深部岩体工程围岩质量评价的IRMR法研究
谢本贤，陈沅江，史秀志
(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)
摘 要：
摘 要：通过采用连续性细化方法，考虑高压地下水和高地温对岩体力学性质的影响，分别引入地下水和地温弱化系数，对传统RMR法中的岩石单轴抗压强度、岩石质量指标和节理间距这3个评价指标的评分标准进行修正，获得3个评价指标和其对应分值之间的非线性连续回归方程；根据深部岩体工程中地应力与岩石强度特征值之间的关系，定义岩体损伤破坏危险度系数，且建立该系数和岩体质量评分修正值之间的对应关系，由此获得适用于深部岩体工程围岩质量评价实际的IRMR法，并用实例验证了该法评价结果的合理性和有效性。
关键词：
中图分类号：TU457 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2007)05-0987-06
IRMR method for evaluation of surrounding rock quality in deep rock mass engineering
XIE Ben-xian, CHEN Yuan-jiang, SHI Xiu-zhi
(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The marking standards of 3 indexes of rock uniaxial compressive strength, rock quality designation and joint space in the traditional RMR method were revised by the continuation refinement method combining the groundwater and ground temperature weakening factors, which were defined by considering the effect of the underwater of high pressure and high earth temperature on the rock mass mechanics characteristics. A nonlinear continuous regressive equation between the values of 3 indexes and their marking values were gained. Then, the rock mass damage risk degree factor was also defined by considering the comparative relation between the crustal stress value and a rock strength characteristic value. A corresponding relation table between the factor values and the revised marking values of rock mass quality were also built. Therefore, an improved comprehensive RMR method was gained, which was appropriate for the evaluation of the surrounding rock quality in deep rock mass engineering. The result shows that the revision method is reasonable and efficient.
Key words: deep rock mass engineering; evaluation of the surrounding rock quality; RMR method; revision
深部岩体工程具有典型的“三高一扰动”特性[1-2]，由此导致矿压加剧，巷道围岩变形加大，矿岩碎胀作用增强，冲击地压发生频率增大，对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁。因此，对其工程围岩质量和稳定性进行合理评价，以便采取相应的支护控制措施便成为深部岩体工程研究的重要内容之一。在众多岩体工程质量评价方法中，RMR法(Rock mass rating)由于综合考虑了岩石强度、节理间距及特征、岩芯质量、地下水条件等诸地质因素的影响，是一种发展较快、应用较广且比较完善的工程岩体分类方法。但从深部岩体的特点考虑，RMR法在高地应力、高地温、岩石含水率等因素以及某些评价指标评分值的确定等方面存在不足。为此，本文作者通过深入分析深部工程中典型不良地质因素对岩体质量的影响，对传统的RMR法进行合理修正，使其更加符合深部岩体工程实际，从而更好地为深部工程围岩质量评价服务。
