基于监控量测的隧道围岩分级方法及其应用研究

以建设中的渝万高速铁路孙家湾隧道为例,通过现场实测获取了岩石单轴饱和抗压强度、岩体完整性系数、地下水影响修正系数、主要软弱结构面产状影响修正系数。运用监控量测和扩张卡尔曼滤波非确定性反分析技术,获得了围岩初始地应力状态影响系数。在此基础上计算了修正后的岩体基本质量指标[BQ]值,并对隧道掌子面附近围岩进行了分级。结果表明:采用基于现场监控量测的分级方法,能够快速获得围岩的真实等级,为修正设计阶段的围岩等级和优化施工方法提供依据。     

隧道围岩分级的遗传-支持向量分类耦合模型

针对现阶段围岩分级方法存在的主要问题,提出隧道围岩分级的遗传-支持向量分类方法。结合佛岭隧道施工期围岩分级实践,以公路隧道设计规范BQ分级为基准,分别采用岩石回弹强度和掌子面状态替代饱和单轴抗压强度和地应力状态,并增加节理延展性观察的定性指标,在大量现场测试和室内试验的基础上,给出每个分级指标的现场快速测试方法,并以分级结果作为遗传-支持向量分类算法的训练样本,建立隧道围岩分级的遗传-支持向量分类智能模型。佛岭隧道围岩分级实例表明:该模型分级结果与现场勘测基本一致,且较遗传-神经网络模型有更高的分级准确性,为隧道围岩分级提供一种方法。     

基于Hoek-Brown模型的铁路隧道围岩分级研究

铁路是一种典型的带状交通工程,山区铁路往往穿越多种复杂的地质条件,地质勘察工作量大。为基于常规的地质调查,快速分析出沿线岩层的物理力学参数和围岩分级结果,基于Hoek-Brown强度准则,对岩体宏观物理力学参数进行反演预测,建立基于常规调查和室内试验的围岩宏观力学参数分级模型。同时,采用C#编制岩体宏观力学参数估算软件,应用该软件可以便捷地对岩体的多项宏观物理力学参数进行分析。通过模型各参数的敏感性分析,发现GSI的取值是影响隧道围岩物理力学参数的关键性指标,并重点对道扎子隧道围岩的宏观物理力学参数进行取值研究,基于分析结果对道扎子隧道混合岩地层的围岩进行快速分级,有效地指导工程设计。     

椿树垭隧道围岩分级的基本参数现场获取方法研究

隧道围岩分级是确定和修改隧道设计参数的重要依据,也是确定隧道施工方法的重要依据.现行的设计规范确定的围岩分级参数在施工现场很难快速获取,而目前系统地进行这方面的研究较少.本文以武神公路椿树垭隧道为例,以公路隧道设计规范中的围岩分级方法为基础,提出了隧道施工围岩综合动态分级方法的基本思路,重点研究了BQ法中基本参数的现场快速获取方法.应用表明,该方法是可行的,可为修改和完善设计提供参考,并指导施工.     

隧道工程岩体完整性新的评价参数及方法

研究目的:隧道围岩分级是隧道勘察设计中的重要参数,以往工作中主要通过地质调查法、钻探法、物探方法定性判识隧道岩体完整程度,物探法主要以弹性波速度作为岩体完整性评价的参数,但针对深埋隧道,由于埋深大,难以直接从地表获得隧道洞身岩体的波速值,使得围岩等级的划分缺少依据。本文建立层状岩体模型,通过研究分析岩体几何参数与电性参数的相关关系,拟提出一种新的围岩完整性评价参数及方法。研究结论:(1)基于层状岩体模型电阻率计算公式,推导出岩体几何参数与电性参数的相关关系,提出了一种新的表征岩体完整性的参数——岩体完整性系数Kr;(2)Kr表征完整岩石在单位岩体中所占的比例,Kr值越大,岩体越完整;(3)通过钻孔综合测井试验,论证Kr可以作为评价岩体完整程度的量化指标,初步统计得出Kr与岩体完整程度量化关系表;(4)Kr评价岩体完整性方法可用于铁路隧道勘察设计阶段,也可用于其他地下工程勘察设计阶段。     

