2.1.1. Klasyfikacja RQD (Rock Quality Designation)

RQD (Rock Quality Designation) jest wskaźnikiem oceny jakości masywu skalnego wprowadzonym w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych przez Deere i Millera [9, 11] i jest bardzo uproszczoną miarą rozkładu spękań. Określa się go na podstawie odwiertów o średnicy powyżej 54 mm. Wartość tego wskaźnika wyraża procentowy udział długości rdzenia, w którym odległości między spękaniami są nie mniejsze niż 10cm, do jego długości całkowitej. Na przykład, dla rdzenia przedstawionego na rysunku 2.1, wartość RQD jest równa:

(2.1)

Rys 2.1. Sposób określania wartości wskaźnika RQD ([9]).

Wskaźnik RQD można opcjonalnie określać na podstawie obserwacji bezpośredniej masywu skalnego (np. w istniejącym wyrobisku) wykorzystując następującą zależność ustaloną przez Palmströmea [9, 12], tj.:

(2.2)

gdzie:
-liczba spękań przypadających na 1m³ i wyznaczana jako suma liczby spękań na metr dla każdej z istniejących rodzin spękań. Jeśli
jest mniejsze niż 4,5 wtedy należy przyjmować RQD równe 100%.

Klasyfikacja RQD nie jest zazwyczaj stosowana samodzielnie do oceny jakości masywu skalnego. Sam wskaźnik jest natomiast wykorzystywany zarówno w klasyfikacji Q jak i RMR. W zależności od wartości wskaźnika RQD masyw skalny dzieli się na pięć klas, tj.: bardzo dobra, dobra, średnia, zła i bardzo zła (patrz tabela 2.1).

Tabela 2.1. Klasyfikacja RQD (wg [9])

Klasa masywu	RQD	Klasa jakości masywu skalnego
1	90÷100	Bardzo dobra
2	75÷90	Dobra
3	50÷75	Średnia
4	25÷50	Zła
5	0÷25	Bardzo zła

Parametry wytrzymałościowe

1. Kryterium Coulomba-Mohra

Zalecane wg klasyfikacji RMR efektywne wartości spójności oraz kąta tarcia wewnętrznego, dla różnych klas górotworu, przedstawia tabela 2.16.

Wartości w ostatnim wierszu tej tabeli wyliczone zostały przez autora niniejszej pracy wykorzystując klasyczną zależność między wartością wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie a wartościami: kąta tarcia wewnętrznego oraz spójności, tj.:

Wartość wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie wyraźnie uwidacznia różnicę między wartością tego parametru dla skały a efektywną wartością tego parametru dla masywu skalnego. Zauważmy, że masyw skalny, w którym wytrzymałość skały na jednoosiowe ściskanie
, może charakteryzować, na przykład, wartość RMR równa: 15+17+10+20+10=72 (tabela 2.8). Odpowiada to klasie II wg RMR, dla której efektywna wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie ma wartość z zakresu
(1.15÷1.93) [MPa] (tabela 2.16). Jest to więc różnica ponad dwóch rzędów między wartością tego parametru dla skały oraz masywu skalnego.

Tabela 2.16. Parametry wytrzymałościowe w zależności od klasy górotworu wg RMR

Klasa	I	II	III	IV	V
Kohezja [kPa]	> 400	300÷400	200÷300	100÷200	< 100
Kąt tarcia wewnętrznego [˚]	> 45	35÷45	25÷35	15÷25	< 15
Wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie [MPa]	> 1.93	1.15÷1.93	0.63÷1.15	0.26÷0.63	< 0.26

2. Kryterium Hoeka-Browna

Parametry m i s, kryterium Hoeka-Browna, określane wg RMR i GSI zestawiono w tabeli 2.17. W celu zilustrowania relacji: parametry skały-parametry masywu skalnego, na rysunku 2.4a przedstawiono względną wartość wytrzymałości masywu skalnego na jednoosiowe ściskanie (względem wytrzymałości dla próbki skały) w funkcji wartości wskaźników RMR oraz GSI. Wpływ wartości RMR oraz GSI na względną wartość wytrzymałości masywu skalnego jeszcze wyraźniej obrazuje wykres 2.4b gdzie, przekształcając związki z tabeli 2.17, sporządzono „kinetyki spadku” wartości względnej wytrzymałości masywu skalnego w funkcji wartości wskaźników RMR oraz GSI.

