孫 路，徐望國(guó)，張?jiān)讫?/p>

近年來(lái)，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了隧道施工技術(shù)的進(jìn)步，新建工程中隧道所占比重越來(lái)越大，而在復(fù)雜地質(zhì)條件下所開(kāi)挖的隧道數(shù)量占隧道總開(kāi)挖量的比重更是越來(lái)越大。由于在復(fù)雜地質(zhì)條件下開(kāi)挖的隧道，工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，不確定因素相對(duì)較多，勢(shì)必會(huì)對(duì)工程進(jìn)度、施工質(zhì)量構(gòu)成威脅，因此為了避免因?yàn)?zāi)害造成的損失，就應(yīng)該對(duì)圍巖的級(jí)別做出合理的判斷，依此及時(shí)調(diào)整圍巖級(jí)別和支護(hù)參數(shù)，達(dá)到“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、信息化施工”的目的。

本文針對(duì)湘黔界一帶復(fù)雜的地形地貌特征，通過(guò)對(duì)多種圍巖分級(jí)方法的研究，提出基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、BQ法和灰色關(guān)聯(lián)分析法相結(jié)合的隧道圍巖分級(jí)方法，在湘黔界地區(qū)開(kāi)展圍巖分級(jí)是可行的和有效的。

1 公路隧道圍巖分級(jí)方法存在的問(wèn)題

隨著公路隧道的蓬勃發(fā)展，圍巖正確合理的分級(jí)日益受到關(guān)注，由于地下工程的地質(zhì)條件的復(fù)雜性，這就使得現(xiàn)存的分級(jí)方法呈現(xiàn)出許多應(yīng)用上的不合理問(wèn)題，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)隧道圍巖的影響因素眾多，導(dǎo)致了其分級(jí)方式各有不同，有些分級(jí)方法所計(jì)算出來(lái)的定量指標(biāo)，可能位于兩種圍巖級(jí)別之間，即模糊性大，在實(shí)際操作中應(yīng)用性較小。

2)前期的地質(zhì)勘查只能代表某一段的地質(zhì)情況，而且模糊性大，但是地下工程的地質(zhì)條件是千變?nèi)f化的?，F(xiàn)有的圍巖分級(jí)方法是靜態(tài)的分級(jí)方法，用靜態(tài)的事物去描述動(dòng)態(tài)的事物是沒(méi)有科學(xué)依據(jù)的。

3)現(xiàn)有的分級(jí)方法考慮問(wèn)題不全面，例如在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)圍巖的破壞機(jī)理，變形等等認(rèn)識(shí)不清，這些都是影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素，缺乏這些主要因素的考慮，必定會(huì)影響圍巖分級(jí)的正確性。

2 圍巖分級(jí)的理論基礎(chǔ)

圍巖分級(jí)是在隧道開(kāi)挖過(guò)程中評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定最實(shí)際的而又簡(jiǎn)單實(shí)用的分析模型，它既是指導(dǎo)安全施工的基礎(chǔ)，也是隧道工程概預(yù)算的主要依據(jù)。

2.1 基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和BQ法的現(xiàn)場(chǎng)圍巖分級(jí)

《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70－2004)規(guī)定隧道圍巖分級(jí)的綜合評(píng)判方法采用兩步分級(jí)。具體步驟如下:

巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ計(jì)算公式如下:

當(dāng)Rc＞90Kv+30時(shí)，應(yīng)以Rc=90Kv+30和Kv代入計(jì)算BQ值;

當(dāng)Kv＞0.04Rc+0.4 時(shí)，應(yīng)以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入計(jì)算BQ值。

事實(shí)上，地下水狀態(tài)、初始應(yīng)力狀態(tài)、工程軸線(xiàn)或走向線(xiàn)的方位與主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的組合關(guān)系等，也是影響巖體穩(wěn)定性的重要因素，所以要對(duì)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行修正。

修正巖體質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算公式如下:

通過(guò)計(jì)算出來(lái)的修正后的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)，然后結(jié)合巖體的定性特征，最后進(jìn)行綜合評(píng)判，從而確定巖體的圍巖級(jí)別。

2.2 基于灰色理論的現(xiàn)場(chǎng)圍巖分級(jí)

灰色理論是部分信息明確，部分信息不明確的系統(tǒng)，它主要是將抽象的問(wèn)題具體化和實(shí)體化，把明確的信息定量化，從有變化規(guī)律，在不明顯的情況下找出規(guī)律。近年來(lái)，我們?cè)谘芯克淼绹鷰r分級(jí)時(shí)常采用灰色關(guān)聯(lián)分析原理，利用擴(kuò)展的最小二乘準(zhǔn)則，建立了隧道工程圍巖分級(jí)灰色優(yōu)化理論模型?？紤]到影響圍巖穩(wěn)定性的因素很多，一般在研究時(shí)要結(jié)合該地區(qū)的工程的實(shí)際情況。湘黔界淺變質(zhì)巖隧址區(qū)影響圍巖穩(wěn)定性指標(biāo)有如下4種指標(biāo):巖體的完整程度、巖石的堅(jiān)硬程度、地下水作用以及結(jié)構(gòu)面與隧道軸線(xiàn)之間的組合關(guān)系。由于結(jié)構(gòu)面與軸線(xiàn)間的組合關(guān)系難以掌握，故改為結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度kf作為一個(gè)代替的指標(biāo)。

