張雨霆 黃書嶺 丁秀麗 熊澤斌 陳銳

摘要：

針對缺乏現(xiàn)場巖石力學試驗時的隧洞圍巖力學參數(shù)取值問題，提出了基于多源數(shù)據(jù)分析的隧洞圍巖力學取值方法。首先，提出用室內巖石力學試驗成果推演巖體力學參數(shù)的使用原則，建立了巖石和巖體力學參數(shù)的初步聯(lián)系；依據(jù)規(guī)范建議和現(xiàn)場試驗統(tǒng)計，提出基于質量分級的巖體力學參數(shù)界限，并結合基于經(jīng)驗型準則的巖體力學參數(shù)估計值，形成了基于多源數(shù)據(jù)的圍巖力學參數(shù)的建議取值范圍；采用數(shù)值分析方法，對建議取值范圍內的力學參數(shù)進行敏感性分析，獲取了不同圍巖力學參數(shù)取值方案條件下的塑性區(qū)深度和圍巖變形的量化規(guī)律，并依據(jù)工程計算經(jīng)驗縮減了巖體力學參數(shù)范圍；最后，進一步結合類似工程案例的現(xiàn)場力學試驗成果，提出了圍巖力學參數(shù)的取值方案。工程應用表明，該方法有效解決了缺乏現(xiàn)場巖體力學試驗條件下的隧洞圍巖力學取值問題，可為具有類似情形的隧洞支護設計和圍巖穩(wěn)定評價提供參考。

關 鍵 詞：

隧洞圍巖； 力學參數(shù)； 多源數(shù)據(jù)； 工程類比； 數(shù)值模擬

中圖法分類號： TV91

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.030

0 引 言

巖體力學參數(shù)是隧洞工程圍巖穩(wěn)定評價和支護設計的基礎性資料?，F(xiàn)場巖石力學試驗能夠客觀反映工程巖體的實際賦存條件，是最直接且應用廣泛的巖體力學參數(shù)確定方法［1］。然而，實際工程中經(jīng)常存在設備進出場困難和作業(yè)空間受限等客觀不利條件，使現(xiàn)場巖石力學試驗的開展面臨較多困難。在缺乏現(xiàn)場力學試驗數(shù)據(jù)時，可根據(jù)工程地質評價給出的圍巖分類，參考GB/T 50218-2014《工程巖體分級標準》［2］等規(guī)范的建議取值范圍確定巖體力學參數(shù)［3］，也可根據(jù)《巖石力學參數(shù)手冊》［4］ 和《工程地質手冊》［5］等資料，采用工程類比的思路進行取值。國際上多采用RMR和Q系統(tǒng)對巖體進行分級，通過基于巖體分級指標與力學參數(shù)的關系式，實現(xiàn)基于室內試驗和現(xiàn)場查勘分析的巖體力學參數(shù)［6］和結構面強度［7］估計。近年來，隨著數(shù)值方法和計算技術的發(fā)展，采用反演分析獲得圍巖力學參數(shù)的方法應用越來越多，獲得的參數(shù)不僅體現(xiàn)了施工過程的影響，而且可以校正勘察設計階段的力學參數(shù)取值。張強勇等［8］發(fā)展了正交試驗設計效應優(yōu)化位移反分析法，并應用于大崗山地下廠房洞室群圍巖力學參數(shù)的動態(tài)反演；王開禾等［9］提出了GSA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，應用于圍巖力學參數(shù)反演；倪紹虎等［10］提出了考慮松動圈的圍巖參數(shù)場增量位移反分析方法，并應用于溪洛渡水電站地下廠房圍巖參數(shù)反演。對于參考規(guī)范和參數(shù)手冊的取值方法，參數(shù)取值的合理性有賴于操作者的經(jīng)驗判斷，人為因素大；對于反饋分析方法，則需要獲得實測變形數(shù)據(jù)，無法在勘察設計階段使用。因此，如何依據(jù)室內巖石力學試驗成果以及現(xiàn)場勘察中獲得的巖性、巖體結構、地下水等地質信息，研究并提出圍巖力學參數(shù)的合適取值方法，對隧洞工程的設計具有重要意義，也是在缺乏現(xiàn)場巖體力學試驗數(shù)據(jù)時需要解決的一個關鍵技術難題。基于對巖體力學參數(shù)取值方法研究現(xiàn)狀的認識，本文提出基于多數(shù)據(jù)源信息的隧洞圍巖力學取值方法，并將該方法應用于拉洛水利樞紐德羅隧洞的設計中，以為隧洞工程的選線優(yōu)化、支護設計方案論證和圍巖穩(wěn)定評價提供基本依據(jù)和技術支撐。