1 RMR法在岩体质量评价中的应用
RMR法是Z. T. Bieniawski于1973 年根据矿山开采掘进经验提出的一种岩体质量分类标准。它主要根据6个方面的指标确定岩体的综合质量评分，即岩块的单轴抗压强度(P1)、岩石质量指标RQD(P2)、节理间距(P3)、节理状况(P4)、地下水状况(P5)及修正系数(P6)。P6根据节理面的方位与洞室方向等的关系来确定。把上述各个指标的岩体评分值相加就得到岩体的 RMR 值F RMR：
它的6个基本指标及其评分标准如表1所示[3]，其中：σPLS为岩块点载荷强度；σUCS为室内岩石单轴抗压强度；JV为结构面间距。对指标P4评分时，若结构面中有充填物存在，则采用结构面条件中的评分值，否则，为具体分类指标中3个分值之和。由表1和式(1)得到岩体的F RMR后，可据表2对岩体质量进行等级划分。
表1 RMR法分类指标及其评分值
Table 1 Valuation indexes of RMR method and their marking values
表2 岩体质量的RMR评价分类
Table 2 Valuation ranks about rock mass quality of RMR method
2 对RMR法的修正
2.1 评价指标分值的连续性修正
RMR法的前5个评价指标概括描述了影响岩体性质的主要因素，但其前3个指标的调整分值很模糊。以单轴抗压强度为例，当室内岩石单轴抗压强度 σUCS =251 MPa时，按表1，其分值P1=15；当σUCS= 249 MPa时，其分值P1 =12。但实质上2种岩石的抗压强度并无大差别，而权值却相差3分。再如σUCS= 249 MPa和σUCS=101 MPa的岩石按表1其权值相等，均为12，这明显具有不合理性，其他2个因素即岩体质量和结构面间距的确定也存在类似的问题。此时，常按经验来确定评分值，但又带有很大的主观因素。为此，对P1~P3这3项分值的确定进行细化修正，并辅以现场岩体强度简单识别方法，其结果见表3。进行细化修正后，前3个指标的评价边界值由一范围值转变成一个具体点值，从而消除了原评价标准的模糊性。为了进一步避免RMR评分值发生急剧变化，可采用连续性评分方程把RMR基本指标和其分值联系起来(见表3)。据表3，采用非线性回归方法，得到3个评价指标与其评分值之间的连续性方程：
表3 P1~P3指标的细化修正
Table 3 Refinement revision of indexes of P1-P3
(2)
。 (3)
。 (4)
其中：IRQD为岩石质量指数。图1为据式(1)~(3)获得的非线性回归修正曲线，其中“?”为表3中各指标取值与其对应评分值间的离散数据点。由图可见，通过非线性回归获得的连续性修正方程较好地反映了表3中各指标取值与其相应评分值间的对应变化关系，与Z. T. Bieniaski进行的线性拟合结果[3]相比，其拟合精度更高。
图1 RMR法前3个指标的连续性修正曲线
Fig. 1 Continuous revision curves of the first 3 indexes in RMR method
在现场工程地质调查中，获得了3个评价指标的具体取值后，若遇到各指标取值的模糊边界而出现评分值跳跃突变时，利用修正的非线性回归方程(1)~(3)可直接计算出其相应的评分值，此时不需要专家经验，从而减少了主观判断产生的误差，使岩体评价结果更具客观性。
2.2 评价分值的地应力修正
深部岩体最显著的特点之一是存在高地应力，这是深部岩体工程围岩产生破坏失稳的最主要原因。实测结果表明[4-6]，深部工程中原岩压力明显增大，在1.6 km深度处压力可达40 MPa以上。地应力中构造应力的作用显著增强，两水平地应力普遍大于垂直地应力。高地应力的存在使深部岩体的力学性质发生了重要变化，表现为岩石的破坏由脆性破坏向延性破坏或延性流变转变，岩石的流变效应明显增强[7]。岩石特别是硬岩在长时微破裂效应和地下水诱使应力腐蚀的双重不利因素作用下，其强度会大幅度降低。因此，对深部岩体工程围岩进行质量评价时，必须考虑地应力的影响，而这一点正是RMR法所欠缺的，因此，必须对其进行修正。为此，根据岩体中地应力及岩石强度特征定义岩体损伤破坏危险度参数Q。如图2所示，直线AB为莫尔—库仑强度准则线。当确定了某一地下待评岩体时，该岩体的力学性质一定，则直线AB位置不变。该点岩体的应力状态也不变，如图中圆O1所示。当圆O1与直线AB越接近，即d越小，岩体越接近破坏。为了表征这种接近程度，用
来量化(其中，R为应力圆半径)。显然有Q∈(0，1)，当Q越接近1时，岩体受损越严重，越容易发生破坏。根据图中几何关系有：
图2 岩体损伤破坏危险度Q定义的Mohr圆示意图
Fig.2 Mohr circular for the definition of rock mass damage risk degree factor Q
(5)
