Geofizyczne klasyfikacje właściwości górotworu

Geofizyczne klasyfikacje w³aœciwoœci górotworu

Zenon Pilecki*

S u m m a r y. First, a review of geotechnical classifications based on geophysical parameters for rock mass recognition has been pre-sented. The basic interrelations of these classifications as well as graphs for determination of rock mass parameters have been described in some detail. Then, an example of rock mass quality and modulus of elasticity and deformation calculations for project of road tunnel in Wêgierska Górka has been presented. Demonstrated are the consistence and great reliability of Barton (1996) method for the case of minimal values and Bestyñski (1997) method used to determine deformation modulus. There is a need for further devel-opment of geophysical methods for rock mass properties recognition, especially seismic, using such parameters as S-wave velocity and attenuation.

Key words: geotechnics, rock mass classifications, geophysical methods, rock mass quality, elasticity and deformation modulus

W celu wyznaczenia w³aœciwoœci górotworu dla potrzeb prowadzenia podziemnych robót górniczych, a zw³aszcza tunelowych, wykorzystuje siê klasyfikacje geo-techniczne. Klasyfikacje te s³u¿¹ równie¿ do wyznaczania w³aœciwoœci pod³o¿a skalnego w przypadku projektowania obiektów hydrotechnicznych czy du¿ych budowli na powierzchni, których statecznoœæ zale¿y od jakoœci góro-tworu.

Klasyfikacje geotechniczne skupiaj¹ podstawowe informacje o górotworze z zakresu geologii in¿ynierskiej, geotechniki, geomechaniki i budownictwa podziemnego. Wœród nich znane s¹ klasyfikacje oparte na parametrach geofizycznych. Najpowszechniej stosowanym parametrem jest prêdkoœæ rozchodzenia siê fali pod³u¿nej P.

W ogólnym ujêciu, klasyfikacje geotechniczne pozwa-laj¹ skwantyfikowaæ podstawowe cechy górotworu w oparciu o system punktowy opracowany metod¹ empi-ryczn¹. Na podstawie sumarycznej punktacji ocenianych cech wyznacza siê klasy jakoœci górotworu, parametry sto-sowane w obliczeniach zachowania siê uk³adu górotwór-o-budowa i dobiera siê rodzaj obudowy dla konkretnych warunków. Klasyfikacje pozwalaj¹ na wyznaczenie takich parametrów górotworu jak: modu³ sprê¿ystoœci, spójnoœæ, k¹t tarcia wewnêtrznego czy sta³e materia³owe kryterium wytrzyma³oœciowego Hoeka–Browna, które posiadaj¹ du¿¹ przydatnoœæ in¿yniersk¹ w projektowaniu obiektów podziemnych.

Do najbardziej znanych klasyfikacji nale¿¹ RMR89

(Rock Mass Rating) opracowana po kilku modyfikacjach przez Bieniawskiego (1989) oraz Q (Rock Tunelling

Quali-ty Index) przedstawiona przez Bartona i in. (1974). Jednym

z podstawowych elementów RMR89i Q jest klasyfikacja

wskaŸnika spêkania górotworu RQD (Rock Quality

Desi-gnation) opracowana przez Deere i in. (1967). W

schema-cie obliczeniowym podstawowych parametrów górotworu podanym przez Hoeka (1999) u¿ywa siê klasyfikacji GSI (Geological Strength Index) opartej na wizualnej ocenie jakoœci górotworu (Hoek i in., 1995). Interesuj¹ce, szersze omówienie wymienionych klasyfikacji mo¿na znaleŸæ w pracy Singha i Goela (1999) oraz Pileckiego (1999). W polskim górnictwie podziemnym, zw³aszcza wêgla kamiennego, korzysta siê z wielu klasyfikacji w³aœciwoœci

górotworu do oceny warunków urabiania, wykonania, utrzymania wyrobisk oraz do oceny wielkoœci zagro¿eñ naturalnych (Kidybiñski, 1982; Dubiñski & Konopko, 2000).

Praktyka pokazuje, ¿e uœrednienie w³aœciwoœci góro-tworu jakie daje wiêkszoœæ klasyfikacji geotechnicznych jest akceptowane przez projektantów. W przypadku pro-jektowania budowli liniowych, a zw³aszcza tuneli, podsta-wowe znaczenie ma uœrednienie warunków na d³u¿szych odcinkach górotworu. Technologia wykonania wyrobisk i jej ekonomika nie pozwalaj¹ na tak czêste zmiany kon-strukcyjne obudowy jak zmieniaj¹ siê w³aœciwoœci góro-tworu. Natomiast szczególnej uwagi konstruktora i wykonawcy wymagaj¹ strefy os³abienia, dla których zachodzi potrzeba dodatkowego wzmocnienia obudowy.

Generalnie, uœrednienie w³aœciwoœci górotworu jakie uzyskuje siê za pomoc¹ klasyfikacji geotechnicznych pole-ga na uogólnieniu empirycznych ocen wielu cech górotwo-ru. Niekorzystne zmiany w³aœciwoœci górotworu, wp³ywaj¹ na jego kompleksow¹ ocenê — punktacjê klasy-fikacji, i w konsekwencji wskazuj¹ na koniecznoœæ wpro-wadzenia zmian w obudowie wyrobiska. Pos³ugiwanie siê klasyfikacjami wymaga jednak du¿ej ostro¿noœci, a przede wszystkim doœwiadczenia i znajomoœci procesów zachodz¹cych w górotworze.

