岩體分類系統

岩體分類系統的主要目標是根據過去的經驗量化岩體的內在性質。第二個目標是研究作用於岩體的外部荷載條件如何影響岩體的工程設施執行及岩體’人設構造長期發展行為。

岩體本身強度因子有原生材料強度,岩體生成過程受自然作用;即物理的’化學的風化作用,發展出方向’間距及岩體節理組數各異的不連續面,岩體連續面的連續性’面的粗糙度’風化破碎程度’破碎塊間的填塞顆粒風化程度(顆粒或粉質沉泥),構成岩體分類因子。

岩石和岩石質量強度參數與影響工程設計的分類參數之間的差異。岩體分類系統是經驗礦井設計的一個組成部分。它們傳統上用於對具有相似地質力學特徵的區域進行分組，為穩定性性能提供指導並選擇適當的支撐。將分類指數與材料特性聯繫起來,系統的設計在隧道的情況下，提供最大跨度、開口幾何形狀和支撐建議。例如Hoek和Brown破壞準則的彈性模量E，m和s等。這些值將用作數值模型的輸入參數, 因此，隨著時間的推移，岩體表徵的重要性也隨之增加。

所有分類系統的主要目標是根據過去的經驗量化岩體的內在性質。第二個目標是研究作用於岩體的外部荷載條件如何影響其行為。了解這些過程可以成功預測不同條件下的岩體行為。第一個系統是由Deere等人（1967）提出的岩石品質指定（RQD）。加拿大礦山中廣泛使用的另外兩個系統是挪威岩土研究所的Q系統，Barton等人（1974年）和最初由Bieniawski（1973）提出的各種版本的岩體品質評級系統（RMR）。這兩個系統的起源都可以追溯到隧道。此外，兩個系統都使用 RQD 作為其構成參數之一。RMR和Q系統隨著時間的推移而發展，以更好地反映各種岩體因素對開挖穩定性的感知影響。

基於岩石質量參數及其工程應用於隧道、邊坡保護、地基穩定和可挖掘性的回饋。1946年岩石品質分類系統誕生,貢獻產生型鋼組合支撐使用在隧道中。

岩體分類法 - 經驗法為主,分析法’觀測法為輔。獲取用於設計工程專案的地質力學參數。

岩石品質分類系統(Rock mass classification systems)用於各種工程設計和穩定性分析。岩石質量分類方案旨在考慮影響岩石品質強度和變形性的若干因素（如節理方向、裂縫密度、完整強度），可用於量化露頭或特定地質材料的能力。分數通常從 0 到 100 不等，其中 100 是無風化的岩石品質。"岩石品質 "「一詞結合了完好岩體物質和不連續性岩體及對不連續岩體異質物(縫間風化物)的整體強度和行為的影響」。雖然單獨測試完整岩石或節塊的機械特性相對簡單，但描述它們的相互作用是困難的，因此幾個經驗評級方案（如RMR和SMR）提供較完整的"岩石品質"參考。

岩體分類之用意

岩體之工程分類在澳洲、南非、美國、歐洲、印度等地應用廣泛，主因為：

1 提供業主、地質師、設計者、包商與工程師較好的溝通媒介。各類岩石品質的特徵提供基礎描繪。

2工程量化分類系統可有效連結工程師的觀察、經驗與判斷。確定影響岩石質量行為的最重要參數。

3工程師偏好量化數據而非觀察描述，因此量化的岩體分類較易推廣。

4分類法有助於全盤理解岩體類型。將特定的岩石品質表述分成類似行為組 - 品質相異的岩體類別。

5將一個地點的岩石條件體驗與在其他地點遇到的條件和經驗聯繫起來,結合可得各處工程地質岩體描述資料和岩體工程行為,相互參考。

6岩體的工程分類能衍生作為工程設計用定量數據和指南。完美應用於水力發電廠、隧道開挖、地底洞室建造、橋樑、筒倉、複合式建築、山區道路、鐵路隧道…等計畫。

岩體分類主要期待成果

1 有限輸入地質資料作為分類參數，期改善現場調查的品質。

2 量化岩體調查資訊為數據,用於工程設計。

3專案能夠更好地進行工程判斷和更有效的溝通。

4提供易於瞭解的每個岩體特徵的簡易描述。

岩體分類為應用於地下設施工程的發展史-Empirucal methods for rock mass classification and design of engineering structures in rock mass