1 基本思路

1.1 概 述

本文提出的基于多數(shù)據(jù)源信息的隧洞圍巖力學取值方法，首先針對室內巖石力學試驗成果，提出用于推演巖體力學參數(shù)的使用原則，建立巖石和巖體力學參數(shù)的初步聯(lián)系；然后，依據(jù)規(guī)范建議和現(xiàn)場試驗統(tǒng)計，提出基于質量分級的巖體力學參數(shù)界限，并結合基于經(jīng)驗型準則的巖體力學參數(shù)估計值，形成基于多數(shù)據(jù)源的圍巖力學參數(shù)的建議取值范圍；接下來，采用數(shù)值分析方法對建議取值范圍內的力學參數(shù)進行敏感性分析，獲取不同圍巖力學參數(shù)取值方案條件下的塑性區(qū)深度和圍巖變形的量化規(guī)律，并依據(jù)工程計算經(jīng)驗，縮減巖體力學參數(shù)范圍；最后，進一步結合類似工程案例的現(xiàn)場力學試驗成果，提出圍巖力學參數(shù)的建議取值方案。上述思路詳見圖1。

1.2 室內巖石力學試驗數(shù)據(jù)

通過鉆孔巖芯取樣，利用室內巖塊的單軸壓縮試驗，可確定巖石單軸抗壓強度、彈性模量和泊松比。通過巖體的三軸壓縮試驗，可確定巖體的抗剪強度、黏聚力和摩擦角。通過巖體卸圍壓試驗，可研究巖體卸荷過程中的變形和能量變化特點，確定卸載時巖體的參數(shù)，如彈模、泊松比、黏聚力、摩擦角等。然而，受到尺寸效應的影響，室內巖石力學試驗獲得的變形和強度參數(shù)不能與工程尺度條件下的巖體力學參數(shù)等同，兩者之間存在著較大的差異。

對于硬質巖，室內試驗獲得的力學參數(shù)值往往要高于現(xiàn)場試驗參數(shù)值。這是由于室內試驗所采用的巖樣一般完整性較好，不含顯著削弱巖石強度的結構面（否則鉆芯法無法獲得完整試樣），因此不能反映實際賦存環(huán)境條件下的巖體變形和強度特性。對于軟質巖，室內試驗獲得的力學參數(shù)又存在低于現(xiàn)場試驗參數(shù)的可能。這是由于鉆孔取芯對圍巖施加了強烈的擾動，因軟巖的強度低、完整性差，在機械力擾動下，其力學性能進一步劣化，使得室內試驗獲得的力學參數(shù)低于原巖未擾動狀態(tài)的參數(shù)。

因此，對于室內巖石力學試驗成果，應當在充分認識室內和現(xiàn)場巖石力學試驗條件的差異，以及科學分析導致這些差異原因的基礎上，審慎地選用，合理地確定室內巖石力學試驗成果的應用條件和使用方法。為此，本文提出室內巖石力學試驗成果的4項選用原則：

（1） 巖性相近原則。巖性是構成巖體的物質基礎，也是決定巖石力學參數(shù)差異的核心因素，應選用與擬研究洞段巖性相同或相近的巖石相關試驗數(shù)據(jù)。

