Projekt

Ocena jakości górotworu dla potrzeb projektowania tunelu

Zadanie 2: Obliczenie RMR

1. Klasyfikacja RMR

W celu dostosowania klasyfikacji RMR do zmieniających się standardów i procedur

stosowanych w metodykach projektowania budownictwa podziemnego, jej twórca – Bieniawski
modyfikował ją przez wiele lat (Bieniawski 1974, 1976, 1979 i 1989). W efekcie powstała
klasyfikacja zwana również systemem oceny jakości górotworu oparta na sześciu podstawowych
parametrach:
• wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie R

c

,

• wskaźniku stopnia spękania górotworu RQD,
• średniej odległości między nieciągłościami I

b

,

• ocenie stanu płaszczyzn nieciągłości,
• ocenie stopnia zawodnienia górotworu,
• ocenie położenia płaszczyzn nieciągłości.

Pełna klasyfikacja RMR

89

została przedstawiona w tablicy 1. Oceniając konkretny górotwór należy

analizować możliwie jednorodne warunki górniczo-geologiczne. W przypadku znacznej zmienności
górotworu należy podzielić go na fragmenty, dla których punktację klasyfikacji wyznacza się niezależnie.

Tablica 1.

Geomechaniczna klasyfikacja właściwości górotworu RMR (Bieniawski 1989)

A. Parametry klasyfikacji i ich punktacja

Parametr Zakres

wartości

Wskaźnik

obciążenia

punktowego

[MPa]

> 10

4 – 10

2 – 4

1 – 2

Dla tak niskich wartości

preferowana jest

jednoosiowa

wytrzymałość na

ściskanie

1

Wytrzy-

małość

materiał

u

skalnego

wytrzymałoś

ć R

c

[MPa]

> 250

100 – 250

50 – 100

25 – 50

5 – 25 1 – 5

< 1

Punktacja

15

12

7

4

2 1 0

2 Test RQD

91 – 100%

76 – 90%

51 – 75%

26 – 50%

≤ 25%

Punktacja

20 17 13

8

3

3

Śr. odległość między

nieciągłościami

> 2

m

0,6 – 2

m

200 – 600

mm

60 – 200 mm

< 60

mm

Punktacja

20

15

10

8

5

4

Stan płaszczyzn spękań

(patrz E)

Bardzo

chropowata

powierzchnia

nieciągła,

brak szczelin,

niezwietrzała

powierzchnia

skały

Lekko

chropowata

powierzchnia

< 1 mm,

nieznacznie

zwietrzałe

powierzchni

e

Lekko

chropowata

powierzchnia

< 1 mm,

mocno

zwietrzałe

ścianki

Wyrównane

powierzchnie lub

wypełnienie

szczelin

materiałem

skalnym

< 5 mm, szczeliny

od 1 – 5 mm,

ciągłe

powierzchnie

Wypełnienie szczelin

drobnym materiałem

> 5mm

oddzielenia

> 5 mm

ciągłe powierzchnie

Punktacja

30

25

20

10

0

Dopływ

wzdłuż 10 m

tunelu/wyro

-biska [l/m]

Brak

dopływu

lub

< 10

lub

10 – 25

lub

25 – 125

lub

> 125

lub

Ciśnienie

wody /

naprężenie

główne

0

lub

< 0,1

lub

0,1 – 0,2

lub

0,2 – 0,5

lub

> 0,5

lub

Woda

gruntow

a

Ogólne

warunki

Całkowicie

sucho

Wilgotno Mokro

Kapanie

Wypływ wody

5

Punktacja

15 10 7

4

0

B. Poprawka na położenie płaszczyzn spękań

Kierunek rozciągłości i
upadu

B. korzystne

Korzystne

Akceptowalne

Niekorzystne

Bardzo

niekorzystne

Wyrobiska

korytarz.

0 -2 -5 -10 -12

P

unktacja

Fundamenty 0

-2

-7

-15

-25

Skarpy/zbocz

a

0 -2 -25

-50 -60

C. Klasy górotworu określone na podstawie uzyskanej łącznej punktacji

Punktacja

100

← 81

80

← 61

60

← 41

40

← 21

< 21

Numer klasy

I II III

IV V

Skała

bardzo

dobra

Skał

a

dobra

Skała

średnio

dobra

Skała

słaba

Skała bardzo

słaba

D. Znaczenie poszczególnych klas górotworu

Numer klasy

I

II

III

IV

V

Średni czas samonośności

wyrobiska nie obudowanego

20 lat dla

15 m

rozpiętości

1 rok dla

10 m

rozpiętości

1 tydzień dla

5 m

rozpiętości

10 godz. dla

2,5 m

rozpiętości

30 min dla

1 m rozpiętości

Spójność górotworu (kPa)

