工程巖體分級研究綜述

尹紅梅，張宜虎，周火明，鐘作武

（1.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢 430000；2.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010）

工程巖體分級研究綜述

尹紅梅1，張宜虎2，周火明2，鐘作武2

（1.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢 430000；2.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010）

巖體質量分級是工程人員認識巖體的重要途徑，工程巖體分級方法的發展在很大程度上反映了巖體工程實踐的能力和水平。厘清工程巖體分級方法的發展現狀及趨勢，對了解和把握巖體工程實踐的現狀和方向有重要意義。首先對目前常用或產生深遠影響的巖體分級方法進行介紹，指出工程巖體分級方法的發展具有如下特點：①所考慮的核心因素由巖塊強度過渡到巖體結構和結構面特征；②由僅考慮巖體自身特征過渡到綜合考慮巖體所處環境條件；③由定性分級過渡到定量與定性相結合的綜合分級。現有分級方法的不足主要體現在：①針對深部工程巖體或復雜條件巖體，現有分級方法適用性不夠；②有必要擴充巖體分級方法的輸出信息，使之除包含巖體穩定特征外，還包含巖體參數及處置措施；③國內工程巖體分級較為凌亂，需要進一步統一和細化。針對以上不足，給出了具體的改進建議。

工程巖體；質量；分級；現狀；改進

1 概 述

工程巖體指工程影響范圍內的巖體，一般包括：地下工程巖體、工業與民用建（構）筑物地基、大壩基巖、邊坡巖體等［1］。工程巖體分級是按巖體質量，將其劃分為不同級別。工程巖體分級的意義在于幫助工程人員宏觀把握巖體工程特征，為工程設計和施工服務。

巖體分級方法的發展是隨著人們工程意識的轉變不斷進步的。早在18世紀末，俄國人維爾聶爾就提出將巖石分為堅硬巖、次堅硬巖、軟巖、破碎巖、松散巖等五級的分級方法；此后，1861年，歐洲人霍夫曼又提出按開采工具將巖石分為六級的分級方法。這個時期的分級，主要從施工角度出發，為施工服務。20世紀初，出現了為支護設計確定地壓力的分級方法，如1926年的普羅托吉雅柯諾夫分級、1946年的太沙基分級，這階段的分級將巖體視為荷載，還沒有意識到巖體自身的承載能力。20世紀50年代，才陸續出現以巖體穩定性評價和支護方式確定為主要目的的分級方法。評價巖體穩定性和確定支護方式，是目前絕大多數分級方法的主要指導思想［2］。

一般認為，工程巖體分級的意義主要體現在勘察或設計階段早期，為工程人員宏觀把握工程區巖體特征提供途徑。但是，隨著分級理論的發展和分級經驗的積累，巖體分級逐漸被賦予了更深遠的意義。很多工程科研人員已意識到，巖體分級是目前能把握巖體宏觀工程特征的唯一有效途徑［3］，而且，巖體級別或巖體質量指標由于包含眾多因素影響，其內涵要遠較單個力學指標或物理指標豐富。隨著分級方法的發展，完全有可能在可靠的工程巖體分級基礎上，直接建立巖體級別（或巖體質量指標）與工程措施的關系，進而改進整個巖體工程研究的總體思路。

圖1 常規巖體工程研究思路與改進后的巖體工程研究思路對比Fig.1 Comparison between conventional and improved research ideas for rock mass engineering

圖1對比給出了常規巖體工程研究思路和基于巖體質量分級方法改進后的巖體工程研究思路。不難看出，工程巖體分級具有深刻內涵和廣闊前景。本文將首先按時間脈絡，對目前常用或產生過深遠影響的巖體分級方法作簡要介紹，然后在此基礎上，評述巖體分級方法的發展歷程，并就巖體分級方法的發展趨勢及改進提出作者自己的觀點。

2 典型工程巖體分級方法

2.1 Terzaghi巖體載荷指標分級［4］

為確定支護壓力，為洞室開挖支護提供參考意見，Terzaghi于1946年提出巖體載荷指標分級方法，如表1所示。依據堅硬程度、完整性、風化程度和膨脹性，將巖體分為九級，給出了各級別巖體載荷系數和建議支護措施。依據載荷系數可估算頂板及邊墻部位所需支護反力。受當時工程手段限制，給出的支護措施以鋼支撐為主。