（2） 巖體結構相近原則。應在鉆芯取樣時，根據(jù)RQD值選用與擬研究洞段巖體完整性類似，且同時具有類似結構面特性的相關試驗數(shù)據(jù)。

（3） 埋深相近原則。應選用與擬研究洞段的埋深相近區(qū)域獲得的巖石相關試驗數(shù)據(jù)，埋深相近首先表明了應力水平大致相當，其次也確保了具有類似的卸荷風化程度。

（4） 巖石和巖體力學參數(shù)的差異性原則。即便滿足了相近的巖性、巖體結構和埋深條件，室內獲得的巖石力學參數(shù)與表征現(xiàn)場圍巖特性的巖體力學參數(shù)仍存在差異，需要根據(jù)實際情況確定巖石和巖體力學參數(shù)的相互關系。對于鉆芯取樣獲得的完整性較好的巖樣，其室內巖石力學參數(shù)試驗值一般高于巖體力學參數(shù)，可作為巖體力學參數(shù)取值的上限值；對于鉆芯取樣獲得的已被顯著擾動的巖樣，其室內巖石力學參數(shù)試驗值一般低于巖體力學參數(shù)，可作為巖體力學參數(shù)取值的下限值。

1.3 規(guī)范建議值和現(xiàn)場力學試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)

多個國家標準和規(guī)范依據(jù)巖體質量級別對力學參數(shù)給出了建議取值區(qū)間（見表1），對于V類圍巖，GB/T 50218和GB 50086-2015僅給出了力學參數(shù)取值的上限，未給出下限。進一步搜集行業(yè)規(guī)范的力學參數(shù)取值建議，見表2～3，可知公路和鐵路針對隧道圍巖也建議了力學參數(shù)取值范圍。

此外，張宜虎等［15-16］利用現(xiàn)場巖體力學試驗數(shù)據(jù)和相關資料，提出基于巖體質量分級的變形模量和強度參數(shù)統(tǒng)計值（見表4）。

以力學參數(shù)取值難度相對更大的Ⅳ類和Ⅴ類圍巖為例繪制柱狀圖，分析不同規(guī)范對巖體力學參數(shù)建議取值區(qū)間的差異（見圖2）?？芍煌?guī)范的力學參數(shù)建議取值區(qū)間總體接近，基于現(xiàn)場力學試驗的力學參數(shù)建議值也與規(guī)范大體相當。均可作為提出相應巖體分級力學參數(shù)取值區(qū)間的參考依據(jù)。

實際實施時，可根據(jù)巖性條件確定mi參數(shù)范圍，根據(jù)現(xiàn)場查勘得到的巖體結構特征，確定GSI范圍，再根據(jù)隧洞的爆破影響程度，取得D值，從而代入式（1）～（6），獲得巖體力學參數(shù)估算值。

1.5 參數(shù)建議取值范圍確定及其敏感性分析

綜合室內巖石力學試驗數(shù)據(jù)、規(guī)范建議、現(xiàn)場試驗統(tǒng)計和經(jīng)驗型準則的巖體力學參數(shù)估計，可形成基于多數(shù)據(jù)源的圍巖力學參數(shù)建議取值范圍。根據(jù)該參數(shù)范圍，可設置多套巖體力學參數(shù)取值方案，再采用數(shù)值計算方法分析研究對象工程表征圍巖穩(wěn)定的指標在不同力學參數(shù)取值方案下的量化規(guī)律，進而依據(jù)工程計算經(jīng)驗，實現(xiàn)對巖體力學參數(shù)計算結果的敏感性識別，從而縮減力學參數(shù)取值范圍。

1.6 工程案例類比確定

工程案例類比是在缺乏試驗條件和試驗數(shù)據(jù)時所能采取的巖體力學參數(shù)取值主要手段。該方法的主要缺點在于難以獲得數(shù)量充分且具備相當類似條件的工程資料。然而，通過前述工作，可獲得基于多數(shù)據(jù)源且經(jīng)敏感性分析實現(xiàn)縮減的巖體力學參數(shù)取值范圍。此時，即可根據(jù)為數(shù)不多的類似工程案例，提出圍巖力學參數(shù)的最終建議取值方案。

