任文明，梁久正

（中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

大型地下洞库岩体力学参数取值及工程应用中国石油天然气管道局科技资助（局科10-1-A）

任文明，梁久正

（中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

节理岩体强度与力学参数可通过最新版的广义Hoek-Brown破坏准则进行估计，其预测结果能够满足工程应用。建立在现场工程岩体详细工程地质勘察基础上的Q系统法，不仅为确定岩体GSI指标提供了便利，也可用于详细设计阶段的支护设计。通过工程应用说明了采用Hoek-Brown破坏准则预测节理岩体力学参数的过程。

岩体力学；参数；地质强度指标GSI；Q系统法；地下洞库

0 引言

在地下洞室、隧道、边坡等岩体力学工程的设计或数值软件模拟分析中，经常需要用到岩体力学参数，岩体力学参数可通过现场实验来获得，但这通常比较耗时，费用高，实验结果可靠性有时还有待商榷。为解决这一工程问题，许多岩体力学工作者做了大量卓有成效的工作[1-8]，目前应用较为广泛的用来预测岩体力学参数的新方法是2002版广义Hoek-Brown破坏准则。

在广义Hoek-Brown破坏准则中一个非常重要的输入参数是地质强度指标GSI，GSI是Hoek在Bieniawski的RMR岩体分类系统基础上进行局部修正后提出的，去掉了RMR中的地下水和节理产状影响[9]。1995年之前，RMR岩体分类系统在工程应用中有较好的效果，因为这时遇到的工程岩体质量相对较好 （30

在前人研究的基础上，基于2002版广义Hoek-Brown破坏准则，对某地下洞库项目初步设计阶段岩体稳定分析中力学参数取值问题进行了研究，在对场地工程地质勘察报告进行详细分析研究后，采用GSI系统分析确定岩体力学参数。

1 广义Hoek-Brown破坏准则

Hoek-Brown强度准则是Hoek等在参考格里菲斯经典强度理论的基础上，通过大量实验，首先于1980年提出的岩体非线性破坏经验准则。其强度估算的普遍公式为：

式中σ′1——岩体破坏时的最大有效主应力；

σ′3——岩体破坏时的最小有效主应力；

σci——组成岩体的完整岩块单轴抗压强度；

s，a——材料常数；

mb——通过材料常数mi折减得到。

式中D——岩体扰动参数，主要考虑爆破破坏和

应力松弛对节理岩体的扰动程度。

由式 （1）可得岩体单轴抗压强度σc和抗拉强度 σt：

岩体变形模量Em（GPa）采用下式：

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

考虑岩体整体行为时的岩体强度σ′cm为：

当 σt< σ3< σ′3max（σ′3max为侧限应力的上限），通过对式 （1）表征的曲线进行线性拟合，可得等效Mohr-Coulomb参数，摩擦角φ和黏聚力c：

式中γ——岩体容重；

H——隧道埋深。

如果水平应力大于垂直应力，应采用水平应力代替γH。

2 岩体GSI值的量化

GSI系统的核心工作是对工程岩体进行详细的地质勘察，以便获得不同岩体的GSI值，进而根据Hoek-Brown准则计算岩体力学参数。Hoek根据自己的研究给出了每类岩体的GSI指标范围。从工程师的角度，希望得到GSI指标的准确值，基于这一目的，Sonmez和Ulusay提出了一种GSI指标量化方法[10]，在Sonmez等的GSI量化系统中，主要考虑了两个因素，岩体结构等级SR（structure rating）和结构面表面特征等级SCR（surface condition rating）。苏永华[11]引入岩体块度指数和风化指标对GSI取值进行量化。

GSI系统量化过程的重要因素是不连续面的数量和方位，只有在这些参数易于量测的工程岩体中，GSI指标量化才有意义。通常在构造作用发育的工程岩体中，岩体结构受到破坏，不连续结构面的数量和方位不易准确获得，这种情况下还是应采用Hoek提出的GSI参考值，在地下洞室、隧道和边坡等稳定分析中，一般情况下是可以满足工程要求的。

也有采用通过RMR值或Q值与GSI的关系式来计算GSI指标，在质量较好岩体中，应用效果良好；但是在非常差和非均质岩体中 （如GSI<35）,不建议采用这种关系式来确定GSI指标[6]。