表1 Terzaghi巖體載荷指標分級Table1 Terzaghi’s rock loading index classification method

2.2 Lauffer巖體分級［5］

Lauffer于1958年建議用自穩時間和有效跨度對巖體進行分級，如圖2所示。該分級方法將巖體劃分為七級，A為極好巖體，大致相當于Terzaghi分級中的Ⅰ級巖體；G為極差巖體，大致相當于Terza ghi分級中的VIII－IX級巖體。

圖2 Lauffer巖體分級Fig.2 Lauffer’s rock mass classification method

2.3 巖石質量指標RQD分級［6］

RQD（Rock Quality Designation）由Deere于1967年提出。它用長度超過10 cm的巖芯長度占總巖芯長度的百分比來確定巖體質量級別。RQD分級標準如表2所示。

表2 RQD分級Tab le 2 RQD method

為避免依據鉆孔巖芯計算RQD時的方向性問題，Palmstrom于1982年給出了依據體積節理數Jv估算RQD的經驗公式：

2.4 巖石結構指標RSR分級［7］

Wickham于1972年提出RSR（Rock Structure Rating）分級。RSR是第一個包含多指標的半定量分級系統，

式中：A為地質指標，與巖石類別、堅硬程度、地質結構有關；B為結構指標，與節理間距、節理產狀、地下洞室走向有關；C為反映地下水和節理條件的指標，與A，B加和、節理條件、滲水量等因素有關。各指標的具體確定方法可參見文獻［7］。

2.5 地質力學指標RMR分級［8］

Bieniawski于1976年提出RMR（Rock Mass Rating）分級，后經多次修訂。目前常用的為1989年修訂版。RMR分級方法考慮了6個指標：①巖塊強度；②RQD；③節理間距；④節理條件；⑤地下水條件；⑥節理產狀。對每一項指標的取值，RMR分級方法都給出了詳細的確定方法。通過6項指標的加和，綜合確定RMR值。

RMR分級系統將巖體劃分為五級，表3給出了各級別巖體的劃分標準以及各級別巖體自穩時間及力學特征。RMR分級方法中，還給出了不同級別巖體建議開挖及支護方式，如表4，表中的支護方式也主要為巖石錨桿、混凝土噴層及鋼支撐。

RMR分級系統提出后，有很多擴展，如結合采礦工程，Laubscher（1977，1984，1990）提出了MRMR系統（Modified Rock Mass Rating System），在RMR的基礎上考慮了初始應力和應力場的變化，而且考慮了爆破和風化的影響［9］。Cummings等（1982）和Ken dorski等（1983）提出了MBR系統（Modified Basic RMR）。針對邊坡巖體，提出了SMR（Slope Mass Rat ing）分級方法，重點突出了結構面方向與開挖方式對邊坡穩定的影響［10］。SMR分級是比較有代表性的邊坡工程巖體的分級方法。

SMR＝RMR＋（F1·F2·F3）＋F4。（3）式中，修正系數F1，F2，F3，F4的取值可參見文獻［10］。

依據SMR值，按表5確定巖體級別，并預估邊坡巖體的可能破壞模式及所需支護方式。

表3 RMR分級中不同級別巖體特征Table3 Characterization of rock mass grades by RMR classification

表4 依據RMR確定10 m跨度地下洞室開挖及支護措施Table4 Suggestions on the excavation and supporting measures for 10m spanning underground caverns based on RMR classification

表5 依據SMR分級評估邊坡穩定性及所需支護措施Table5 Estimations of slope stability and supporting method based on SMR classification

2.6 Q系統分級［11，12］

Barton等人于1974年針對地下工程巖體提出Q（Rock Tunnelling Quality Index）分級：

式中：RQD為巖石質量指標；Jn為結構面組數；Jr為結構面粗糙度系數；Ja為結構面變質系數；Jw為節理水約減系數；SRF為應力約減系數。

由Q指標和等效尺度De，可按圖3確定支護措施。等效尺度De由洞室跨度L和開挖支護率ESR按下式計算：

ESR按表6確定。

圖3 由Q分級估測支護措施Fig.3 Estimations of supporting m ethod based on Q value

表6 Q分級系統中開挖支護率ESR的確定Table6 Determ ination of ESR in Q value classification system

Barton于1999年對Q系統進行修訂，提出了針對TBM隧道開挖的Q分級系統QTBM：

式中：RQD0為沿隧道開挖方向的RQD值（%）；σm為沿隧道開挖方向的巖體強度；F為平均切割力；CLI為切片使用壽命指標；q為巖石中石英含量（%）；σθ為開挖面上的重分布應力。