式中：R为莫尔圆半径；σ1和σ3分别为岩体地应力场中最大、最小主应力；c和φ分别为岩体的黏聚力和内摩擦角。
考虑地应力对岩体可能造成的损伤破坏危险 性，可建立Q与岩体质量修正分值间对应关系，如表4所示。
表4 考虑地应力影响对岩体质量评分值的修正
Table 4 Revision of marking values of rock mass quality considering of crustal stress effect
2.3 完整岩块强度的地下水和地热弱化修正
深部岩体工程往往处在原地下水潜水面以下很深的地方，此时，在高地应力的影响下，地下水压往往很大，在采深大于1 km的深部，其岩溶水压可高达7 MPa，甚至更高[1]。此时，地下水对岩体的作用显著增强，主要表现为对岩体结构面和结构体力学性质的弱化作用。传统的RMR法考虑了地下水对岩体结构面的影响，但没有考虑地下水对完整岩块力学性质的弱化效应。在深部工程中，高地下水压增强了地下水对岩块的软化和泥化、离子交换、溶解、水化和水解、溶蚀以及孔隙动、静水压等水岩相互作用，故实际工程中的岩块强度往往低于常规室内试验所确定的岩块强度。因此，必须对RMR法中完整岩石强度指标进行地下水弱化修正。定义岩石强度水弱化系数Kw为：
当采用点载荷强度时其定义类似。试验结果表明[8]，随岩石含水率的变化，岩石强度不断变化，故Kw是岩石含水率函数。自然界中并不是所有的岩石都处于饱和状态，不同的地区其岩石含水率必然发生变化，故必须针对具体工程确定相应的岩石强度水弱化系数。
深部岩体工程另一个显著特点是地温高。据测 量[9]，越往地下深处，地温越高。地温梯度一般为30~ 50 ℃/km不等，有些异常地区，该值可高达200 ℃/km。故深部岩体内的温度常为40~50 ℃。由于岩石是由不同矿物所组成的非均质体，各种矿物在高温条件下的热膨胀系数各不相同，故岩体在高温环境下其内部常存在结构热应力，一般温度每变化1 ℃，应力可产生0.4~0.5 MPa的变化，此时，岩体往往会产生热胀冷缩破碎，从而恶化了工程围岩的质量，故必须对RMR法中完整岩块强度进行热弱化修正。定义岩石热弱化系数KT为：
当采用点载荷强度时，其定义类似。综合式(2)，(6)和(7)，可得考虑地下水和地热弱化作用时完整岩石强度的RMR分值计算式：
可以采用室内实验或相似系数法确定。
3 评价实例
某金矿工程岩体[10]处于-330~ -380 m水平，地应力场为自重应力场，上覆岩层平均容重为26.5 kN/m3，泊松比为0.28，岩石地下水和地热弱化系数根据室内试验结果分别为0.76和0.97，3类岩体组的常规RMR指标取值如表5所示。由此据原岩自重应力场计算方法先计算岩体应力场，结合式(5)获得3种岩体组损伤破坏危险度指标值分别为0.439，0.439和0.570。然 后，利用表5所示数据，由上述修正法，获得3组岩体最终评分结果如表6所示。由表6可见，该金矿工程岩体质量等级为IV级，属质量和稳固性差岩体，所得结果和当前岩体开挖后的实际结果相符[10]。
表5 岩体损伤破坏综合评价指标
Table 5 Comprehensive valuation indexes about rock mass damage and failure
表6 某金矿岩体的修正RMR法最终评价结果
Table 6 The last valuation results of revised RMR method about rock mass in certain gold mine
4 结 论
a. 深部岩体具有典型的高地应力、高地温和高地下水压等特点，从而增加了岩体损伤破坏的危险性，恶化了岩体质量，因而不能再用传统的浅部岩体质量评价方法对其围岩质量进行评价。
b. 通过定义岩体损伤破坏危险度系数、地下水和地温弱化系数并结合连续性细化方法对传统的RMR法评分标准进行修正，获得了比较符合深部岩体工程围岩质量评价实际的修正RMR法。实例表明，该法评价结果合理有效，可在工程实际中推广应用。
c. 深部工程中地下水和地温弱化系数分别是岩石含水率和岩体温度的函数，必须结合具体工程不断积累数据，采用多种方法和途径确定。
参考文献：
[1] 何满潮, 谢和平, 彭苏萍, 等. 深部开采岩体力学研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2002, 21(8): 2803-2814.
HE Man-chao, XIE He-ping, PENG Su-ping, et al. Study on rock mechanics in deep mining engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(8): 2803-2814.
[2] 郭 立, 马东霞, 吴爱祥, 等. 岩体力学参数灵敏度分析的正交有限元法[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2004, 35(1): 138-141.
