改進(jìn)的GSI系統(tǒng)在洞室圍巖力學(xué)參數(shù)識別中的應(yīng)用

眭敏磊，張發(fā)明

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210098）

在地下工程中，工程巖體的物理力學(xué)指標(biāo)的選擇是需要慎重考慮的，巖體的變形和強(qiáng)度特性由諸多因素控制，包括巖石強(qiáng)度、巖體完整程度、地下水、初始應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)面與洞軸線的空間關(guān)系、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)等。結(jié)構(gòu)面廣泛存在于巖體中，不同的結(jié)構(gòu)面幾何特征和性狀對巖體的影響程度不同，相同的結(jié)構(gòu)面特征對不同巖性的巖體的影響也不盡相同。為了在工程中經(jīng)濟(jì)合理地進(jìn)行巖體開挖和支護(hù)設(shè)計、安全施工，必須對工程巖體穩(wěn)定性作出評價。對于分析判斷工程巖體穩(wěn)定性的數(shù)值計算和物理模型試驗，需要獲得巖體的物理力學(xué)參數(shù)。經(jīng)驗公式法是建立在以往大量工程實踐經(jīng)驗和巖石力學(xué)室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上的一種簡易方法，只需少量的地質(zhì)勘察和巖石力學(xué)試驗就能確定工程巖體級別，估算出物理力學(xué)參數(shù)，確定工程巖體穩(wěn)定性，因而被普遍接受。GSI體系是Hoek［1］于1995年提出工程巖體分類系統(tǒng)。1998年，Hoek 和 Marnio［2］在 GSI表進(jìn)行增加且對 GSI巖體分類表進(jìn)行量化，使其更方便使用。李達(dá)等［3］對GSI體系進(jìn)行修正，主要通過結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對巖體結(jié)構(gòu)等級SR的修正，引入結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對GSI取值的影響。筆者認(rèn)為結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響，可能是通過對結(jié)構(gòu)面條件等級的影響，來達(dá)到對GSI體系的修正。而在傳統(tǒng)的GSI體系中，未考慮結(jié)構(gòu)面組合對GSI取值的影響，顯然結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與其他幾何特征一樣都是對巖體的變形和強(qiáng)度有重要影響的，本文擬通過結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對結(jié)構(gòu)面條件等級SCR的修正，以達(dá)到對GSI取值的修正。

2 GSI體系與改進(jìn)的GSI體系

2.1 傳統(tǒng)GSI體系

GSI（Geological Strength Index）地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)，通過巖體結(jié)構(gòu)特征（SR）與結(jié)構(gòu)面條件（SCR）特性（粗糙度、充填、風(fēng)化程度等）的描述對SR和SCR分別進(jìn)行評分，進(jìn)而評價巖體質(zhì)量。在GSI體系中（Hoek et al.1998），巖體結(jié)構(gòu)被劃分為4個等級，結(jié)構(gòu)面表面條件劃分為5個等級，缺乏定量標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致在工程中應(yīng)用性較差。Sonmez［4］提出基于GSI體系中的巖體結(jié)構(gòu)等級SR和結(jié)構(gòu)面表面特性的定量描述方法，且擬合了SR與體積節(jié)理密度Jv的定量關(guān)系:

而結(jié)構(gòu)面的條件特征SCR由3個部分組成:SCR=Rr+Rw+Rf，其中 Rr、Rw、Rf分別為粗糙度、風(fēng)化程度和充填。Hoek和Brown基于Griffith的斷裂理論，通過大量三軸試驗資料和巖體現(xiàn)場試驗結(jié)果的分析統(tǒng)計，提出廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則。Hoek［5］考慮巖體擾動因素，提出了根據(jù)GSI值確定H-B參數(shù)的關(guān)系式，之后又補(bǔ)充了巖體變形模量與GSI的關(guān)系式［6］。

