基于收敛模式的围岩判别方法研究

李 偲，冯 晓

(重庆交通大学 重庆智慧城市学院 重庆市 400000)

0 引言

隧道围岩稳定性是隧道掘进过程中的突出问题，是评估施工质量的重要指标，同时也是选择合适施工工艺、方法，以及合适支护时间的重要参考因素。围岩类别直接决定围岩的稳定程度，因此对隧道围岩的判别是一项重要工作。由于岩体结构复杂多变和钻孔取芯试件有限等因素影响，难以全面准确地描述围岩级别，导致与开挖后的实际围岩状态存在差别。为此，通过施工现场反馈的实时数据对隧道围岩进行及时修正复核能够避免相应的工程进度、质量和安全等问题，这对保障工程的顺利进行是十分必要的。基于不同的判别方法以及判别因子的选取，主流的围岩判别方法在相同的地质条件下的围岩分类存在差异性。通过建立基于收敛模式指标的判别模型，研究收敛模式与围岩类别的相关性以及判定方法。

1 常用围岩判别方法

1.1 围岩分类方法

1.1.1Q系统分类法

Q系统分类法是上世纪七十年代由巴顿、利恩和伦德等人在分析研究大量实际工程数据之后发展出来的分类方法[1]。该方法主要考虑以下六个基本参数[2-3]：

(1)岩石质量指标：反应岩体完整性的定量指标，通常利用体积节理数根据经验公式获得。

(2)节理组数：反应岩石的整体性，一般通过查表结合岩体实际情况获得。

(3)节理粗糙系数：反应节理面的表观特征，通常先判别节理特征，在查表获取相应值。

(4)节理蚀变系数：反应节理面的稳定性，主要依据节理特征及其填充物情况查表获得。

(5)节理水折减系数：反应地下水对围岩收敛的影响，通过查表结合经验获得。

(6)应力折减系数：反应围岩强度的参数，依据不同应力情况对应查表获得。

1.1.2RMR系统分类法

RMR系统分类法是在1973年由宾尼亚夫斯基提出，RMR评分值由以下参数求和得到[4]：

(1)岩体材料单轴抗压强度-反应岩石坚硬程度的定量指标，由岩体试件在单向受压破会时测得。

(2)岩石质量指标：与Q系统分类法中提及的一致。

(3)结构面间距：反应岩体结构的指标，根据结构面间距的平均值对应查表获得。

(4)不连续结构面特征：反应结构面的风化程度、平整程度等表观特征，通过查表获得。

(5)地下水条件：与Q系统分类法中提及的类似。

1.1.3BQ分类法

BQ分类法是国内关于围岩分类的国家标准中经常使用的方法，该方法首先采用岩块饱和单轴抗压强度以及岩体完整系数计算岩体基本质量指标BQ，再结合围岩相关特征系数对其进行修正获得最终结果[5]。

1.2 围岩判别方法

判别分析是一种多指标统计判别技术，其基本思路是在明确分类标准的情况下，基于原始数据样本的各项特征因子建立判别函数，通过训练样本集确定待定系数，最终获得判别值。在得到一个新的数据样本之后，将其代入判别模型，对比所得结果与判别值，就可以对新样本在已知类型中进行分类。

任何判别方法都存在判别因子选取问题，以往研究人员主要采用的判别指标主要有基于围岩表观特征的定性指标，如节理组数、裂面风化情况、地下水条件，以及岩体质量指标、岩体完整系数、饱和单轴抗压强度等可以定量描述的围岩物理力学指标。通常定性指标都是勘察人员根据现场实际情况对照查表得出，对勘察人员的相关工作经验要求较高。由于该指标获取方式较为主观，使得不同人员对同一围岩质量得出的指标数据存在差距。定量指标则需要在现场对围岩钻孔取芯随后送往实验室通过相关设备仪器测算，其中由于岩体的复杂性，不同钻孔条件下获取的岩体试件会造成结果存在差异，另外指标获取过程的繁琐使得数据获取的经济成本、时间成本较高。