2 工程案例應用

2.1 工程條件和應用背景

拉洛水利樞紐德羅引水隧洞為無壓洞，其基巖為：侏羅系下統(tǒng)日當組（J1r），以黑色頁巖、灰色鈣質頁巖為主，局部含灰色細砂巖、硅質、泥質條帶、燧石結核和灰?guī)r團塊，主要分布在出洞口一帶；侏羅系中-上統(tǒng)遮拉組（J2-3Z），主要為深灰色、灰色砂巖與頁巖互層，局部夾玄武巖及安山巖，含硅質結核和泥質、炭質結核等，是隧洞所經(jīng)過的主要地層。

折線隧洞方案洞段的最大埋深為213 m，計算最大水平地應力為9.1 MPa，最大水平主應力方向與洞軸線夾角約56°。Ⅳ1類圍巖洞段長2 292 m，占30.41%，Ⅳ2類圍巖洞段長3 655 m，占48.50%，Ⅴ類圍巖洞段長1 589.16 m，占21.09%。

2.2 主要工程問題和解決方法

受前期勘測條件等多方面原因所限，在德羅隧洞工程區(qū)域僅進行了鉆孔取芯及相應的室內巖石力學試驗工作，未在隧洞工程現(xiàn)場開展原位力學試驗，這使得圍巖力學參數(shù)取值缺少來自現(xiàn)場的直接依據(jù)。為解決隧洞圍巖穩(wěn)定評價和支護設計方案論證的問題，依據(jù)前述提出的方法，開展隧洞圍巖力學參數(shù)的推演與取值研究，為德羅隧洞的支護設計和圍巖穩(wěn)定評價提供依據(jù)。

2.3 基于多數(shù)據(jù)源的力學參數(shù)取值過程

2.3.1 室內巖石力學試驗成果分析與參數(shù)選用

根據(jù)室內巖石力學實驗成果，在頁巖J2Z地層中，共有取樣點DL09、DL6和ZKK20。表5給出了室內巖石力學性質實驗成果的基本指標?？梢钥闯?，鉆孔巖樣的取樣深度越大，測得單軸抗壓強度和變形模量在總體上表現(xiàn)出增加趨勢。

根據(jù)室內巖石力學試驗的參數(shù)選用原則，以巖性和埋深相近為依據(jù)，選取DL09鉆孔取樣埋深最接近隧洞埋深的120 m區(qū)間，進一步分析相關的強度參數(shù)試驗成果。表6為DL09鉆孔在120.4～123.3 m取樣深度的室內巖石三軸試驗成果。從室內試驗的巖樣來看，其完整性較好，因此室內試驗獲得的力學參數(shù)值可作為巖體力學參數(shù)的上限取值，即：把室內巖石力學試驗獲得的變形模量4.34 GPa、黏聚力1.40 MPa和內摩擦角51°（內摩擦系數(shù)1.24）作為巖體力學參數(shù)的上限取值。

2.3.2 基于規(guī)范和試驗統(tǒng)計的力學參數(shù)取值

根據(jù)工程地質資料，對于侏羅系中-上統(tǒng)遮拉組（J2-3Z），弱風化帶為Ⅴ類圍巖，微新地層為Ⅳ1和Ⅳ2類圍巖，因室內力學試驗巖樣均取自弱風化地層，故此處考慮Ⅴ類圍巖的力學參數(shù)取值問題。

根據(jù)表1～4，綜合相關規(guī)范建議取值范圍和已有現(xiàn)場力學試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對V類圍巖的力學參數(shù)取值范圍考慮為：變形模量0.2～2 GPa，黏聚力0.05～0.30 MPa，內摩擦系數(shù)0.36～0.55。

