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        基于克里金方法的掌子面前方圍巖RMR預(yù)測(cè)

        2018-12-03 01:11:56安徽省交通控股集團(tuán)有限公司段海澎
        中國公路 2018年21期
        關(guān)鍵詞:圍巖方法

        文/ 安徽省交通控股集團(tuán)有限公司 段海澎

        安徽省公益性地質(zhì)調(diào)查管理中心 黃健敏

        同濟(jì)大學(xué) 成濤 陳子揚(yáng) 李曉軍

        圍巖分級(jí)對(duì)隧道設(shè)計(jì)施工至關(guān)重要。鉆孔等勘探方法只能給出局部范圍內(nèi)的圍巖質(zhì)量,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推斷出整個(gè)隧道址區(qū)的圍巖分布,通常具有較大的不確定性。地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法可以很好利用地質(zhì)現(xiàn)象之間的自相關(guān)性,更適合于圍巖質(zhì)量的預(yù)測(cè)。本文結(jié)合RMR法對(duì)隧道開挖出露的掌子面進(jìn)行觀察和定量描述,充分利用隧道掌子面的地質(zhì)信息來獲取巖體質(zhì)量的結(jié)構(gòu)性,并通過變差函數(shù)的模擬進(jìn)行定量描述。采用基于無偏和最優(yōu)的克里金插值方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)未開挖掌子面RMR值的預(yù)測(cè),進(jìn)而定量評(píng)估未開挖掌子面圍巖情況。該方法經(jīng)試刀山隧道工程驗(yàn)證,具有近70%的預(yù)測(cè)精度,具有極大的工程應(yīng)用推廣價(jià)值。

        地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)以區(qū)域化變量理論(Theory of regionalized Variable)為基礎(chǔ),以變差函數(shù)(Variogram)為基本工具來研究展布于空間并呈現(xiàn)出隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性的地質(zhì)現(xiàn)象(侯景儒,1997)。由于地質(zhì)現(xiàn)象具有空間自相關(guān)性的特點(diǎn),意味著可以利用開挖掌子面不斷收集的地質(zhì)信息,預(yù)測(cè)前方掌子面信息。對(duì)掌子面前方巖體質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè),首先需進(jìn)行巖體質(zhì)量評(píng)估。Bieniawski(1973,1989)提出的RMR法綜合考慮了巖石強(qiáng)度、節(jié)理間距及特征、巖芯質(zhì)量(RQD)、地下水條件等諸多地質(zhì)因素,為圍巖穩(wěn)定性提供了量化評(píng)價(jià)的依據(jù),是國際主流的圍巖級(jí)別分級(jí)方法??紤]到RMR法評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)不夠精確,Celada(2014)等在此基礎(chǔ)上提出了應(yīng)用于隧道工程的RMR改進(jìn)分級(jí)方法,簡稱為RMR14。

        本文結(jié)合RMR14法對(duì)隧道開挖出露的掌子面進(jìn)行觀察和定量描述,在進(jìn)行變差函數(shù)分析之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性分析,保證了數(shù)據(jù)的有效性。結(jié)合變差函數(shù)提供的結(jié)構(gòu)性信息,將克里金方法應(yīng)用于掌子面前方的RMR預(yù)測(cè)。在隧道掘進(jìn)過程中,不斷采集開挖掌子面的地質(zhì)信息,對(duì)比預(yù)測(cè)值進(jìn)而檢驗(yàn)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

        基于RMR法的圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)體系

        Celada等在Bieniawski的基礎(chǔ)上提出了應(yīng)用于隧道工程圍巖劃分的改進(jìn)分級(jí)方法RMR14法,綜合考慮巖石強(qiáng)度、不連續(xù)面數(shù)量、結(jié)構(gòu)面條件、地下水條件、巖石耐崩解性指數(shù)等因素的影響,其評(píng)分值采用(1)式進(jìn)行計(jì)算:

        其中,參數(shù)B、Fe、Fs不僅與圍巖特性有關(guān)還與隧道走向、施工工法等因素有關(guān),不考慮其參與估計(jì)。

        地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

        變差函數(shù)模型

        變差函數(shù)是描述區(qū)域化變量結(jié)構(gòu)特征的有效數(shù)學(xué)模型,同時(shí)也能對(duì)區(qū)域化變量空間變異性進(jìn)行有效的度量。變差函數(shù)定義為區(qū)域化變量增量的方差,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

        式中Z(x)、Z(x+h)表示區(qū)域化變量在x處和x+h處的實(shí)現(xiàn)值,h表示兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的距離。

        李曉軍等給出了地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)中理想化的變差函數(shù)曲線。其中,變差函數(shù)定量地反映出RMR值的結(jié)構(gòu)性與隨機(jī)性信息主要包括以下幾點(diǎn):

