基于三維地質建模的大型地下廠房巖體質量分級

張建龍，柴建峰，安曉凡，馮秋豐，顏英軍，閆 賓，程亞男，郭福鐘

(1.國網新源控股有限公司抽水蓄能技術經濟研究院，北京 100761；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065；3.加華地學(武漢)數字技術有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引 言

巖體質量是復雜巖體各種工程地質特性的綜合反映，是將復雜的地質體按其工程地質條件的優劣以簡單的類型進行概化，分級結果不僅能反映巖體在巖性、構造、風化、卸荷等方面存在的差異，更能體現巖體力學屬性的差別，是判別巖體優劣，溝通勘察、設計、施工等專業認識的橋梁[1]。巖體質量分級最早應用于地下工程巖體質量評價，經過半個多世紀的研究與發展，已廣泛應用于地下洞室、邊坡、壩基等多個領域。不同時期影響較大的方法有Terzaghi分類、Deere的RQD分級、Wickham的巖石結構RSR分類、Bieniawski的RMR分類、Barton的Q分類，以及谷德振等提出的巖體質量系數Z分類、巖體基本質量指標BQ法、水電巖體工程地質分類HC法等[2- 8]。上述這些常用的評價方法，多是將巖石強度和巖體完整性作為重要的參評因素，結合工程側重點不同，輔以工程修正因素，采用相應的評價指標和分級標準進行分級，巖體質量評價也逐漸由單因素定性分級逐漸向多因素定量指標分級的方向發展。隨著我國西部溪洛渡、錦屏、拉西瓦、小灣等大型水電工程的建設，巖體質量評價在實際工程中發揮了重要作用，而大量地下工程開挖后豐富的現場資料也使巖體質量評價方法得到了驗證和完善，為后建工程提供了寶貴的借鑒經驗。

ItasCAD是基于DSI插值技術，通過數據庫數據應用、三維地質建模以及成果輸出3大模塊建立的針對巖土工程地質體的專業性BIM平臺[9]。本文以鎮安抽水蓄能電站大型地下廠房為研究對象，系統闡述了基于ItasCAD三維地質模型的巖體質量分級方法和過程，進而運用RMR、HC和BQ這3種方法對地下廠房的圍巖質量進行評價，對比分析了不同方法的適用性，可為地下工程巖體質量評價提供參考。

1 基于ItasCAD的巖體質量分級方法

1.1 分級方法選擇

ItasCAD以其獨有的系統框架設計和支撐性技術區別于世界上已經面市的其他相似類型產品，其將勘探、試驗等數據儲存于平臺的數據庫中，以數據庫為基礎建立起包含地質體空間幾何形態特征、巖土工程分析和設計等信息的三維地質模型，具備在含屬性三維地質模型基礎上開發巖土力學分析和巖土工程設計的能力，為水電行業地質三維建模和分析提供了有效的解決方案。

國際范圍內的巖體質量分級方法很多，目前被工程界普遍接受的主要有地質力學分類(RMR)和隧道支護襯砌的圍巖分類(Q)；國內工程主要采用基于GB 50287—2016《水力發電工程地質勘察規范》的水電HC分類以及基于GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》的BQ分類等幾種[10]?；赒分類的巖體質量分級只考慮巖體自身的完整性，未考慮巖塊強度和工程因素，將巖體質量分為9級[11-12]；RMR、HC、BQ這3類方法將巖石的堅硬程度和完整性確定為巖體質量的主因，將巖體質量分為5個不同等級。