Poprawnoœæ wyznaczania parametrów górotworu mo¿na sprawdziæ w wyniku obserwacji geotechnicznej zachowania siê obudowy i górotworu w czasie wykonywa-nia wyrobiska. Parametry te na ogó³ oblicza siê metod¹ odwrotn¹ na podstawie danych z monitoringu. Obliczenia takie pozwalaj¹ na wyjaœnienie wielu niepewnoœci w oce-nie parametrów na etapie ich rozpoznawania.

W dalszych rozdzia³ach niniejszej publikacji omówio-no podstawowe klasyfikacje geotechniczne górotworu, w których wykorzystuje siê wielkoœci wyznaczane metodami geofizycznymi. Klasyfikacje te s¹ na ogó³ opracowywane dla konkretnych rodzajów górotworu, st¹d niewiele jest klasyfikacji uniwersalnych. Na przyk³ad klasyfikacja Qc

przedstawiona przez Bartona (1996) nale¿y do kategorii uniwersalnych, a klasyfikacja KFG (Bestyñski, 1977) jest dostosowana do warunków lokalnych — fliszu karpackiego.

Klasyfikacja sejsmiczna Qc

Klasyfikacja Qc (Barton, 1996) nazwana dalej

sej-smiczn¹ jest modyfikacj¹ znanej klasyfikacji Q (Barton i in., 1974) pod k¹tem zastosowania metody sejsmicznej do wyznaczenia w³aœciwoœci górotworu. Przy opracowywa-*Polska Akademia Nauk, Instytut Gospodarki Surowcami

niu klasyfikacji wykorzystano wyniki badañ wykonanych technik¹ refrakcji oraz przeœwietlania miêdzyotworowego. Punktacja Qc jest skorelowana z punktacj¹ klasyfikacji

RMR zgodnie z równaniem (Barton, 1996):

RMR=15logQc+50 [1]

Barton (1996) dodatkowo zmodyfikowa³ punktacjê systemu Q wprowadzaj¹c kolejny, siódmy parametr — wytrzyma³oœæ Rc materia³u skalnego, w taki sposób, ¿e:

Q Q= ⋅ Rc

100 [2]

Modyfikacja ta ma na celu uzyskanie bardziej korzyst-nej korelacji modu³u deformacji D z prêdkoœci¹ sejsmiczn¹ Vpdla górotworów s³abych. W efekcie otrzymuje siê

znor-malizowan¹ punktacjê, która obni¿a lub podwy¿sza dotychczasow¹ punktacjê Q dla ska³ odpowiednio s³abszych lub mocniejszych od 100 MPa. Przy takich za³o¿eniach, podstawowa relacja obliczania Qcprzyjmuje

postaæ (Barton, 1996): Q RQD J J J J SRF R c n r a w c = ⋅ ⋅     ₁₀₀ [3]

Barton (1996) bada³ górotwory zró¿nicowane pod wzglêdem stopnia spêkania od œrednio do silnie spêka-nych, na g³êbokoœciach od 5 m do 50 m, œrednio 25 m. Na podstawie analizy prêdkoœci Vp i punktacji Q wyznaczy³ zale¿noœæ:

Vp= logQ +3,5 [km/s] [4]

Natomiast po uwzglêdnieniu znanej zale¿noœci statycz-nego modu³u deformacji D od punktacji Q (Barton, 1995):

D =10 · Q_c1 3/ [5]

oraz Q_c= ⋅Q Rc

100, otrzyma³ on zale¿noœæ pozwalaj¹c¹ na wyznaczenie tego modu³u w funkcji prêdkoœci Vp:

D= ⋅10 10(Vp−3 5 3 0, ) , [6]

Wyznaczana wielkoœæ modu³u D jest wartoœci¹ œredni¹, co wynika z metodyki interpretacji pomiarów sejsmicz-nych. Doœwiadczenie pokazuje, ¿e mo¿liwe s¹ ni¿sze war-toœci modu³u zwi¹zane ze stref¹ silnego spêkania górotworu i wtedy zale¿noœæ przyjmuje postaæ (Barton, 1996):

Dmin Qc /

≈3 1 2 _[7]

Konstruuj¹c nomogram Barton (1996) uwzglêdni³ równie¿ g³êbokoœæ i porowatoœæ jako istotne czynniki maj¹ce wp³yw na prêd-koœæ fal sejsmicznych (ryc. 1).

Klasyfikacja geofizyczna utworów fliszu karpackiego (KFG)

Bestyñski (1997) opracowa³ klasyfikacjê charakteryzuj¹c¹ geotechniczn¹ przydatnoœæ utworów fliszu karpackiego. Klasyfikacja ta powsta³a na podstawie korelacji prêdkoœci fali pod³u¿nej Vp i opornoœci pozornej D z punkta-cj¹ systemu RMR (Bestyñski, 1997):

RMR = exp (0,000369 Vp) 12,208

wsp. korelacji r = 0,65 [8] RMR = exp (0,00313D) · 21,764 wsp. korelacji r = 0,77 [9] Generalnie, Bestyñski (1997) przyj¹³, ¿e w³aœciwoœci geotechniczne fliszu karpackiego mo¿na wyraziæ geofizycznym wskaŸnikiem klasyfikacyjnym nazwanym KFG opisanym przez parametry geofizyczne Vp i D. Za³o¿y³ przy tym, ¿e

prêdkoœæ fali P zale¿y od wytrzyma³oœci materia³u skalne-go oraz stopnia rozdrobnienia górotworu, a opornoœæ pozorna D od parametrów opisuj¹cych g³ównie si³y tarcia dzia³aj¹ce miêdzy elementami tego oœrodka.

