劉清福 盧開中 林元鑫 孫言飛

(紫金礦業(yè)集團股份有限公司，福建 廈門 361008)

0 引言

自然界中的原始巖體是在地質(zhì)運動過程中受地質(zhì)營力衍化形成的。在這個過程中，巖體在經(jīng)受變形和破壞后，巖體質(zhì)量有所差別。相同巖體類別下，構(gòu)造面多的巖體較破碎，質(zhì)量級別低；構(gòu)造面少的巖體較完整，質(zhì)量級別高。而巖體的工程穩(wěn)定性直接取決于巖體質(zhì)量的好壞程度。在進行地下、地上等巖體工程時，必須詳細了解巖體結(jié)構(gòu)特性，對巖體質(zhì)量作出準確評價，進而評定巖體的穩(wěn)定性程度，達到安全、合理、高效施工的重要目的[1-3]。目前的巖體質(zhì)量分級類別很多，國內(nèi)外許多學者從各個方向?qū)Υ诉M行優(yōu)化研究[4]。在這些分級評價體系中，RQD是最重要的參數(shù)，可以定量的描述巖體的完整程度，被廣泛的應(yīng)用到水利水電和礦山工程等行業(yè)中。盡管RQD被廣泛應(yīng)用，但僅憑鉆孔得到的一維RQD指標來描述三維地質(zhì)體勢必會產(chǎn)生很大的誤差，并且RQD值受地質(zhì)構(gòu)造以及人為操作影響很大，僅靠單一的指標評價，得到的巖體質(zhì)量分級有待商榷。RMR分類和Q系統(tǒng)分類有一定的相似性，這兩種分類方法由于考慮的因素較多，因此可以較全面對巖體質(zhì)量進行分級。

為給烏拉根鉛鋅礦邊坡穩(wěn)定性研究提供可靠依據(jù)，故開展了露天邊坡工程地質(zhì)勘探與工程地質(zhì)調(diào)查，綜合考慮上述三種巖體分級方法，對露天礦邊坡巖體質(zhì)量進行較為準確的評價。

1 工程地質(zhì)條件及物理力學試驗

1.1 工程地質(zhì)條件

烏拉根鉛鋅礦礦區(qū)屬烏拉根向斜的東部，礦區(qū)主要受褶皺影響，形態(tài)控制含礦巖層及鉛鋅礦體的空間展布。該向斜整體呈東端閉合(轉(zhuǎn)折端)、向西開放的寬緩褶皺，西端寬度約3 000 m。該礦區(qū)屬于軟硬相間地層，其中軟巖主要以泥巖為主，硬巖以砂巖和砂礫巖為主，中間還伴有一定厚度的天青石化白云巖。礦區(qū)邊坡在褶皺處多形成軟弱結(jié)構(gòu)面和破碎帶，在人為擾動及地下水影響條件下，極易發(fā)生失穩(wěn)。

1.2 物理力學試驗

物理力學試驗是巖體質(zhì)量分級中及其重要的指標。根據(jù)烏拉根礦區(qū)目前收集的地質(zhì)資料，將整個邊坡巖體劃分為灰?guī)r、泥巖、砂巖、長石砂巖以及石膏5個巖組進行研究。實驗針對這5種巖性共加工完成62個試樣，分別完成了35個試樣的單軸抗壓試驗、27個試樣的巴西法抗拉試驗。試驗標準件如圖1所示。根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果，對各種巖石的力學參數(shù)進行匯總，結(jié)果如表1所示。根據(jù)實驗結(jié)果可以看出石膏和灰?guī)r的力學屬性最好，泥巖、砂巖和長石砂巖的力學屬性較差。

圖1 部分巖石試件圖

表1 試驗結(jié)果匯總表

2 巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查

本次工程地質(zhì)調(diào)查位置主要是在烏拉根鉛鋅礦礦區(qū)2 149～2 238 m平臺，共選取110個地質(zhì)調(diào)查點，進行三維地質(zhì)測量及人工調(diào)查。將現(xiàn)場所獲取不同邊坡的左右視圖導入攝影測量軟件進行分析，得到巖體表面的三維視圖，根據(jù)主要的節(jié)理裂隙分布情況，對其進行分組，不同顏色代表不同組，如圖1(a)所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)面分布情況求出同組結(jié)構(gòu)面間距、長度，并給該組結(jié)構(gòu)面的線密度Jd，利用公式(1)求出體積節(jié)理數(shù)Jv。同時繪制節(jié)理赤平投影圖，得到各組結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，如圖1(b)所示。結(jié)構(gòu)面其他信息(粗糙度、充填物等)則通過現(xiàn)場勘察獲取，最終結(jié)果如表2所示。

表2 不同巖體結(jié)構(gòu)面基本信息

Jv=Jd1+Jd2+…Jdn

(1)