註:

1 岩石載荷分類方法(Rock load classification method)是工程岩體質量分類的首批方法之一。Karl von Terzaghi在20世紀40年代開發了由鋼製支保組支撐的隧道支撐方法。許多人認為，關於岩石和岩石體力學行為的剛性支撐思想已經過時;現代隧道工程採用噴凝土’岩石螺栓。

2 岩體隧道輪進開挖岩塊自持時間分類法(The Stand-up time classification)

勞弗(Lauffer)的岩體開挖後自持時間分類法,通常被視為新奧地利隧道方法 （NATM） 的起源。勞弗開發的原始系統現在被許多人視為過時，但觀念被納入現代岩石力學科學，如隧道跨度與自持時間之間的關係，特別是在新奧地利隧道工法(New Austrian Tunnelling Method -NATM)中。

3 岩體品質量化指數及描述(Rock Quality Designation  index)

岩石品質量化描述 （RQD） 是衡量岩石質量中節理或斷裂程度的粗略測量，以長度為 10 釐米或以上的鑽芯百分比來衡量。優質岩石的RQD超過75%，低品質的不到50%。岩石品質量化描述 （RQD） 有幾個定義;使用最廣泛的定義是由D.U.迪爾(D. U. Deere)於1964年開發的。它是井芯回收百分比，僅包含沿核心中心線測量長度超過 100 mm 的成塊固體芯段。感覺不良變異岩芯,縱使是100毫米的長度,亦不應該納入。RQD 使用核心直徑為54.7 mm（NX套管OD75.3mm,ID54.7mm）。RQD 在估算岩石隧道開挖面支撐保護具有相當大的價值。RQD在岩石品質評級系統（RMR）和Q系統的岩石品質分類系統中為一個基本元素。

4 岩石結構評級(Rock Structure Rating-RSR)

岩石結構評級（RSR）是一種定量方法，用於描述岩石質量和適當的開挖面支撐，特別是由韋翰、蒂德曼和斯金納(Wickham, Tiedemann and Skinner.)開發的鋼支保支撐。 

RSR 概念引入了岩石品質評級系統。這是此分類系統中的RSR參數(parameters)加權值之和。有兩個一般類別參數：

    1 岩土技術參數：

岩石類型’節理模式’節理方向’不連續性類型’主要破壞方式;受剪與褶皺’岩石材料屬性;風化或變異。

    2 專案工程參數：

隧道大小’掘進方向’挖掘方法。

任何隧道段的 RSR 值都是匯總每個參數加權的總和獲得。RSR 概念是岩石隧道選擇鋼支保支撐的非常有用的方法。與任何經驗方法一樣，不應將概念應用於開發該概念所用的足夠和可靠的數據範圍之外。因此，不建議使用 RSR 概念來選擇岩石螺栓和混凝土支撐。

5 RMR

Rock Mass Rating, the RMR-地質力學分類(Geomechanics Classification)

南非CSIR( Council of Scientific and Industrial Research)的Bieniawki 之岩體評分法(Rock Mass Rating, the RMR) 也稱為地質力學分類(Geomechanics Classification) 。

岩石質量等級（RMR）是Z.T.比尼亞夫斯基( Z. T. Bieniawski)在1972年至1973年間開發的岩石地質力學(geomechanical  classification system)分類系統。經歷了多次修改，其中，RMR89 & RMR14 是常用的。演進提議通過結合隧道實踐的新經驗來提高RMR性能。"QuickRMR"的連續功能軟體" 結合了最重要的地質參數，並將其與岩石品質質量的總體綜合指標相結合，解決每個參數的一次性評分使經驗不足的人員難以準確確定 RMR及粗糙度和風化主觀參數，可能構成難以評級分配。可用於隧道、礦山、斜坡和地基等岩石挖掘的設計和施工。