Przyjmuj¹c, ¿e parametry Vpi D s¹ miêdzy sob¹ niezale¿ne

(niski wspó³czynnik korelacji r = 0,23 dla analizowanych 20 przypadków) przeprowadzi³ aproksymacjê wielowymia-row¹ w przestrzeni Vp, D i KFG, uzyskuj¹c najlepsze

przy-bli¿enie wielomianami 2 i 3 stopnia (Bestyñski, 1977):

Q*100Rc 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 0,01 0,1 1 4 10 40 100 400 1000 Q Vp D Modu³y deformacji Deformation modulus Prêdkoœæ sejsmiczna Seismic velocity

JakoϾ masywu skalnego

Rock mass quality

niezwykle s³aby

extremely poor bardzo s³abyvery poor s³abypoor

dosta-teczny fair dobry good bardzo dobry very good niezwykle b. dobry extremely good wyj¹-tkowo b. dobry exc. Good Modu³ deformacji [GPa] Deformation modulus D [GPa]min [GPa]D

100 68 46 32 22 15 10 7 5 3 2 1,5 1,0 100 53 30 17 9 5 3 2 1 0,5 0,3 0,2 0,1 porowatoϾ [%] porosity [%] 1000 750 500 250 100 50 25

V = logQ + 3,5 [km/s]p D = 10*Q [GPa]1/3 D = 10*10(Vp-3,53 )[GPa]

pr êd ko œæ se js m ic zn a V [k m /s ] p P – w av e ve lo ci ty V [k m /s ] p g³êbokoœæ [m] depth [m] 1 2 5 10 30 20

Ryc. 1. Nomogram klasyfikacji sejsmicznej Qc (Barton, 1996) Fig. 1. Diagram of Qcseismic classification (Barton, 1996)

20 40 30 40 3800 400 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 1800 0 100 200 300 Vp [m/s] 30 40 30 50 60 50 op or no œæ[ m ] Ω re si si st iv ity[ m ] Ù punkt pomiarowy

measurement point granica zakresu stosowalnoœcirange of applicability

Ryc. 2. Zale¿noœæ KFG = f (Vp, D) dla powierzchni 2-go stopnia

(Bestyñski, 1997)

Fig. 2. Dependence of KFG = f (Vp, D) of second order surface

(Bestyñski, 1997) 55 15 65 45 35 25 35 35 55 45 3800 400 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 1800 0 100 200 300 Vp [m/s] op or no œæ[ m ] Ω re si si st iv ity[ m ] Ù punkt pomiarowy

measurement point granica zakresu stosowalnoœcirange of applicability

Ryc. 3. Zale¿noœæ KFG = f (Vp, D) dla powierzchni 3-go stopnia

(Bestyñski, 1997)

Fig. 3. Dependence of KFG = f (Vp,D) of third order surface

KGF = – 18,605 + 0,041D – 6,396 · 10–5 D2 + 0,024Vp+ 2,839 · 10 –5 DVp – 3,330 ·10–6Vp2 _[10] KGF = 7,6242 + 0,5329D – 0,0017D2 + 1,2372 D3_{– 0,041V} p–0,00012VpD+ 3,2609·10–7VpD2+2,6759·10–5 · Vp 2_{+ 2,4878 · 10}–9 Vp 2 D– 3,9271 · 10–9 Vp 3 _[11]

Ilustracje tych zale¿noœci przedstawiono na ryc. 2 i 3. Wyznaczany w powy¿szy sposób wskaŸnik KFG jest równowa¿ny punktacji RMR (Bestyñski, 1997). Autor kla-syfikacji podkreœla, ¿e tym samym interpretacja geotech-niczna KFG odpowiada klasyfikacji RMR i pozwala na „przeniesienie jej doœwiadczeñ” na warunki utworów fli-szu karpackiego.

Na podstawie pomiarów na stanowiskach wielkoskalo-wych Bestyñski (1997) skorelowa³ wielkoœæ wskaŸnika KFG ze statycznym modu³em sprê¿ystoœci Esi modu³em

deformacji D. Otrzyma³ nastêpuj¹ce zale¿noœci dla aprok-symacji KFG powierzchni¹ 2 stopnia:

Es= 371,6 · exp

(0,050KFG)_{[MPa] (wsp. kor. r = 0,86) [12]}

D = 204,1 · exp(0,058KFG)[MPa] (wsp. kor. r = 0,87)

[13] oraz dla aproksymacji powierzchni¹ 3-stopnia:

Es = 386,2 · exp(0,04 8KFG)_{[MPa] wsp. kor. r = 0,83 [14]}

D = 203,8 ·exp(0,057KFG) _{[MPa] wsp. kor. r = 0,87 [15]}

Analizuj¹c za³o¿enia klasyfikacji KFG nale¿y zauwa-¿yæ, ¿e nie uwzglêdnia ona anizotropii utworów fliszu kar-packiego, która ma du¿e znaczenie dla technologii dr¹¿enia wyrobiska. Wydaje siê równie¿ w¹tpliwa niezale-¿noœæ prêdkoœci Vpi dla oœrodka spêkanego. Na przyk³ad

dla warunków zaciskania spêkañ w górotworze prêdkoœæ

Vp wzrasta a opornoϾ maleje. PrzydatnoϾ klasyfikacji

KFG zosta³a jednak pozytywnie zweryfikowana przy pro-jektowaniu sztolni hydrotechnicznych zapory Œwinna Porêba (Bestyñski, 1997).

