基于監(jiān)控量測的隧道圍巖分級方法及其應(yīng)用研究

黃鋒，王星星，魏源泉，李科，林志

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶400067;2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074)

基于監(jiān)控量測的隧道圍巖分級方法及其應(yīng)用研究

黃鋒1，2，王星星2，魏源泉2，李科1，林志1

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶400067;2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074)

以建設(shè)中的渝萬高速鐵路孫家灣隧道為例，通過現(xiàn)場實測獲取了巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度、巖體完整性系數(shù)、地下水影響修正系數(shù)、主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)。運用監(jiān)控量測和擴(kuò)張卡爾曼濾波非確定性反分析技術(shù)，獲得了圍巖初始地應(yīng)力狀態(tài)影響系數(shù)。在此基礎(chǔ)上計算了修正后的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)［BQ］值，并對隧道掌子面附近圍巖進(jìn)行了分級。結(jié)果表明:采用基于現(xiàn)場監(jiān)控量測的分級方法，能夠快速獲得圍巖的真實等級，為修正設(shè)計階段的圍巖等級和優(yōu)化施工方法提供依據(jù)。

鐵路隧道 監(jiān)控量測 圍巖分級 擴(kuò)張卡爾曼濾波

圍巖分級是隧道穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)，也是正確指導(dǎo)設(shè)計、合理制定施工方案的重要保證，更是隧道工程投資預(yù)算的主要依據(jù)［1］。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜多變和勘察手段的局限性，勘察設(shè)計階段的隧道圍巖分級與實際施工階段的圍巖分級差異很大。為了減小這種差異帶來的影響，就必須在隧道施工中根據(jù)監(jiān)控量測的結(jié)果及時進(jìn)行圍巖分級的核定，以對施工設(shè)計參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化［2］。

目前，鐵路隧道施工現(xiàn)場圍巖分級判斷多采用定性標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致圍巖分級判斷往往帶有很強(qiáng)的主觀性，這導(dǎo)致圍巖分級缺乏依據(jù)，準(zhǔn)確性也難以保證［3］。一般來說，大多數(shù)鐵路隧道施工都要求進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控量測工作，將現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)與圍巖分級掛鉤，在現(xiàn)場進(jìn)行定量化的圍巖分級具有較大的實際意義和可操作性［4］。

1 工程背景

1.1 渝萬鐵路概況

渝萬鐵路西起重慶北站，向東北至萬州北站，為時速250 km雙線客運專線，全線共有隧道55座，占總長(247 km)的23.52%。全段隧道的地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，有危巖落石、巖溶及巖溶水、淺埋偏壓等不良地質(zhì)情況。前期勘察資料表明Ⅳ，Ⅴ級軟弱圍巖所占比例大，約占隧道里程的68.2%。

1.2 隧道的工程地質(zhì)情況

孫家灣隧道位于重慶市梁平縣境內(nèi)，隧址區(qū)屬丘陵地貌，高程490～535 m，相對高差2～40 m，斜坡自然坡度10°～35°，斜坡基巖大部分裸露，土層零星覆蓋，多辟為旱地，村舍零星分布。

孫家灣隧道全長95 m，最大埋深約27 m，研究對象選取掌子面里程樁號為DK190+811的圍巖。該斷面位置位于隧道中段(接近隧道中心里程DK190+ 827.5)，初步勘察顯示圍巖為侏羅系泥巖夾砂巖地層，節(jié)理較發(fā)育，巖石破碎，在該隧道中所占比例較大。

2 基于現(xiàn)場監(jiān)控量測的圍巖分級方法

2.1 技術(shù)路線

隧道工程強(qiáng)調(diào)動態(tài)設(shè)計與信息化施工，即借助施工過程中的監(jiān)控量測等信息對原設(shè)計進(jìn)行修改和完善。監(jiān)控量測可以提供洞頂下沉、周邊收斂、圍巖內(nèi)部位移、鋼支撐受力情況等信息，實現(xiàn)隧道信息化動態(tài)施工控制，在保證安全快速施工的同時又節(jié)省工程造價。

基于現(xiàn)場監(jiān)控量測的圍巖分級方法，是根據(jù)隧道動態(tài)施工中獲得的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，通過非確定性位移反分析的方法，獲取定量分級中所需的各個參數(shù)，計算出修正后的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)［BQ］值，最終查表確定圍巖級別。基于現(xiàn)場監(jiān)控量測的圍巖分級采用的技術(shù)路線如圖1所示。

2.2 圍巖分級指標(biāo)的計算方法

圍巖分級指標(biāo)的計算方法以《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218—2014)為依據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)以工程統(tǒng)計為基礎(chǔ)，采用多元逐步回歸和判別分析法，建立了巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值的計算公式