> 400

300 – 400

200 – 300

100 – 200

< 100

Kąt tarcia wewnętrznego

górotworu

> 45

0

35 – 45

0

25 – 35

0

15 – 25

0

< 15

0

E. Uwarunkowanie klasyfikacji nieciągłości

Długość nieciągłości
Punktacja

< 1 m

6

1 – 3 m

4

3 – 10 m

2

10 – 20 m

1

> 20 m

0

Wielkość szczeliny
Punktacja

Brak

6

< 0,1 mm

5

0,1 – 1,0 mm

4

1 – 5 mm

1

> 5 mm

0

Chropowatość

Punktacja

Bardzo

chropowata

6

Chropowata

5

Lekko

chropowata

3

Gładka

1

Wyrównana

0

Wypełnienie

Punktacja

Brak

6

Grube

wypełnienie

< 5 mm

4

Grube

wypełnienie

> 5 mm

2

Drobne

wypełnienie

< 5 mm

2

Drobne

wypełnienie > 5

mm

0

Stan zwietrzenia

Punktacja

Niezwietrzałe

6

Lekko

zwietrzałe

5

Zmiennie

zwietrzałe

3

Silnie

zwietrzałe

1

Rozpadająca się

struktura

0

F. Wpływ rozciągłości i upadu na kierunek drążenia wyrobiska korytarzowego**

Rozciągłość prostopadła do osi wyrobiska korytarzowego

Rozciągłość równoległa do osi wyrobiska

korytarzowego

Drążenie zgodnie z upadem

Upad 45 – 90

0

Drążenie zgodnie z upadem

Upad 20 – 45

0

Upad 45 – 90

0

Upad 20 – 45

0

Bardzo korzystne

Korzystne

Bardzo korzystne

Średnio dobre

Drążenie przeciwne do

upadu

Upad 45 – 90

0

Drążenie przeciwne do upadu

Upad 20 – 45

0

Niezależnie od rozciągłości

Upad 0 – 20

0

Średnio dobre

Niekorzystne

Średnio dobre

* Niektóre uwarunkowania wzajemnie się wykluczają. Na przykład, w obecności wypełnienia szczelin chropowatość

powierzchni będzie zmniejszona. W tym przypadku należy skierować się do A.4 .

** Zmodyfikowane przez Wickhama i in. (1972).

Poprawki dla zastosowań górniczych (Laubscher 1984, 1993)

A1. Poprawka na sposób drążenia wyrobiska

L.p. Technika

Poprawka

[%]

1. Drążenia przy użyciu maszyny

100

2. „Cięcie” z zastosowaniem MW

97

3. Dobre

konwencjonalne

strzelanie

94

4. Strzelanie

80

A2. Poprawka na orientację spękań

Ilość płaszczyzn spękań odchylonych od kierunku pionowego

Ilość spękań

określająca

Poprawka [%]

blok

skalny

70 75 80 85 90

3 3

–

2 – –

4 4

3

– 2 –

5 5

4

3 2 1

6 6

5

4 3 2

A3. Poprawka na stan naprężenia

Całkowita poprawka wynosi od 60% do 120%. Należy oszacować wielkość poprawki na podstawie

niżej wymienionych czynników mających wpływ na zmianę pola naprężeń (Laubsher 1993):
– wykonanie wyrobiska,
– wykonanie wyrobiska równolegle do drugiego wyrobiska,
– lokalizacji wyrobiska w pobliżu wyrobisk eksploatacyjnych,
– inne naprężenia eksploatacyjne,
– niedokładne wykonanie obrysu wyrobiska,
– utrata podporności przez obudowę,
– łuszczenie się ociosów, opady lub zawały skał,
– wpływ większych struktur i nieciągłości.

Klasyfikacja RMR ma szereg zalet i ograniczeń. Wśród najważniejszych zalet wymienić

należy:
• nieskomplikowany sposób wyznaczania parametrów – elementów klasyfikacji,
• możliwość zastosowania w górnictwie i w tunelnictwie, w zagadnieniach stateczności zboczy i

skarp oraz posadowieniu wielkogabarytowych budowli dla których istotna jest stateczność
podłoża skalnego itp.,

• istnienie związku punktacji systemu RMR z kryterium wytrzymałości Hoeka-Browna (1980)

i innymi wielkościami wykorzystywanymi do modelowania zachowania się górotworu,

• możliwość adaptacji w systemach eksperckich.
Natomiast do ograniczeń systemu RMR należy zaliczyć to, iż:
• użycie klasyfikacji prowadzi do „konserwatywnego” sposobu projektowania wyrobisk, na

przykład propozycji obudowy przenoszącej większe obciążenia niż wymagają tego warunki,
a tym samym bardziej materiałochłonnej,

• jest elementem wstępnej fazy projektowania i nie można jej stosować w zastępstwie

inżynierskich metod obliczania konstrukcji,

• powinna być stosowana z dużą rozwagą i korelowana ze wskazaniami innych metod

badawczych.