6 Tunneling quality index(Q)

岩體分類的Q系統由Barton，Lien和Lunde開發。Q值表示岩體的品質，這是基於設計和支援地下挖掘的量化評估。

Q 值由  

第一項   岩石品質指標 RQD除以J_n-節理組數,與岩體中完整岩石塊的大小有關。

第二項 J_r-節理粗糙度數,除以J_a-節向蝕變數(joint alteration number),與沿不連續性 平面的剪切強度有關。

第三項   J_w（節理滲水參數-joint water parameter除以SRF（應力降低係數-stress reduction factor）與地下設施(underground excavation)開挖周圍完整岩塊和不連續性上的應力環境有關。

這三個項的相乘會產生Q參數，其範圍介於 0.001（對應於異常差的）和 1000（對應於異常良好的岩體）之間。不同岩體品質的類邊界的數值是對數尺度上Q範圍的細分。

Q值決定了岩體的品質，但地下挖掘的支撐不僅基於Q值，而且還由上述方程中的不同項決定。這將導致一個非常廣泛的支撐建議方式。

7 New Austrrian tunneling method (NATM-維琪百科)

新奧地利隧道方法（NATM），也稱為順序開挖法（ the sequential excavation method-SEM）或噴塗混凝土襯砌法（sprayed concrete lining method -SCL），是現代隧道設計和施工方法，基於隧道施工過程中遇到的岩石類型，採用複雜的監測來優化各種岩體加固技術。這種技術在20世紀60年代首次受到關注，基於先期岩體分類的現場運用,Ladislaus von Rabcewicz，Leopold Müller和Franz Pacher在1957年至1965年間在奧地利的工作所發展。NATM這個名字旨在將其與早期的方法區分開來，其經濟優勢在於利用周圍岩體中固有的地質強度來盡可能地穩定隧道，而不是加固整個隧道。

1962年新奧工法命名,在有別於傳統奧地利隧道工法的思維。主要構思是穩定隧道周圍岩體因開挖隧道產生的應力。

產生的大地應力不外乎改變大地原有的平衡;有自然行為的地震岩石風化’土壤含水量改變,有人為需求的地表填方’開挖’穿山’過海。穿山行為有交通’公用設施’水利用隧道。

新奧工法原理

人為改變大地應力要成為可控,就可安全經濟達成標的物的使用。新奧工法藉著觀察測量隧道體開挖後立即採行的一次噴凝土(shotcrete)襯砌面拱頂’起拱線形成的三角形進行觀測,判讀收斂(convergence)和發散(divergence)與設計值的比對。即岩’土體開鑿對應的岩土體應力’應變狀況。對應行動是採取最佳化的支撐設計對應現況岩土體應力’應變。

NATM 的發想及特性

岩石自持應力的發展;岩拱能夠自給自支。

噴凝土 - 鬆動和進一步的岩石變形必須最小化。在開挖面推進后立即應用薄層噴凝土裹上新鮮開挖岩面可以減少岩體自持應力的發展。

岩體變位監測- 開挖面推進即時觀測變形’岩體應力變化。NATM 需要安裝精密的儀器桿件;桿件可以岩體鑽孔安裝,掛網二次噴凝土時嵌入在襯砌裡、岩體表層固定。

柔性支撐 – 永久完成面襯砌厚度是反映地層條件的變化反射。隧道混凝土襯砌加固是通過岩石螺栓、鋼絲網和鋼筋的靈活組合形成。使用主動式,非被動式支撐(依據變位監測調整支撐組合)。

隧道仰拱閉合 - 快速關閉倒置並創建承重環非常重要。在軟地面隧道中，任何隧道的一段都不應暫時開放，這一點至關重要。

NATM設計理念的主要特點是：

1 隧道周圍的岩表強度發揮到最大強度。

2 岩表強度的應用是通過允許開挖面的可控變形來實現的。

3 初始初級支撐保護的安裝具有適合岩表條件的載荷-變形特性，初始初級支撐保護應即時安裝。

4 安裝岩表監測儀器以監測初始支撐系統中的變形，作為維持或形成改變初始支撐設計和挖掘順序的基礎。

當NATM被視為一種構造方法時，其主要特徵是：

1 隧道按順序開挖和支撐保護，開挖順序可以改變，以有效地解決遇到的特定岩體條件。

2 最初的岩面支撐保護由噴凝土結合纖維或鋼絲網加固，進一步則是鋼拱（通常是鋼筋組構-lattice girders）或土釘，水平先進支撐桿-spiling,土壤改良等設施掘進法的穩定工法。

