大型地下洞庫巖體力學參數取值及工程應用中國石油天然氣管道局科技資助（局科10-1-A）

任文明，梁久正

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

大型地下洞庫巖體力學參數取值及工程應用中國石油天然氣管道局科技資助（局科10-1-A）

任文明，梁久正

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

節(jié)理巖體強度與力學參數可通過最新版的廣義Hoek-Brown破壞準則進行估計，其預測結果能夠滿足工程應用。建立在現場工程巖體詳細工程地質勘察基礎上的Q系統法，不僅為確定巖體GSI指標提供了便利，也可用于詳細設計階段的支護設計。通過工程應用說明了采用Hoek-Brown破壞準則預測節(jié)理巖體力學參數的過程。

巖體力學；參數；地質強度指標GSI；Q系統法；地下洞庫

0 引言

在地下洞室、隧道、邊坡等巖體力學工程的設計或數值軟件模擬分析中，經常需要用到巖體力學參數，巖體力學參數可通過現場實驗來獲得，但這通常比較耗時，費用高，實驗結果可靠性有時還有待商榷。為解決這一工程問題，許多巖體力學工作者做了大量卓有成效的工作[1-8]，目前應用較為廣泛的用來預測巖體力學參數的新方法是2002版廣義Hoek-Brown破壞準則。

在廣義Hoek-Brown破壞準則中一個非常重要的輸入參數是地質強度指標GSI，GSI是Hoek在Bieniawski的RMR巖體分類系統基礎上進行局部修正后提出的，去掉了RMR中的地下水和節(jié)理產狀影響[9]。1995年之前，RMR巖體分類系統在工程應用中有較好的效果，因為這時遇到的工程巖體質量相對較好 （30

在前人研究的基礎上，基于2002版廣義Hoek-Brown破壞準則，對某地下洞庫項目初步設計階段巖體穩(wěn)定分析中力學參數取值問題進行了研究，在對場地工程地質勘察報告進行詳細分析研究后，采用GSI系統分析確定巖體力學參數。

1 廣義Hoek-Brown破壞準則

Hoek-Brown強度準則是Hoek等在參考格里菲斯經典強度理論的基礎上，通過大量實驗，首先于1980年提出的巖體非線性破壞經驗準則。其強度估算的普遍公式為：

式中σ′1——巖體破壞時的最大有效主應力；

σ′3——巖體破壞時的最小有效主應力；

σci——組成巖體的完整巖塊單軸抗壓強度；

s，a——材料常數；

mb——通過材料常數mi折減得到。

式中D——巖體擾動參數，主要考慮爆破破壞和

應力松弛對節(jié)理巖體的擾動程度。

由式 （1）可得巖體單軸抗壓強度σc和抗拉強度 σt：

巖體變形模量Em（GPa）采用下式：

式 （7a）適用于 σci≤100 MPa，式 （7b） 適用于 σci>100 MPa。

考慮巖體整體行為時的巖體強度σ′cm為：

當 σt< σ3< σ′3max（σ′3max為側限應力的上限），通過對式 （1）表征的曲線進行線性擬合，可得等效Mohr-Coulomb參數，摩擦角φ和黏聚力c：

式中γ——巖體容重；

H——隧道埋深。

如果水平應力大于垂直應力，應采用水平應力代替γH。

2 巖體GSI值的量化

GSI系統的核心工作是對工程巖體進行詳細的地質勘察，以便獲得不同巖體的GSI值，進而根據Hoek-Brown準則計算巖體力學參數。Hoek根據自己的研究給出了每類巖體的GSI指標范圍。從工程師的角度，希望得到GSI指標的準確值，基于這一目的，Sonmez和Ulusay提出了一種GSI指標量化方法[10]，在Sonmez等的GSI量化系統中，主要考慮了兩個因素，巖體結構等級SR（structure rating）和結構面表面特征等級SCR（surface condition rating）。蘇永華[11]引入巖體塊度指數和風化指標對GSI取值進行量化。

GSI系統量化過程的重要因素是不連續(xù)面的數量和方位，只有在這些參數易于量測的工程巖體中，GSI指標量化才有意義。通常在構造作用發(fā)育的工程巖體中，巖體結構受到破壞，不連續(xù)結構面的數量和方位不易準確獲得，這種情況下還是應采用Hoek提出的GSI參考值，在地下洞室、隧道和邊坡等穩(wěn)定分析中，一般情況下是可以滿足工程要求的。

也有采用通過RMR值或Q值與GSI的關系式來計算GSI指標，在質量較好巖體中，應用效果良好；但是在非常差和非均質巖體中 （如GSI<35）,不建議采用這種關系式來確定GSI指標[6]。

3 工程應用

3.1 概述

某地下洞庫工程，在初步設計階段根據勘察規(guī)范進行了詳細的工程地質勘察，場區(qū)出露地層有太古界表殼巖系、中元古界長城系、古生界寒武系、中生界侏羅系~白堊系和新生界第四系。巖石主要是太古界變質巖和燕山期侵入巖，發(fā)育多條斷層以及各種節(jié)理裂隙。

該區(qū)侵入巖主要是燕山期花崗巖，中粗粒結構，塊狀構造。主要礦物成分為鉀長石和石英。地表巖石風化強烈，向深部變弱。

為了模擬分析地下洞室結構穩(wěn)定性，正確選取現場巖體力學參數作為數值分析軟件的輸入參數就顯得頗為重要。

3.2 Q系統和GSI指標

巖體質量主要取決于巖體破裂程度，根據組成巖體的完整巖塊性質、破裂程度、節(jié)理產狀等可給出巖體質量分級，本工程主要采用Barton提出的Q系統。

根據現場的工程地質勘察，首先定出工程開挖中可能遭遇到的巖石分類，基于Barton的Q系統，計算出每類巖石的Q值；其次通過各種巖石在場區(qū)分布情況的統計分析，得出每類巖石的概率分布值。