Klasyfikacje geofizyczne górotworu dla potrzeb podziemnej eksploatacji z³ó¿

W latach osiemdziesi¹tych opracowano klasyfikacjê sk³onnoœci pok³adu wêgla do t¹pañ przy wykorzystaniu pomiaru prêdkoœci fal pod³u¿nej P i poprzecznej S (Goszcz & Dworak, 1982; Goszcz, 1985; Dworak, 1990). Podstaw¹ tej klasyfikacji jest geofizyczny wskaŸnik t¹pliwoœci GWT.

Obejmuje on trzy klasy pok³adu wêgla — niesk³onny do t¹pañ (I), sk³onny (II) i silnie sk³onny (III). W celu zalicze-nia pok³adu do konkretnej klasy wykorzystuje siê nomo-gram przedstawiony na ryc. 4.

I, II, III — klasy sk³onnoœci do t¹pañ, I, II, III — classes

of rockburst danger;

Vd— dynamiczny wspó³czynnik Poissona, Vd—

dyna-mic Poisson’s ratio;

Gd— dynamiczny modu³ sprê¿ystoœci postaciowej, Gd

— dynamic shear modulus

Znajomoœæ anomalnych zmian prêdkoœci fal sejsmicz-nych pomierzosejsmicz-nych w pok³adach wêgla jest podstaw¹ tzw. sejsmicznej metody oceny zagro¿enia wstrz¹sami górni-czymi kopalniach wêgla (Dubiñski, 1989). Metoda ta jest szeroko stosowana w kopalniach Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego w celu optymalnego projektowania u¿ycia œrodków profilaktyki t¹paniowej. W celu wyznaczenia

I II III 1,20 1,35 1,50 1,65 1,80 1,95 2,10 2,25 G [10 MPa]d 3 νd= 0 ,10 νd= 0 ,15 νd= 0 ,20 νd= 0 ,25 νd= 0 ,28 νd= 0 ,30 νd= 0,35 νd= 0,40

prawdopodobna granica zakresu stosowalnoœci probable range of applicability

Ryc. 4. Klasyfikacja sk³onnoœci wêgla do t¹pañ metod¹ GWT

(Dworak, 1990)

Fig. 4. Classification of hard coal prone to rock burst by GWT

met-hod (Dworak, 1990) 8 24 300 40 16 32 0 0 100 500 200 400 H =30 0m H = 900m H =700 m H= 500 m pr zyrost prêdkoœci [m/s] ∆ ∆ V velocity increment V [m/s]

przyrost naprê¿enia∆ [MPa] ∆ p

stress increment p [MPa] H V p = 300 m = 39,39 ∆ ∆ 0,894 H V p = 500 m = 36,90 ∆ ∆ 0,854 H V p = 700 m = 43,36 ∆ ∆ 0,725 H V p = 900 m = 43,36 ∆ ∆ 0,584

Ryc. 5. Zale¿noœæ przyrostu prêdkoœci fali sej-smicznej w pok³adzie wêgla od przyrostu pionowej sk³adowej naprê¿enia (Dubiñski, 1989)

Fig. 5. Dependence of seismic velocity increment in coal seam on vertical stress increment (Dubiñski, 1989) Stopieñ wzrostu naprê¿eñ Level of stress increase Charakterystyka wzrostu naprê¿eñ Description of stress increase Anomalia sejsmiczna Seismic anomaly % Przyrost naprê¿eñ Stress increase %

0 brak no increase poni¿ej 5

less than

poni¿ej 20

less than

1 s³aby low 5–15 20–60

2 œredni medium 15–25 60–140

3 du¿y high ponad 25

more than

ponad 140

more than

Tab. 1. Klasyfikacja sejsmiczna oceny wzrostu naprê¿enia w warunkach kopalñ GZW (Dubiñski, 1989)

Table 1. Seismic classification of stress increase in coal mines of the Upper Silesian Coal Basin (Dubiñski, 1989)

anomalii sejsmicznej, wymagana jest znajomoœæ prêdkoœci odniesienia Vo — charakteryzuj¹cej warunki stanu

naprê-¿enia pierwotnego. Prêdkoœæ ta jest zale¿na od g³êbokoœci H (Dubiñski, 1989):

V = 1200 + 4,83H0,76 [16]

G³êbokoœæ ma równie¿ wp³yw na wielkoœæ anomalii sejsmicznej zwi¹zanej z przyrostem naprê¿enia )p, co zosta³o zilustrowane na ryc. 5.

Z przedstawionych zale¿noœci wynika, ¿e konkretna wartoœæ anomalii sejsmicznej charakteryzuje odmienny stan naprê¿enia na ró¿nej g³êbokoœci. Dla in¿ynierskiego zastosowania tej zale¿noœci Dubiñski (1989) uœrednia i skaluje wyznaczane wielkoœci. Na przyk³ad, w tab. 1 przedstawiono klasyfikacjê dla przedzia³u g³êbokoœci od 500 do 900 m.

