吳秋軍

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西　南寧　530029)

圍巖分級(jí)參數(shù)定量值的現(xiàn)場(chǎng)快速獲取方法研究

吳秋軍

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧530029)

關(guān)鍵詞：圍巖分級(jí)參數(shù)定量值；巖石堅(jiān)硬程度；巖體完整程度；回彈儀；數(shù)碼成像技術(shù)

0引言

圍巖分級(jí)作為隧道及地下工程中最重要的基礎(chǔ)性課題之一，一直以來(lái)都受到國(guó)內(nèi)外地下工程界地廣泛關(guān)注[1]。經(jīng)過(guò)大量的研究，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的圍巖分級(jí)方法已達(dá)上百種，其中絕大多數(shù)都是為地下工程設(shè)計(jì)和施工服務(wù)的[2]。從對(duì)分級(jí)因素的處理方式來(lái)看，圍巖分級(jí)方法大致可分為兩種，即定性分級(jí)方法和定量分級(jí)方法。定性分級(jí)方法概念明確，可操作性強(qiáng)，但需要較強(qiáng)的地質(zhì)專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)才能較準(zhǔn)確地使用；定量分級(jí)方法準(zhǔn)確度更高，但需要大量的工程實(shí)踐作為支撐，而且測(cè)試成本高昂、費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

盡管定性分級(jí)方法仍然是我國(guó)鐵路、公路隧道領(lǐng)域中首要采用的分級(jí)方法，但對(duì)比國(guó)際上較為流行的分級(jí)方法，如RMR、RSR、Q系統(tǒng)分級(jí)、日本公路鐵路彈性波速圍巖分級(jí)方法等，可以看出定量分級(jí)方法是圍巖分級(jí)方法發(fā)展的主要方向[3]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和工程測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展，定量分級(jí)方法勢(shì)必也將越來(lái)越受到重視。但是，建立和使用定量分級(jí)方法的前提之一則是必須獲得較為精確的定量數(shù)據(jù)。公路隧道圍巖分級(jí)方法中引入了《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218-94)[4]的BQ定量分級(jí)，需要給出巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc和巖體完整性指數(shù)KV兩個(gè)指標(biāo)，但這兩個(gè)指標(biāo)不但測(cè)試成本高昂、速度慢，而且會(huì)嚴(yán)重干擾施工。鑒于此，發(fā)展出一種既快速、準(zhǔn)確，又不影響現(xiàn)場(chǎng)施工的圍巖分級(jí)參數(shù)定量值快速獲取方法是十分必要的。而且由于分級(jí)參數(shù)定量值可準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為定性值，所以在采用定性分級(jí)方法時(shí)也可有效提高其準(zhǔn)確性。

基于上述考慮，本文針對(duì)我國(guó)鐵路、公路隧道圍巖分級(jí)方法中的兩個(gè)基本指標(biāo)——巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度分別提出了現(xiàn)場(chǎng)快速獲取其定量值的方法。

1巖石堅(jiān)硬程度的快速獲取方法

1.1巖石堅(jiān)硬程度常規(guī)確定方法的局限性

隧道施工過(guò)程中，巖石堅(jiān)硬程度一般僅通過(guò)定性鑒別并結(jié)合巖性和風(fēng)化程度定性確定，如表1所示[5]，這種方法完全依賴于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)人員的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，不但誤差較大，而且難以覆蓋整個(gè)掌子面。

若采集定量值，則采用單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc或標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)Is(50)來(lái)表達(dá)，如表2所示[6]。其中，測(cè)定Rc一般通過(guò)室內(nèi)巖石試驗(yàn)，不但昂貴，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力；點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)一般通過(guò)點(diǎn)荷載儀測(cè)定，雖然較室內(nèi)試驗(yàn)方便得多，但測(cè)試設(shè)備一般重達(dá)30 kg，顯得過(guò)于笨重，設(shè)備費(fèi)用也比較高。

1.2回彈儀的工作原理及應(yīng)用情況

從上述分析可以看出，各種巖石堅(jiān)硬程度的常規(guī)確定方法都存在較多局限性，因此結(jié)合隧道施工現(xiàn)狀，本文提出采用回彈儀來(lái)測(cè)試掌子面圍巖巖石堅(jiān)硬程度的方法。

表1　巖石堅(jiān)硬程度定性值的確定方法表

表2　巖石堅(jiān)硬程度定量值的確定方法表

目前，回彈儀在隧道二次襯砌混凝土強(qiáng)度檢測(cè)中已廣泛應(yīng)用，其原理是利用聯(lián)結(jié)彈簧對(duì)重錘加力，當(dāng)釋放彈簧時(shí)，彈擊重錘沖擊彈擊桿，彈擊桿沖壓測(cè)試表面后回彈重錘，與重錘相連的滑塊則在刻度尺上指示出回彈值N?；貜椫凳侵劐N能量損失的反映，與混凝土的強(qiáng)度成正比[7-8]。

