background image

 

 
 

AGH UNIWERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 

IN CRACOW 

 

FACULTY OF MINING AND TECHNOLOGY 

 

 

The project sheet from subcject: 

UNDERGROUND CONSTRUCTIONS 

 

Theme: 

EVALUATION OF THE QUALITY OF THE ROCK MASS  

IN THE VICINITY OF THE TUNNEL (CHAMBER) 

WITH THE INITIAL PROPOSAL FOR HOUSING 

 
 
 

 
 
 

Prepared by: 

 

Łukasz Ładak 

Civil engineering 

Year 3, Group 3 

Project number:  108

 

 

 

background image

- 2 - 

 

TABLE OF CONTENTS 

 

1. 

Project data ........................................................................................................................... - 3 - 

2. 

Rock Quality Designation – RQD ............................................................................................. - 4 - 

3. 

Rock Mass Rating System Classification – RMR ....................................................................... - 5 - 

3.1. 

Basic RMR....................................................................................................................... - 5 - 

3.2. 

Modified RMR (MRMR) .................................................................................................. - 6 - 

3.3. 

Uniaxial compressive strength R

crm

 ................................................................................. - 7 - 

3.3.1. 

Hoek ....................................................................................................................... - 7 - 

3.3.2. 

Aydan & Kawamoto ................................................................................................ - 7 - 

3.3.3. 

Kalamaras & Bieniawski .......................................................................................... - 7 - 

3.3.4. 

Summary ................................................................................................................ - 8 - 

3.4. 

Young’s modulus ............................................................................................................ - 8 - 

3.4.1. 

Bieniawski & Serafim & Pereira ............................................................................... - 8 - 

3.4.2. 

Hoek & Brown......................................................................................................... - 8 - 

3.4.3. 

Summary ................................................................................................................ - 8 - 

4. 

Rock Tunneling Quality Index Q .............................................................................................. - 9 - 

4.1. 

Rock Tunneling Quality Index calculations ...................................................................... - 9 - 

4.2. 

Young’s modulus: ........................................................................................................... - 9 - 

4.3. 

Equiwalent dimention D

e

 ...............................................................................................- 10 - 

4.4. 

Support system..............................................................................................................- 10 - 

4.4.1. 

Preliminary support proposal based on the graph ..................................................- 10 - 

4.4.2. 

Bolt length .............................................................................................................- 11 - 

5. 

Correlation between RMR and Q Systems .............................................................................- 11 - 

6. 

Comments ............................................................................................................................- 12 - 

 

 

 

background image

- 3 - 

 

1.  Project data 

 

The main aim of the project is to estimate of rock mass quality along with preliminary support 

proposal. 

 

Table 1. Initial data 

No. 

Parameter 

Value or description 

1. 

Shape, dimensions and destinations of tunnel 

(chamber) 

Underground parking chamber, crossing 

rectangular, width 25 m, height 8 m 

2. 

Average depth, m 

30 

3. 

General characteristic of rock mass in the 

region of excavation 

Concise, block 

4. 

Average compressive strength  of rock 

surrounding tunnel, MPa 

70 

5. 

Average tension strength of rock surrounding 

tunnel, MPa 

6. 

RQD, %, core diameter 55 mm 

As in the picture 

7. 

Number and average spacing of discontinuities 

sets 

Two sets of discontinuities with average 

spacing 1.0m 

8. 

Discontinuities characteristic 

Stratas in contact, impermeable natural 

filling  

9. 

Ground water 

Driping 

10. 

Orientation of discontinuities sets to the  dip 

orientation of tunnel (chamber) 

Strike perpendicular to longer chamber 

axis; drive against dip, dip 25

 o 

11. 

Way of excavating 

Manual and mechanical excavating with 

using blasting materials 

 

 

 

Figure 1. Drilling core 

 

 

background image

- 4 - 

 

2.  Rock Quality Designation – RQD 

Rock  Quality  Designation  index  is  the  borehole  core  recovery  percentage  incorporating  only 

pieces of solid core that are longer than 100 mm in length measured along the centerline of the core. 

In this respect pieces of core that are not hard and sound should not be counted though they are 100 

mm in length. RQD has considerable value in estimating support of rock tunnels. 

Rock Quality Designation index is most often calculated according to the following formula:  

=

· 100%  

 

 

 

 

     [1] 

Where: 

 – 

sum of length of core sticks longer than 100 mm measured along the center line of the core 

 – total length of core, m. 