Inne klasyfikacje geofizyczne

Sjögren i in. (1979) przeprowadzili badania zwi¹zku pomiêdzy prêdkoœci¹ fali pod³u¿nej P, a liniow¹ gêstoœci¹ spêkañ i wskaŸnikiem RQD. Dokonali oni interpretacji ok. 115 km profili refrakcyjnych i analizy spêkañ 2850 m rdzeni z mocnych ska³ takich jak granity, gnejsy, amfiboli-ty, pegmatyamfiboli-ty, anortozyty i kwarcyty. Na podstawie znajo-moœci prêdkoœci fali P sklasyfikowali oni górotwór w klasach odpowiadaj¹cych klasom RQD. Parametrem jest sejsmiczny wskaŸnik QI(Quality Index) obliczany

nastê-puj¹co (Sjögren i in., 1979):

Q V V I p p =100 0 [17] gdzie:

Vp0— prêdkoœæ fali P w oœrodku niespêkanym,

Wartoœæ QIQI valve 100–91 90–76 75–51 50–25 < 25

Klasa górotworu

Class of rock mass

bardzo dobry very good dobry good œrednio dobry fair s³aby

weak bardzo s³aby

Tab. 2. Klasyfikacja górotworu wed³ug sejsmicznego wskaŸnika jakoœci górotworu QI na podstawie Sjögrena i in. (1979) Table 2. Rock mass quality classification by seismic index QI based on Sjögren i in. (1979)

Ska³a

Rock

Prêdkoœæ fali bezpoœredniej w ociosie sztolni

Velocity of direct wave in the wall of tunnel [m/s]

Prêdkoœæ fali przechodz¹cej miêdzy sztolniami

Velocity of wave passing between tunnels [m/s] Klasa litologiczna * Lithological class * Wapieñ Limestone < 2000 2000–3000 3000–4500 > 4500 < 2300 2300–3300 3300–4500 >4500 D, C1 D, Cm Cn, B B, A Ska³y typu ³upku, andezytu

Rocks type of shales, andesite

< 2000 2000–3000 3000–4000 > 4000 < 2300 2300–3300 3300–4000 > 4000 D, C1 Cm Cn B, A Granit, gnejs Granite, gneis < 1500 1500–2500 2500–4000 > 4000 < 1800 1800–2800 2800–4000 > 4000 D, C1 Cm Cn B, A Piaskowiec Sandstone < 1500 1500–2500 2500–3500 > 3500 < 1500 1800–2800 2800 –3800 > 3800 D, C1 Cm Cn, B B, A

Tab. 3. Klasyfikacja górotworu na podstawie prêdkoœci fali sejsmicznej wed³ug Masudo (Thiel, 1980) Table 3. Rock mass classification based on seismic velocity according to Masudo (Thiel, 1980)

A — ska³a niezwietrza³a twarda, sk³adniki mineralne niezwietrza³e, spêkania zamkniête, brak wietrzenia w pobli¿u czêœci kontaktowych spêkañ; A — not weathered hard rock, not weathered mineral components, closed joints, contact walls of joints not weathered;

B — ska³a niezwietrza³a, zwiêz³a, w pocz¹tkowym stadium wietrzenia sk³adników mineralnych, spêkania s¹ zamkniête; B — not weathered consistent rock, primary stage of weathering of mineral components, closed joints;

Cn— ska³a zwiêz³a w stadium zaawansowanego wietrzenia, sk³adniki mineralne zmienione nieznacznie, czêœci kontaktowe spêkañ nieznacznie

zwie-trza³e;

Cn— consistent rock in the stage of intensified weathering, mineral components slightly changed, contact walls of joints slightly weathered;

Cm— ska³a raczej zwiêz³a, wiêkszoœæ sk³adników mineralnych, z wyj¹tkiem kwarcu uleg³a zwietrzeniu, spêkania s¹ otwarte, powierzchnie spêkania

s¹ silnie zwietrza³e;

Cm— rather consistent rock, the most of mineral components weathered except of quartz, open joints, contact walls of joints strongly weathered;

C1— ska³a zwietrza³a, miêkka, na ogó³ z du¿¹ liczb¹ spêkañ;

C1— weathered soft rock, generally a great number of joints;

D — ska³a z bardzo du¿¹ liczb¹ du¿ych spêkañ oddzielaj¹cych poszczególne bloki skalne. D — rock with great number of large joints separated rock blocks

Vp— prêdkoœæ fali P w górotworze.

Przedzia³y zmiennoœci wskaŸnika QIodpowiadaj¹

kla-som górotworu wyró¿nionym w tab. 2.

Jedn¹ z pierwszych charakterystyk górotworu opartych na kompleksowych badaniach geofizycznych przedstawi³ Dziewañski (1985). Klasyfikacja ta oparta na wynikach metod sejsmicznej, elektrooporowej i grawimetrycznej pozwala³a na jakoœciow¹ ocenê w³aœciwoœci górotworu dla potrzeb projektowania sztolni hydrotechnicznej elektrowni M³oty.

Znana jest równie¿ klasyfikacja (tab. 3) oparta na sej-smicznych badaniach in¿ynierskich, podana przez Masudo (Thiel, 1980).