3 永久支撐通常是場鑄混凝土襯裡,岩表鋪設防水捲材。

4 設施工程掘進法的仰拱閉合，可以創建一個結構環，使設施周遭岩體減低拉應力。

NATM / SEM通常被認為有助於徹底改變現代隧道行業。許多現代隧道都使用了這種挖掘技術。從經濟角度來看，按順序開挖法建造的工程非常有吸引力，在地下設施開挖周圍接觸岩體應力應變條件下做支撐及岩面保護設計是合理的。

NATM整合了岩體在荷載作用下的行為原理，並監測施工過程中的地下施工性能。NATM通常被稱為「邊走邊設計」的方法，根據觀測到的岩體條件提供優化的地下設施開挖後即時岩體岩面支撐保護。基於觀察到的襯砌和即時岩石條件測繪的收斂和發散,描述為一種「隨監測而設計」的方法，。它不是一套特定的挖掘和支撐技術。

NATM有七個要素：

1 原生岩體的強度探查 – 依賴於被保護的周圍岩體的固有強度，作為隧道支撐保護的主要組成部分。支撐主要指向使岩石的自持力。

2 噴射混凝土保護 –通過輪進后立即噴塗一層薄薄的噴射混凝土來實現最大限度地減少鬆動和過度的岩石變形。

3 測量和監測 – 必須仔細監測挖掘的潛在變形。NATM 需要安裝複雜的測量儀器。它嵌入襯裡，岩面和岩面鑽孔埋置。在觀察到的岩體變形情況下，僅在需要時才安裝額外的支撐，從而為專案的總成本帶來整體經濟性。

4 靈活的支撐 – 主襯裡很薄，反映了地下設施工程開挖後的地層條件。使用主動而不是被動支撐，隧道通過岩石螺栓，鋼絲網和鋼肋的靈活組合來加固，而不是通過更厚的混凝土襯砌。

5 仰拱閉合– 在軟土地基中尤其重要，快速仰拱閉合（隧道的底部）形成承重環的建成非常重要，並且具有利用隧道周圍岩體自持力的優勢。

6 彈性公允的採購合約 - 由於NATM基於監控測量，因此可以改變支撐和施工方法，但前提是公允的採購合約允許。

7 岩體分類，從非常硬到非常軟，決定了所需的最低支撐保護措施，並避免了不必要的強大支撐保護措施帶來的經濟浪費。每個主要岩石類別都有隧道掘進加固的支撐系統設計準則。是隧道掘進支撐保護的指南。

根據最佳橫截面的計算，只需要薄的噴射混凝土保護。緊接隧道鑽掘輪進,以形成一個天然的承重環，最大限度地減少岩石的變形。安裝岩土觀測儀器來測量隧道鑽掘輪進的後期變形。可以監測岩石內的應力分佈。監測使NATM工法非常靈活，即使團隊遇到地質力學岩石均質的意外變化，例如裂縫或蓄水層。藉掛鋼絲網噴混凝土組合鋼肋或承載帽螺栓達成支撐保護，減少使用施工不易的較厚噴凝土。

量度的岩石特性可藉岩體分類取得隧道輪進支撐保護的適當工具，傳統上可以使用RMR或Q系統估算支撐要求。自21世紀初以來，NATM一直用於軟弱地層挖掘和在多孔沉積物中建造隧道(In Japan the terms Centre Dividing Wall NATM or Cross Diaphragm Method-both abbreviated to CDM, and Upper Half Vertical Subdivision method-UHVS) are used.)。NATM定義為「一種將隧道的周圍岩石或土層結構視為地下設施工程整體環狀支撐結構中的工法。因此，支撐保護本身將成為這個支撐結構的一部分。專案工程的良窳亦取決於NATM靈活彈性的專案工程採購系統支援,立即調整施工細節。