 

Therefore there are 4 core piece that are longer than 100 mm and theirs lengths sum up to: 

= (20 + 16 + 35 + 14) = 85[

]

 

As seen in the picture 1, total length of core amounts to: 

 

= 100[

]

 

In this case the equation [1] for calculating the RQD index was as follows: 

 

=

85

100

· 100% =

.

[%] 

 

According  to  the  estimated  RQD  value,  examined  rock  mass  was  classified  as  good  (range 

between 75 and 90%). 

 

 

background image

- 5 - 

 

3.  Rock Mass Rating System Classification – RMR 

 

Rock  Mass  Rating  System  is  a  geomechanical  classification  system  for  rocks,  developed  by  

Z.  T.  Bieniawski  between  1972  and  1973.  The  following  six  parameters  are  used  to  classify  a  rock 

mass  using  the  RMR  system:  uniaxial  compressive  strength  of  rock  material,  RQD,  spacing  of 

discontinuities,  condition  of  discontinuities,  groundwater  conditions  and  orientation  of 

discontinuities. Each of the six parameters is assigned a value corresponding to the characteristics of 

the  rock.  These  values  are  derived  from  field  surveys.  The  sum  of  the  six  parameters  is  the  "RMR 

value", which lies between 0 and 100. 

 

3.1.  Basic RMR 

 

Table 2. Rock Mass Rating System (after Bieniawski 1989)

 

No. 

Parameter 

Value 

Rating 

Comments 

Strength of intact rock material 

(uniaxial compressive strength) 

70 MPa 

Linear adjustment 

Drill core quality (RQD) 

85 % 

18 

Linear adjustment 

Spacing of discontinuities 

1.0 m 

13 

Linear adjustment

 

 

Condition of 

discontinuities 

Discontinuity 

length 

(persistence) 

< 1 m 

Envisaged value

 

Separation 

(aperture) 

< 0.1 mm 

Envisaged value, 

stratas in contact 

Roughness 

Very rough 

Envisaged value

 

Infilling (gouge) 

Hard filling < 5 mm 

Envisaged value, 

natural filling 

Weathering 

Unweathered

 

Envisaged value, 

RQD=85% 

Groundwater 

Dripping 

4

 

Lack of data about 

inflow 

Dip direction and orientation 

Strike perpendicular to 

longer chamber axis; 

drive against dip with 

25

o

 dip 

-10

 

Unfavorable

 

 

= 7 + 18 + 13 + 6 + 5 + 6 + 4 + 6 + 4 − 10 =

 

 

According  to  the  estimated  RMR  value,  examined  rock  mass  was  classified  as  fair 

(class III, range between 41 and 60 points). 

background image

- 6 - 

 

3.2.  Modified RMR (MRMR) 

 

Calculation  of  Modified  Rock  Mass  Rating  in  the  present  project  is  not  necessary.  The  MRMR 

describes decrease of rock mass strength and other parameters under influence of specified factors. 

However,  these  differences  are  related  only  to  the  rock  mass in  close  neighborhood  of  excavation 

area.  In present project, the whole surrounding rock mass is being investigated and this is why there 

is no need to calculate MRMR. 

Nevertheless, for educational and comparative reasons, the MRMR will be calculated. 

Modified Rock Mass Rating index is calculated according to the following formula: 

=

·

· S ·

  

 

 

 

               [2]

 

Each parameter was explained in table 3 below. 
 

Table 3. Adjusted Rock Mass Rating System

 

No. 

Parameter 

Value 

Comments 

Blasting damage 

adjustment 

A

B

 

0,8 

Manual and mechanical 

excavating with using 

blasting materials 

In-situ stress and change 

of stress adjustment 

A

S

 

Average value of parameter 

Major faults and fractures 

Two sets of discontinuities 

with average spacing  

1.0 m 

 
 
In this case the equation [2] for calculating the modified RMR index was as follows: 
 

= 59 · 1 · 1 · 0.8 =

 

 

According  to  the  estimated  RMR  value,  examined  rock  mass  was  classified  as  fair 

(class III, range between 41 and 60 points). 

 

 

background image

- 7 - 

 

3.3.  Uniaxial compressive strength R

crm

 

 

3.3.1.  Hoek 

= √ ·

,

   

 

 

 

        [3] 

Where: 

 – material constant, 

 – average compressive strength  of rock surrounding tunnel, MPa. 