Tabela 2.17. Parametry wytrzymałościowe kryterium Hoeka-Browna

Klasyfikacja geomechaniczna
RMR		GSI
Nienaruszony masyw skalny tj. urabianie przy użyciu maszyn i niewielkich ilości materiałów wybuchowych	Naruszony masyw skalny poprzez wykorzystywane w trakcie urabiania ładunki wybuchowe	GSI>25	GSI<25

Rys. 2.4. a) Względna wartość wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie dla masywu skalnego oraz
b) kinetyka spadku tej wartości wraz ze spadkiem wartości RMR bądź GSI.

Dobór obudowy

Wartość wskaźnika określonego na podstawie klasyfikacji geomechanicznych wykorzystuje się również do określenia parametrów obudowy wyrobiska podziemnego oraz wartości obciążenia działającego na obudowę.

1. Parametry obudowy, według klasyfikacji RQD, określa tabela 2.18.

Tabela 2.18. Rodzaje obudowy w zależności od wartości wskaźnika RQD dla tuneli o średnicy od 6 do 12 m (wg [12])

Jakość skał	Metoda drążenia	Obudowa możliwa do zastosowania
				Łuki metalowe	Kotwie	Torkret
	Bardzo dobra RQD≥90	Tarczowa	Lokalnie typ lekkie h=B(0÷0,2)	Zbędne lub okazjonalnie	Zbędny lub okazjonalnie
		Konwencjonalna	Lokalnie typ lekkie h=B(0÷0,3)	Zbędne lub okazjonalnie	Zbędny lub lokalnie 5÷7,5 cm
	Dobra 75≤RQD≥90	Tarczowa	Typ lekkie co 1,5÷1,8m h=B(0÷0,2)	Lokalnie w rozstawie 1,5÷1,8m	Zbędny lub lokalnie 5÷7,5 cm
		Konwencjonalna	Typ lekkie co 1,5÷1,8m h=B(0,3÷0,6)	W rozstawie 1,5÷1,8 m	Lokalnie 5÷7,5 cm
	Średnia 50≤RQD≥75	Tarczowa	Typ lekkie lub średni co 1,5÷1,8m h=B(0,4÷1,0)	W rozstawie 1,2÷1,8 m	5÷10 cm w stropie
		Konwencjonalna	Typ lekkie lub średni co 1,2÷1,8m h=B(0,6÷1,3)	W rozstawie 1,0÷1,5 m	10 cm w stropie i ociosach
	Zła 25≤RQD≥50	Tarczowa	Typ średni zamk. co 1,0÷1,2m h=B(1,0÷1,6)	W rozstawie 1,0÷1,5 m	10÷15 cm w stropie i ociosach z kotwiami
		Konwencjonalna	Typ średni lub ciężki co 0,6÷1,2m h=B(1,3÷2,0)	W rozstawie 0,6÷1,2 m	15 cm i więcej w stropie i ociosach z kotwiami
	Bardzo zła RQD<25	Tarczowa	Typ średni lub ciężki zamk. co 0,6 h=B(1,6÷2,2)	W rozstawie 0,6÷1,2 m	15 cm i więcej w całym przekroju z łukami ciężkimi
		Konwencjonalna		W rozstawie 0,9 m	15 cm i więcej w całym przekroju z łukami średnimi i ciężkimi
	Bardzo zła (kurzawki lub skały pęczniejące)	Tarczowa		W rozstawie 0,6÷0,9 m	15 cm i więcej w całym przekroju z łukami ciężkimi
		Konwencjonalna		W rozstawie 0,6÷0,9 m	15 cm i więcej w całym przekroju z łukami ciężkimi

Uwagi:

1. w skałach o RQD>75% przy doborze obudowy należy uwzględnić wymiary wyrobiska tunelowego, układ spękań oraz ich kierunek do osi tunelu.