12 Rock mass index(RMi)

13 Geological strength index (GSI)

其他經驗法 岩體分類,均基於介紹的9種岩體分類推演出,應多有類同;省略。

獲取用於設計工程專案的地質力學參數。目前最常用的工程地質分類法是RMR和Q分類。

常見的岩體分類法介紹

Rock Mass Rating (RMR) - Geomechanics Classification

Rock Mass Rating, the RMR-地質力學分類(Geomechanics Classification)

南非CSIR( Council of Scientific and Industrial Research)的Bieniawki 之岩體評分法(Rock Mass Rating, the RMR) 也稱為地質力學分類(Geomechanics Classification) 。

岩石質量等級（RMR）是Z.T.比尼亞夫斯基( Z. T. Bieniawski)在1972年至1973年間開發的岩石地質力學(geomechanical classification system)分類系統。經歷了多次修改，其中，RMR89 & RMR14 是常用的。演進提議通過結合隧道實踐的新經驗來提高RMR性能。"QuickRMR"的連續功能軟體" 結合了最重要的地質參數，並將其與岩石品質質量的總體綜合指標相結合，使經驗不足的人員難以準確確定 RMR及粗糙度和風化主觀參數，可能構成難以評級分配,解決每個參數的一次性評分瑕疵。可用於隧道、礦山、斜坡和地基等岩石挖掘的設計和施工。

"RMR 值"-六個參數用於 RMR 系統對岩石質量進行分類

六個參數中的每一個都分配了一個與岩石特徵對應的值。這些值來自實地調查和實驗室測試。六個參數的總和是"RMR 值"，介於0到100之間。

岩體評分法-RMR = 以下六項之加總

1 岩石材料的單壓強度 (15%)-Uniaxial compressive strength of intact rock material. 分7級，1, 5, 25, 50, 100, 250 MPa

2 Degree of fracturing (RQD). 破裂程度(RQD) (20%)

3 Spacing of discontinuities. 不連續面間距 (20%)

4 Condition of discontinuities. 不連續面狀態 (20%)

5 Groundwater conditions. 地下水狀態 (30%)

6 Orientation of discontinuities. 不連續面位態 (-60~0%)

RMR分類系統的地下水(5)評級及GUIDELINES FOR CLASSIFICATION OF DISCONTINUITY conditions中粗糙度(roughness)’縫隙填充物(infilling-gouge)’weatheering評級,在岩體分類Q中詳細敘述。

1 岩石材料的無圍壓縮強度(Uniaxial compressive strength of rock material or the unconfined compressive strength of a material )

2岩石品質量化值(RQD;Rock quality designation)

是衡量岩石質量中節理或斷裂程度的粗略測量，以長度為 10 釐米或以上的鑽芯百分比來衡量。優質岩石的RQD超過75%，低品質的不到50%。

3 岩塊不連續性間距(Spacing of discontinuities)

沿著所選擇的某一個測線方向上(垂直於某一組不連續面)相鄰不連續面間的距離,不連續面間距反映岩體的完整尺度及岩塊大小。

節理集間距是節理集內單個裂縫(節理)之間的距離。節理間距和平均節理間距這兩個術語常用於岩石品質的描述和評估。此外，可能發生漫散裂縫(節理)，不須屬於任何節理集。

岩石品質的工程特性往往更多地依賴於岩石品質內的地質缺陷系統，而不是岩石本身的強度。因此，從工程學的角度來看，對節理和裂縫類型及其顯現頻率的瞭解往往比所涉及的岩石類型更重要。因此，應仔細觀察和描述節理。

4 不連續性條件(Condition of discontinuities.);五個子分數的總和。

岩體不連續系的地質力學檢測特徵為：方向、間距、連續性或持久性、粗糙度、節理壁強度、罅隙開口、裂縫填充、侵蝕改變、滲水、不連續系統數量、岩塊大小。(Includes roughness of discontinuity surfaces, their separation, length of continuity-persistence or continuity , weathering of the wall rock or the planes of weakness, and infilling (gouge) material)