隧道围岩分级的距离判别分析模型及应用

隧道围岩的分级是隧道工程中的一项重要研究工作.将距离判别分析方法应用于隧道围岩分级问题中,建立隧道围岩分级的距离判别分析模型,选用岩石等级、风化程度、岩体弹性纵波波速、岩体结构、地质构造影响程度、节理裂隙发育程度和地下水情况7项指标作为距离判别分析模型的判别因子,以工程岩体实测数据作为学习样本进行训练,建立相应判别函数对待判样本进行分级,并利用回代估计方法进行检验.并将建立的模型运用到实际隧道工程的围岩分级判别中.研究结果表明距离判别分析模型分级性能良好,预测精度高,回代估计的误判率很低,是隧道围岩分级的一种有效方法,可以在实际工程中进行推广.     

地下工程围岩分级的Fisher判别模型及其应用

基于Fisher判别思想,选用岩石质量指标、完整性系数、单轴饱和抗压强度、纵波速度、弹性抗力系数和结构面摩擦系数作为分类指标,利用观音山隧道、笔架山隧道、石山隧道、窑坑隧道和风岗隧道的26组实测资料,建立了围岩分级的Fisher判别模型,经检验,该模型的回判准确率达到100%。利用该模型对其它4组围岩样本进行判别,其结果与工程勘察结果一致,表明Fisher围岩分级模型具有较高的识别精度和工程实用性,为地下工程围岩分级提供了一种新的尝试。     

围岩快速分级和松动圈测试应用研究

吉图珲客运专线小盘岭1#~3#隧道施工,遇到碳化泥质板岩地层,由于其岩质软、节理发育、岩体破碎,围岩稳定性极差,多次发生塌方、换拱等问题。为保证隧道安全快速施工,现场采用非金属声波测试技术对围岩进行施工期快速分级和松动圈厚度确定,为隧道动态设计和信息化施工提供有力保障。(1)声波测试结果分析表明,该隧道碳化泥质板岩松动圈厚度范围在4.90~6.16 m之间;左拱腰、拱顶和右拱腰位置松动圈厚度均值分别为5.91 m、5.35 m和5.19 m。(2)围岩饱和单轴抗压强度为20.6 MPa,属于软质岩;松动圈内围岩波速平均值为1.29 km/s;松动圈外围岩波速平均值为2.06 km/s。综合判定小盘岭隧道弱~强风化碳化泥质板岩围岩等级为Ⅴ级,与现场调查结果基本一致。基于测试结果对隧道支护锚杆和注浆长度进行优化,工程实践表明优化后的锚杆支护和注浆加固效果明显。     

挤压性软岩流变参数反演与本构模型辨识

研究目的:为合理确定挤压性岩体力学性态的各有关参数,正确认识岩体力学属性并确保数值计算结果的可靠性,将隧道现场监测变形时间序列作为依据,通过位移反演分析理论,获得对隧道围岩稳定分析结果影响显著的流变参数值,进而实施流变模型辨识,为隧道工程围岩稳定性分析提供合理的本构模型和切合实际的计算参数. 研究结论:针对挤压性软岩隧道,建立了一套基于实测位移序列的模型辨识与参数反演的方法,该方法既依赖于工程地质和岩石力学理论,又依托于岩体工程现场实际量测,是联系理论实际的桥梁.     

大地电磁测深进行隧道围岩分级的可行性研究

研究目的:以往工作中,物探专业通过开展浅层地震折射法取得岩体纵波速度,但浅层地震折射法受理论以及震源能量限制无法取得深埋隧道洞身附近的岩体速度,使得围岩等级的划分缺少依据。寻求利用电性差异即应用大地电磁测深技术进行隧道围岩分级的研究是十分必要和迫切的。研究结论:浅层地震折射法在取得深埋隧道围岩的纵波速度方面存在很大限制;大地电磁测深法在铁路地质勘察中已成为主要方法,在电阻率区分上是有效的,其成果可以成为判断岩石完整性的依据,应用大地电磁测深技术进行隧道围岩分级是可行的。     