式中：Jv—結(jié)構(gòu)面體密度，Jd1,Jd2,…Jdn—不同組結(jié)構(gòu)面的線密度。

(a)三維攝影測量圖像

(b)節(jié)理赤平投影圖

根據(jù)調(diào)查結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)灰?guī)r和泥巖風化程度較高，整體較為破碎；其中灰?guī)r巖體共發(fā)育有3組結(jié)構(gòu)面，泥巖巖體共發(fā)育有4組結(jié)構(gòu)面。砂巖、長石砂巖及石膏巖體整體較完整，風化程度一般。其中砂巖巖體共發(fā)育有4組結(jié)構(gòu)面，長石砂巖巖體共發(fā)育有3組結(jié)構(gòu)面，石膏巖體發(fā)育有3組結(jié)構(gòu)面。這些結(jié)構(gòu)面均為剪節(jié)理，且都屬于干燥狀態(tài)，局部有少量泥質(zhì)充填。后續(xù)的巖體質(zhì)量評級均需要RQD值，RQD值可以與體積節(jié)理數(shù)Jv換算，如式(2)。經(jīng)換算后：灰?guī)r的RQD值為39%，泥巖的RQD值為60%，砂巖的RQD值為63%，長石砂巖的RQD值為49%，石膏的RQD值為61%。

RQD=115-3.3·Jv

(2)

式中：RQD—巖體質(zhì)量指標；Jv—體積節(jié)理數(shù)。

3 巖體質(zhì)量評價方法及評價結(jié)果

3.1 RQD分級

巖石質(zhì)量指標RQD值是巖體分類最重要的參數(shù)，可以定量的描述巖體的完整程度。20多年來，該指標被廣泛應(yīng)用于水利水電和礦山工程的穩(wěn)定性評價。RQD值為巖芯長度等于或大于10 cm巖芯累計長度與鉆進總長度之比。根據(jù)面的地質(zhì)調(diào)查，通過體積節(jié)理數(shù)換算公式換算得到的不同巖體RQD值。根據(jù)RQD值得到不同巖體的質(zhì)量分級如表3所示。從表3可見泥巖、石膏以及砂巖巖石質(zhì)量為Ⅲ級，巖性較好；灰?guī)r、長石砂巖巖石質(zhì)量為Ⅳ級，巖性差。

表3 RQD分級

3.2 RMR分級

RMR分級考慮的因素較為全面，最初主要包含了巖石強度、巖石質(zhì)量指標、結(jié)構(gòu)面參數(shù)、水、結(jié)構(gòu)面與巷道關(guān)系等多種因素。各種因素對應(yīng)一定的分值，通過累加不同因素對應(yīng)的分值求得總和(RMR值)來評價巖體質(zhì)量。隨后根據(jù)大量的工程實踐對RMR分級進行了修正。認為結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和性能對巖體穩(wěn)定性起了決定性作用，因此對結(jié)構(gòu)面方面的因素又進行了細分。即在原來的基礎(chǔ)上增加了長度、粗糙度、間距、充填情況以及風化程度等因素。最終，對工程巖體進行RMR分級時，利用結(jié)構(gòu)面與巷道關(guān)系這一因素對其余5項因素的總值進行修正，得到最終的RMR值。

根據(jù)前面的地質(zhì)調(diào)查以及室內(nèi)試驗參數(shù)得出的不同巖體RMR評價表如表4所示。根據(jù)表4可以看出調(diào)查的5種巖體質(zhì)量評級均為Ⅲ級，都是中等巖體。

表4 RMR分級

3.3 Q系統(tǒng)分級方法

Q系統(tǒng)是挪威隧道施工法的重點部分，該系統(tǒng)最早由Barton等人根據(jù)212隧道案例提出。Q系統(tǒng)份分類和RMR分類有一定的相似性，主要考慮結(jié)構(gòu)RQD指標、結(jié)構(gòu)面指標以及應(yīng)力折減系數(shù)三大方面等因素。各種因素對應(yīng)一定的分值，采用乘積法得到乘值(Q值)，如式(3)所示。從式中也可以看出Q系統(tǒng)的研究重點和RMR分類一樣，也主要受結(jié)構(gòu)面參數(shù)影響。根據(jù)前面的地質(zhì)調(diào)查得出不同巖體Q評價表如表5所示。根據(jù)表5可以看出所有巖體質(zhì)量為III級，都是中等巖體。

表5 RMR分級

(3)

式中：RQD—巖石質(zhì)量指標；Jn—節(jié)理組數(shù)系數(shù)；Jr—節(jié)理粗糙度系數(shù)；Ja—節(jié)理蝕變度系數(shù)；Jw—節(jié)理滲水折減系數(shù)；SRF—應(yīng)力折減系數(shù)。

RQD值分級、RMR分級和Q分級三種評價方法對礦山5種巖體質(zhì)量分級匯總?cè)绫?所示。在綜合考慮各巖組的分級結(jié)果及室內(nèi)力學參數(shù)實驗，將泥巖、灰?guī)r、砂巖、長石砂巖、石膏巖組評定為中等巖體。

表6 各巖組巖體質(zhì)量分級結(jié)果對照表

4 結(jié)語

1)通過三維數(shù)字攝影測量和巖體結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)以及現(xiàn)場測線法測量對五組巖體進行了地質(zhì)調(diào)查，得到了不同巖體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、規(guī)模、密度、充填物、形態(tài)結(jié)構(gòu)面參數(shù)，以及RQD值。

2)基于地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)力學參數(shù)實驗室基礎(chǔ)上，分別運用三種分級方法，對各組巖體進行了分級。綜合考慮將泥巖、灰?guī)r、砂巖、長石砂巖、石膏巖組評定為中等巖體。