4a 不連續面持續性評估 (Length, persistence))

   露頭上所能觀察到的不連續面痕跡線之長度(trace length)稱為不連續面之持續性,亦可指不連續面的延展大小(size) 。

延續性的終止 -‘分類’

終止於岩石(Visibly terminate in rock in the exposure)

終止於破裂面(Terminate against other discontinuities)

終止點無法量測(extend outside the exposure)

延續性的影響

節理持續性短則剪切強度增加。破壞模式傾向於完好無損的岩石破壞，當岩石橋(rock bridge)面積大時，剪切位移與剪切強度相對應的隨著節理持續線降低而增加;脆性破壞特徵變得明顯。節裡持續線短,在相同的正常負荷下，破壞表面粗糙，交換相互作用和摩擦將增加。此外，脆性破壞更有可能發生在交換相互作用的位置，導致應力下降，即峰值后剪切應力的突然下降。

如果開裂能夠得到有效控制，那麼無持續線節理岩體的強度就可以得到提高。當節理持續線高時，加強節理端可以限制其變形，並有效提高節理表面的剪切強度。通過小面積分散加固，無法有效增加連續節理的剪切強度。當完整的岩橋面積大時，樣品的脆性故障特徵就很明顯了。當節理持續線(persistance)大時，節理兩端的加固，會限制岩石變形,剪切強度可以有效提高。小面積分散加固節理端工法不能有效提高剪切強度。(岩錨設計的考量)

c 型和 b 型節理形態具有高強度，而 A 型節理的強度較低。剪切強度和模態隨著節理持續線的減少而增加，與剪切強度相對應的剪切位移隨著持續性下降而增加。

岩橋上的裂縫逐漸形成,岩橋的裂紋啟動、蔓延和裂紋結合，成為三種不同的路徑破壞模式，即剪切、拉伸和混合拉伸剪切變形破壞。

裂縫在岩橋中逐漸形成，誘導間斷性節理在重力作用下從下到上逐一裂紋結合。經常出現在岩體和岩體上部面層的拉伸裂縫幾乎垂直到裂紋路徑破壞面。間斷性節裡的岩坡的路徑破壞,可分為岩石橋應力產生和裂縫發展四個階段，即彈性變形、低位岩橋破壞、岩橋裂紋向上推升、 岩橋應力臨界至坡體滑動。對岩體斜坡的下部進行加固為防範對策的應用。

節理縫(Separation)

縫距(separation of joints)是兩個節理壁之間的最大距離。縫距通常很小，主要是小於一毫米(millimeter)，除了填充節理縫，層縫或剪力縫。節理的大小通常與節理的厚度或節理縫成正比。節理縫是隔開開放不連續的相鄰岩壁的垂直距離，其中中間空間充滿空氣或水。因此，縫隙(Aperture)不等同填充不連續性的寬度（ISRM，1978 年）的節理縫。

節理走向與傾角 Orientation of discontinuities.-

B. RATING ADJUSTMENT DISCONTINUITY ORIENTATION;

EFFECT OF DISCONTINUITY STRIKE AND DIP ORIENTATION IN TUNNELLING

描述相對於水準平面的節理走向和垂直於節理走向的節理傾向(dip direction)。

DIP 是岩石表面與水準平面構成的銳角。Strike是由岩石表面與水準平面的交匯形成的方向線。圖示;Strike和DIP總是相互垂直的。

RMR 岩體分類系統 建議的依據分類評級採用的地下設施輪進後岩表支撐岩面保護設計方案

表顯示了根據RMR系統開挖和支撐10米跨度岩石隧道的指南（Bieniawski 1989之後）。

自1973年以來，該表沒有進行過重大修訂。在許多採礦和土木工程應用中，鋼纖維增強噴射混凝土可以考慮代替鋼絲網和噴射混凝土。

待續

Hoek-Brown強度準則

GSI 地質強度指數

岩體分類的NGI Q系統及地下挖掘的支撐原理和技術

{\displaystyle Q={\frac {RQD}{J_{n}}}\times {\frac {J_{r}}{J_{a}}}\times {\frac {J_{w}}{SRF}}}