Klasyfikacja dla zastosowań górniczych polega na wprowadzeniu do punktacji podstawowej

RMR poprawek związanych ze zmianą pola naprężeń, sposobem drążenia wyrobisk (w tym przy
użyciu MW) i wietrzeniem skał. Schemat systemu RMR wraz z poprawkami górniczymi
przedstawiono na rysunku 1.

WYTRZYMAŁOŚĆ

SKAŁY

ODLEGŁOŚĆ MIĘDZY

NIECIĄGŁOŚCIAMI

WSKAŹNIK

RQD

STAN PŁASZCZYZN

NIECIĄGŁOŚCI

STAN

ZAWODNIENIA

PUNKTACJA OGÓLNA

PUNKTACJA PODSTAWOWA

RMR

PUNKTACJA RMR

Z POPRAWKAMI (MRMR)

PROPOZYCJA WYKONANIA

BUDOWLI PODZIEMNEJ

ORIENTACJA

NIECIĄGŁOŚCI

WPŁYW UŻYCIA MATE-

RIAŁÓW WYBUCHOWYCH

NAPRĘŻENIA I ICH

ZMIANY

WIĘKSZE USKOKI

I SPĘKANIA

Rys. 1. Schemat systemu RMR z poprawką dla zastosowań w górnictwie (Bieniawski 1988)

W oparciu o punktację RMR opracowano empiryczne zależności z podstawowymi

wielkościami mechanicznymi górotworu wykorzystywanymi w modelowaniach analitycznych i
numerycznych. Do najbardziej rozpowszechnionych należą:
• moduł sprężystości górotworu E

M

:

1978)

i

(Bieniawsk

8

5

RMR

dla

100,

-

RMR

2

=

)

GPa

(

E

M

≥

(1)

1980)

Pereira

i

(Serafim

,

8

5

<

RMR

dla

,

10

=

)

GPa

(

E

40

10)

-

(RMR

M

(2)

gdzie:
RMR – punktacja podstawowa.

Znajomość modułu górotworu E

M

i współczynnika Poissona górotworu

ν

pozwala na

wyznaczenie modułów sprężystości postaciowej G i sprężystości objętościowej K dla górotworu:

)

1

(

2

E

G

,

)

2

1

(

3

E

K

M

M

ν

ν

+

=

−

=

(3)

• stałe materiałowe m i s kryterium Hoeka-Browna (Hoek i in. 1995):

25

),

9

100

exp(

),

28

100

exp(

>

−

=

−

=

GSI

dla

GSI

s

GSI

m

m

i

(4)

gdzie:
m

i

– stała materiałowa zależna od rodzaju skały (Hoek i in. 1995).

W celu wyznaczenia stałych materiałowych m i s można skorzystać z zależności pomiędzy

klasyfikacją GSI (ang. Geological Strenght Index) a RMR w postaci: GSI = RMR

89

– 5;

• stałe materiałowe m i s można także wyznaczyć z następujących zależności (Priest i Brown

1983):

dla wyrobisk drążonych metodą TBM (ang. Tunnel Boring Machine) lub z precyzyjnym

użyciem materiału wybuchowego:

]

6

100

-

RMR

[

s

],

28

100

-

RMR

[

m

m

i

exp

exp

=

=

(5)

dla wyrobisk drążonych z użyciem materiału wybuchowego lub dla zboczy:

]

6

100

-

RMR

[

s

],

14

100

-

RMR

[

m

m

i

exp

exp

=

=

(6)

Stałe materiałowe można również wyznaczyć z diagramu przedstawionego na rysunku 2.

m

m

s

s

0

10 20

30 40

50 60 70 80 90 100

0.001

0.01

0.1

1.0

10

100

1000

SYSTEM Q

SYSTEM RMR

0.0001

0.001

0.01

0.1

1.0

10

0.001

0.01

0.1

1.0

Rys. 2. Diagram dla wyznaczania stałych materiałowych m i s (Stacey i Page 1986)

Stała m wyznaczona z diagramu dotyczy takich skał, jak mułowce i iłowce. Dla innych rodzajów
skał wymienionych w tablicy 2 należy wprowadzić poprawki.

Tablica 2.

Poprawki dla wyznaczenia stałej materiałowej m (Stacey i Page 1986)

Rodzaj skały Wartość stałej materiałowej m

dolomity, wapienie

zmniejszyć o 10%

piaskowce zwiększyć o 10%

kwarcyty, doleryty, diabazy

zwiększyć o 20%

gabro, granity, gnejsy

zwiększyć o 30%

Pomimo niewątpliwych zalet systemu RMR, powinno się go stosować z dużą rozwagą, wyniki

zaś obligatoryjnie korelować z wynikami innych metod.