由體積節理數確定巖體完整性的方法探討

連 凌 云

(遼寧水文地質工程地質勘察院,遼寧 大連 116037)

1 概述

隨著我國公路、鐵路、水利水電、礦山開采等建設事業的發展，越來越多的隧道工程與日俱增，如公路隧道、鐵路隧道、水利水電工程隧道、礦山巷道等。由于地質條件的復雜性、多變性和模糊性，巖體質量也呈現出各種各樣的程度，如巖體非常完整巖石強度非常高的好巖體，或者巖體松散巖石幾乎無強度的差巖體。巖體質量的好壞決定了巖體工程的設計、開挖與支護方案，同時也決定了成本核算、質量控制、進度編排等管理工作的具體內容。因此圍巖質量程度的確定對隧道工程而言是極其重要的。

現行我國圍巖質量的確定是以《工程巖體分級標準》為依據，即把巖體質量由好到差分為了6個級別。確定巖體級別的兩個重要因素是巖石強度和巖體的完整性，其中對于巖體的完整性的確定，在工程實踐當中仍存在一些模糊，如今年注冊巖土工程師專業考試當中一道關于巖體完整性判定的案例分析題，據說99%的考生無從下手，這也從一個側面反映出工程技術人員在現場判定巖體完整性時的欠缺。基于此，本文幾何規范，以該案例分析為例對巖體完整性的判定予以分析討論。

2 巖體分級簡介

GB/T 50218—2014工程巖體分級標準是現行我國巖體分級方法與程序的基本依據，其建議的巖體分級采用BQ法，以巖石的堅硬程度和巖體的完整程度為主，采用定性判定與定量判定相結合的綜合判定方法。

2.1 定性判定

2.1.1 巖石的堅硬程度

巖石堅硬程度的定性劃分以地質錘對巖石錘擊時的手感、擊碎程度及聲音和巖石的浸水反應為主，把巖石劃分為堅硬巖、較堅硬巖、較軟巖、軟巖和極軟巖一共5個類別。從堅硬巖到極軟巖，錘擊聲由清脆逐漸過渡到啞，回彈程度由有回彈逐漸過渡到無回彈，震手反應由震手逐漸過渡到有凹痕，擊碎程度由難擊碎逐漸過渡到手可捏碎，浸水反應由無吸水反應逐漸過渡到可捏成團。

在劃分巖石堅硬程度時，需考慮巖石的風化程度。風化程度以巖石遭受到的風化劇烈程度劃分為全風化、強風化、中風化、微風化和未風化5個類別。主要是根據巖石結構構造的變異程度、礦物色澤的變化、是否出現鐵錳質渲染、是否出現風化次生礦物或風化夾層等來判定。

2.1.2 巖體的完整程度

巖體完整程度的定性劃分以巖體發育結構面組數、平均間距、結構面的結合程度等為主，將巖體完整程度劃分為完整、較完整、較破碎、破碎和極破碎5個類別。完整一般發育1組～2組結構面，且間距大于1 m，相應的結構類型為整體狀或巨厚層狀；較完整一般發育1組～3組結構面，間距以0.4 m～1 m為主，巖體結構類型主要為塊狀結構；較破碎一般發育2組～3組結構面，間距0.4 m～0.2 m，巖體結構類型為鑲嵌結構；破碎一般發育結構面組數大于3組，間距小于0.2 m，巖體結構以碎裂結構為主；極破碎的結構面呈無序狀態，巖體以散體結構為主。

2.1.3 巖體定性分級

綜合根據巖石的堅硬程度和巖體的完整程度，可以將圍巖級別定性判定Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ和Ⅵ一共六個級別，如表1所示。

表1 圍巖級別定性判定

2.2 定量判定

定量判定以巖石的堅硬程度和巖體的完整程度的定量數據為主，采用式(1)首先計算巖體的基本質量指標BQ。

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

其中，Rc為巖石飽和單軸抗壓強度；Kv為巖體的完整性系數。

使用該式時應遵守下列限制條件：

1)當Rc>90Kv+30時，應以Rc=90Kv+30和Kv代入計算BQ值；

2)當Kv>0.04Rc+0.4時，應以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入計算BQ值。

計算出BQ之后，根據各巖體工程的具體特點，分別考慮地下水、結構面的不利組合以及地應力等因素對BQ進行修正，得到修正后的巖體基本質量指標[BQ]，然后根據BQ或[BQ]對巖體進行分級，如表2所示。

表2 圍巖級別定量判定依據

3 關于巖體完整性系數的討論

巖體的完整性系數是表達巖體完整程度的定量指標，其定義為縱波在巖體當中的傳播速度和巖石當中的傳播速度的比值的平方，即：

(2)