基于模糊概率理论岩质围岩基本分级细化研究

以青岛地铁岩质围岩为研究对象,制订以定性鉴别、BQ、岩芯状态和围岩弹性纵波速度为基础的岩质围岩基本分级细化方法,并将模糊概率理论引入围岩分级中。研究结果表明:对Ⅲ和Ⅳ级围岩进行亚级划分,岩质围岩等级由原来的5级增加到7级,降低了围岩质量之间的跨度,并给出各级围岩的物理力学参数;在定性鉴别的基础上,得到BQ、岩芯状态、围岩弹性纵波速度与围岩等级之间的对应关系,进而建立以定性鉴别、BQ、岩芯状态和围岩弹性纵波速度为基础的岩质围岩基本分级细化方法;获得不同围岩分级方式的判别精度以及围岩等级与各分级指标的隶属函数,以此为基础引入模糊概率理论,建立围岩分级的模糊综合评定方法;通过现场的应用得出,该方法能降低围岩分级中的主观因素,提高围岩分级的精确度,丰富围岩分级体系。     

基于谷仓效应的砂卵石隧道围岩荷载计算研究

研究目的:砂卵石围岩颗粒体系级配分布不均匀，颗粒间点对点接触，隧道施工过程中易引起围岩松散、失稳坍塌等突出问题。本文针对砂卵石围岩典型的颗粒物质特性，基于谷仓效应原理，采用颗粒物质离散元理论，探明砂卵石隧道围岩荷载计算方法，分析砂卵石土在不同细观组构下的细观力学行为，探究砂卵石颗粒级配对土体压力的影响特征，揭示隧道跨度对隧道围岩荷载的影响规律。研究结论:(1)提出了用于计算砂卵石土竖向压力的修正Janssen计算公式，并确定了公式中重要系数转向比；(2)揭示了砂卵石颗粒级配对土体竖向压力与侧压力的影响规律，得到了砂卵石土体底部压力和侧压力的计算公式；(3)通过不同跨度的隧道模型模拟试验，提出了竖向荷载修正系数，使用修正系数法的砂卵石围岩荷载计算值与模拟计算的结果相近，验证了该公式计算的准确性；(4)建立了基于Janssen模型的砂卵石围岩荷载计算方法，可为砂卵石地层隧道精细化设计提供理论基础。     

爆破施工隧道围岩稳定性研究

结合贵广铁路棋盘山隧道施工现场测试,研究隧道爆破近区围岩振动规律以及稳定性。对棋盘山隧道掌子面后方拱顶5 m范围内围岩的爆破振动速度进行测试和分析,结果表明:隧道爆破近区围岩的振动传播速度随爆破的比例距离呈幂指数衰减,棋盘山隧道Ⅲ级围岩的幂指数为-0.62。对爆破施工隧道的稳定性研究表明:隧道塌方主要是岩块沿着节理面滑动造成的,与节理面的抗剪强度和岩块的大小及形状相关。最不稳定拱顶位置关键块掉落的临界爆破振动速度,随关键块高度的增大而增大,而随关键块长度和宽度的增大而减小。因此,可根据隧道围岩关键块的形状和位置,计算关键块的临界爆破振动速度,进而得到保证关键块不掉落的炸药量,以控制围岩稳定,确保隧道施工安全。     

高速铁路大断面深埋黄土隧道围岩压力计算方法

依托郑西铁路客运专线大断而深埋黄土隧道洞群,进行现场围岩压力量测试验,得到不同黄土地层的围岩压力,发现围岩压力沿隧道全断面分布相对较为均匀.采用太沙基松散体围岩压力理论、铁路隧道设计规范深埋围岩压力公式、普氏理论、卡柯理论4种方法分别计算围岩压力,并与实测值对比.结果表明,基于太沙皋理论的计算值最接近实测值,且具有一定的安全余量,因此推荐采用太沙基理论计算大断面深埋黄土隧道的围岩压力量值.依据实测围岩压力的垂直与水平分量沿隧道跨度与高度方向的统计规律,确定垂直方向与水平方向围岩压力的计算图式.分析指出,垂直方向围岩压力计算图式可采用均匀分布或"尖峰"形分布,水平方向围岩压力计算图式可采用"鼓肚子"形分布.     

某铁路隧道高地应力、高水压围岩级别修正探索

研究目的:高速铁路的修建涉及大量深埋长隧道,施工阶段围岩详细分级时,涉及到一些在对原围岩分级进行修正时的问题,其中,高地应力、高水压的修正是主要要内容. 研究结果:提出了高水压下围岩级别的修正,采用[Q]=[BQ] Jw (Jw=0.1～0.05)对基本分级进行修正;TB法在地应力等级划分标准值附近将产生较大的定级误差,现场地应力评价指标研究及其现场获取技术研究是进行施工阶段围岩分级地应力修正的一个有效途径.     

