。根据勘察报告结果分别用三种方法对1号引水隧洞SK0+0SK0+52段围岩进行分级，其结果见表4。表4三种分类方法结果表（SK0+0SK0+52 ）分类方法评分围岩等级计算选取Q指标80VRQDV95III90RMR68III68HC82I82根

11、据表3计算公式及式(6)可以得到运用概率论围岩分类方法得到的各级围岩的概率值，其 结果见表5。表5概率计算结果表围岩类别计算概率最大概率I0.48MAX=0.78属II类围岩II0.78III0.37IV0.11V0.072从表5可以看出，运用概率分析围岩分类方法得到该段围岩等级为II类围岩。同样的方法，运 用该理论计算公式在EXCEL中建立该概率分析围岩分类方法计算的整套计算体系，随机抽样分析 1号引水隧道部分段围岩类别，包括极高地应力区、高地应力区、中等地应力区等，将结果与前人 关于锦屏二级电站围岩分类所建立的新体系JPF法6所得到分类结果相对照，结果见表6。表6分类结果对比表选取段地应力情况概率分类法JPG法SK0+0 SK0+52中等地应力IIIIIISK0+88 SK2+100中一高地应力IIIIIISK2 + 277SK2 + 296高地应力IIIISK9+99 SK9 + 322极高地应力II结论从对比结果可以看出