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 RMR₈₉ 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

1

Wytrzy-małość materiału skalnego

Wskaźnik obciążenia punktowego [MPa]

> 10

4 - 10

2 - 4

1 - 2

Dla tak niskich wartości preferowana jest jednoosiowa wytrzymałość na ściskanie

wytrzymałość Rc [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 powierzchnie

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

5

Woda gruntowa

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

Ogólne warunki

Całkowicie sucho

Wilgotno

Mokro

Kapanie

Wypływ wody

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

Punktacja

Fundamenty

0

-2

-7

-15

-25

Skarpy/zbocza

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

Opis

Skała bardzo dobra

Skała 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 spękań określająca	Ilość płaszczyzn spękań odchylonych od kierunku pionowego
		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.

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:

(1)

(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:

(3)

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

(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 = RMR₈₉ - 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:

(5)

• dla wyrobisk drążonych z użyciem materiału wybuchowego lub dla zboczy:

(6)

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

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.

---