基于现场监控量测的隧道围岩分级方法及其在猫儿岭隧道中的应用

时间：2023-11-06 百科知识版权反馈

【摘要】：摘　要　对现行监控量测项目进行拓展，通过结合地质测量、位移反分析，以寻求监控量测信息与围岩分级指标之间的定量关系，建立在施工现场快速、定量地确定（修正）围岩分级的方法。在猫儿岭隧道的应用中，验证了该方法的可行性与正确性，并为隧道工程的信息化设计、施工提供更加准确的信息。

张长亮¹　蒋树屏²　蔡志伟³　李星平²

（1广东省公路建设有限公司　广州　510600；2重庆交通科研设计院　重庆　400067；3中煤国际工程集团重庆设计研究院　重庆　400016）

摘　要　对现行监控量测项目进行拓展，通过结合地质测量、位移反分析，以寻求监控量测信息与围岩分级指标之间的定量关系，建立在施工现场快速、定量地确定（修正）围岩分级的方法。该方法基于监控量测及非确定性反分析技术，在施工现场能快速判断围岩级别，用以及时修改设计，指导现场施工。在猫儿岭隧道的应用中，验证了该方法的可行性与正确性，并为隧道工程的信息化设计、施工提供更加准确的信息。

关键词　隧道　监控量测　反分析　围岩分级

现行公路隧道围岩分级方法，在其实际工程应用过程中存在着一些问题，譬如预设计阶段围岩级别判断不准、现场围岩级别变更存在主观差异、围岩级别判定滞后等不足，这常常造成工期延误、无谓加大工程造价，更甚则直接影响到施工安全等。在采用新奥法修建公路隧道的过程中，监控量测已成为反馈围岩和结构动态、优化支护参数、保证施工安全的一个重要手段。通过监控量测，将采集到大量反映围岩、支护结构力学行为的数据，通过反分析技术对岩体部分初始参数进行反演，然后依据规范及类似工程的经验，对围岩的稳定性进行评价，这已成为隧道施工中的通用方法。笔者认为，通过现场监控量测与卡尔曼滤波非确定性反分析技术相结合，就能及时、较为准确地判断围岩级别，能够有效解决上述问题。

1　分级背景

1．1　施工现场分级

隧道围岩分级是一项动态的系统工程，在勘察和设计阶段，受勘察手段、工作量和自然地质条件的限制，设计院对围岩级别的划分是较粗的，还可能出现围岩级别失误的现象。我们知道，只有开挖暴露出来的地质状态，才能使我们比较客观、可靠地了解在施工过程中出现的一些现象和问题，才能最大程度地反映围岩的稳定性状态，进而获得较为准确的围岩级别。因此，在施工阶段，利用各种量测和观测到的实际资料对围岩进行及时分级，为隧道工程的动态设计提供科学依据，就显得非常重要。

1．2　采取定量分级

现行的公路隧道围岩分级方法经验的成分较大，且是以定性为主的分级方法，有一定人为因素和不确定性，在使用中随勘察人员的认识和经验的差别，对同一围岩常常做出级别不同的判断。如果在施工阶段，结合现场实测的地质数据及围岩变化的监测数据，建立一套定量的评判体系，则既可以有效克服分级中存在的主观性，又避免了现场围岩变更带来的争议。因此，定量分级势在必行。

1．3　动态化分级

隧道开挖后，运用隧道净空收敛值来计算围岩的初始应力场，从而对围岩进行评价是可行的，因为开挖隧道引起围岩应力重分布，根据这种反分析得到的结果，更能代表岩体的特性。这将体现出隧道开挖后围岩的动态变化。

1．4　基于工程岩体分级标准

工程岩体分级属于国家标准第二层次的通用标准，是在总结众多的工程岩体分级方法以及大量岩石工程实践和岩石力学试验研究成果的基础之上得出的，具有权威性。文中的围岩分级方法便是建立在该标准BQ（岩体基本质量）分级的基础上。

2　监控量测项目的拓展

在国内，现阶段绝大多数的隧道监控量测仅针对围岩及衬砌的位移、应力、应变等进行了测量，而对现场的地质条件却只是定性描述，没有对岩石强度、岩体节理、结构面产状及地下水特征等地质状况进行测量。由于没有明确的规定，很多监测单位甚至没有配备起码的罗盘、点荷载仪等设备，因而对地质条件往往只是一知半解，这对围岩稳定性评价很不利。

为了达到在施工阶段对隧道围岩的定量分级，弥补现阶段监控标准的不足，结合现行公路隧道施工规范，我们对隧道监控量测项目稍做拓展，就可以在监控量测中获取围岩定量分级所需各参数，适时对围岩进行分级。基于此，我们在原监控量测项目中增加了岩石抗压强度测试、岩体体积节理数量测量、主要软弱结构面产状测量及地下水特征测量等。拓展后的监控量测项目如图1所示。

