季惠彬，晏鄂川，宋 琨，王章瓊

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，武漢 430074;2.北京東方新星石化工程股份有限公司，北京 100070)

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)際環(huán)境的變化，我國(guó)在石油消費(fèi)方面，對(duì)外依存度增加迅速，這將直接影響我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定。因此，大力發(fā)展石油儲(chǔ)備，是關(guān)系著國(guó)家政治、經(jīng)濟(jì)、軍事安全的重要因素。地下水封洞庫(kù)是20世紀(jì)70年代興起的一種地下儲(chǔ)油方式，具有造價(jià)低、安全隱蔽、運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用低、節(jié)約土地、不污染環(huán)境和油耗量低等優(yōu)點(diǎn)，因此，成為石油儲(chǔ)備的重要形式。洞庫(kù)的工程巖體條件是洞庫(kù)建設(shè)中需重點(diǎn)關(guān)注的因素，對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)是進(jìn)行洞庫(kù)支護(hù)方案確定、開(kāi)挖方式選擇的必要前提。

工程巖體質(zhì)量分級(jí)的研究始于20世紀(jì)40年代，經(jīng)過(guò)幾十年大量學(xué)者的研究和發(fā)展，提出了多種分級(jí)方法，如Terzaghi分級(jí)體系［1］、Deere的RQD 分級(jí)體系［2］、Wickham 的RSR 分級(jí)體系［3］、Bieniawski的RMR 分級(jí)體系［4－5］、Barton 的Q 分級(jí)體系［6－7］、Hoek的GSI分級(jí)體系［8］和國(guó)標(biāo) BQ 分級(jí)體系［9］等。由于地下水封洞庫(kù)多為大跨度、高邊墻、不襯砌或少襯砌的地下洞室，建庫(kù)巖體多為質(zhì)量較好的花崗巖、花崗片麻巖等，采用常用的分級(jí)方法(RMR，Q和BQ)評(píng)價(jià)結(jié)果為90%以上的巖體質(zhì)量為II級(jí)及以上，且最多只能劃分出Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ3個(gè)等級(jí)。顯然，采用這3種分級(jí)方法，難以將地下水封洞庫(kù)圍巖質(zhì)量等級(jí)明顯地區(qū)分開(kāi)來(lái)，顯得較為粗糙。而支護(hù)方案建議與巖體質(zhì)量等級(jí)是相對(duì)應(yīng)的，按現(xiàn)有巖體質(zhì)量等級(jí)來(lái)確定的支護(hù)方案，對(duì)于地下水封洞庫(kù)而言，肯能會(huì)大量出現(xiàn)過(guò)度支護(hù)或支護(hù)不足的現(xiàn)象。因此，有必要提出一種新的巖體質(zhì)量分級(jí)體系，以細(xì)化地下水封洞庫(kù)巖體質(zhì)量等級(jí)。

本文在分析了地下水封洞庫(kù)工程巖體特征和常用的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法對(duì)其評(píng)價(jià)的局限性的基礎(chǔ)上，針對(duì)影響地下水封洞庫(kù)圍巖穩(wěn)定性的主要因素，提出了適用于地下水封洞庫(kù)巖體質(zhì)量分級(jí)體系(UWCQ)，并應(yīng)用該分級(jí)體系進(jìn)行黃島地下水封洞庫(kù)工程的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)。

2 巖體質(zhì)量分級(jí)影響因素研究

巖體質(zhì)量分級(jí)是為工程建設(shè)服務(wù)，是為工程巖體的穩(wěn)定性和支護(hù)方案提供定性化建議，因此，對(duì)工程巖體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的各基本工程地質(zhì)要素都對(duì)巖體質(zhì)量的好壞產(chǎn)生影響。通過(guò)分析，將影響工程巖體質(zhì)量分級(jí)的因素歸納如下。

2.1 巖塊強(qiáng)度

巖塊是巖體的主要構(gòu)成部分，巖體的力學(xué)特性由巖塊強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面組合、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度等因素共同決定。巖塊的抗壓強(qiáng)度是反映巖石力學(xué)性質(zhì)的主要指標(biāo)之一，它在巖體工程分級(jí)及工程巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)計(jì)算中都是極其重要的指標(biāo)。

2.2 巖體完整性

在工程實(shí)踐中，常用巖體質(zhì)量指標(biāo)(RQD)確定巖體完整性。該指標(biāo)統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)單、意義明確，直接反映了巖體被結(jié)構(gòu)面切割破碎的程度，在諸多分級(jí)方法中被作為重要參數(shù)使用。