Barton等人于1980年、1993年還提出了依據Q系統計算錨桿長度L、最大不支護跨度、頂板支護壓力Proof的經驗公式：

Bieniawski在綜合111個工程實例的基礎上，于1976年給出了Q與RMR的經驗關系：

但Goel等人在1996提出，Q與RMR之間很難建立令人滿意的經驗關系，因為Q考慮了地應力條件，RMR沒考慮地應力條件；另外RMR考慮了巖塊強度，Q則沒有。所以他建議：用N代替Q（N為SRF取1時的Q值），用RCR代替RMR（RCR為不計巖塊強度指標，且不進行結構面方向修正的RMR值），然后建立N與RCR的相關關系［13］。他們的統計結果表明：

2.7 地質強度指標GSI分級

Hoek于1994年提出GSI（Geological Strength Index）分級［14］。Sonmez和Ulusay于1999年對GSI系統進行了修訂，引入了2個新參數：巖體結構指標SR和結構面條件指標SCR［15］。

為確定巖體結構指標SR，將巖體劃分為4類：B類：鑲嵌良好，未擾動，含3組正交裂隙；VB類：鑲嵌結構，部分擾動，含4組或4組以上裂隙；B／D類：含褶皺或斷層，被多組裂隙切割；D類：碎裂松散巖體。各類別巖體結構形態如圖4所示。依據巖體結構類別或體積節理數Jv，通過查閱圖5中的曲線獲得巖體結構指標SR。

結構面條件指標SCR由三方面因素綜合確定，其一為粗糙系數Rr；其二為風化系數Rw；其三為充填系數Rf。SCR＝Rr＋Rw＋Rf。Rr，Rw，Rf按表7確定。

圖4 不同類型巖體結構形態Fig.4 Different structures of rock masses in GSI system

圖5 巖體結構指標SR確定經驗曲線Fig.5 The curve used to determ ine SR

圖6 經Sonmez和Ulusay修訂的GSI分級系統Fig.6 GSI classification system ad justed by Sonmez and Ulusay

表7 結構面條件指標SCR確定方法Table 7Determ ination of SCR

GSI值由SR和SCR通過查詢圖6綜合確定。Hoek和Brown指出，對于較高質量巖體（GSI＞25），GSI與RMR89′存在以下經驗關系［16，17］：

式中：RMR89′是依據1989年修訂版、地下水條件系數取15、結構面修正系數取0時的RMR值。

2.8 中華人民共和國國標BQ分級

自上世紀70年代以來，國內工程巖體分級的發展與國外基本同步，不同的是，國內工程巖體分級帶有更強的行業或部門色彩。與巖體有關的各行業、各部門，基本上都有本行業的巖體分級體系。如針對地下工程巖體，公路部門有“公路隧道圍巖分類”，鐵路部門有“鐵路隧道圍巖分類”，水利水電部門有“水利水電工程圍巖工程地質分類”，總參工程兵部還提出了“坑道工程圍巖分類”；針對邊坡工程巖體，《建筑邊坡工程技術規范中》給出了“巖質邊坡的巖體分類”；針對工業與民用建（構）筑物地基，《巖土工程勘查規范》和《建筑地基基礎設計規范中》都給出了相應的巖體分級方法［18－20］。

為減小各部門、各行業間由于標準不統一所導致的工作重復、資源浪費等問題，受國家計委委托，水利部、鐵道部、建設部等多部門聯合編制了國標《工程巖體分級標準》（GB50218－94），作為國內適用于各類工程巖體分級的統一方法和綱領性文件。《工程巖體分級標準》的結構如圖7所示。

《工程巖體分級標準》采用兩步走的分級思路，首先依據巖石堅硬程度和巖體完整程度，確定巖體基本質量指標BQ，然后再依據巖體所處工程環境條件，對巖體基本質量指標加以修訂，得到工程巖體質量指標［BQ］。國標還采用定性與定量相結合、經驗判斷與測試計算相結合的分級方法，綜合得到能宏觀反映巖體穩定特征的質量級別［21，22］。

《工程巖體分級標準》自提出以來，得到了各部門、各行業擁護，很多部門都依據國標所提出的分級結構對本行業的巖體分級體系進行了修訂，或者是在國標基礎上，針對本專業特點加以細化，提出了適用于本專業的分級體系。但是《工程巖體分級標準》頒布實施至今，也暴露出了一些問題，如就如何確定工程巖體質量指標［BQ］，標準的說明不夠明確，致使國標在實際應用時感覺深度不夠，很多時候都要借助國內外其它分級方法加以修訂或驗證。