图1　拓展后的监控量测项目

3　分级方法原理及要点阐述

3．1　技术路线

该方法针对现行公路隧道设计规范对围岩定量分级的要求，对传统隧道监控量测内容进行拓展，并通过非确定性位移反分析的方法，共同获取定量分级中所需各参数，最终建立在施工现场快速、定量地确定（修正）围岩分级的方法，用于指导现场施工。技术路线如图2所示。

图2　现场隧道围岩分级方法技术路线图

3．2　分级参数定量获取手段

根据现行公路隧道设计规范中定量分级的规定，实现围岩的详细定级，必须获取5个参数的量值。分别如下：

3．2．1　单轴饱和抗压强度（R_c）

一般情况下，R_c（单位：MPa）应采用实测值，而在隧道施工现场常常无条件取得实测值。基于拓展后的监控量测项目，可采用实测的岩石点荷载指数（I_S（50）），换算得R_c值。该法简便易行，数据可靠。其换算公式为：

3．2．2　岩体完整性系数（K_v）

K_v定义为岩体与岩块弹性纵波速度之比的平方，即K_v＝（V_pm/V_pr）²。但在隧道施工现场，一般是无条件进行声波测试的。于是，我们由拓展后的监控量测将间接获得该参数。

通过监控量测中的地质调查，可统计岩体体积节理数（J_v）。据规范，每一测点的统计面积不应小于2 m×5 m。岩体J_v值，应根据节理统计结果，按下式计算：

J_v＝S₁＋S₂＋…＋S_n＋S_k

式中，S_n为第n组节理每米长测线上的条数；S_k为每立方米岩体非成组节理条数。

按规范中J_v与K_v对照表，即可由上述J_v值确定相应的K_v值。且根据规范BQ＝90＋3R_c＋250K_v，R_c，K_v已知，则BQ值确定。

3．2．3　地下水影响修正系数（K₁）

现行监控量测项目中对隧道地下水的调查，一般对其只进行定性判定，具体特征分为干燥或湿润、偶有渗水和经常渗水3种，完全依靠经验判断。

在调整后的监控量测项目中对地下水的调查，我们采取定量的测量方式，即用简易装置对隧道开挖面处涌水量和水压进行适时量测。

因此，由拓展后的监控量测项目即可便捷地定量获取掌子面处出水状况，同时结合已获得的BQ值，对照规范中“地下水影响修正系数K₁”表格，即可得出相应的K₁值。

3．2．4　主要软弱结构面产状影响修正系数（K₂）

在现行监控量测项目中，虽规定了对结构面产状的调查，但并不是工作的重点，且仅对此进行定性描述，而无定量要求。在调整的监控量测项目中，监测人员要利用地质罗盘及时对掌子面处结构面产状及其与洞轴线的组合关系进行量测。具体到结构面走向与洞轴线夹角以及结构面倾角的测量。根据现场测得角度，结合规范中“主要软弱结构面产状影响修正系数K₂”表格，即可确定K₂。

3．2．5　初始应力状态影响系数（K₃）

准确地获得岩体初始地应力的最有效方法，是进行现场测试。但在实际工程中，一般无条件进行现场测试，而由地质勘探获得的初始地应力值离散性较大，不能代表开挖处地应力值。对此，我们采取了“基于监控量测及非确定性反分析”的方法来获取岩体初始地应力。

图3　确定围岩初始地应力影响修正系数K₃的流程

众所周知，一般的反分析都存在参数反演“马后炮”的问题，即在推求初始地应力等参数时，一般要等到围岩位移达到收敛状态方可，如此以来，我们便不能及时判别围岩级别而采取相应的工程措施，反演失去时效性的意义。而扩张卡尔曼滤波非确定性反分析却有效解决了这个问题。其基本流程如图3所示。

（1）扩张卡尔曼滤波非确定性反分析基本原理

岩土工程中，所谓反分析法，即以现场量测到的、反映系统力学行为的某些物理信息量（如位移、应变、应力或荷载等）为基础，通过反演模型推算得到该系统的各项或某些初始参数的方法。大量工程实践证明，采用确定性反分析法得出的结果与实测结果有较大的出入，这除了计算模型等的误差外，隧道开挖引起的围岩动态所具有的不确定性特征对结果也有较大影响。为此，人们在确定性反分析的基础上，发展了各种非确定性方法，应用概率论、数理统计、随机过程、模糊数学或灰色系统理论等不确定性数学工具来分析系统的不确定性，反演系统的初始参数。当前非确定性反分析方法有最大似然法、Bayes法和蒙特卡罗法等^［6-8］。