 

Tunnel width was estimated from the following equation: 

 

=

   

 

 

 

 

 [4] 

 
Therefore: 

=

= 0.01051 

 
 
According to equation [3] uniaxial compressive strength amounts to: 
 

,

= √0.01051 · 70 = .

[

] 

 

3.3.2.  Aydan & Kawamoto 

 

= 0.0016 ·

.

,

  

 

 

 

  [5] 

 

Therefore: 
 

,

= 0.0016 · 59

.

=

,

[

] 

 

3.3.3.  Kalamaras & Bieniawski 

 

=

·

,

  

 

   

 

            [6] 

 

Therefor: 
 

,

=

70

2

·

59 − 15

85

=

.

[

] 

 
 

 

background image

- 8 - 

 

3.3.4.  Summary 

 

Table 4. Uniaxial compressive strength of rock mass values

 

Uniaxial compressive strenght of rock mass 

Value 

Hoek 

7.18 MPa 

Aydan & Kawamoto 

24.78 MPa 

Kalamaras & Bieniawski 

18.12 MPa 

 

3.4.  Young’s modulus 

3.4.1.  Bieniawski & Serafim & Pereira 

 
For  

> 50  Young’s modulus is calculated from the equation below: 

 

= 2 ·

− 100,

    

 

 

        [7] 

 

Therefore: 
 

,

= 2 · 59 − 100 =

.

[

 

3.4.2.  Hoek & Brown 

 

=

· 10

,

  

 

 

 

        [8] 

 

Therefore: 
 

,

=

√70

10

· 10

=

.

[

 

3.4.3. Summary 

 

Table 5. Young’s module values

 

Young’s module 

Value 

Bieniawski & Serafim & Pereira 

18.00 GPa 

Hoek & Brown 

14.05 GPa 

 

 

 

background image

- 9 - 

 

4.  Rock Tunneling Quality Index Q 

4.1.  Rock Tunneling Quality Index calculations 

 

Rock Tunneling Quality Index ‘Q’ was estimated from the equation below: 
 

=

·

·

  

 

 

 

 

     [9] 

Where: 

 –  Rock Quality Designation, 

 –  joint set number, 

 –  joint roughness number, 

 – joint alternation number, 

 –  joint water reduction factor, 

 –  stress reduction factor. 

 

Table 6. Statement of Tunneling Quality Index ‘Q’ parameters

 

No.  Parameter  Value 

Comments 

RQD 

85 

J

Two discountinuity sets 

J

r

 

1,5 

Rough or irregular, planar

 

J

a

 

0.75 

Tightly healed, hard, non-softening  

impermeable filling 

J

w

 

0.33 

Large inflow or high pressure 

SRF

 

Medium stress 

 
 

In this case the equation [8] for calculating the Rock Tuneling Quality Index ‘Q’ was as follows: 
 

=

85

4

·

1.5

0.75

·

0.33

1

=

.

 

 

According  to  the  estimated  Rock  Tuneling  Quality  Index  ‘Q’  value,  examined  rock  mass  was 

classified as good (range between 10 and 40 points). 

4.2.  Young’s modulus: 

 

= 10 ·

·

,

   

 

 

 

        [10] 

Therefore: 

= 10 ·

14.025 ·

70

3

=

. [

] = .

[

]

 

 

background image

- 10 - 

 

4.3.  Equiwalent dimention D

e

 

 

=

,     

 

 

 

[11] 

Where: 

 –  excavation diameter, m, 

 –  Excavation Support Ratio (for underground parking assumed  

= 1.2). 

=

25

1.2

=

[ ]

 

 

4.4.  Support system 

 

 

Figure 2. Estimated support categories based on the Tunneling Quality Index ‘Q’

 

 

4.4.1.  Preliminary support proposal based on the graph 

 

According  to  the  graph,  chamber  in  examined  rock  mass  belongs  to  the  4

rd

  reinforcement 

category.  

 

background image

- 11 - 

 

Proposed  support  solution  for  examined  conditions  is  systematic  bolting  and  unreinforced 

shotcrete with following parameters: 

 

Bolt spacing (in unshotcreted area) – 1.0 ÷ 1.6 m 

 

Bolt length (only predicted value) – value close to 5.0 m 

 

Shotcrete thickness – 4 ÷ 10 cm 

 

4.4.2. Bolt length 

 

It  is  possible  to  estimate  bolts  length  from  the  graph  above  but  only  for  ESR  value  equal  1. 