2.2 改進(jìn)的GSI體系

2.2.1 SR 的計算

巖體結(jié)構(gòu)特征等級（Structure Rating）是對巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面組成的巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行評分，SR可以根據(jù)體密度Jv、塊體大小Vb或RQD計算得出。體積節(jié)理數(shù)Jv指單位體積巖體內(nèi)的節(jié)理總數(shù)，是（ISRM）國際巖石力學(xué)委員會推薦來描述巖體節(jié)理化程度和單元巖體塊度的指標(biāo)之一。在工程應(yīng)用中，直接求得Jv困難，通常是通過測線法和測窗法先測得結(jié)構(gòu)面的線密度（Jl）和面密度（Ja）。根據(jù)已有的線密度資料，可參照工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)（GB50218-94）建議的體密度與線密度的關(guān)系式:

式中，Jln為第n組節(jié)理組的線密度，即每米長測線上的節(jié)理數(shù);Jk為每立方米非成組節(jié)理條數(shù)。Palmstr?m［6］通過大量的實測數(shù)據(jù)，得出節(jié)理面密度和體積節(jié)理數(shù)間存在較好的線性相關(guān)性，即:

式中，Na為面密度;K為相關(guān)系數(shù)，取值在1～2.5之間變化，均值為 1.5，當(dāng)測面與主要節(jié)理組走向平行時，K值取2.5;主要節(jié)理組走向與測面銳夾角為φ，由以上條件擬合出相關(guān)系數(shù)和夾角的關(guān)系曲線得出K關(guān)于夾角φ的關(guān)系式:

筆者認(rèn)為巖體等效影響參數(shù)K’可通過各組節(jié)理組的Ki值取加權(quán)平均值，即:

式中，n為巖體中節(jié)理組數(shù);ni為第i組節(jié)理組節(jié)理面密度。Jv可通過下式求解:

2.2.2 SCR 值計算的改進(jìn)

GSI體系未考慮結(jié)構(gòu)面組合對工程巖體的影響，傳統(tǒng)確定SCR取值的方法［7］沒有考慮巖體開挖面和建筑物之間的空間效應(yīng)。事實上由于結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀不同，結(jié)構(gòu)面與洞軸線的組合關(guān)系不同，對工程巖體穩(wěn)定的影響程度也不同。

在結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分組的基礎(chǔ)上，按其傾角和傾向進(jìn)行進(jìn)一步分組，參照工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)（GB50218-94）對主要軟弱結(jié)構(gòu)面影響修正的相關(guān)建議，確定結(jié)構(gòu)面組產(chǎn)狀對SCR的影響系數(shù)Ai，Ai為與巖體基本質(zhì)量BQ相關(guān)的系數(shù)。

Ai為節(jié)理組產(chǎn)狀對SCR的影響因子，根據(jù)結(jié)構(gòu)面與洞室軸線夾角越小，相對開挖面傾向外，中緩傾角的結(jié)構(gòu)面對圍巖力學(xué)參數(shù)影響較大的原理，從而通過Ai修正結(jié)構(gòu)面條件參數(shù)SCR，影響系數(shù)越大，該組結(jié)構(gòu)面的SCR越大。則各組結(jié)構(gòu)面的評分取值分別為 Rwi’=Rwi× Ai，Rfi’=Rwi× Ai，Rri’=Rri×Ai。即第i組結(jié)構(gòu)面的SCR值為SCRi=Rwi’ +Rfi’+Rri’。

式中ki為第i組節(jié)理組的產(chǎn)狀修正系數(shù);ni為第i組節(jié)理組占總節(jié)理數(shù)的比例。

表1 SCR修正系數(shù)取值及結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計Tab.1 Modified parameters of SCR and statistics of structure planes

表2 各組結(jié)構(gòu)面表面特征SCR值統(tǒng)計Tab.2 Statistics results of surface characteristics rating（SCR）of structure planes