由于岩土工程施工中岩土体系统的反应是一个动态的随机过程，其观测位移变形量同岩土体物性参数等的关系是随机的，而且前一时刻的变形量对后一时刻有一定影响。考虑到岩土工程施工中的这种动态过程，笔者将原属最优控制理论的扩张卡尔曼滤波器（Extended Kalman Filter）引入反分析过程，利用其滤波修正——不断产生新信息量的功能同有限元的迭代计算、场域分析功能进行耦合，借此来解决非确定问题^［1，3］。

扩张卡尔曼滤波器的基本手法是用随机时间序列来代替随机过程，经一系列处理和推演后，其算法方程如下：

①滤波方程：

②增益矩阵：

③状态量估计误差协方差矩阵：

式（1）～式（5）中，z_t为t_i时刻的观测向量；为z_i条件下，t_i时刻的状态量滤波估计；为t_i＋1时刻的状态量预报估计；K_t，H_t，F_t，R_t，Q_t，P_t/t和P_t＋1/t分别为t_i时刻的卡尔曼滤波增益矩阵、观测矩阵、状态转移针、观测噪声协方差阵、系统噪声协方差阵、滤波误差协方差阵和预报误差协方差阵。

（2）最终围岩初始地应力预测

为了能及时求得初始应力参数，根据最终初始应力参数与任意时刻的临时初始应力参数之差与参数变化速率之间存在某种关系的设想（已做工程考证），采用扩张卡尔曼滤波有限元法对量测数据进行了反演分析，推导只需将位移早期量测值输入（3次以上），并由滤波计算出相应的临时初始应力参数后，即刻可预测出最终初始地应力参数的计算模式：

其中，C是具有时间量纲的系数，它综合反映了隧道地质状况、开挖推进状况、开挖推进速度、支护状况和断面形状等，称它为预测系数，可通过采用统计回归的办法确定。而σ和σ_r分别表示t时刻的初始应力参数及最终状态的初始应力参数。

再由假定的初始地应力的垂直分量同埋深成正比，即

则有

式中，γ为岩体容重；H为埋深。

（3）获取K₃

根据量测数据反演得到围岩初始地应力最大值，再由比值R_c/σ_max可判定围岩应力状态，最后结合规范规定即可获得修正系数K₃，见规范“初始地应力状态评估”表与“初始应力状态影响修正系数K₃”表。

3．3　确定围岩级别

由规范可知，围岩级别的详细判别是由工程岩体质量指标［BQ］来确定的。

据规范，［BQ］计算公式如下所示：

［BQ］＝BQ－100（K₁＋K₂＋K₃）

其中，上式各参数值已经由监控量测及反分析方法获取，则［BQ］值可以计算得出，最终结合规范中“公路隧道围岩基本质量分级表”确定围岩级别。

4　隧道施工量测管理与围岩稳定智能分析系统简介

隧道施工量测管理与围岩稳定智能分析系统是一套用于对现场监测得到的大量数据进行及时快速处理、分析以及自动化管理的软件。它是重庆交通科研设计院在原有公路隧道围岩与支护系统量测数据管理系统基础上新近开发的，具有自主开发的图形处理模块、非确定性反分析模块等，在原有基础上增加了围岩定量分级、围岩稳定性判断和围岩变形预警预报等功能。

图4　数据管理系统程序界面

可将位移值方便地输入数据管理系统，通过非确定性反分析模块计算获得最终初始应力值，最后通过围岩分级模块即可获得相应断面的围岩级别。程序界面如图4所示。

5　工程应用

5．1　工程概况

猫儿岭隧道经过丘陵地貌区，为小净距、短隧道，采用左右线设置，左线隧道里程为LK91＋907～LK92＋331，长424 m；右线隧道里程为LK91＋901～LK92＋298，长397 m。洞口设计高程为106．771～110．175 m，隧道最大埋深约66 m。

隧道穿过丘陵地貌区，山体走向总体呈近南北向，隧道线路经过最大高程约183．67 m。山体植被茂密，隧址地面最大相对高差约81 m。地层岩性主要为寒武系下统牛角河组变质砂岩、炭质板岩及风化层。隧道围岩主要为Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级。

5．2　RK91＋925断面围岩分级实例

5．2．1　地质情况

该断面上台阶上部围岩为全—强风化变质砂岩，中下部为中等风化岩石，呈块状结构，围岩干燥无水，稳定性较差。

5．2．2　现场分级

①对RK91＋925断面处现场地质测量获取如表1所示各参数值。

②根据现场位移监控量测数据，取该断面初期位移值，由非确定性反分析程序对初始地应力进行反分析计算。模型左右边界及下边界分别选取洞宽、洞高4倍的围岩范围，上边界取实际埋深13 m。同时用直接预测法加以预测，最终计算结果见表2。由表中数据可知，由直接预测法预测3次即接近最终状态值，σ_max＝0．282 MPa。

表1　猫儿岭隧道RK91＋925断面处地质测量数据