2.3 結(jié)構(gòu)面

結(jié)構(gòu)面是指在長(zhǎng)期地質(zhì)歷史過(guò)程中形成的各種不連續(xù)面，其特征主要包括產(chǎn)狀、連續(xù)性(常用線連續(xù)性系數(shù)、跡長(zhǎng)和連續(xù)性系數(shù)表示)、密度、形態(tài)(起伏形態(tài)、粗糙度)、張開(kāi)度、充填膠結(jié)特征等。地下水封洞庫(kù)圍巖的結(jié)構(gòu)面決定了洞室圍巖的穩(wěn)定性及變形破壞模式，其形態(tài)和規(guī)模須保持在一定的范圍之內(nèi)，才能同時(shí)滿足洞室穩(wěn)定性及水封條件的要求。

2.4 地下水

地下水在地下水封洞庫(kù)中所起的作用具有雙重性。一方面，地下水的賦存情況反映了巖體中結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度，地下水越豐富，則巖體越破碎，巖體質(zhì)量越差，這必將對(duì)工程巖體的穩(wěn)定性造成威脅;另一方面，根據(jù)地下水封洞庫(kù)的工作原理，在儲(chǔ)存液化天然氣的過(guò)程中，須滿足水封條件，以保證液化氣不會(huì)汽化溢出，因此巖體當(dāng)中需要存在一定的地下水流動(dòng)通道，即一定規(guī)模的結(jié)構(gòu)面。

2.5 地應(yīng)力

地應(yīng)力形成于長(zhǎng)期的地質(zhì)歷史過(guò)程中，是巖體地質(zhì)環(huán)境的主要構(gòu)成部分。地應(yīng)力的大小、方向及分布特征，對(duì)工程建設(shè)具有重要意義。地下水封洞庫(kù)往往位于地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單、區(qū)域性斷裂不甚發(fā)育的地區(qū)，因此地應(yīng)力水平相對(duì)較低。

在確定巖體質(zhì)量分級(jí)體系的影響因素時(shí)，須遵循覆蓋全面、相互獨(dú)立、獲取簡(jiǎn)易、重點(diǎn)突出的原則。上述5個(gè)影響因素較全面地涵蓋了影響巖體質(zhì)量的主要因素，在大多數(shù)分級(jí)方法中均有體現(xiàn)。

3 地下水封洞庫(kù)巖體質(zhì)量分級(jí)體系

3.1 地下水封洞庫(kù)圍巖特點(diǎn)及分級(jí)體系構(gòu)建基礎(chǔ)

地下水封洞庫(kù)對(duì)建庫(kù)的地質(zhì)環(huán)境要求極高，洞庫(kù)選址時(shí)多考慮巖體條件較好區(qū)域，因此，洞庫(kù)圍巖強(qiáng)度、完整性等條件通常較好。而且因洞庫(kù)建設(shè)需考慮水封條件的長(zhǎng)期穩(wěn)定與巖體的滲透特性，故洞庫(kù)巖體對(duì)滲透特性有一定要求。

同時(shí)，地下水封洞庫(kù)，尤其是地下水封儲(chǔ)氣洞庫(kù)，為防止液態(tài)氣體的汽化進(jìn)而引起泄露，通常需要保持?jǐn)?shù)十年的蒸汽壓力。且在洞庫(kù)使用壽命期限內(nèi)，隨著庫(kù)存的輸出和補(bǔ)充，必然發(fā)生多次壓力的變化。圍巖的工程特點(diǎn)，必須能抵抗較大變幅的壓力影響，滿足在循環(huán)壓力作用下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性的要求。目前，國(guó)內(nèi)外有10余種巖體質(zhì)量分級(jí)體系，各分級(jí)體系都出自具體的行業(yè)、部門(mén)，因而對(duì)特定的領(lǐng)域具有較強(qiáng)的適用性，難以推廣到所有工程中。由于地下水封洞庫(kù)巖體的特殊性，上述巖體質(zhì)量分級(jí)方法應(yīng)用于該類(lèi)工程時(shí)顯得過(guò)于粗糙和片面，無(wú)法滿足實(shí)際需要。

Q分級(jí)方法是目前國(guó)際上通用的巖體質(zhì)量分級(jí)方法之一，具有考慮因素較為全面、計(jì)算公式含義明確、分級(jí)支護(hù)方案詳細(xì)等優(yōu)點(diǎn)，本文擬以Q分級(jí)為基礎(chǔ)，結(jié)合地下水封洞庫(kù)圍巖巖體質(zhì)量普遍較高、運(yùn)行期間要求水封條件等特點(diǎn)，對(duì)Q分級(jí)方法進(jìn)行一定的修正，構(gòu)建適用于地下水封洞庫(kù)圍巖巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。