3 工程应用

3.1 概述

某地下洞库工程，在初步设计阶段根据勘察规范进行了详细的工程地质勘察，场区出露地层有太古界表壳岩系、中元古界长城系、古生界寒武系、中生界侏罗系~白垩系和新生界第四系。岩石主要是太古界变质岩和燕山期侵入岩，发育多条断层以及各种节理裂隙。

该区侵入岩主要是燕山期花岗岩，中粗粒结构，块状构造。主要矿物成分为钾长石和石英。地表岩石风化强烈，向深部变弱。

为了模拟分析地下洞室结构稳定性，正确选取现场岩体力学参数作为数值分析软件的输入参数就显得颇为重要。

3.2 Q系统和GSI指标

岩体质量主要取决于岩体破裂程度，根据组成岩体的完整岩块性质、破裂程度、节理产状等可给出岩体质量分级，本工程主要采用Barton提出的Q系统。

根据现场的工程地质勘察，首先定出工程开挖中可能遭遇到的岩石分类，基于Barton的Q系统，计算出每类岩石的Q值；其次通过各种岩石在场区分布情况的统计分析，得出每类岩石的概率分布值。

经过分析，地质工作者给出了场区遭遇到的10种岩石分类，分类时考虑了岩性 （花岗岩，铁镁质和酸性侵入体）、构造、风化和热液蚀变作用的影响。具体分类情况见表1。

根据Q分类系统，可将场区遇到的岩体分为5种，见表2。仔细分析按Q值的岩石分布情况，大体呈双峰分布 （bimodal distribution），即很差、差岩体分级以及很好岩体分级。

场区工程地质勘察过程中，为获得较为详细的工程地质、水文地质情况等，项目组做了大量的工作，先后完成了工程地质钻探、综合水文地质实验、水文干涉实验、孔内波速测试、孔内超声波成像、地温测试、室内岩石实验等工作内容，现将Hoek-Brown准则所需要的完整岩块单轴抗压强度σci和弹性模量Ei列于表3。

表1 岩石分类情况

表2 岩体分级对应的GSI指标

表3 单轴抗压强度和弹性模量

为考虑地下洞室开挖时爆破对围岩稳定的扰动影响，设扰动系数D=0.8，根据2002版Hoek-Brown准则，利用RocLab软件计算的花岗岩的Hoek-Brown岩体参数和等效Mohr-Coulomb岩体参数见表4。

根据Hoek-Brown准则计算得到的岩体参数被用于地下洞室的平面及三维结构稳定分析中，项目组采用通用有限元程序ABAQUS对地下储油洞室结构稳定性进行了分析 （见图1～3），结果表明在该厂区的岩体条件下是适合建设地下洞室的，满足安全性、经济性指标。

4 结论

（1）节理岩体的力学参数可根据最新版的Hoek-Brown破坏准则计算得到，省去了大量的现场力学实验，只要获得组成岩体的完整岩块的单轴抗压强度σci和GSI指标即可。Hoek-Brown为节理岩体力学参数的估计提供了简捷、经济、适用的新途径。

（2）在确定岩体GSI指标时，不必过分追求GSI系统的量化，在对场地进行详细的工程地质勘察后，可以参考Hoek给出的每类岩体的GSI值。

（3）Barton的Q系统为确定GSI指标奠定了良好基础，并且也可以用于详细设计阶段的地下洞室支护设计，建议大型地下工程可以采用Q岩体分级系统，虽然它目前在国内应用得比较少。

[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，吴晓铭.《工程岩体分级标准》与Q分类法、RMR分类法的关系及变形参数估算[J].岩石力学与工程学报，2001，20（增）：1 679-1 681.

[7]卢书强，许模.基于GSI系统的岩体变形模量取值及应用[J].岩石力学与工程学报，2009，28（增 1）：2 736-2 742.

[8]韩凤山.节理化岩体强度与力学参数估计的地质强度指标GSI法[J].大连大学学报，2007，28（6）：48-51.

[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]苏永华，封立志，李志勇，等.Hoek-Brown准则中确定地质强度指标因素的量化[J].岩石力学与工程学报，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，河南辉县人，工程师，2007年毕业于中国石油大学 （华东）岩土工程专业，硕士，目前主要从事地下洞室的工程设计工作。

2011-01-03；

2011-11-17