2 隧道收敛模式

隧道收敛模式主要包涵围岩收敛时间、收敛速度、收敛值、相对位移值等指标[6]，收敛模式与围岩类别存在紧密联系，它是围岩在从开挖到自稳过程中的直观表现，往往在相同围岩条件下的收敛模式具有高度相似性，而在不同围岩类别之间存在明显差异。为了提取收敛模式，采用回归分析的方式处理围岩变形数据。

2.1 变形收敛数据预处理

由于围岩收敛量测会受现场施工影响，以及存在测量误差等情况，使得水平收敛数据和拱顶下沉数据出现较大变化，不能很好反映围岩收敛的真实情况，同时影响后续数据分析和围岩收敛模式的提取。因此，首先要对已有数据进行处理，消除影响。通常对于存在明显偏差的数据点，可采用邻点中值平滑处理方法，以左右相邻两点的数据平均值代替该点的原始数据。对于监测频率不规律的数据，可在间隔较大的两点之间进行插值处理从而得到间隔一致的数据。

2.2 变形收敛数据回归分析

2.2.1变形收敛数据回归分析的目的

(1)人为因素、环境因素等外界因素造成的测量数据误差，使得位移时间曲线上下波动，呈不规则离散性，很难找出其中的规律。

(2)体现隧道收敛的不同阶段，进而可以识别岩体是否满足稳定要求。

(3)通过回归分析可以确定收敛模式的各项指标。

2.2.2回归分析的主要步骤

(1)根据收敛数据中自变量与因变量的变化趋势选择相应的回归模型。

(2)通过已有数据集求解相关系数从而获得回归方程。

(3)对回归方程进行相关性检验从而验证方程的可靠性。

2.3 围岩收敛模式提取

2.3.1围岩基本稳定判定

判定围岩稳定性是测量人员的重要任务，也是提取收敛模式的主要条件。通常在满足以下情况可认为隧道趋于稳定[7]：

(1)各测试项目显示位移、速度变化趋于稳定，水平收敛速度在0.15mm/d以下，拱顶沉降在0.1mm/d以下。

(2)水平收敛值和拱顶下沉收敛值达到最终收敛值的80%～90%，最终收敛值通过曲线拟合得到。

2.3.2围岩收敛模式提取

提取对应监控断面的收敛模式指标：

(1)收敛时间：围岩达到基本稳定所需天数。

(2)拱顶下沉收敛值：围岩达到基本稳定后的拱顶下沉累计值。

(3)水平收敛值：围岩达到基本稳定后的水平收敛累计值。

(4)收敛速度：通常收敛趋势可分为三个阶段[8]：快速增长阶段；缓慢增长阶段；趋于稳定阶段。由于不同围岩达到基本稳定的条件相同，因此选择最能反映围岩差异的快速增长阶段的收敛速度作为收敛模式指标。

3 基于收敛模式的围岩判别方法

在建立判别函数时，选取四个收敛模式指标作为判别因子，由于围岩收敛变形与围岩类别存在紧密联系，这类指标可以较好地反映隧道围岩的力学状态变化，并能避免许多不确定因数和影响，同时具有获取方式简单、便捷等优点。

常见分类方法将岩体质量分为五级[9]，相应的将围岩判别结果分为五类，以四个隧道收敛模式指标作为判别因子，确立判别函数，通过求解函数系数，最终建立基于收敛模式的围岩判别模型。

4 结论

(1)将基于量测数据的收敛模式指标作为围岩判别因子，从而将量测数据引入围岩判别，这对研究隧道收敛模式与围岩类别之间的相关性有很大的帮助，同时对围岩判别也有很强的实用价值。

(2)该方法在选取判别指标过程中，与前人的选取方法存在本质差别，能够很好地避免以往的判别指标带来的各种问题。

(3)由于监控量测技术的局限性和过程中不可避免地产生误差，将降低原始数据集的可靠性，因此在今后的研究过程中，要重视数据采集过程，控制数据误差范围，从而降低判别结果的偏差。