考慮到掌子面巖石強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度的相似性，因此在蘭渝鐵路蘭廣段的50座隧道的掌子面巖石強(qiáng)度測(cè)試中進(jìn)行了應(yīng)用，圍巖級(jí)別為Ⅲ～Ⅴ級(jí)，應(yīng)用情況如下頁(yè)表3所示?；貜棞y(cè)試采用了手持式回彈儀直接在掌子面上進(jìn)行，為了進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)相同掌子面的巖石取樣并利用數(shù)顯式的點(diǎn)荷載儀進(jìn)行點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)試?；貜梼x試驗(yàn)和點(diǎn)荷載試驗(yàn)方法完全按照《回彈儀檢定規(guī)程》(JJG817-2011)[9]和《鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(TB1011-1998)[10]執(zhí)行。

表3　掌子面圍巖回彈測(cè)試應(yīng)用情況表

1.3測(cè)試數(shù)據(jù)處理及與巖石堅(jiān)硬程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

首先根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《回彈儀檢定規(guī)程》(JJG817-2011)的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)實(shí)測(cè)回彈值進(jìn)行處理，獲得考慮測(cè)試角度等因素修正后的回彈值，然后按照已獲得的巖石堅(jiān)硬程度定性值進(jìn)行對(duì)比分析。為了充分利用樣本數(shù)據(jù)，分析過(guò)程中還考慮了每組樣本的最大和最小回彈值，在剔除了部分明顯不合理的數(shù)據(jù)后，結(jié)果如圖1所示。

圖1　回彈測(cè)試值與標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)對(duì)比圖

從圖1中可以看出，巖石的回彈值與標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度基本上是隨著回彈值的增大而增大的，反之亦然。但回彈值的離散性比較大，并且對(duì)照表2，在相鄰的巖石堅(jiān)硬程度區(qū)間邊界附近還存在部分重疊，故對(duì)最大、最小及平均回彈值進(jìn)行聚類分析，并利用表2對(duì)各組巖石的情況進(jìn)行巖石堅(jiān)硬程度劃分，結(jié)果如表4所示。

表4　回彈值聚類分析結(jié)果表

從表4的分析結(jié)果來(lái)看，回彈值與相應(yīng)的巖石堅(jiān)硬程度之間具有較為良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可作為巖石堅(jiān)硬程度定量判斷的依據(jù)之一。

這種確定圍巖巖石堅(jiān)硬程度的方法的特點(diǎn)是設(shè)備輕，一般不到2～3 kg，攜帶方便，價(jià)格低廉，僅為數(shù)顯式點(diǎn)荷載儀價(jià)格的1/5～1/10，可大量裝備和使用；其精度比點(diǎn)荷載試驗(yàn)差，但比定性方法高得多，如果采用數(shù)顯式回彈儀，則精度可進(jìn)一步提高；此外，可在掌子面上直接采集，無(wú)需取樣，速度很快。

2巖體完整程度的快速獲取方法

2.1巖體完整程度常規(guī)確定方法的局限性

隧道施工過(guò)程中，巖體完整程度一般通過(guò)人工地質(zhì)編錄方法直接確定，現(xiàn)場(chǎng)工作量很大，由于掌子面附近粉塵濃度高，環(huán)境很差，對(duì)技術(shù)人員的安全及健康極為不利。目前世界各國(guó)都在研究數(shù)碼成像技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)編錄的方法，但該技術(shù)在隧道掌子面的應(yīng)用在我國(guó)還是剛剛起步[11]。這種方法的特點(diǎn)是直接用普通數(shù)碼相機(jī)對(duì)掌子面圍巖進(jìn)行照相，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，提煉出掌子面中相關(guān)圍巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度參數(shù)信息，用于確定巖體完整程度，現(xiàn)場(chǎng)工作僅限于數(shù)碼攝像，工作量很少，安全性高，速度快，成本也很低廉。

2.2數(shù)碼成像技術(shù)獲取巖體完整程度方法的基本原理

數(shù)碼成像技術(shù)獲取巖體完整程度的方法包括圖像測(cè)定、圖像處理和地質(zhì)解析三個(gè)部分。

2.2.1圖像測(cè)定

圖像測(cè)定是對(duì)掌子面及周邊巖體進(jìn)行地質(zhì)數(shù)據(jù)采集的一個(gè)過(guò)程，步驟如下：根據(jù)數(shù)碼相機(jī)參數(shù)確定圖像長(zhǎng)度等控制因素→確定圖像測(cè)定物距→數(shù)碼成像。