        塊金常數(shù)C0,其大小可反映變量在空間中間斷的程度;變程a的大小可描述變量具有空間相關(guān)性的范圍大小,在進(jìn)行RMR值預(yù)測(cè)時(shí),只有在待估點(diǎn)變程范圍內(nèi)的樣本值會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響;變量間的空間相關(guān)性直接由變差函數(shù)值來度量,當(dāng)基本滯后距一定時(shí),變異函數(shù)值越大其相關(guān)性越差。

        克里金插值

        克里金方法是一種考慮采樣點(diǎn)間空間分布位置及變量間結(jié)構(gòu)信息的局部加權(quán)平均算法,以無偏性及估計(jì)方差最小為克里金系數(shù)的計(jì)算準(zhǔn)則。根據(jù)變差函數(shù)模型的參數(shù)可對(duì)各權(quán)系數(shù)進(jìn)行求解,進(jìn)而可對(duì)未采樣點(diǎn)的屬性值進(jìn)行求解,即:

        工程實(shí)例

        考慮結(jié)構(gòu)性的RMR預(yù)測(cè)

        試刀山隧道是整個(gè)蕪合高速公路改擴(kuò)建工程的控制性工程,位于安徽省巢湖市半湯鎮(zhèn)與夏閣鎮(zhèn)之間,是巢湖向東的咽喉要道。試刀山隧道采用鉆爆法開挖,隧道左、右線長度分別為1220m和1310m,最大埋深190m。隧道區(qū)為丘陵地貌,山脈呈南西至北東走向,隧道近垂向穿越山體。全線主要分布有強(qiáng)、中風(fēng)化灰?guī)r,中風(fēng)化石英砂巖,強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等,局部分布有中風(fēng)化頁巖。

        數(shù)據(jù)探索性分析。隧道開挖前,根據(jù)鉆孔的地質(zhì)信息,利用RMR法評(píng)價(jià)了56個(gè)掌子面的圍巖質(zhì)量并由式(1)計(jì)算RMR值,掌子面之間的平均間距為43m。掌子面圍巖RMR值得變化范圍為:從31到69,均值為51.67,標(biāo)準(zhǔn)差為9.77。采用夏Shapiro-Wilk法檢驗(yàn)RMR數(shù)據(jù)分布的正態(tài)性,結(jié)果表明RMR測(cè)量數(shù)據(jù)在5%的顯著性水平下不拒絕正態(tài)分布,趨勢(shì)分析結(jié)果表明該數(shù)據(jù)中無趨勢(shì),保證了研究區(qū)域的平穩(wěn)性的假設(shè)。

        變差函數(shù)模型。利用GS+軟件,計(jì)算了隧道址區(qū)范圍內(nèi)的變差函數(shù),并對(duì)其進(jìn)行擬合,模型的參數(shù)如表1所示。由于采樣位置的緣故,僅分析沿隧道軸線方向RMR值的結(jié)構(gòu)性。

        克里金插值。將整個(gè)研究區(qū)域劃分為5x5m的規(guī)則網(wǎng)格,利用普通克里金方法得到了變量在整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)的分布,并沿隧道左、右軸線將插值結(jié)果繪圖,如圖1、圖2所示。以隧道起始樁號(hào)為坐標(biāo)原點(diǎn),記錄沿隧道軸線方向的RMR值,由此可對(duì)沿隧道軸線方向的圍巖質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

        結(jié)果和討論

        為了驗(yàn)證估計(jì)的結(jié)果,在隧道開挖后采集了56個(gè)掌子面的數(shù)據(jù)用作對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證。計(jì)算預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的線性回歸系數(shù)可判斷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。此外,估計(jì)的準(zhǔn)確性亦可利用均方根誤差RMSE(the Root Mean Squared Error)來定量衡量:

        表1 變差函數(shù)模型參數(shù)

        圖2

        圖2

        圖2

        式中N表示參與驗(yàn)證的點(diǎn)數(shù),Z(xi)表示某一點(diǎn)處觀測(cè)值,(xi)表示該點(diǎn)的預(yù)測(cè)值。

        結(jié)語

        在隧道施工中,結(jié)合RMR指標(biāo)評(píng)價(jià)法對(duì)隧道開挖出露的掌子面進(jìn)行觀察和描述,既能避免BQ法參數(shù)獲取困難及現(xiàn)場(chǎng)采集專業(yè)性要求強(qiáng)的問題,又能定量地對(duì)圍巖情況進(jìn)行評(píng)估,易于施工現(xiàn)場(chǎng)掌握?;诘刭|(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的預(yù)測(cè)方法充分考慮了地質(zhì)信息在空間中的結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性,并通過變差函數(shù)的模擬對(duì)其進(jìn)行定量描述。采用基于無偏和最優(yōu)的克里金插值方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)未開挖掌子面RMR值的預(yù)測(cè),進(jìn)而對(duì)未開挖掌子面圍巖情況進(jìn)行定性評(píng)估。該方法經(jīng)試刀山隧道工程驗(yàn)證,具有近70%的精度,具有極大的工程應(yīng)用推廣價(jià)值。

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