A — ska³a niezwietrza³a twarda, sk³adniki mineralne niezwietrza³e, spêkania zamkniête, brak wietrzenia w pobli¿u czêœci kontaktowych spêkañ;

B — ska³a niezwietrza³a, zwiêz³a, w pocz¹tkowym sta-dium wietrzenia sk³adników mineralnych, spêkania s¹ zamkniête;

Cn— ska³a zwiêz³a w stadium zaawansowanego

wie-trzenia, sk³adniki mineralne zmienione nieznacznie, czêœci kontaktowe spêkañ nieznacznie zwietrza³e;

Cm — ska³a raczej zwiêz³a, wiêkszoœæ sk³adników

mineralnych, z wyj¹tkiem kwarcu uleg³a zwietrzeniu, spê-kania s¹ otwarte, powierzchnie spêspê-kania s¹ silnie zwie-trza³e;

C1— ska³a zwietrza³a, miêkka, na ogó³ z du¿¹ liczb¹

spêkañ;

D — ska³a z bardzo du¿¹ liczb¹ du¿ych spêkañ oddzie-laj¹cych poszczególne bloki skalne.

6. Przyk³ad oceny w³aœciwoœci górotworu za pomoc¹ klasyfikacji geofizycznych dla potrzeb projektowania tunelu drogowego w Wêgierskiej Górce.

Po³o¿enie terenu badañ. Teren badañ po³o¿ony by³ w zachodniej czêœci Karpat fliszowych na granicy Beskidu

Œl¹skiego i Beskidu ¯ywieckiego. Pod wzglêdem geolo-gicznym na terenie tym wystêpuj¹ utwory fliszowe wieku kredowego — paleogenu (eocen–oligocen) oraz utwory czwartorzêdowe.

Wzd³u¿ projektowanej trasy tunelowej w Wêgierskiej Górce utwory fliszu karpackiego wchodz¹ w sk³ad dwóch jednostek geologicznych — œl¹skiej i przedmagurskiej. Tektonika fliszu jest z³o¿ona, a bieg i upad warstw zmien-ny. Generalnie, warstwy maj¹ rozci¹g³oœæ SW–NE, a kie-runek upadu tych warstw zmienia siê od 40 do 70o_{ku S.}

Zakres i metodyka badañ. Wykonano 1600 mb refrakcyjnych profili sejsmicznych pod³u¿nych — wzd³u¿ osi projektowanego tunelu i poprzecznych — prosto-pad³ych do niej. Rozstawy posiada³y d³ugoœæ 115 m i zak³adkê 15 m, a odstêp miêdzy czujnikami wynosi³ 5 m. Falê sejsmiczn¹ wzbudzano za pomoc¹ udaru 6 kg m³otem. Sygna³ zosta³ zarejestrowany z taktem 0,125 ms. Czas reje-stracji wynosi³ 0,512 s, przy 5–8 krotnym sk³adaniu. Pomiary przeprowadzono za pomoc¹ 24. kana³owej apara-tury sejsmicznej Geode produkcji USA. Aparatura ta cha-rakteryzuje siê dynamik¹ 144 dB i rozdzielczoœci¹ 24 bitów. Do pomiarów wykorzystano geofony o czêstotliwo-œci w³asnej 14 Hz produkcji Geospace, USA. System pomiarowy by³ obs³ugiwany za pomoc¹ oprogramowania firmy Geometrics Inc. produkcji USA. Dane zosta³y zapi-sane w formacie sejsmicznym SEG–2.

Zarejestrowane trasy sejsmiczne po sortowaniu i sk³adaniu zosta³y przefiltrowane czêstotliwoœciowo i prêd-koœciowo, a nastêpnie wyznaczono czasy wejœcia fali refrakcyjnej. Do przetwarzania danych wykorzystano pro-gram PickWin95, a interpretacjê sejsmiczn¹ wykonano w programie Plotrefa. W programie interpretacyjnym do obliczenia modelu prêdkoœciowego i g³êbokoœciowego oœrodka wykorzystano metodê uogólnion¹ czasu wzajem-nego (generalised reciprocal traveltimes method). Korekty

Odcinek pomiarowy Survey section od km — do km RMR [pkt] Q [pkt] KFG [pkt] D œredn. (Barton, 1996) [GPa] D min. (Barton, 1996) [GPa] D (Bestyñski, 1997) [GPa] Es (Bestyñski,1997) [GPa] Es (Serafim & Pereira, 1980) [GPa] 10+970–11+030 24,3 0,11 36,3 4,8 1,0 1,7 2,3 2,3 11+031–11+080 22,2 0,09 35,3 4,5 0,9 1,6 2,2 2,0 11+081–11+145 23,3 0,10 35,8 4,6 0,9 1,6 2,2 2,2 11+146–11+195 24,3 0,11 36,3 4,8 1,0 1,7 2,3 2,3 11+196–11+240 24,3 0,11 31,4 4,8 1,0 1,3 1,8 2,3 11+241–11+280 24,3 0,11 28,9 4,8 1,0 1,1 1,6 2,3 11+281–11+350 25,3 0,13 29,2 5,0 1,0 1,1 1,6 2,4 11+351–11+405 22,2 0,09 30,6 4,5 0,9 1,2 1,7 2,0 11+406–11+450 19,1 0,06 26,4 4,0 0,8 0,9 1,4 1,7 11+451–11+510 19,1 0,06 33,9 4,0 0,8 1,5 2,0 1,7 11+511–11+580 19,1 0,06 31,6 4,0 0,8 1,3 1,8 1,7 11+581–11+640 19,1 0,06 31,6 4,0 0,8 1,3 1,8 1,7 11+641–11+705 17,1 0,05 25,8 3,7 0,7 0,9 1,3 1,5 11+706–11+745 15,0 0,04 27,9 3,4 0,7 1,0 1,5 1,3 11+746–11+815 13,5 0,03 27,3 3,2 0,6 1,0 1,5 1,2 11+816–11+880 12,9 0,03 27,1 3,2 0,6 1,0 1,4 1,2