2.2.2圖像處理

即對(duì)原始圖像進(jìn)行處理，主要包括圖像增強(qiáng)和圖像分割兩部分內(nèi)容。圖像增強(qiáng)技術(shù)主要包括圖像的灰度修正、圖像的平滑和圖像的銳化等；圖像分割方法有很多，此處采用邊緣檢測(cè)方法。上述圖像增強(qiáng)的具體原理可參照相關(guān)資料[12-14]，此處從略。

2.2.3地質(zhì)解析

地質(zhì)解析是指對(duì)結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度參數(shù)，如結(jié)構(gòu)面組數(shù)、平均間距等地質(zhì)變量用圖像解析進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，步驟如下：幾何變換確定圖像與實(shí)物間的尺度比例→最小二乘法進(jìn)行結(jié)構(gòu)面邊緣直線擬合→提取結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度參數(shù)。

2.3數(shù)碼成像技術(shù)的計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

數(shù)碼成像技術(shù)的后期圖像增強(qiáng)和地質(zhì)解析十分復(fù)雜，工作量很大，不可能人工操作，因此編制了相關(guān)的VC++處理軟件，可在人工控制下自動(dòng)處理，該軟件是新編制的“鐵路隧道圍巖分級(jí)系統(tǒng)”軟件的一個(gè)重要模塊，其程序流程見(jiàn)圖2：

圖2　數(shù)碼成像處理模塊的程序流程圖

2.4數(shù)碼成像技術(shù)獲取巖體完整程度的驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述技術(shù)的可靠性和適用性，課題組在貴廣線上10余座隧道中已進(jìn)行了數(shù)碼成像技術(shù)獲取巖體完整程度參數(shù)的應(yīng)用，其中Ⅲ級(jí)圍巖10張，Ⅳ級(jí)圍巖24張，Ⅴ級(jí)圍巖45張，將圖像樣本進(jìn)行軟件處理，并與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)編錄結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，部分結(jié)果見(jiàn)表5：

表5　數(shù)碼成像技術(shù)成果與地質(zhì)編錄結(jié)果比較表

從表5及其它應(yīng)用實(shí)例情況來(lái)看，數(shù)碼成像技術(shù)的應(yīng)用效果總體較好。

3結(jié)語(yǔ)

本文分析了隧道施工現(xiàn)場(chǎng)圍巖分級(jí)時(shí)確定各分級(jí)參數(shù)的諸多局限性，據(jù)此提出了利用回彈儀快速獲取巖石堅(jiān)硬程度定量值及利用數(shù)碼成像技術(shù)快速獲取巖體完整程度的方法，并利用這兩種方法在實(shí)際工程中進(jìn)行了應(yīng)用分析，獲得了較為良好的效果。由于這些方法成本低廉、速度快，不影響施工，精度一般可滿足工程設(shè)計(jì)要求，因此推廣應(yīng)用前景較為廣闊。

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摘要：在隧道施工過(guò)程中，圍巖分級(jí)參數(shù)的獲取方法是影響圍巖分級(jí)結(jié)果是否準(zhǔn)確的最重要因素。文章基于對(duì)當(dāng)前隧道施工現(xiàn)場(chǎng)圍巖分級(jí)方法局限性的分析，針對(duì)我國(guó)鐵路、公路隧道圍巖分級(jí)的兩個(gè)基本指標(biāo)——巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度，分別提出了利用回彈儀和數(shù)碼成像技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)快速獲取其定量值的方法，并結(jié)合部分隧道的應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證該方法可獲得較為良好的效果，推廣應(yīng)用前景較為廣泛。

Study on Field Quick-acquisition Method for Quantitative Values of Surrounding Rock Classification Parameters

WU Qiu-jun

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Abstract：In the process of tunnel construction，the acquisition method of surrounding rock classification parameters is the most important factor affecting the accuracy of surrounding rock classification results.Based on analyzing the limitations of current surrounding rock classification method at tunnel construc-tion site，and regarding two basic indicators of China’s railway and highway tunnel surrounding rock classification-rock hardness and rock completeness degree，this article respectively proposed the field quick-acquisition method of their quantitative values by using the resiliometer and digital imaging technology，and in combination with application practices of some tunnels，it verified that this method can obtain relatively better results，with much wider promotion and application prospects.

Keywords：Quantitative value of surrounding rock classification parameters；Rock hardness degree；Rock completeness degree；Resiliometer；Digital imaging technology

作者簡(jiǎn)介

吳秋軍(1980—)，博士研究生，研究方向：隧道圍巖穩(wěn)定性及分級(jí)方法。

基金項(xiàng)目

中圖分類號(hào)：U452.1+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.04.014

文章編號(hào)：1673-4874(2016)04-0046-04

收稿日期：2016-03-06

鐵道部2009年重大研究計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)200 9G005)