表3 不同修正條件下GSI和強(qiáng)度參數(shù)計算結(jié)果Tab.3 Strength parameters of H-B and M-C failure criterion and deformation modulus

文獻(xiàn)［3］在文中所取的結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計結(jié)果見表1，基于分組統(tǒng)計Jv的思路，可得巖體等效影響參數(shù)K’取值為 K’=1.503，計算得結(jié)構(gòu)面體密度Jv=1.01 條/m3，將 Jv代入式（1）中可得 SR=79.6。根據(jù)測窗內(nèi)結(jié)構(gòu)面性質(zhì)的描述和其他地質(zhì)編錄資料結(jié)果分析，確定各組結(jié)構(gòu)面的條件評分，代入式（7）、（8）分別確定產(chǎn)狀對其影響系數(shù)Ai及其SCR值如表2所示，代入式（8）得SCR=10.5。而傳統(tǒng)的計算SCR的方法得出結(jié)果為12。

根據(jù) Sonmez［4］繪制的 GSI體系量化圖，可得SCR未改進(jìn)時，GSI=73.70;根據(jù)文獻(xiàn)［3］中的SR改進(jìn)法計算得 GSI=70.8;SCR改進(jìn)后，GSI=66.00。平均單軸抗壓強(qiáng)度為79.74 MPa，巖體擾動因子D取0.7，巖體材料參數(shù)mi取29，可計算出圍巖的H-B強(qiáng)度參數(shù)、M-C強(qiáng)度參數(shù)和巖體變形模量如表3所示。

對比可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)SCR法相對于改進(jìn)SR的計算結(jié)果偏小，而二者相較與傳統(tǒng)的GSI體系計算結(jié)果來說都是較小的，這也說明結(jié)構(gòu)面的組合產(chǎn)狀存在著對巖體強(qiáng)度的弱化。對比文獻(xiàn)［3］中反演的結(jié)果，c=2 MPa，φ=58°?？芍猄CR改進(jìn)方法相對于SR改進(jìn)方法，粘聚力c更接近于反演值，誤差減小了約10%，而摩擦角φ相對于反演值有微小的偏移。

3 工程應(yīng)用

句容抽水蓄能電站上水庫正常蓄水位267.00 m，死水位239.00 m，總庫容1 706×104 m3。壩型為鋼筋混凝土面板堆石壩，主壩最大壩高約175.00 m，壩頂長度為779.68 m。輸水發(fā)電系統(tǒng)位于侖山山體內(nèi)，設(shè)計三洞六機(jī)。隧洞總長1 337.80 ～1 372.10 m，靜水頭差最大為201 m，除引水上平洞及部分尾水洞外，均采用鋼板襯砌。地下廠房245.50 m×25.30 m×57.20 m（長×寬×高），位于-10 m高程，總裝機(jī)容量6×225 MW。

根據(jù)《句容抽水蓄能電站預(yù)可行性研究階段專題研究報告》，就整體而言，輸水線路由上庫左岸穿過侖山主峰后直達(dá)下水庫右岸，軸線方向為N42°E →N43°E→ N28°E，沿線山體雄厚，沖溝不發(fā)育，僅北西側(cè)發(fā)育一條深切沖溝（F8斷裂發(fā)育帶），溝向近SN，溝源與輸水線相距約200 m，地面高程為80～400 m，上水庫進(jìn)/出水口坡度較陡為35～40°，主峰至下水庫進(jìn)/出水口坡度為25～30°，沿線基巖大范圍裸露，呈弱風(fēng)化～微風(fēng)化狀。不良物理地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育，地表植被發(fā)育。

PD2洞軸線走向為S28°W，在平硐PD2內(nèi)發(fā)育有8組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，其走向與洞軸線的夾角及其傾角如表4所示。采樣區(qū)域巖體主要以Ⅲ類為主，取其巖體基本質(zhì)量平均值400，求得相應(yīng)的結(jié)構(gòu)面參數(shù)影響系數(shù)Ai詳見表4。