圖7 國標《工程巖體分級標準》（GB50218－94）的主要結構Fig.7 Structure of National Standard for Classification of Engineering Rock Masses（GB50218－94）

3 工程巖體分級方法發展特點

表8列出了目前常用的各類工程巖體分級方法所考慮的分級因素，從中可看出，工程巖體分級方法的發展具有如下特征：

（1）分級指標的內涵有所轉變。其中最明顯的是早期分級普遍比較重視巖塊強度，后期的分級則更關注巖體結構及結構面特征。

（2）分級因素逐漸變多。早期的分級大多只注重某一方面的巖體特征，通常只關注巖體本身的特征；后期的分級所考慮的因素明顯增多，開始更多地關注巖體所處環境條件。

（3）分級指標由定性描述向定性與定量相結合過渡。早期的分級多為定性分級，很大程度上依賴現場工作人員的經驗；后期的分級多為定性與定量相結合，不僅有定性描述，還有定量指標，使分級結果更客觀，使用更方便。

表8 不同工程巖體分級方法所考慮的分級因素對比Table8 Comparison of classification factors in different classification methods

4 工程巖體分級方法發展趨勢

Einstein等人于1979年提出，好的分級方法需要具備以下特征：①容易使用，容易更新；②輸入參數簡單、易獲取；③能準確預測巖體行為；④不易受主觀影響；⑤確保安全且經濟［23］。

后期分級方法的發展總體秉承了上述要求，但近年來，隨著巖體工程實踐的發展，對巖體分級也提出了新的要求，這些新要求從一定程度上反映了工程巖體分級方法的發展趨勢：

（1）巖體工程已逐漸由淺部發展到深部，對淺部巖體，現有分級方法能總體滿足要求，能做出較準確的工程預測，但對深部巖體，現有分級方法會普遍“失靈”。其原因主要在于，控制淺部巖體穩定性的因素與控制深部巖體穩定性的因素存在很大差異，現有分級重點考慮的都是控制淺部巖體穩定性的因素，對控制深部巖體穩定性的因素考慮不足。

（2）現有分級方法，尤其是國內工程巖體分級方法，其立足點多是工程巖體穩定性，分級因素的選取原則大多為是否對穩定性產生影響。但在巖體工程實踐中，對工程巖體分級往往有更多需求，如希望通過分級，獲得巖體參數、確定支護措施等。一方面，現有分級系統需要對輸出信息有所擴充，除輸出巖體級別及穩定性外，還需輸出各級別巖體建議參數及處治措施；另一方面，由于影響巖體參數、支護措施的因素與影響巖體穩定性的因素并不完全一致，即使現有分級系統能準確預測巖體穩定性，并不一定就能準確預測巖體參數，或者給出合理的工程處治措施，現有分級方法需要就此作進一步修訂和補充。

（3）國內巖體分級目前仍存在“百花齊放、百家爭鳴”的態勢，部門、行業間的分級體系不配套、不統一，由此不僅造成極大資源浪費，而且不利于整個分級體系的發展。

5 工程巖體分級方法改進建議

作為國內外第一個跨行業的通用基礎性巖體分級國家標準，《工程巖體分級標準》已逐漸被廣大工程人員所接受，在實際工程中也得到了越來越多的應用。《標準》從很大程度上直接反映了國內工程巖體分級的現狀及水平。如果能夠針對《標準》的不足，對《標準》作進一步的修訂和補充，勢必將推動標準的普及應用，對改善國內工程巖體分級“百家爭鳴”的現狀也將有積極意義。本節中，將主要針對《工程巖體分級標準》提出改進建議。

《工程巖體分級標準》的框架非常明確，首先依據巖石堅硬程度和巖體完整程度確定巖體基本質量指標，然后再結合巖體所處環境條件對基本質量指標進行修訂，得到工程巖體質量指標。巖石堅硬程度和巖體完整程度兩項指標能夠表征巖體基本質量，但是基本質量指標BQ的計算公式是否合理，需要進一步驗證；而且BQ定量指標與定性描述是否完全吻合，由定量指標確定的巖體級別與由定性特征確定的巖體質量級別是否完全一致，也需要進一步校驗。