圖1 現(xiàn)場隧道圍巖分級方法技術(shù)路線［1］

式中:Rc為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度;Kv為巖體完整性系數(shù)，等于巖體與巖塊縱波速度之比的平方。

圍巖詳細(xì)分級時，須分別獲得地下水、軟弱結(jié)構(gòu)面和地應(yīng)力狀態(tài)對巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ進(jìn)行修正的影響系數(shù)K1，K2，K3，按公式(2)對BQ進(jìn)行修正。最后，由修正后的［BQ］值查表確定工程巖體級別。

3 分級參數(shù)的定量獲取

3.1 單軸飽和抗壓強(qiáng)度

采用GYY51-SCD1型巖石點荷載儀，對11個取至現(xiàn)場的巖石試樣進(jìn)行了點荷載試驗。首先，分別計算試驗結(jié)果的最小值、最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)，根據(jù)樣本統(tǒng)計方法計算出巖石的點荷載指數(shù)Is(50)［5］。然后，根據(jù)巖石點荷載試驗結(jié)果，通過公式(3)換算成巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc。該法簡便易行，數(shù)據(jù)可靠。

孫家灣隧道DK190+811處點荷載試驗結(jié)果如表1所示。經(jīng)計算巖石點荷載指數(shù)Is(50)=0.753 MPa，代入式(3)得Rc=18.446 MPa。

3.2 巖體完整性系數(shù)

巖體完整性系數(shù)由Kv表示，由現(xiàn)場可測得巖體體積節(jié)理數(shù)Jv，根據(jù)規(guī)范中Jv與Kv的對照表，即可得Kv。由孫家灣隧道掌子面處的現(xiàn)場測量統(tǒng)計可得Jv為17，按規(guī)范中Jv與Kv對照表，即可確定相應(yīng)的孫家灣隧道DK190+811處Kv為0.41。

表1 孫家灣隧道DK 190+811點荷載試驗結(jié)果

使用公式(1)要注意兩個限制條件［6］:

1)當(dāng)Rc＞90Kv+30時，應(yīng)以Rc=90Kv+30代入計算BQ值;

2)當(dāng)Kv＞0.04Rc+0.4時，應(yīng)以Kv=0.04Rc+0.4代入計算BQ值。

代入Rc和Kv值，不滿足以上兩個限制條件，故Rc仍取18.446，Kv仍取0.41。因此，由公式(1)計算得到BQ=247.839 2。

3.3 地下水影響修正系數(shù)

根據(jù)隧道的監(jiān)控量測項目即可便捷定量獲取掌子面處出水狀況，結(jié)合已計算出的BQ值，對照《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》［5］中“地下水影響修正系數(shù)”即可得出相應(yīng)K1值。

由孫家灣隧道DK190+811處的現(xiàn)場測量統(tǒng)計可得掌子面干燥無水，且BQ=247.839 2，根據(jù)規(guī)范［6］中涌水量、水壓、BQ值與地下水修正系數(shù)K1的對應(yīng)關(guān)系，即可確定相應(yīng)的K1=0.594 3。

3.4 主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)

隧道現(xiàn)場掌子面處的主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀由DQL-8型羅盤測得。根據(jù)現(xiàn)場測得結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及其與洞軸線的組合關(guān)系，結(jié)合《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》［5］中“主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)”，查表即可得K2［6］。

對于孫家灣隧道DK190+811處，根據(jù)現(xiàn)場實測該掌子面主要節(jié)理走向SW 225°，傾向SE，傾角20°。根據(jù)結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線夾角，以及結(jié)構(gòu)面傾角的不同組合，查表可得K2=0.3。

3.5 初始地應(yīng)力狀態(tài)影響系數(shù)

初始地應(yīng)力狀態(tài)可以通過有限元反分析技術(shù)獲得，即以現(xiàn)場量測到的圍巖位移為基礎(chǔ)，通過反演模型推算得到初始地應(yīng)力的大小。這里采用擴(kuò)張卡爾曼濾波非確定性反分析技術(shù)，其具體原理見參考文獻(xiàn)［7］。通過計算獲得隧道周圍地層地應(yīng)力的最大主應(yīng)力σmax，首先由規(guī)范判斷出地應(yīng)力的狀態(tài)，再查表獲取初始地應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)K［6］。3

孫家灣隧道DK190+811處圍巖收斂變形時程曲線如圖2所示，共有5條測線。其中測線1為左起拱線與拱頂?shù)倪B線;測線2為右起拱線與拱頂?shù)倪B線;測線3為左起拱線與右起拱線的連線;測線4為左拱腰與右拱腰的連線;測線5為拱頂與拱底的連線。采用擴(kuò)張卡爾曼濾波非確定性反分析技術(shù)，可得該位置的初始地應(yīng)力最大值σmax為0.23 MPa，則Rc/σmax＞4。然后，根據(jù)規(guī)范［6］確定出該位置的初始地應(yīng)力狀態(tài)為“一般地應(yīng)力”。因此，可確定孫家灣隧道DK190+ 811處的K3=0。