2. B- szerokość wyrobiska, h- zasięg strefy odprężonej wywierającej ciśnienie na obudowę.

2. Według klasyfikacji Q

Klasyfikacja Q pozwala na oszacowanie wartości obciążenia działającego na obudowę tunelu bądź wyrobiska. Obciążenie pionowe proponuje się określać wg zależności:

[kG/cm²] (2.12)

Jeśli wskaźnik stopnia spękań jest mniejszy od trzech, powyższe równanie należy zastąpić następującą zależnością

[kG/cm²] (2.13)

W przypadku wyznaczania obciążenia poziomego, działającego na obudowę z ociosów, również stosowany jest powyższy wzór, jednakże zamiast Q należy przyjmować fikcyjną wartość Q' równą:

• Q'=5Q gdy Q>10,

• Q'=2,5Q gdy Q=0,10÷10,

• Q'=Q gdy Q<0,10.

Maksymalną długość odsłoniętego stropu bez obudowy określa zależność:

[m] (2.14)

W przypadku zastosowania obudowy kotwiowej, długość kotwi wyznaczana jest według wzoru:

[m] (2.15)

gdzie:

-współczynnik zależny od rodzaju wyrobiska (patrz poniższa tabela),

- szerokość bądź wysokość wyrobiska w zależności od tego czy chodzi o długość kotwi w stropie czy w ociosach.

Tabela 2.19. Wartość współczynnika ESR (wg [9])

Rodzaj budowli podziemnej	ESR
Kopalnie otwarte czasowo, itp.	3,0÷5,0
Szyby o przekroju kołowym	2,50
Szyby o przekroju prostokątnym lub kwadratowym	2,00
Kopalnie otwarte ciągle, tunele hydrotechniczne i rozpoznawcze, wyrobiska udostępniające, budowle o dużym przekroju	1,60
Komory-magazyny, komory stacji uzdatniania wód, małe tunele drogowe i kolejowe, tunele dojściowe	1,30
Elektrownie podziemne, duże tunele drogowe i kolejowe, schrony i skrzyżowania	1,00
Elektrownie jądrowe, stacje kolejowe, pawilony sportowe, użytkowe itp.	0,8

Współczynnik ESR wykorzystywany jest również do określania ekwiwalentnego wymiaru wyrobiska definiowanego jako stosunek największego z trzech wymiarów tj. szerokości, średnicy bądź wysokości wyrobiska do wartości współczynnika ESR tj:

(2.16)

gdzie:

- ekwiwalentny wymiar wyrobiska,

- szerokość, wysokość, średnica wyrobiska

Relację pomiędzy wskaźnikiem Q a ekwiwalentnym wymiarem wyrobiska przedstawia poniższy rysunek, na którym zaznaczonych jest również 38 kategorii obudów proponowanych do zabezpieczenia wyrobiska. W zależności od wartości poszczególnych elementów składowych wskaźnika Q oraz ekwiwalentnego wymiaru wyrobiska dobiera się odpowiednie parametry obudowy. Przykładowe rodzaje zabezpieczenia wyrobiska, dla wybranych kategorii obudowy (1-9 i 35-38), przedstawia tabela 2.20.

Rys. 2.5. Kategorie obudów wyznaczone na podstawie wskaźnika Q i ekwiwalentnego wymiaru wyrobiska (wg [21])

Tabela 2.20 Dobór obudowy na podstawie wskaźnika Q oraz parametrów określających ten wskaźnik

Kategoria obudowy	Q	RQD/Jn	Jr/Jn	[m]	p [kg/cm^2]	[m]	Rodzaj obudowy
1	1000-400				<0,01	20-40	MK (nsp)
2	1000-400				<0,01	30-60	MK (nsp)
3	1000-400				<0,01	46-80	MK (nsp)
4	1000-400				<0,01	65-100	MK (nsp)
5	400-100				0,05	12-30	MK (nsp)
6	400-100				0,05	19-45	MK (nsp)
7	400-100				0,05	30-65	MK (nsp)
8	400-100				0,05	48-88	MK (nsp)
9	100-40	≥20			0,25	8,5-19	MK (nsp)
				<20							K (nsp) 2,5-3m
							≤0,25				K (sp) 1m + T (rz) 5cm
............	............	............			............	............	............
35	0,1-0,01			≥15	6	6,2-28	K (sp) 1m + T (rz) 30-100cm
								≥15			BS (z) 60-200cm + K (sp) 1m
								<15			K (sp) 1m + T (rz) 20-75cm
								<15			BS (z) 40-150cm + K (sp) 1m
		36	0,01-0,001						12	1,0-2,0	T (rz) 10-20cm
											T (rz) 10-20cm + K(sp)0,5-1m
		37	0,01-0,001						12	1,0-6,5	T (rz) 20-60cm
											T (rz) 20-60cm + K(sp)0,5-1m
		38	0,01-0,001					≥10	12	4,0-20	BS (z) 100-300cm
								≥10			BS (z) 100-300cm + K (sp) 1m
								<10			T (rz) 70-200cm
								<10			T (rz) 70-200cm

