基于监控量测的隧道围岩分级方法及其应用研究

黄锋，王星星，魏源泉，李科，林志

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067;2.重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074)

基于监控量测的隧道围岩分级方法及其应用研究

黄锋1，2，王星星2，魏源泉2，李科1，林志1

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067;2.重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074)

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。

铁路隧道 监控量测 围岩分级 扩张卡尔曼滤波

围岩分级是隧道稳定性评价的基础，也是正确指导设计、合理制定施工方案的重要保证，更是隧道工程投资预算的主要依据［1］。由于地质条件的复杂多变和勘察手段的局限性，勘察设计阶段的隧道围岩分级与实际施工阶段的围岩分级差异很大。为了减小这种差异带来的影响，就必须在隧道施工中根据监控量测的结果及时进行围岩分级的核定，以对施工设计参数进行调整优化［2］。

目前，铁路隧道施工现场围岩分级判断多采用定性标准，导致围岩分级判断往往带有很强的主观性，这导致围岩分级缺乏依据，准确性也难以保证［3］。一般来说，大多数铁路隧道施工都要求进行现场监控量测工作，将现场监控量测数据与围岩分级挂钩，在现场进行定量化的围岩分级具有较大的实际意义和可操作性［4］。

1 工程背景

1.1 渝万铁路概况

渝万铁路西起重庆北站，向东北至万州北站，为时速250 km双线客运专线，全线共有隧道55座，占总长(247 km)的23.52%。全段隧道的地质构造较复杂，有危岩落石、岩溶及岩溶水、浅埋偏压等不良地质情况。前期勘察资料表明Ⅳ，Ⅴ级软弱围岩所占比例大，约占隧道里程的68.2%。

1.2 隧道的工程地质情况

孙家湾隧道位于重庆市梁平县境内，隧址区属丘陵地貌，高程490～535 m，相对高差2～40 m，斜坡自然坡度10°～35°，斜坡基岩大部分裸露，土层零星覆盖，多辟为旱地，村舍零星分布。

孙家湾隧道全长95 m，最大埋深约27 m，研究对象选取掌子面里程桩号为DK190+811的围岩。该断面位置位于隧道中段(接近隧道中心里程DK190+ 827.5)，初步勘察显示围岩为侏罗系泥岩夹砂岩地层，节理较发育，岩石破碎，在该隧道中所占比例较大。

2 基于现场监控量测的围岩分级方法

2.1 技术路线

隧道工程强调动态设计与信息化施工，即借助施工过程中的监控量测等信息对原设计进行修改和完善。监控量测可以提供洞顶下沉、周边收敛、围岩内部位移、钢支撑受力情况等信息，实现隧道信息化动态施工控制，在保证安全快速施工的同时又节省工程造价。

基于现场监控量测的围岩分级方法，是根据隧道动态施工中获得的监控量测数据，通过非确定性位移反分析的方法，获取定量分级中所需的各个参数，计算出修正后的岩体基本质量指标［BQ］值，最终查表确定围岩级别。基于现场监控量测的围岩分级采用的技术路线如图1所示。

2.2 围岩分级指标的计算方法

围岩分级指标的计算方法以《工程岩体分级标准》(GB 50218—2014)为依据。该标准以工程统计为基础，采用多元逐步回归和判别分析法，建立了岩体基本质量指标BQ值的计算公式

图1 现场隧道围岩分级方法技术路线［1］

式中:Rc为岩石饱和单轴抗压强度;Kv为岩体完整性系数，等于岩体与岩块纵波速度之比的平方。

围岩详细分级时，须分别获得地下水、软弱结构面和地应力状态对岩体基本质量指标BQ进行修正的影响系数K1，K2，K3，按公式(2)对BQ进行修正。最后，由修正后的［BQ］值查表确定工程岩体级别。

3 分级参数的定量获取

3.1 单轴饱和抗压强度

采用GYY51-SCD1型岩石点荷载仪，对11个取至现场的岩石试样进行了点荷载试验。首先，分别计算试验结果的最小值、最大值、平均值、标准差、变异系数，根据样本统计方法计算出岩石的点荷载指数Is(50)［5］。然后，根据岩石点荷载试验结果，通过公式(3)换算成岩石饱和单轴抗压强度Rc。该法简便易行，数据可靠。

孙家湾隧道DK190+811处点荷载试验结果如表1所示。经计算岩石点荷载指数Is(50)=0.753 MPa，代入式(3)得Rc=18.446 MPa。

3.2 岩体完整性系数

岩体完整性系数由Kv表示，由现场可测得岩体体积节理数Jv，根据规范中Jv与Kv的对照表，即可得Kv。由孙家湾隧道掌子面处的现场测量统计可得Jv为17，按规范中Jv与Kv对照表，即可确定相应的孙家湾隧道DK190+811处Kv为0.41。

表1 孙家湾隧道DK 190+811点荷载试验结果

使用公式(1)要注意两个限制条件［6］:

1)当Rc＞90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30代入计算BQ值;