同時(shí)需要指出的是，盡管Q分級(jí)方法考慮的影響因素較為全面，但巖體結(jié)構(gòu)特征、節(jié)理組數(shù)/間距、產(chǎn)狀與開(kāi)挖軸線關(guān)系等對(duì)地下水封洞庫(kù)圍巖穩(wěn)定性影響較大的因素并未考慮到。RMR，BQ分級(jí)方法較全面地考慮了巖體完整性、優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與洞室軸線關(guān)系等因素對(duì)質(zhì)量分級(jí)的影響，這在一定程度上可以彌補(bǔ)Q分級(jí)方法在這方面的不足。因此，在Q分級(jí)方法的基礎(chǔ)上，吸收RMR，BQ分級(jí)方法的部分優(yōu)點(diǎn)，可以建立適用于地下水封洞庫(kù)的圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。

3.2 地下水封洞庫(kù)巖體質(zhì)量分級(jí)體系(UWCQ)

地下水封洞庫(kù)一般建在花崗巖地區(qū)，巖塊強(qiáng)度較高，巖體完整性較好，地應(yīng)力水平較低，這些因素對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響差異并不顯著。但結(jié)構(gòu)面的空間分布、形態(tài)、力學(xué)特性，以及水的賦存條件等，對(duì)工程巖體的穩(wěn)定性及洞庫(kù)正常工作運(yùn)行影響較大，因此，在影響因素權(quán)重的分配上，對(duì)這兩類(lèi)因素予以重點(diǎn)考慮。根據(jù)地下水封洞庫(kù)圍巖穩(wěn)定性主要影響因素，提出如下巖體質(zhì)量等級(jí)計(jì)算公式:

式中:RQD為巖體質(zhì)量指標(biāo);Jd為節(jié)理分布情況系數(shù)(節(jié)理組數(shù)和密度);Jr為節(jié)理面粗糙度系數(shù);J0為優(yōu)勢(shì)節(jié)理產(chǎn)狀與洞室軸線關(guān)系系數(shù);Jw為裂隙水出露情況影響系數(shù);SRF為地應(yīng)力影響折減系數(shù);p為儲(chǔ)存壓力影響系數(shù)。

綜合考慮，本文提出以工程地質(zhì)特征基本相同，且洞室進(jìn)深≥10～20m的范圍作為評(píng)價(jià)區(qū)間。各參數(shù)的取值情況據(jù)表1至表7給出。

表1 RQD參數(shù)分類(lèi)與取值范圍Table 1 Classification and value ranges of RQD

表2 Jd參數(shù)分類(lèi)與取值范圍Table 2 Classification and value ranges of Jd

表3 Jr參數(shù)分類(lèi)與取值范圍Table 3 Classification and value ranges of Jr

表4 Jo參數(shù)分類(lèi)與取值范圍Table 4 Classification and value ranges of Jo

表5 Jw參數(shù)分類(lèi)與取值范圍Table 5 Classification and value ranges of Jw

表6 SRF參數(shù)分類(lèi)與取值范圍Table 6 Classification and value ranges of SRF

表7 p參數(shù)分類(lèi)與取值范圍Table 7 Classification and value ranges of p

表8 UWCQ巖體質(zhì)量分級(jí)Table 8 UWCQ rock mass quality classifications

由上可知，據(jù)公式(1)及表1至表7可計(jì)算得到地下水封洞庫(kù)工程巖體質(zhì)量得分及其級(jí)別。為了細(xì)化巖體質(zhì)量等級(jí)，同時(shí)在形式上盡可能與Q系統(tǒng)分級(jí)保持一致，分別將Q系統(tǒng)分級(jí)中Ⅱ、Ⅲ級(jí)各進(jìn)一步分為2類(lèi):Ⅱ－1、Ⅱ－2;Ⅲ－1、Ⅲ－2。詳見(jiàn)表8。

該巖體質(zhì)量分級(jí)體系，充分考慮了巖石完整性、結(jié)構(gòu)面特征、地下水作用、地應(yīng)力方向、介質(zhì)壓力等與洞庫(kù)長(zhǎng)期穩(wěn)定密切相關(guān)的因素，且指標(biāo)間較為獨(dú)立，關(guān)聯(lián)性不大;相應(yīng)的參數(shù)信息獲取容易，適用于地下水封洞庫(kù)圍巖質(zhì)量分級(jí)。