灰色關(guān)聯(lián)分析實(shí)際上是一種曲線(xiàn)間幾何形狀的分析對(duì)比，即相對(duì)變化一致，關(guān)聯(lián)程度就越大;反之，二者的關(guān)聯(lián)程度就小，因此關(guān)聯(lián)分析的關(guān)鍵是關(guān)聯(lián)度的計(jì)算。關(guān)聯(lián)分析的計(jì)算步驟如下:

1)為使各因素具有等效和同序性，需要對(duì)原始序列進(jìn)行數(shù)據(jù)變換。如:初始值變換、均值化變換、區(qū)間值變換、歸一化變換等。

2)求差序列，即求各序列對(duì)應(yīng)元素之間的距離。即Δi(k)。

3)求兩極最大差與最小差。

6)計(jì)算關(guān)聯(lián)序。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程簡(jiǎn)介

太平河1號(hào)隧道位于杭瑞高速公路貴州境大興至思南段第DXTJ—6合同段，隧址位于湘黔界銅仁地區(qū)江口縣鎮(zhèn)江鄉(xiāng)，穿越低山山嶺，隧址區(qū)地貌形態(tài)屬?gòu)?qiáng)烈剝蝕切割的低山區(qū)。大興端為溝谷，地形切割強(qiáng)烈，地面自然坡腳約40°，思南端地形陡峭，地面自然坡腳一般50°～60°。隧道大角度斜穿山體，山坡植被較發(fā)育，溝谷發(fā)育，地形切割強(qiáng)烈，溝谷兩側(cè)多為陡壁懸崖，起伏變化較大，地面高程變化最高海拔734.8 m，最低海拔390.1 m，相對(duì)高差344.7 m。

3.2 Yk63+358斷面圍巖分級(jí)實(shí)例

3.2.1 BQ 法判定圍巖級(jí)別

定量指標(biāo)的測(cè)試:

1)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用點(diǎn)荷載儀(型號(hào)AKS—GL2001)和回彈儀(型號(hào)HT—225A)進(jìn)行巖石堅(jiān)硬程度測(cè)試，測(cè)試出換算后的巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc=47 MPa。

2)現(xiàn)場(chǎng)巖體完整程度測(cè)試由于缺乏測(cè)試儀器，本項(xiàng)目利用巖體體積節(jié)理數(shù)Jv來(lái)表征巖體完整性系數(shù)Kv的定量指標(biāo)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，斷面Yk63+358處的單位體積節(jié)理數(shù)為17 m3/條，查表對(duì)應(yīng)巖體完整性系數(shù)為0.37。

根據(jù)公式計(jì)算出［BQ］=297，通過(guò)查公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，并參照定性指標(biāo)，最終確定圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。

3.2.2 灰色理論判定圍巖級(jí)別

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圍巖分級(jí)參數(shù)為Rc=47.278 MPa，Kv=0.37，w=0.47，kf=0.2。將測(cè)試數(shù)據(jù)用數(shù)列形式表示，得x0=(47.278，0.37，0.47，0.2)，做規(guī)范處理得x1=(0.26，0.11，0.837 5，0.25)。

表1 Δik(k)計(jì)算表

求兩極最大差和最小差，根據(jù)表1可以得出Δmax=0.875，Δmin=0.019。

表2 關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(k)計(jì)算表

表3 各級(jí)圍巖關(guān)聯(lián)度計(jì)算

通過(guò)運(yùn)用BQ圍巖分級(jí)法及灰色關(guān)聯(lián)分析，綜合判斷該段圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)圍巖分析過(guò)程中可以利用灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行分析，為圍巖分級(jí)方法改善提供了一個(gè)途徑。

2)本文的理論研究?jī)?nèi)容，只適用于該地區(qū)的圍巖分級(jí)，由于地區(qū)與地區(qū)之間的差異，在其他地區(qū)運(yùn)用尚不完善，還需要進(jìn)一步的理論驗(yàn)證研究。

3)圍巖穩(wěn)定性影響因素是多方面的，當(dāng)采用灰色關(guān)聯(lián)法只是依靠幾個(gè)有限的數(shù)據(jù)來(lái)支撐顯然是達(dá)不到要求，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的分級(jí)參數(shù)本身就存在誤差，因此依靠單純的數(shù)學(xué)方法還是不夠全面。

4)本文首先通過(guò)BQ法并查閱相關(guān)規(guī)范，判定出該地段圍巖級(jí)別范圍。然后利用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)BQ法確定的圍巖級(jí)別進(jìn)行驗(yàn)證，兩種方法有機(jī)的結(jié)合，相互補(bǔ)充，這也說(shuō)明運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法判定圍巖級(jí)別在該地區(qū)是可行的。

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