Uwagi:

MK - miejscowe kotwienie; K - regularne kotwienie (rozstaw kotwi); nsp - nie sprężone; sp - sprężone (ekspansywne); T - torkret (grubość warstwy); rz - rozstaw zbrojenia; BS - beton na stropie (grubość warstwy); z - zbrojony siatką stalową

3. Według klasyfikacji RMR

Wartość wskaźnika RMR pozwala określić czas stateczności odsłoniętego stropu, parametry typowych obudów wyrobiska podziemnego, oraz doboru odpowiednich klas TBM (ang. Tunnel Boring Machine).

Tabela 2.21 Okres stateczności niezabudowanego stropu dla poszczególnych klas górotworu (wg [9])

Klasa RMR	I	II	III	IV	V
Okres stateczności Odległość od przodka	20 lat (15m)	12 miesięcy (10m)	1 tydzień (5m)	10 godzin (2,5m)	30 minut (1,0m)

Tabela 2.22 Dobór obudowy tunelu (wg [12])

Klasa RMR	Sposób drążenia	Obudowa wstępna
				Kotwie, długość dla tunelu o średnicy 10m	Beton natryskowy	Łuki
I	Pełnym przekrojem, postęp 3m	Obudowa zbędna, lokalnie kotwie
II	Pełnym przekrojem, postęp 1,0÷1,5m	Lokalnie kotwienie stropu dł. 2÷3 m, rozstaw 2÷2,5 m, ewentualnie siatka	5 cm w stropie jako warstwa uszczelniająca	Nie stosuje się
III	Kalota, sztrosa, postęp 1,5÷3,0m	Kotwienie symetryczne dł. 3÷4 m, rozstaw 1,5÷2 m, siatka w stropie	5÷10 cm w stropie, 3 cm w ociosach	Nie stosuje się
IV	Kalota, sztrosa, postęp 1,0÷1,5m	Kotwienie symetryczne dł. 4÷5 m, rozstaw 1,5÷2m, siatka	10÷15 cm w stropie, 10 cm w ociosach bezpośrednio za postępem przodka	Lekkie, lokalnie w rozstawie 1,5m
V	Przekrój cześciowy, postęp 0,5÷1,0m	Kotwienie symetryczne dł. 5÷6 m, rozstaw 1,5÷2 m, siatka, kotwienie spągu	15÷20 cm w stropie, 15 cm w ociosach 5 cm w przodku narzut bezpośrednio po odstrzale	Ciężkie co 0,75m opinka z blachy, spąg zamknięty

Dodatkowo na podstawie wartości wskaźnika RMR można określić obciążenie przypadające na obudowę wyrobiska tunelowego.

(2.17)

gdzie:

P - obciążenie na obudowę [kN/m²]

B - szerokość wyrobiska tunelowego [m]

γ - ciężar objętościowy skały [kg/m³]

Minimalna wartość wskaźnika RMR dla którego obudowa wykonywanego wyrobiska podziemnego nie jest konieczna jest uzależniona wyłącznie od ekwiwalentnego wymiaru wyrobiska i opisuje ją następujące równanie.

(2.18)

W przypadku gdy wartość wskaźnika RMR dla masywu skalnego jest większa od wartości określonej powyższym równaniem wówczas wyrobisko uznaje się za stateczne (samonośne). Zastosowanie obudowy dla takich przypadków związane jest wyłącznie z zabezpieczeniem przed lokalnymi obwałami.

Rys. 2.5. Diagram przedstawiający zależność pomiędzy wskaźnikiem RMR a klasami TBM

1

0

20

40

60

80

100

0.2

0.4

0.6

0.8

1

σ_c/σ_ci

RMR, GSI

w/g GSI

w/g RMR , masyw nienaruszony - urabianie przy użyciu maszyn

w/g RMR , masyw naruszony - urabianie przy użyciu ładunków wybuchowych

a)

b)

0

20

40

60

80

100

2.5

5

7.5

10

12.5

15

17.5

RMR, GSI

---