3.3 支護(hù)方案

巖體質(zhì)量分級(jí)的根本目的在于根據(jù)巖體質(zhì)量判斷圍巖可能發(fā)生的破壞模式，提出相應(yīng)合適的支護(hù)方案，因此，支護(hù)方案是巖體質(zhì)量分級(jí)應(yīng)用的核心。由于洞庫(kù)經(jīng)過(guò)選址，大部巖體質(zhì)量高、穩(wěn)定性好，支護(hù)方式多為注漿、噴射混凝土、掛網(wǎng)噴混凝土、隨機(jī)錨桿、系統(tǒng)錨桿，及其組合。

本分級(jí)體系中，確定支護(hù)方案時(shí)考慮的因素與Q系統(tǒng)分級(jí)體系有所不同，即除巖體質(zhì)量等級(jí)之外，著重考慮可能對(duì)地下水滲流狀態(tài)的改變。前期黃島等地下水封洞庫(kù)施工經(jīng)驗(yàn)表明，出現(xiàn)地下水入滲情況時(shí)，如處理不當(dāng)，將會(huì)造成十分嚴(yán)重的后果(如地下水入滲流量較大時(shí)，采用錨桿支護(hù)，則可能導(dǎo)致入滲流量增大，其結(jié)果是疏干了局部地下水，洞庫(kù)在運(yùn)行期中出現(xiàn)泄漏)，因此在建議支護(hù)方案時(shí)，要考慮盡量減少對(duì)天然條件的改變。

4 工程應(yīng)用

國(guó)家石油儲(chǔ)備黃島地下水封洞庫(kù)工程建設(shè)場(chǎng)地位于青島市，庫(kù)址區(qū)所在區(qū)域?qū)偃A北板塊與揚(yáng)子板塊結(jié)合帶之膠(南)—威海造山帶，但次級(jí)斷裂均處于庫(kù)址區(qū)外圍，庫(kù)址區(qū)無(wú)無(wú)區(qū)域斷裂帶通過(guò)。庫(kù)址區(qū)屬低山丘陵地貌，庫(kù)址區(qū)出露的地層主要是晚元古界淺肉紅色—淺青灰色花崗片麻巖，細(xì)粒花崗片麻結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。洞庫(kù)最大主應(yīng)力為水平主應(yīng)力，方向?yàn)镹WW向，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹73°W，水平主應(yīng)力數(shù)值在6～16MPa。庫(kù)址主要發(fā)育五組結(jié)構(gòu)面及一組緩傾角結(jié)構(gòu)面。

為了直觀地說(shuō)明UWCQ分級(jí)方法在實(shí)際工程中如何使用，本文選取黃島地下水封洞庫(kù)某施工巷道開(kāi)挖斷面(圖1)進(jìn)行圍巖質(zhì)量的UWCQ分級(jí)。為對(duì)各指標(biāo)均有涉及，選擇斷面的巖體情況較差。在所示開(kāi)挖深度范圍內(nèi)，洞室左壁結(jié)構(gòu)面分布較密集，有巖脈通過(guò)，局部壁面潮濕。

根據(jù)鉆孔勘察資料，該區(qū)域該深度范圍內(nèi)，RQD值約80。優(yōu)勢(shì)節(jié)理組數(shù)為2組，且密度大于0.5條/m，節(jié)理分布情況系數(shù)Jd取7.0。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)描述，節(jié)理面平直光滑，節(jié)理面粗糙度系數(shù)Jr取1.5。優(yōu)勢(shì)節(jié)理產(chǎn)狀與洞室軸線夾角多數(shù)小于30°，多數(shù)節(jié)理傾角較大，優(yōu)勢(shì)節(jié)理產(chǎn)狀與洞室軸線關(guān)系系數(shù)Jo取12。區(qū)內(nèi)裂隙水僅引起小范圍壁面潮濕，裂隙水出露情況影響系數(shù)Jw取1.0。區(qū)內(nèi)巖體被多條巖脈穿插，已形成一定規(guī)模的破碎帶，但區(qū)內(nèi)地應(yīng)力屬中等地應(yīng)力，洞室埋深大于50m，因此地應(yīng)力影響折減系數(shù)SRF取1.5。儲(chǔ)油洞庫(kù)運(yùn)行期間，液態(tài)石油對(duì)洞壁的壓力變化范圍小于1MPa，儲(chǔ)存壓力影響系數(shù)p取1.0。