考慮到數據庫錄入的統一性，ItasCAD地質三維建模與分析系統嵌入了RMR、HC、BQ這3種分類方法，并且增加了上述方法與Q分類的換算功能。ItasCAD嵌入的這3種巖體質量分類方法具有基本相同的工作理念和流程，支持依據工程類型及其地質條件對分級指標或成果進行修正，同時參數取值涵蓋水電規范與Hoek-Brown系統2種方法，不僅服務復雜條件下巖體力學參數取值，而且具有良好的國際認可程度。巖體質量分級過程嚴格遵循“獲取單指標值、然后求和”的原始要求，通過相對簡單的試驗和測試獲得巖石和巖體基本特征的定量指標，以及通過現場編錄獲得結構面發育特征和性狀以及地下水條件等描述性結果，按照單指標打分匯總的方式獲得巖體質量基本分值，區別于現實工作中直接給出巖體質量等級的工作方式，成果質量更易于得到保障。

1.2 巖體質量分級流程

ItasCAD基于RMR、HC、BQ分級方法建立了一套較為科學的巖體質量分級方法，所需的單指標值都以“隱蔽”的方式存儲于數據庫中，這些鉆孔、平硐以及物探資料和數據是巖體質量分級的基礎。所需的單指標及數據庫錄入界面見圖1。分級前，將目標部位內分級所需的單指標以數據或點集的方式導入三維可視化平臺，在具備上述資料以后，巖體質量分級和參數取值實現過程非常簡捷直觀。

針對復雜地下洞室工程，首先應在圖形界面中定義巖體質量分級范圍，采用裁剪盒命令輔助設置擬開展巖體質量分級的空間范圍，并根據此范圍創建立方網，立方網網格尺寸的大小與指標數據空間間隔接近。然后，按風化卸荷面、特性差別明顯的巖性或地層分界面進行分區，進而得到不同屬性的地質單元體。定義巖體質量分級范圍及地質單元劃分見圖2。

啟動立方網命令中的巖體質量分級操作，選擇立方網及相應的分級方法，導入對應的分級單指標值。洞室群巖體質量分級操作界面見圖3。當分級方式選定后，會自動列出所需的單指標類型，然后依次選擇各分級指標，根據數據準備情況選取賦值的方式，分級單指標來源方式見圖4。參數來源可以選擇“自點集”或“自勘探”傳遞給立方網，而巖石強度指標一般采用試驗統計結果，用“自賦值”的方式賦予立方網。根據建模經驗，不論是采用哪種巖體分級方式，建議巖石單軸抗壓強度采用人工賦值。其中“數值單元百分比”指在所選區域內被賦值的網格比例，建議不超過50%。待分級指標插值完成后開始巖體分級，程序自動將分級范圍內的所有立方網格單元內的分級單指標進行求和，完成巖體質量分級的全過程。

2 鎮安抽蓄地下廠房巖體質量分級研究

2.1 工程概況

鎮安抽水蓄能電站位于陜西省商洛市鎮安縣月河鄉境內，樞紐工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房及開關站等建筑物組成，見圖5。電站裝機容量1 400 MW(4×350 MW)，設計年發電量23.41億kW·h，年抽水電量31.21億kW·h，綜合效率約為75%。工程建成后，主要服務于陜西電網，承擔調峰、填谷、調頻、調相及事故備用等任務。

工程區位于秦嶺褶皺系南秦嶺褶皺帶，據地質調查和勘探平硐揭露，工程區不存在區域性斷裂或貫穿整個庫壩區的規模較大的斷層，外圍歷史強震對工程場地影響較弱，圍巖主要為微風化花崗閃長巖，巖體完整，巖質堅硬，斷裂構造發育一般，未發現大的斷層和軟弱結構面，巖溶不發育。

上水庫位于月河右岸金盆溝，大壩采用混凝土面板堆石壩，最大壩高125.90 m。庫區基巖主要為結晶灰巖和花崗閃長巖，水庫正常蓄水位1 392.00 m；下庫壩區位于月河干流上，大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高95.00 m，庫區兩岸為花崗巖山體，正常蓄水位945.00 m。

地下廠房上覆巖層厚度大，巖性相對較單一，巖石堅硬，斷層規模較小，圍巖相對完整，具備較好穩定性。廠房區域地應力水平較低，地下水活動總體較弱。綜上所述，地下廠房工程地質條件良好。