Tab. 4. Parametry geotechniczne górotworu wyznaczonych na podstawie refrakcyjnych pomiarów sejsmicznych dla projekto-wanego tunelu Wêgierska Górka

modelu dokonano metod¹ analizy odwrotnej. Poprzez zmianê po³o¿enia granic modelu g³êbokoœciowego dopa-sowano hodografy obliczone do obserwowanych w taki sposób, aby œredni b³¹d kwadratowy tego dopasowania by³ minimalny.

Wyniki badañ. Generalnie, wyniki wykonanych badañ sejsmicznych przedstawiono w formie przekrojów sejsmicznych, mapy sejsmicznej pod³o¿a skalnego oraz zestawieñ obliczonych wielkoœci opisuj¹cych w³aœciwoœci górotworu. Metodykê tych obliczeñ szerzej omówiono w pracy Dziewañskiego i in. (2001).

Wielkoœæ modu³u deformacji D wyznaczono z zale¿no-œci korelacyjnych na podstawie prêdkozale¿no-œci fali P. Punktacja klasyfikacji Q zosta³a wyznaczona z zale¿noœci [4] przy znajomoœci prêdkoœci refrakcyjnej Vp. Punktacjê

klasyfika-cji RMR wyznaczono z zale¿noœci (Bieniawski,1984):

RMR = 9 Ln Q + 44 [17]

Natomiast modu³ sprê¿ystoœci Esz zale¿noœci Serafima

i Pereiry (1980) którzy zmodyfikowali zale¿noœæ Bieniaw-skiego (1978) dla s³abszych górotworów:

Es= 10

(RMR–10)/40_{, dla RMR <58 [18]}

Punktacjê klasyfikacji KFG wyznaczono z zale¿noœci [10]. Dla potrzeb klasyfikacji KFG przeprowadzono pomiary elektrooporowe (Krzeszowiec, 2002).

W tab. 4 zestawiono obliczone parametry geotechnicz-ne górotworu dla tugeotechnicz-nelu Wêgierska Górka. Przyjêto, ¿e warunki dr¹¿enia na poziomie tunelu bêd¹ odpowiadaæ warunkom pomierzonym w stropowej czêœci pod³o¿a.

Obliczone parametry to punktacja RMR, Q i KFG oraz modu³y deformacji D i sprê¿ystoœci Es. Wyznaczone modu³

Dmin.wg Bartona (1996) i modu³ D wg Bestyñskiego (1997)

osi¹gaj¹ zbli¿one wartoœci. Natomiast modu³ D œredni wg Bartona (1996) przyjmuje zbyt wysokie wartoœci. W przy-padku modu³ów sprê¿ystoœci zachodzi dobra korelacja wyników dla zale¿noœci Bestyñskiego (1997) i Serafima i Pereiry (1980), jednak¿e mo¿e to œwiadczyæ o poprawnym skalowaniu klasyfikacji KFG wg klasyfikacji RMR. Nie-mniej jednak uzyskane wielkoœci Es i D mieszcz¹ siê w

zakresie wyników pomiarów tych wielkoœci w utworach fliszu karpackiego wykonanych metod¹ dylatometryczn¹ (Zabuski i in., 1999).

Podsumowanie

W ostatnich kilkudziesiêciu latach badania w³aœciwoœci górotworu za pomoc¹ metod geofizycznych, niew¹tpliwie znajduj¹ siê w stanie intensywnego rozwoju zwi¹zanego z budownictwem podziemnym i wielkogabarytowym na powierzchni ziemi. Metody te umo¿liwiaj¹ empiryczn¹ ocenê w³aœciwoœci górotworu w miejscu jego wystêpo-wania, na d³u¿szym odcinku, w sposób szybki i bardziej efektywny w porównaniu do innych metod. Do najbardziej rozpowszechnionych nale¿y metoda sejsmiczna, pomimo, ¿e jest pracoch³onna i wymaga specjalistycznej aparatury i oprogramowania.

Ocena w³aœciwoœci górotworu za pomoc¹ metody sej-smicznej opiera siê g³ównie na prêdkoœci fali pod³u¿nej P. Nale¿y s¹dziæ, ¿e pomimo trudnoœci w wyznaczeniu prêd-koœci fali poprzecznej S i t³umienia, parametry te powinny dostarczyæ dodatkowych informacji o w³aœciwoœciach górotworu. Trudnoœci w dalszym rozwoju metody sej-smicznej stwarza niewystarczaj¹ca znajomoœæ zale¿noœci pomiêdzy parametrami dynamicznymi i statycznymi,

zw³aszcza z uwzglêdnieniem skali wymiaru. Nierozpoznana pozostaje równie¿ zale¿noœæ pomiêdzy w³aœciwoœciami wytrzyma³oœciowymi górotworu a parametrami sejsmicznymi. Podsumowuj¹c nale¿y podkreœliæ, ¿e przydatnoœæ metody sejsmicznej i innych metod geofizycznych w roz-wi¹zywaniu zagadnieñ geotechnicznych jest znacz¹ca i niew¹tpliwie bêdzie siê zwiêkszaæ.