圖2 圍巖周邊收斂變形時程曲線

4 圍巖分級結(jié)果

上述分級方法采用VC++和Fortran混合編程來實現(xiàn)，程序運算界面如圖3所示。現(xiàn)場監(jiān)控量測人員將獲得的圍巖參數(shù)直接輸入程序窗口，可以快速、便捷地獲得隧道圍巖的分級結(jié)果。

圖3 基于現(xiàn)場監(jiān)控量測的圍巖分級系統(tǒng)界面

將現(xiàn)場實測得到的圍巖分級相關(guān)系數(shù)輸入系統(tǒng)，可得孫家灣隧道DK190+811處的圍巖［BQ］= 158.409 2。分級結(jié)果為Ⅴ級，表明隧道施工中應(yīng)注意開挖進(jìn)尺，加強(qiáng)監(jiān)控量測，及時施作初期支護(hù)(如邁式管棚+超前小導(dǎo)管)。

5 結(jié)論

1)采用點荷載試驗、節(jié)理識別、地下水調(diào)查分析、擴(kuò)張卡爾曼濾波非確定性反分析技術(shù)等方法獲取了計算圍巖分級指標(biāo)［BQ］值所需的相關(guān)參數(shù)。

2)采用VC++和Fortran混合編程法編制了圍巖分級程序，使計算變得快捷、準(zhǔn)確，簡單易行。

3)基于監(jiān)控量測的圍巖分級方法進(jìn)行現(xiàn)場圍巖分級準(zhǔn)確、可靠，相對于其它方法，具有快速、簡單、節(jié)省人力物力資源等特點。

4)使用基于監(jiān)控量測的圍巖分級方法能夠很好地解決設(shè)計、業(yè)主、監(jiān)理、施工各方對現(xiàn)場圍巖分級的爭議，為科學(xué)、合理制定最佳方案提供數(shù)據(jù)支持。

［1］張長亮，蔣樹屏，林志等.基于現(xiàn)場監(jiān)控量測的隧道圍巖分級方法［J］.公路，2007，30(12):204-207.

［2］孫輝，鄭穎人，王在泉，等.埋深在圍巖分級修正中的應(yīng)用探討［J］.地下空間與工程學(xué)報，2012，8(1):124-128.

［3］朱宏岳.錦屏引水隧洞巖爆特征及其影響因素分析［J］.鐵道建筑，2009(5):71-74.

［4］王明年，陳煒韜，劉大剛，等.公路隧道巖質(zhì)和土質(zhì)圍巖統(tǒng)一亞級分級標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.巖土力學(xué)，2010，31(2):547-552.

［5］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50218-2014工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國計劃出版社，2015.

［6］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 50266—2013工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國計劃出版社，2013.

［7］蔣樹屏.擴(kuò)張卡爾曼濾波器有限元法耦合算法及其隧道工程應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報，1996，18(4):11-19.

Study on classification method of tunnel's surrounding rock based on supervision measurement and its app lication

HUANG Feng1，2，WANG Xingxing2，WEI Yuanquan2，LI Ke1，LIN Zhi1
(1.China Merchants Chongqing Communications Research＆Design Institute Co.，Ltd.，Chongqing 400067，China; 2.School of Civil Engineering and Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

T aking Sun jiaw an tunnel of express railway from Chongqing to W anzhou as an exam p le，the uniaxial saturated com pressive strength of rock，rock in tegrity coefficien t，groundwater inf luence correction factor and the inf luence correction factor of m ain weak structural p lane w ere obtained by m eans of field m easu rem ent.By the supervision m easurem ent and non determ inistic inverse analysis technique of expansion Calman filter，the initial crustal stress state inf luence coefficient of surround ing ricks was got.O n this basis，the m od ified basic qualitative ind icators［BQ］of rock m ass w ere calcu lated and the classification o f surround ing rock m ass nearby tunnel face was determ ined.Resu lts show ed that the rock m ass classification m ethod based on field supervision m easurem en t can quickly determ ine the actual grade of the surrounding rock，which cou ld provide a reference for revising grade of the su rrounding rock in design phase and optim izing construction m ethod.

Railw ay tunnel;Supervision m easu rem ent;Su rrounding rock classification;Expansion Calm an filter

U452.1+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.14

1003-1995(2015)06-0050-04

(責(zé)任審編葛全紅)

2014-11-20;

2015-04-25

重慶市科技攻關(guān)計劃項目(cstc2012gg-yyjs30002);中國博士后科學(xué)基金項目(138076);重慶市博士后科研項目(Xm2014092);重慶市博士后日常經(jīng)費資助項目(Rc201428)

黃鋒(1982—)，男，重慶人，副教授，博士。