2)当Kv＞0.04Rc+0.4时，应以Kv=0.04Rc+0.4代入计算BQ值。

代入Rc和Kv值，不满足以上两个限制条件，故Rc仍取18.446，Kv仍取0.41。因此，由公式(1)计算得到BQ=247.839 2。

3.3 地下水影响修正系数

根据隧道的监控量测项目即可便捷定量获取掌子面处出水状况，结合已计算出的BQ值，对照《工程岩体分级标准》［5］中“地下水影响修正系数”即可得出相应K1值。

由孙家湾隧道DK190+811处的现场测量统计可得掌子面干燥无水，且BQ=247.839 2，根据规范［6］中涌水量、水压、BQ值与地下水修正系数K1的对应关系，即可确定相应的K1=0.594 3。

3.4 主要软弱结构面产状影响修正系数

隧道现场掌子面处的主要软弱结构面产状由DQL-8型罗盘测得。根据现场测得结构面产状及其与洞轴线的组合关系，结合《工程岩体分级标准》［5］中“主要软弱结构面产状影响修正系数”，查表即可得K2［6］。

对于孙家湾隧道DK190+811处，根据现场实测该掌子面主要节理走向SW 225°，倾向SE，倾角20°。根据结构面走向与洞轴线夹角，以及结构面倾角的不同组合，查表可得K2=0.3。

3.5 初始地应力状态影响系数

初始地应力状态可以通过有限元反分析技术获得，即以现场量测到的围岩位移为基础，通过反演模型推算得到初始地应力的大小。这里采用扩张卡尔曼滤波非确定性反分析技术，其具体原理见参考文献［7］。通过计算获得隧道周围地层地应力的最大主应力σmax，首先由规范判断出地应力的状态，再查表获取初始地应力状态影响修正系数K［6］。3

孙家湾隧道DK190+811处围岩收敛变形时程曲线如图2所示，共有5条测线。其中测线1为左起拱线与拱顶的连线;测线2为右起拱线与拱顶的连线;测线3为左起拱线与右起拱线的连线;测线4为左拱腰与右拱腰的连线;测线5为拱顶与拱底的连线。采用扩张卡尔曼滤波非确定性反分析技术，可得该位置的初始地应力最大值σmax为0.23 MPa，则Rc/σmax＞4。然后，根据规范［6］确定出该位置的初始地应力状态为“一般地应力”。因此，可确定孙家湾隧道DK190+ 811处的K3=0。

图2 围岩周边收敛变形时程曲线

4 围岩分级结果

上述分级方法采用VC++和Fortran混合编程来实现，程序运算界面如图3所示。现场监控量测人员将获得的围岩参数直接输入程序窗口，可以快速、便捷地获得隧道围岩的分级结果。

图3 基于现场监控量测的围岩分级系统界面

将现场实测得到的围岩分级相关系数输入系统，可得孙家湾隧道DK190+811处的围岩［BQ］= 158.409 2。分级结果为Ⅴ级，表明隧道施工中应注意开挖进尺，加强监控量测，及时施作初期支护(如迈式管棚+超前小导管)。

5 结论

1)采用点荷载试验、节理识别、地下水调查分析、扩张卡尔曼滤波非确定性反分析技术等方法获取了计算围岩分级指标［BQ］值所需的相关参数。

2)采用VC++和Fortran混合编程法编制了围岩分级程序，使计算变得快捷、准确，简单易行。

3)基于监控量测的围岩分级方法进行现场围岩分级准确、可靠，相对于其它方法，具有快速、简单、节省人力物力资源等特点。

4)使用基于监控量测的围岩分级方法能够很好地解决设计、业主、监理、施工各方对现场围岩分级的争议，为科学、合理制定最佳方案提供数据支持。

［1］张长亮，蒋树屏，林志等.基于现场监控量测的隧道围岩分级方法［J］.公路，2007，30(12):204-207.

［2］孙辉，郑颖人，王在泉，等.埋深在围岩分级修正中的应用探讨［J］.地下空间与工程学报，2012，8(1):124-128.

［3］朱宏岳.锦屏引水隧洞岩爆特征及其影响因素分析［J］.铁道建筑，2009(5):71-74.

［4］王明年，陈炜韬，刘大刚，等.公路隧道岩质和土质围岩统一亚级分级标准研究［J］.岩土力学，2010，31(2):547-552.

［5］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50218-2014工程岩体分级标准［S］.北京:中国计划出版社，2015.

［6］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 50266—2013工程岩体试验方法标准［S］.北京:中国计划出版社，2013.

［7］蒋树屏.扩张卡尔曼滤波器有限元法耦合算法及其隧道工程应用［J］.岩土工程学报，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

(责任审编葛全红)

2014-11-20;

2015-04-25

重庆市科技攻关计划项目(cstc2012gg-yyjs30002);中国博士后科学基金项目(138076);重庆市博士后科研项目(Xm2014092);重庆市博士后日常经费资助项目(Rc201428)

黄锋(1982—)，男，重庆人，副教授，博士。