《工程巖體分級標準》在實際應用中反映出的最大問題在于工程巖體質量指標［BQ］的確定上，尤其針對邊坡工程巖體，標準只給出了指導性意見，沒有給出具體的需要考慮的因素及取值方法，這極大地阻礙了《標準》的應用。建議針對壩基、邊坡、地下工程等幾類常見巖體，在《標準》中給出明確的工程巖體質量指標［BQ］的確定方法。其中邊坡工程巖體可以參照SMR或CSMR系統，地下工程巖體可以參照Q系統。

擴充《工程巖體分級標準》的輸出信息，在基本質量指標基礎上，完善物理力學參數取值表；在工程巖體質量指標基礎上，給出自穩能力及建議支護措施。

作為國標，《工程巖體分級標準》需要與時俱進，需要反映巖體工程研究領域的新成果，需要解決實際工程中出現的新問題。針對深部巖體或處于復雜應力條件下的巖體，《標準》需要給出指導性原則，闡明其與淺部巖體的差異，或者對現有分級方法的適用條件給出明確界定。

《工程巖體分級標準》頒布之后宣貫不夠，也在很大程度上阻礙了《標準》的應用和推廣。在對《標準》進行修訂的同時，還需要通過開展培訓等形式加強對《標準》的宣貫力度。

在完善《標準》自身的同時，還需要采取強制性措施，使各部門、各行業的標準盡量向國標“靠攏”，在國標所規定的框架內進一步細化、發展，逐步改變國內工程巖體分級的凌亂現狀，使其有序化。

6 結論與建議

首先按時間脈絡介紹了國內外應用相對廣泛的工程巖體分級方法，在此基礎上，分析了工程巖體分級的發展歷程，指出工程巖體分級的發展具有如下特點：隨著工程人員對巖體認識的不斷深入，巖體分級所考慮的核心因素由最初的巖塊強度逐漸過渡到巖體結構和結構面特征，由最初的僅考慮巖體本身的特征逐漸過渡到綜合考慮巖體自身特征及周邊環境條件，由最初的定性分級逐漸過渡到定量與定性相結合的綜合分級。

巖體分級方法的發展具有如下趨勢：首先，現有分級體系已難以滿足深部巖體工程或復雜條件下巖體工程實踐的需求，有進一步修訂和發展的必要；另外，現有分級體系的輸出信息較為單一，大多只有巖體穩定性，需要將輸出信息擴充，使之能包含巖體參數及處置措施；最后，國內工程巖體分級方法較為凌亂，有需進一步統一，然后在統一的基礎上再進行細化的必要。針對《工程巖體分級標準》的不足，從分級指標、輸出信息、適用條件、宣貫推廣等幾個方面給出了具體的改進建議。

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（編輯：姜小蘭）

Review on the Classification of Engineering Rock M ass

YIN Hong mei1，ZHANG Yi hu2，ZHOU Huo ming2，ZHONG Zuo wu2
（1.CCCC Second Harbor Consultants Co.，Ltd.，Wuhan 430000，China；2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Rockmass classification is an importantmeans for engineers to identify the properties of engineering rock mass.The developmentof the classificationmethods somewhat reflects the status quo of rock engineering.The com monly used classification methodswere introduced so as to elaborate on the characteristics of classification method development as follows：1.the core factor changed from the strength of rock block to the rock mass structure and the properties of structural plane；2.apart from the properties of rock block itself，the surrounding conditions of the rock were also covered in nowadays classificationmethods；3.instead of qualitative classification，the integration of qualitative classification and quantitative classification were used in the newly developedmethods.It’s also summa rized that the classificationmethods exhibit the following developing trends：firstly，classificationmethods should be developed tomeet the requirements of rock engineering in deep or complex conditions.Secondly，the output infor mation should not only include rock stability states，but also parameters and treatingmethods.Thirdly，domestic classification systems are disordered and inefficient，and therefore needs to be unified and subdivided.Suggestions are also given to improve the classification systems.

rock mass；quality；classification；status quo；improve

P588；TU457

A

1001－5485（2011）08－0059－08

2010 09 19；

2010 12 13

“十一五”國家科技支撐計劃專題（2008BAB29B01－1）；973課題（2011CB710603）；水利部公益性行業科研專項經費項目（201001008）

尹紅梅（1979 ），女，湖南南縣人，碩士，工程師，主要從事公路工程設計及地質災害研究工作，（電話）13554098335（電子信箱）yinmei20＠163.com。