2.2 地下廠房圍巖質量分級結果

鎮安抽水蓄能電站地下廠房區共布置8條平硐、11個鉆孔，開展了88組室內巖石物理力學試驗、30組現場巖體靜力變形試驗、8組巖體接觸面大剪試驗、7組混凝土與巖體接觸面抗剪強度試驗、3組結構面抗剪試驗，以及多點巖體波速測試工作，為地下廠房的巖體質量分級提供了重要的數據支撐。

地下廠房主要洞室圍巖為微風化花崗閃長巖，巖性相對較單一，因此巖性對圍巖分類影響較小。圍巖分類主要受斷層及層間錯動帶分布以及節理裂隙發育程度等影響。基于三維地質模型的鎮安電站地下廠房巖體質量分級是以PD08、PD10、PD11和PD17這4個平硐的勘探試驗資料為基礎開展的。圖6～8為運用BQ、RMR和HC這3種方法，地下廠房圍巖質量分級的結果。

從圖6～8可知，雖然3種方法都是通過單指標值求和的方式對巖體進行綜合評價，但每種方法評分指標的不同導致了分級結果存在差異。RMR法選取天然狀態巖石單軸抗壓強度、RQD、節理線密度、節理面狀態、地下水條件這5個指標進行評分，先將各得分值相加得到RMR法的初值，再根據不連續面產狀與硐室關系的評分對RMR初值進行修正，得到最終的RMR值。因此，RMR建立在綜合特征值確定的基礎上，偏重于定性觀察，突出節理結構面對巖體穩定性的影響，是一種定性為主、定量為輔的分級方法。水電HC分級法選取巖石飽和單軸抗壓強度、巖體縱波波速、節理面狀態、地下水條件及巖體質量指標RQD這5個指標進行評分，是定性與定量相結合的分級方法。BQ分級主要選取飽和狀態巖石單軸抗壓強度、巖體縱波波速以及地下水條件這3個指標進行評分，是以巖石堅硬程度、巖體完整程度為基本因素，針對工程巖體特征，考慮地下水、軟弱結構面和地應力等因素進行修正，是一種定性與定量相結合的分級方法。

對于同一工程，在巖體、構造應力、裂隙發育程度、波速以及地下水等工程地質特性相同情況下，BQ反映巖體的基本質量，RMR和HC則反映工程巖體質量。對比分析結果顯示，在標準統一的條件下，巖體的基本質量級別通常會略高于工程質量級別，這是RMR、HC和BQ這3種分級方法產生差異的根本原因。陳理想等[13]也通過大量試驗發現，對于同一工程，BQ和HC法取值較RMR法相對保守，所得的圍巖分級較RMR法往往偏小1～2個級別。

雖然各種方法的分級參評因素不同，但都是以巖體結構完整性和巖石強度為控制巖體質量和分級的基礎，使得它們之間具有可比性和相關性[14-17]。此外，各方法所得的巖體分級結果可以相互驗證，提高了巖體質量綜合評價和分級結果的可靠性。因此，通過ItasCAD內置這3種方法進行分級，能夠獲得被工程界廣泛認可的巖體質量評價結果。

3 結 語

本文以鎮安抽水蓄能電站為例，基于ItasCAD平臺建立了大型地下廠房的三維地質模型，對圍巖質量進行分析與評價，得出以下結論：

(1)ItasCAD將BQ、HC、RMR這3種巖體質量分級方法綜合使用，起到相互借鑒和補充的作用，更為真實地反映巖體的質量。同時，為各種方法的評價結果提供了統一認識及相互驗證的依據。

(2)對于同一工程，在巖體、構造應力、裂隙發育程度、波速以及地下水等工程地質特性相同情況下，BQ反映巖體基本質量，RMR和HC則反映工程巖體質量。對比分析結果顯示，在標準統一的條件下，巖體的基本質量級別通常會略高于工程質量級別。