2.3.3 基于Hoek-Brown準則的力學參數(shù)估算

根據(jù)文獻［17-18］，頁巖的mi參數(shù)可取為4～8；根據(jù)埋深相近原則，取巖石的單軸抗壓強度為15.1 MPa；根據(jù)地質資料和鉆孔信息，取GSI值為50；對于鉆爆法開挖隧洞，取D為0.5。將上述指標代入式（1）～（6），可得到巖體力學參數(shù)取值范圍的估算值：變形模量2.91 GPa，黏聚力0.34～0.43 MPa，內摩擦系數(shù)0.40～0.52。

2.3.4 形成基于多源數(shù)據(jù)的圍巖力學參數(shù)取值

將前述對巖體力學參數(shù)建議值和估算值列入表7。由表7可見，不同方法給出的變形模量參數(shù)取值范圍基本接近，但室內巖石力學試驗獲得的黏聚力和內摩擦系數(shù)取值顯著高于其他方法獲得的力學參數(shù)取值。根據(jù)巖體力學參數(shù)取值范圍，制定5組用于數(shù)值分析的力學參數(shù)取值方案，見表8。其中，變形模量由不同方法估算結果的均值取整確定。

2.4 基于數(shù)值計算的參數(shù)取值敏感性分析

圖3給出了不同圍巖力學參數(shù)取值條件下的洞周塑性區(qū)深度對比柱狀圖?？梢钥闯?，在圍巖力學參數(shù)取值方案A條件下，洞周圍巖的塑性區(qū)深度達4.7～8.8 m，顯著大于隧洞尺寸和錨桿支護長度，圍巖穩(wěn)定性很差。不同圍巖力學參數(shù)取值方案條件下，隨著黏聚力和內摩擦角參數(shù)的逐漸提高，圍巖塑性區(qū)深度逐漸減小。各種圍巖力學參數(shù)取值方案條件下，均是底板的塑性區(qū)深度最大，邊墻部位的塑性區(qū)深度次之，頂拱部位的塑性區(qū)深度最小。

圖4給出了不同圍巖力學參數(shù)取值條件下的洞周圍巖變形對比柱狀圖?？梢钥闯觯趪鷰r力學參數(shù)取值方案A條件下，洞周圍巖變形量值很大，拱頂部位圍巖變形為30.1 mm，邊墻中部圍巖變形為62.7 mm，底板中部圍巖變形為96.1 mm。不同圍巖力學參數(shù)取值方案條件下，隨著黏聚力和內摩擦角參數(shù)的逐漸提高，圍巖變形量值逐漸減小。總體而言，頂拱部位的圍巖變形量值相對較小，邊墻和底板部位的圍巖變形量值相對較大。

不同圍巖力學參數(shù)取值方案的計算結果對比表明，當變形參數(shù)（變模和泊松比）相同時，強度參數(shù)（黏聚力和內摩擦角）對圍巖穩(wěn)定性具有顯著影響。具體而言：

（1） 在取值方案A、B條件下，圍巖塑性區(qū)和變形均顯著大于其他取值方案，且從取值方案B到A，塑性區(qū)和圍巖變形均有顯著增長。這表明此區(qū)間內的力學參數(shù)敏感性強，對圍巖穩(wěn)定性的影響程度顯著，因此這是需要重點關注的參數(shù)取值區(qū)間。

（2） 在取值方案C、D、E條件下，圍巖塑性區(qū)和變形均較小，圍巖穩(wěn)定性差異不大，這表明此區(qū)間內的力學參數(shù)敏感性不強，則可將取值方案C作為這3個方案的代表方案，即舍去參數(shù)取值相對較高的D、E方案。這種處理的實質，是在不顯著改變圍巖穩(wěn)定評價結論的前提下，除去力學取值范圍內的中高值參數(shù)，實現(xiàn)圍巖力學參數(shù)取值范圍的縮減，從而使力學參數(shù)取值分析在更小的區(qū)間內進行，以提高取值效率。