其中，vm為巖體當中的縱波波速；vr為巖石當中的縱波波速。

如果巖體當中存在結構面，則結構面對巖體波速會產生阻礙作用，導致波速下降，因此巖體完整性系數的最大值為1，最小值為0。巖體完整性系數與巖體完整程度的對照情況見表3。

表3 Kv與巖體完整程度的對應關系

盡管隧道工程在勘察階段對巖體進行了圍巖級別的劃分，但由于勘察技術水平的限制，在勘察階段劃分的圍巖級別與施工當中所揭露的實際的圍巖級別之間一般存在較大的差別，因此在隧道工程的施工階段，一般均需要對圍巖級別進行現場判定。

由于巖體的完整性系數是由縱波波速確定的，所以嚴格來講在施工階段應該用巖體和巖石的波速數據確定巖體的完整性系數，但現場波速實驗往往會耗費較大的人力、物力和財力，而且實驗會嚴重影響施工進度，因此在施工階段用波速實驗確定巖體完整性系數是不現實的，《工程巖體分級標準》給出了替代的簡易方法，即用體積節理數來確定巖體的完整性系數。

巖體體積節理數Jv，應選擇在掌子面或巖體完全出露部位進行結構面統計，統計部位的測窗面積，不應小于(2×5)m2。巖體體積節理數Jv值按式(3)計算：

Jv=S1+S2+…+Sn+Sk

(3)

其中，Jv為巖體體積節理數,條/m3；Sn為第n組節理每米長測線上的條數；Sk為每立方米巖體非成組節理條數。

體積節理數Jv與巖體完整性系數Kv的對應關系見表4。

表4 Jv與Kv對照表

4 案例分析

為了詳細說明根據體積節理數來確定完整性系數的方法，選取2018年注冊巖土工程師專業考試上第二題為典型案例進行分析。題目是這樣的：在近似水平的測面上沿正北方向布置6 m長測線測定結構面的分布情況，沿測線方向共發育了3組結構面和2條非成組節理，測量結果見表5，要求確定巖體的完整性。

表5 結構面統計結果

題目的問題是讓考生根據測量數據判定巖體的完整程度，這個題目是典型的出自于隧道工程的實際案例分析。盡管題目告訴了結構面組數，但根據已知條件似乎不能完全確定平均間距和結合程度。因為題目中的實測間距為一個區間值，意思是在這條測線上的間距最小為下限值，最大為上限值，但上限值和下限值的平均值應該不是這一組節理的平均間距，而且題目告訴的結構面特征也不能充分說明結構面的結合程度，因此定性判定的思路似乎不通，應該是用定量方法來判定。

定量判定需要波速數據和體積節理數來確定完整性系數，但題目沒有波速數據，因此只能用體積節理數來計算完整性系數，所以關鍵是如何計算體積節理數。由前述可知，體積節理數的準確定義為每立方米巖體當中的節理數目，關鍵是如何計算出Sn。Sn的定義是第n組節理沿其法向方向在每米長度上的條數，如果知道了節理的平均間距，則Sn即為平均間距的倒數。由于本題目節理平均間距似乎不能確定，所以只能用其他辦法來求Sn。

由地質學知識可知，當測線方向與節理面的法向方向一致的時候，則測線上的總條數除以測線總長度即為Sn。題目中盡管告訴了測線長度和測線上的條數，但測線的方向并不與結構面的法向方向一致，因此必須要將題目當中告訴的測線長度轉換為法向方向的長度，轉化原理圖見圖1，其中OA為實際的水平測線，OE為測線在法向方向的長度，a為測線方向與結構面傾向方向之間的夾角，b為結構面傾角，則OE=OA×cosa×sinb。

由以上分析可得，巖體的完整性系數的計算過程如下：

Jv=4+2.18+4.08+0.33=10.6。

則由Jv與Kv的對應關系可得：

5 結語

通過案例分析可知，由體積節理數確定巖體的完整性系數的時候，需要注意以下幾個問題：

1)明確體積節理數的概念，體積節理數的準確定義為每立方米巖體當中的節理數目，也就是說在巖體當中切取1 m3的巖體，里面一共包含的節理數，包括成組的節理和非成組的隨機裂隙。

2)關于測線的換算，當測線的方向與結構面的法向方向不一致的時候，則必須通過幾何關系對測線的長度進行換算，即將測線的視長度換算為真長度。

3)計算出體積節理數后，利用體積節理數和完整性系數的對應關系，采用插值的方法即可求出巖體的完整性系數。