Although, there is analytical way to calculate needed length of bolts.  The equations that were used 
are represented below: 

 

=

.

·

,      

 

 

 

 

   [12] 

 
Therefore: 

=

2 + 0.15 · 25

1.2

= . [ ] 

 

5.  Correlation between RMR and Q Systems 

 

Table 7. Correlation between RMR and Q Systems under Different Conditions

 

Correlation 

Source of case 

studies 

Source of case studies, 

Comments 

RMR value  

RMR = 13,5·log(Q) +43 

New Zealand 

Civil engineering tunnels 

58.483 

RMR = 9·ln(Q) +44 

Diverse origin 

Civil engineering tunnels 

65.127 

RMR = 12.5·log(Q) +55.2 

Spain 

Civil engineering tunnels 

69.536 

RMR = 5·ln(Q) +60.8 

South Africa 

Civil engineering tunnels 

74.004 

RMR = 43.89 - 9.19·ln(Q) 

Spain 

Mining tunnels, soft rock 

19.621 

RMR = 10.5·ln(Q) +41.8 

Spain 

Mining tunnels, soft rock 

69.699 

RMR = 12.11·log(Q) +50.81 

Canada 

Mining tunnels, soft rock 

64.699 

RMR = 8.7·ln(Q) +38 

Canada 

Civil engineering tunnels, 

sedimentary rocks 

60.975 

RMR = 10·ln(Q) +39 

Canada 

Mining tunnels, hard rocks 

65.408 

 

According  to  the  results,  the  closest  value  to  the  basic  RMR  is  the  one  from  correlation 

= 13.5 · log( ) + 43,  therefore  supposed  localization  of  the  underground  parking  is  

New Zeland

 

 

background image

- 12 - 

 

6.  Comments 

 
 

Using RMR index the rock mass was classified as class III – fair rock.  However,  established  

RMR value (59 points) is very close to the brackets’ border, which is 60-61 points. According to the 
Rock Tunneling Quality index ‘Q’ value (14 points) rock mass taken under consideration is good but 
here the ‘Q’ index value is close to fair rock bracket (4-10 points). In summary, these two methods 
gave us similar results. It can be said, that the rock mass examined in this project may be recognized 
as a rock between fair and good.  

 

Some different results were obtained using RMR modified index (MRMR). That method also 

ranked rock mass into class III – fair rock but with lower score - 47 points. The main reason of that 
assignment  is  using  A

B

  factor  value  equal  0.8,  which  is  caused  by  using  blasting  materials  in 

excavating process. However, as it was said above, that value reflects the rock mass strength only in 
close neighborhood of the excavation area. 

There are sizable discrepancies in Young’s modulus and the Uniaxial compressive strenght of 

rock  mass  values.  Quite  big  differences  shows  up  comparing  Young’s  modulus  calculated  for  RMR 
and  ‘Q’  index.  Values  obtained  from  formulas  for  RMR  (14  GPa  and  18  GPa)  are  very  higher  than 
value calculated for ‘Q’ index (6.89 GPa). Uniaxial compressive strenght of rock mass was calculated 
using  formulas  for  RMR  and  here  were  also  some  diffrent  values  obtained,  depenging  on  which 
formula  was  used.  The  maximum  difference  is  noticed  between  Hoek’s  method  (7.18  MPa)  and 
Aydan’s & Kawamoto‘s method (24.78 MPa). 

 

In both classifications  there are some factors that have the major influence at final result. 

They are RQD value, ground water conditions, spacing and conditions of discontinuities.   

 

In  my  opinion  RMR  method  is  more  precise.  It  contains  more  parameters  obtained  in 

research than ‘Q’ index. On the other hand we have not got any information about some of them and 
we have to estimate or predict them basing on our subjective opinion, so it could reduce precision of 
RMR.  

Score of ‘Q’  index  imposes  preliminary support which contains systematic bolting with  bolt  

spacing between 1.0 ÷ 1.6 m. According to figure 2, unreinforced shotcreted support 4 ÷ 10 cm thick 
is  also  needed.  Bolts’  length  red  from  the  figure  2  amounts  about  5  m  but  that  is  the  value  for 

= 1.  The precise bolts’ length for 

= 1.2 were calculated from analytical formula and gave 

us the value equal 4.8 m. 

Correlation  between  RMR  and  Q-system  pointed  out  supposed  localization  of  civil 

engineering  tunnel – New Zeland.