根據(jù)UWCQ計(jì)算公式，得到UWCQ評(píng)價(jià)體系的巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果為1.14，按照UWCQ分級(jí)方法，巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果為Ⅲ－2。

圖1 黃島地下水封洞庫(kù)某施工巷道開(kāi)挖地質(zhì)展示圖Fig.1 Sketch of the geology of construction roadway at Huangdao underground water-sealed cavern

根據(jù)分級(jí)結(jié)果，建議支護(hù)方案為(方案①):局部注漿+隨機(jī)錨桿+掛網(wǎng)噴混凝土(10cm混凝土)。若按Q分級(jí)體系，巖體質(zhì)量為III級(jí)，支護(hù)方案為(方案②):系統(tǒng)錨桿+掛網(wǎng)噴混凝土(12～15cm混凝土)。通過(guò)施工發(fā)現(xiàn)，若采用方案②，則會(huì)導(dǎo)致施工過(guò)程中地下水沿錨孔大量流出，涌水量增加，這對(duì)地下水封洞庫(kù)過(guò)程的水封效果影響較大，對(duì)洞庫(kù)工程的長(zhǎng)期安全不利。采用方案①，施工過(guò)程涌水量既未增加，也未出現(xiàn)掉塊、較大變形等問(wèn)題，保證了地下水封洞庫(kù)工程的長(zhǎng)期安全性。

5 結(jié)論

(1)地下水封洞庫(kù)建設(shè)場(chǎng)地選擇性較大，巖體工程地質(zhì)條件較好，而現(xiàn)有的巖體質(zhì)量分級(jí)體系涵蓋了從最好的巖體到最差的巖體，且具有較強(qiáng)針對(duì)性，對(duì)評(píng)價(jià)地下水封洞庫(kù)巖體質(zhì)量存在局限性，不適應(yīng)洞庫(kù)建設(shè)的需要。

(2)結(jié)合地下水封洞庫(kù)巖體特點(diǎn)，在Q分級(jí)體系基礎(chǔ)上，建立UWCQ分級(jí)體系。該體系選取的計(jì)算參數(shù)含義明確，易于獲得，適合地下水封洞庫(kù)巖體特點(diǎn)和工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

(3)通過(guò)工程應(yīng)用研究，證明UWCQ分級(jí)體系對(duì)評(píng)價(jià)地下水封洞庫(kù)巖體質(zhì)量是可行的，建議的支護(hù)方案能滿足工程需求。

［1］TERZAGHI K.Rock Defects and Loads on Tunnel Supports.In Rock Tunneling with Steel Supports［M］.Youngstown，Ohio:Commercial Shearing and Stamping Company，1946:17－99.

［2］DEERE D U，DEERE D W.The Rock Quality Designation(RQD)Index in Practice.In Rock Classification Systems for Engineering Purposes:ASTM Special Publication［R］.Philadelphia:American Society for Testing and Materials，1988:91－101.

［3］WICKHAM G E，TIEDEMANN H R，SKINNER E H.Support Determination Based on Geologic Predictions［C］∥Proceedings of the North American Rapid Excavation and Tunneling Conference，AIEM，New York，1972:43－64.

［4］BIENIAWSKI Z T.Engineering Classification of Jointed Rock Masses［J］.Transactions of the South African Institution of Civil Engineers，1973，15:335－344.

［5］BIENIAWSKI Z T.Engineering Rock Mass Classifications［M］.New York:Wiley，1989.

［6］BARTON N R，LIEN R，LUNDE J.Engineering Classification of Rock Masses for the Design of Tunnel Support［J］.Rock Mechanics，1974，6(4):189－239.

［7］BARTON N.Some New Q-value Correlations to Assist Insite Characterization and Tunnel Design［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences＆Geomechanics Abstracts，2002，39(2):185－216.

［8］HOEK E，MARINOSP，BENISSIM.Applicability of the Geological Strength Index(GSI)Classification for Very Weak and Sheared Rock Masses:The Case of the Athens Schist Formation［J］.Bulletin of Engineering Geology and the Environment，1998，57(2):151－160.

［9］GB50218—94，工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，1995.(GB50218—94，Engineering Rock Mass Classification Standard［S］.Beijing:China Planning Press，1995.(in Chinese))

［10］尹紅梅，張宜虎，周火明，等.工程巖體分級(jí)研究綜述［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2011，28(8):59－66.(YIN Hong-mei，ZHANG Yi-hu，ZHOU Huo-ming，etal.Review on the Classification of Engineering Rock Mass［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2011，28(8):59－66.(in Chinese))