Badania zosta³y czêœciowo sfinansowane z projektu badawczego KBN nr T12A01720.

Literatura

BARTON N. 1995 — The influence of joint properties in modeling of

join-ted rock asses. Keynote Lecture, Proc. 8th

ISMR Congress Tokyo, vol. III. BARTON N. 1996 — Estimating rock mass deformation modulus for excavation disturbed zone studies. Proc. of Excavation disturbed zone workshop, eds. J. B. Montino & C. D. Martin, September 20 1996, Manitoba, Canada, 133–144.

Barton N. R., LIEN R. & LUNDE J. 1974 — Engineering classifica-tion of rock masses for the design of tunnel support. Rock Mechanics, 6: 189–239.

BESTYÑSKI Z. 1997 — Ocena w³aœciwoœci geotechnicznych fliszu karpackiego na podstawie badañ geofizycznych. Praca doktorska, AGH, Kraków.

BIENIAWSKI Z. T. 1978 — Determining rock mass deformability: experience from case–histories. Int. J. Rock Mech. Min. Sc. & Geo-mech. Abstr., 15: 237–247.

BIENIAWSKI Z. T. 1984 — Rock mechanics design in mining and tunneling. Balkema. Rotterdam.

BIENIAWSKI Z. T. 1989 — Engineering rock mass classification. Wiley, New York.

DEERE D. U., HENDRON A. J., PATTON F. D. & CORDING E. J. 1967 — Design of surface and near surface construction in rock. Proc. 8th

US Symp. on Rock Mech., New York, 237–302.

DUBIÑSKI J. 1989 — Sejsmiczna metoda wyprzedzaj¹cej oceny zagro¿enia wstrz¹sami górniczymi w kopalniach wêgla kamiennego. Pr. Nauk. GIG, seria dodatkowa.

DUBIÑSKI J. & KONOPKO W. 2000 — T¹pania — ocena, prognoza i zwalczanie. Wyd. GIG, Katowice.

DWORAK J. 1990 — Wykorzystanie kinematycznych charakterystyk fal sejsmicznych w diagnostyce górotworu. Praca doktorska. GIG. DZIEWAÑSKI J. 1985 — Badanie metodami geofizycznymi w³aœciwoœci masywu skalnego. Mat. I Kraj. Konf. Nauk. Techn. „Zastosowanie metod geofizycznych w górnictwie kopalin sta³ych”, t. I, Jaworze, 6–8 listopada 1985, 85–93.

DZIEWAÑSKI J., PILECKI Z. & SROCZYÑSKI W. 2001 — Zagad-nienia badañ geologiczno-in¿ynierskich w projektowaniu tuneli komu-nikacyjnych w utworach fliszu karpackiego — na przyk³adzie tunelu w Lalikach. Studia, Rozprawy, Monografie 96, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków. GOSZCZ A. 1985 — Przeœwietlanie sejsmiczne jako jedna z metod oceny stanu zagro¿enia tapaniami. Prz. Górn., 11–12: 354–358. GOSZCZ A. & DWORAK J. 1982 — Okreœlenie sk³onnoœci do t¹pañ na podstawie analizy tektonofizycznej oraz pomiarów sprê¿ystych pok³adu metod¹ sejsmiczn¹ w wyrobiskach górniczych. Arch. Górnictwa, 27, z. 1–2. HOEK E. 1999 — Rock Engineering — course notes by Evert Hoek, Toronto, (manuskrypt).

HOEK E., KAISER P. K. & BAWDEN W. F. 1995 — Support of underground excavations in hard rock. Balkema, Rotterdam. KIDYBIÑSKI A. 1982 — Podstawy geotechniki kopalnianej. Wyd. Œl¹sk, Katowice.

KRZESZOWIEC M. 2002 — Badanie górotworu metod¹ geofizyczn¹ — elektrooporow¹ wzd³u¿ tuneli projektowanych w ci¹gu drogi eks-presowej S–94 na odcinku Wêgierska Górka–Milówka, Dokumentacja badañ elektrooporowych „Mak” P.W, Mys³owice, marzec 2002. PILECKI Z. 1999 — Metoda oceny zachowania siê masywu skalnego wokó³ wyrobiska na podstawie badañ in situ. Studia i Rozprawy: 59, Wyd. PAN IGSMiE, Kraków.

SERAFIM J. L. & PEREIRA J. P. 1983 — Consideration of the geome-chanical classification of Bieniawski. Proc. Int. Symp. on Eng. Geo-logy and Underg. Constr., Lisbon, vol. 1 (II): 33–44.

SINGH B. & GOEL R. K. 1999 — Rock Mass Classification. Elsevier, Oxford.

SJÖGREN B., OFSTHUS A. & SANDBERG J. 1979 — Seismic clas-sification of rock mass qualities. Geophys. Pros., 27: 409–442. THIEL K. 1980 — Mechanika ska³ w in¿ynierii wodnej. PWN, Warszawa. ZABUSKI L., THIEL K. & BOBER L. 1999 — Osuwiska we fliszu Karpat Polskich. Wyd. IBW PAN, Gdañsk.