經過分析，地質工作者給出了場區(qū)遭遇到的10種巖石分類，分類時考慮了巖性 （花崗巖，鐵鎂質和酸性侵入體）、構造、風化和熱液蝕變作用的影響。具體分類情況見表1。

根據Q分類系統，可將場區(qū)遇到的巖體分為5種，見表2。仔細分析按Q值的巖石分布情況，大體呈雙峰分布 （bimodal distribution），即很差、差巖體分級以及很好巖體分級。

場區(qū)工程地質勘察過程中，為獲得較為詳細的工程地質、水文地質情況等，項目組做了大量的工作，先后完成了工程地質鉆探、綜合水文地質實驗、水文干涉實驗、孔內波速測試、孔內超聲波成像、地溫測試、室內巖石實驗等工作內容，現將Hoek-Brown準則所需要的完整巖塊單軸抗壓強度σci和彈性模量Ei列于表3。

表1 巖石分類情況

表2 巖體分級對應的GSI指標

表3 單軸抗壓強度和彈性模量

為考慮地下洞室開挖時爆破對圍巖穩(wěn)定的擾動影響，設擾動系數D=0.8，根據2002版Hoek-Brown準則，利用RocLab軟件計算的花崗巖的Hoek-Brown巖體參數和等效Mohr-Coulomb巖體參數見表4。

根據Hoek-Brown準則計算得到的巖體參數被用于地下洞室的平面及三維結構穩(wěn)定分析中，項目組采用通用有限元程序ABAQUS對地下儲油洞室結構穩(wěn)定性進行了分析 （見圖1～3），結果表明在該廠區(qū)的巖體條件下是適合建設地下洞室的，滿足安全性、經濟性指標。

4 結論

（1）節(jié)理巖體的力學參數可根據最新版的Hoek-Brown破壞準則計算得到，省去了大量的現場力學實驗，只要獲得組成巖體的完整巖塊的單軸抗壓強度σci和GSI指標即可。Hoek-Brown為節(jié)理巖體力學參數的估計提供了簡捷、經濟、適用的新途徑。

（2）在確定巖體GSI指標時，不必過分追求GSI系統的量化，在對場地進行詳細的工程地質勘察后，可以參考Hoek給出的每類巖體的GSI值。

（3）Barton的Q系統為確定GSI指標奠定了良好基礎，并且也可以用于詳細設計階段的地下洞室支護設計，建議大型地下工程可以采用Q巖體分級系統，雖然它目前在國內應用得比較少。

[1]Bieniawski Z T.Rock Mass Classification in Rock Engineering[A].Proceedings Symposium on Exploration for Rock Engineering[C].Cape Town：SERE，1976.97-106.

[2]Barton N，Lien R，Lunde J.Engineering Classification of Rock Masses for the Design of Tunnel Support[J].Rock Mechanics，1974，6（4）：183-236.

[3]Hoek E，Brown E T.Empirical Strength Criterion for Rock Masses[J].Journal of Geotechnical Engineering，1980，106（GT9）：1 013-1 035.

[4]Kalamaras G S，Bieniawski Z T.A Rock Mass Strength Concept for Coal Seams Incorporating the Effect of Time[A].8th ISRM Congress[C].Tokyo：ISRM，1995.295-302.

[5]Hoek E.Strength of Rock&Rock Masses[J].ISRM News Journal，1994，2（2）： 4-16.

[6]蔡斌，喻勇，吳曉銘.《工程巖體分級標準》與Q分類法、RMR分類法的關系及變形參數估算[J].巖石力學與工程學報，2001，20（增）：1 679-1 681.

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[9]Marinos V，Marinos P，Hoek E.The geological strength index：Applications and limitations[J].Bull.Eng.Geol.Environ.，2005，64（1）：55-65.

[10]Sonmez H,Ulusay R.Modifications to the geological strength index（GSI） and their applicability to the stability of slopes[J].Int J Rock Mech Min Sci，1999， 36（6）：743-760.

[11]蘇永華，封立志，李志勇，等.Hoek-Brown準則中確定地質強度指標因素的量化[J].巖石力學與工程學報，2009，28（4）：680-685.

Selection and Engineering Application of Rock Mechanical Parameters for Large Underground Rock Cavern

REN Wen-ming（China Petroleum Pipeline Engineering Co.,Ltd.,Langfang 065000,China），LIANG Jiuzheng

The strength and mechanical parameters of jointed rock mass can be estimated in terms of the lately generalized Hoek-Brown failure criterion,the estimated results can be applicable in project properly.Q system based on careful geology observations of in situ rock mass provides convenience to determine rock mass index GSI.Furthermore,it can be applied in detailed support design.An engineering calculation process shows how the mechanical parameters of jointed rock mass are estimated by means of Hoek-Brown failure criterion.

rock mechanics;parameter;geological strength index GSI;Q system;underground rock cavern

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.004

任文明 （1981-），男，河南輝縣人，工程師，2007年畢業(yè)于中國石油大學 （華東）巖土工程專業(yè)，碩士，目前主要從事地下洞室的工程設計工作。

2011-01-03；

2011-11-17