表4 結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線走向夾角及其影響參數(shù)的估計Tab.4 The angle between strike of structure planes and axis of tunnel and estimation of modified parameters

表5 H-B和M-C參數(shù)Tab.5 Strength parameters of H-B and M-C failure criterion

根據(jù)結(jié)構(gòu)面性狀描述，確定各組結(jié)構(gòu)面的條件評分，及其產(chǎn)狀與洞軸線之間的關(guān)系確定結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的修正系數(shù)Ai，然后確定各組結(jié)構(gòu)面的SCR值，將各組結(jié)構(gòu)面的SCRi評分值代入式（8）得SCR=12.95。而傳統(tǒng)的計算SCR的方法得出的是 SCR=13.75。

圍巖巖性主要為白云巖及灰?guī)r，平均單軸抗壓強(qiáng)度為46 MPa，平均巖體變形模量為44.1 GPa，主廠房爆破開挖效果良好，擾動系數(shù)取0.5，H-B常參數(shù)mi為10，結(jié)構(gòu)面間距統(tǒng)計置信區(qū)間為43～53 cm，根據(jù) Palmstr?m［5］總結(jié)的 SR 與 Jv、Vb、S 及RQD的關(guān)系式及圖表，估算得SR≈47。根據(jù)Sonmez［4］繪制的 GSI體系量化圖，可得 SCR 未改進(jìn)時，GSI=56.70;SCR 改進(jìn)后，GSI=53.50。然后根據(jù)Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則2002年的最新修正，確定σ3max約為3 MPa，依據(jù)GSI值與H-B參數(shù)之間的關(guān)系式，計算出圍巖的H-B強(qiáng)度參數(shù)如表5所示，結(jié)合Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，可求得圍巖的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，在低圍壓下進(jìn)行回歸分析，得到圍巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表5所示。

PD2主要圍巖為白云巖及灰?guī)r，基于現(xiàn)場變形試驗和室內(nèi)試驗（句容抽水蓄能電站預(yù)可行性研究階段專題研究報告）給出隧洞圍巖的力學(xué)指標(biāo)建議值 Em=8.0 Gpa，c=0.87 MPa，φ=38.5°。

比較表5和隧洞圍巖的力學(xué)指標(biāo)建議值可以發(fā)現(xiàn):相較于建議值，未改進(jìn)的GSI體系計算的變形模量和粘聚力結(jié)果偏大;改進(jìn)的GSI體系則相應(yīng)的分別減小約22.3%和8.3%;而摩擦角比較相近的。若按傳統(tǒng)的GSI體系對圍巖的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行估計，得到的值需進(jìn)行折減，經(jīng)過改進(jìn)之后得到明顯改善。開挖擾動明顯弱化了巖體力學(xué)參數(shù)，比較分析改進(jìn)SCR時的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):相對于不考慮開挖擾動時圍巖的計算結(jié)果，考慮擾動時的圍巖等效變形模量的影響最大，減小約50%，c減小了約 20%，而 φ值變化較小，亦減小了約10%。

4 結(jié)論

（1）結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀對巖體整體強(qiáng)度的影響應(yīng)是通過對巖體結(jié)構(gòu)面條件SCR的弱化，以達(dá)到對GSI取值的影響。

（2）在地下工程中，巖體結(jié)構(gòu)面條件SCR應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與開挖面的空間關(guān)系。其中與洞軸線小角度相交，中緩傾角的結(jié)構(gòu)面對圍巖變形和強(qiáng)度影響最大，不利于圍巖穩(wěn)定。

（3）通過引入結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀組合對GSI體系取值的影響，能較為準(zhǔn)確地進(jìn)行節(jié)理化巖體強(qiáng)度參數(shù)及巖體變形模量的求取，考慮擾動時改進(jìn)的GSI計算結(jié)果與建議值較為接近。

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