蒙华铁路黄土隧道围岩分级研究

隧道围岩分级是选择支护形式和施工方法的重要依据,科学、准确的围岩分级是控制变形、节约成本、指导施工的重要基础。由于黄土的特殊性,黄土隧道与一般岩体的隧道不同,因此用于围岩分级的指标也大不相同。本文选取含水率、黏聚力、内摩擦角、弹性模量和泊松比5个分类指标,对现场测量的数据进行整理简化,得出Ⅳ_a、Ⅳ_b、Ⅴ_a、Ⅴ_b、Ⅵ五个分类等级对蒙华铁路蒙陕段黄土隧道的各测设段进行围岩稳定性划分,结果显示,五个围岩划分等级与实际设计围岩等级基本一致,可以用于黄土隧道围岩分级。     

基于两步分级法和现场监控量测的隧道围岩稳定性研究

围岩分级是隧道稳定性评价的基础,采用两步分级法从定性和定量两个角度出发,综合多因素指标评判分级,为调整优化相应工程措施提供重要依据.通过现场监控量测,获得反映围岩和支护结构状态的数据,对其进行回归分析,根据围岩变形量和变形速率判据,对围岩稳定性进行评价,为确保靖宇隧道安全提供可靠依据,为二次衬砌提供合理的支护时机.     

基于组合赋权-未确知测度理论的地铁隧道围岩质量评价

为了合理确定地铁隧道围岩质量等级,引入未确知测度理论建立了地铁隧道围岩质量评价模型,并选取岩石饱和单轴抗压强度、变形模量、质量指标、地下水、岩体抗剪强度、结构面摩擦系数等6项指标作为未确知测度模型的判别指标。以杭州地铁1号线为例,构造各指标的未确知测度函数,同时利用粗糙集优化层次分析法和改进的熵值法确定各指标的组合权重,依照置信度识别准则对围岩质量等级进行识别,并对其危险性程度进行排序,最后得出围岩质量分级的评价结果。将围岩质量分级的评价结果与现场评价和云模型评价结果进行对比分析,评价结果基本符合实际情况。研究表明,该方法评价过程合理、结果可靠,为地铁隧道围岩质量评价提供了一种新思维。     

高地应力软岩隧道围岩压力及二衬受力特征研究

为研究高地应力条件下软岩隧道围岩压力作用规律及二衬受力特征,依托兰新铁路第二双线大梁隧道,分别对隧道围岩与初期支护、初期支护与二次衬砌之间的接触压力进行现场监测,得出上述压力随时间变化规律和沿隧道横断面分布特征,基于实测围岩压力对隧道二次衬砌结构内力进行计算。研究结果表明:初支围岩压力和初支与二衬接触压力随时间发展呈不同变化规律;围岩压力在空间分布上表现出"两侧大、拱顶小"的侧向挤压特征;二次衬砌围岩压力分担比例平均值在45.0%~70.3%;实测围岩压力较规范围岩压力计算出的二衬内力更符合实际。     

深埋3孔小净距隧道围岩压力计算方法及其工程应用

基于普氏理论,考虑开挖顺序以及中岩柱主要具有的承载松散岩土体和抑制围岩变形作用,提出3孔小净距隧道围岩压力的计算方法,并分析净距和开挖跨度对围岩压力分布规律的影响。通过与八达岭长城站3孔小净距隧道围岩压力实测值对比,验证计算方法的合理性和有效性。结果表明:中洞受力状态最为不利,边洞内侧围岩压力显著大于外侧;净距一定时,中洞或边洞跨度增大不仅导致各自洞室围岩压力增大,且会导致相邻洞室围岩压力增大;随净距增大,围岩压力逐渐降低并接近规范计算单洞值;Ⅴ级围岩段实测围岩压力约是Ⅲ级围岩段实测值的3倍,净距相同时,Ⅴ级围岩比Ⅲ级围岩更易形成极限承载拱;围岩压力理论计算值的偏差率在10%~25%。根据围岩压力的理论值和前期监测值,主动对隧道采取超前加固与加大锚杆长度,使实测围岩压力减小30%,可保障隧道施工安全。