2.5 類似工程案例分析

根據(jù)德羅隧洞的巖性特征和巖體結構條件，搜集開展了現(xiàn)場巖體力學試驗的類似工程案例（見表9）。由表可知，頁巖的巖體力學參數(shù)與加載方向和地層風化程度等因素均相關。相比于表8，用于力學參數(shù)敏感性分析的取值方案A和B更加接近類似工程案例的現(xiàn)場巖體力學試驗參數(shù)值。

由此，提出該工程隧洞圍巖的力學參數(shù)取值范圍：變形模量3 GPa，黏聚力0.3～0.5 MPa，內摩擦系數(shù)0.5～0.7，由此即完成隧洞圍巖力學參數(shù)的取值。

3 結 論

本文針對缺乏現(xiàn)場巖石力學試驗導致的圍巖力學參數(shù)取值困難的問題，提出了基于多源信息的隧洞圍巖力學參數(shù)取值方法，主要結論為：

（1） 基于對室內巖石力學試驗數(shù)據(jù)的基本認識，提出了室內試驗成果的選用原則，建立巖石和巖體力學參數(shù)的初步聯(lián)系，并依據(jù)規(guī)范建議和現(xiàn)場試驗統(tǒng)計，提出基于質量分級的巖體力學參數(shù)界限，并結合基于經(jīng)驗型準則的巖體力學參數(shù)估計值，形成基于多源數(shù)據(jù)的圍巖力學參數(shù)建議取值范圍。

（2） 采用數(shù)值分析方法，對巖體力學參數(shù)取值進行敏感性分析，獲取了不同圍巖力學參數(shù)取值條件下的隧洞塑性區(qū)深度和圍巖變形的量化規(guī)律，并在不顯著改變圍巖穩(wěn)定評價結論的前提下，縮減了圍巖力學參數(shù)的取值范圍，提高了參數(shù)取值的效率。最后依據(jù)類似工程案例的現(xiàn)場巖體力學試驗成果，提出圍巖力學參數(shù)的建議取值方案。

（3） 工程案例應用表明，該方法有效解決了缺乏現(xiàn)場巖體力學參數(shù)時的隧洞圍巖力學取值問題。目前，該隧洞已完成開挖，施工過程中圍巖穩(wěn)定得到有效控制，基于本文方法獲得的圍巖力學參數(shù)對隧洞支護設計起到了較好的理論支撐作用。

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（編輯：鄭 毅）

Abstract：

In order to determine mechanical parameters of tunnel surrounding rock in the absence of field rock mechanics test，a mechanical parameters selection method for tunnel surrounding rock based on multiple data source analysis was proposed.Firstly，a principle of using the results of indoor rock mechanics test to deduce the mechanical parameters of rock mass was put forward，and a preliminary relationship between rock and mechanical parameters of rock mass was established.Then according to the code recommendations and field test statistics，a set of limits of rock mass mechanical parameters based on quality classification was proposed.Combined with the estimated values of rock mass mechanical parameters based on empirical criteria，the suggested value ranges of surrounding rock mechanical parameters were given based on multiple data source analysis.A sensitivity analysis for the mechanical parameters in the suggested range was carried out by using the numerical analysis method，and the quantitative laws of the plastic zone depth and the surrounding rock deformation were obtained under the conditions of different surrounding rock mechanical parameter values.According to the engineering calculation experiences，the range of rock mass mechanical parameters was simplified.Finally，combined with the field mechanical test results of similar engineering cases，the suggested value scheme of mechanical parameters of surrounding rock was put forward.Engineering applications show this method can effectively determine tunnel surrounding rock mechanics values in lack of field rock mechanics test，and can provide a reference for tunnel support design and surrounding rock stability evaluation in similar situations.

Key words：

tunnel surrounding rock；mechanical parameters；multi-source data；engineering analogy；numerical simulation