GUO Li, MA Dong-xia, WU Ai-xiang, et al. Sensitivity analysis of rock mass mechanics parameters by orthogonal finite-element approach[J]. Journal of Central South University: Natural Science, 2004, 35(1): 138-141.
[3] Bieniaski Z T. Classification of rock masses for engineering[M]. New York: Wiley, 1993.
[4] 周宏伟, 谢和平, 左建平. 深部高地应力下岩石力学行为研究进展[J]. 力学进展, 2005, 35(1): 91-99.
ZHOU Hong-wei, XIE He-ping, ZUO Jian-ping. Developments in researches on mechanical behaviors of rocks under the condition of high ground pressure in the depths[J]. Advances in Mechanics, 2005, 35(1): 91-99.
[5] cHEN Yuan-jiang, cAO ping, PAN Chang-liang. Study on the structural effect of soft rock rheology[C]//LUO Ying-she, RAO Qiu-hua, XU Yuan-ze. Advances in Rheology and Its Applications. New York: Science Press, USA Inc, 2005: 912-916.
[6] 吴爱祥, 韩 斌, 阳雨平, 等. 水压支柱支护特性及其在深井开采中的应用[J]. 中南工业大学学报: 自然科学版, 2002, 33(6): 563-566.
WU Ai-xiang, HAN Bin, YANG Yu-ping, et al. The support characteristics of rapid yield hydraulic prop and its application in deep slowly inclined thin ore vein mine[J]. Journal of Central South University of Technology: Natural Science, 2002, 33(6): 563-566.
[7] 陈沅江, 潘长良, 曹 平, 等. 一种软岩流变模型[J]. 中南工业大学学报: 自然科学版, 2003, 34(1): 16-20.
cHEN Yuan-jiang, PAN Chang-liang, cAO ping, et al. A new rheological model for soft rocks[J]. Journal of Central South University of Technology: Natural Science, 2003, 34(1): 16-20.
[8] 康红普. 水对岩石的损伤[J]. 水文地质工程, 1994(3): 39-41.
KANG Hong-pu. Rock damage from water effect[J]. Hydrogeology Engineering, 1994(3): 39-41.
[9] 林睦曾. 岩石热物理及其工程应用[M]. 重庆: 重庆大学出版社, 1991.
LIN Mu-zeng. Rock thermal physics and its application in engineering[M]. Chongqing: Chongqing University Press, 1991.
[10] 陈沅江, 潘长良, 胡名标. 湘西金矿深井无矿柱开采中顶板支护的研究[J]. 西部探矿工程, 2001(5): 1-3.
CHEN Yuan-jiang, PAN Chang-liang, HU Ming-biao. Research on the problem of controlling the main roof of the underground ming workplace without the ore pillar in Xiangxi gold mine[J]. West-China Exploration Engineering, 2001(5): 1-3.
收稿日期：2007-01-18；修回日期：2007-02-25
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50490274)
作者简介：谢本贤(1964-)，男，湖南冷水江人，博士研究生，从事采矿安全技术研究
通信作者：陈沅江，男，副教授；电话: 13873195391(手机)；E-mail: yuanjiang_chen@21cn.com
[1] 何满潮, 谢和平, 彭苏萍, 等. 深部开采岩体力学研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2002, 21(8): 2803-2814.
[2] 郭 立, 马东霞, 吴爱祥, 等. 岩体力学参数灵敏度分析的正交有限元法[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2004, 35(1): 138-141.
[3] Bieniaski Z T. Classification of rock masses for engineering[M]. New York: Wiley, 1993.
[4] 周宏伟, 谢和平, 左建平. 深部高地应力下岩石力学行为研究进展[J]. 力学进展, 2005, 35(1): 91-99.
[6] 吴爱祥, 韩 斌, 阳雨平, 等. 水压支柱支护特性及其在深井开采中的应用[J]. 中南工业大学学报: 自然科学版, 2002, 33(6): 563-566.
[7] 陈沅江, 潘长良, 曹 平, 等. 一种软岩流变模型[J]. 中南工业大学学报: 自然科学版, 2003, 34(1): 16-20.
[8] 康红普. 水对岩石的损伤[J]. 水文地质工程, 1994(3): 39-41.
