BQ法和灰色關聯法相結合的隧道圍巖分級驗證研究

孫 路，徐望國，張云龍

近年來，隨著我國科學技術的發展，推動了隧道施工技術的進步，新建工程中隧道所占比重越來越大，而在復雜地質條件下所開挖的隧道數量占隧道總開挖量的比重更是越來越大。由于在復雜地質條件下開挖的隧道，工程地質條件和水文地質條件相對復雜，不確定因素相對較多，勢必會對工程進度、施工質量構成威脅，因此為了避免因災害造成的損失，就應該對圍巖的級別做出合理的判斷，依此及時調整圍巖級別和支護參數，達到“動態設計、信息化施工”的目的。

本文針對湘黔界一帶復雜的地形地貌特征，通過對多種圍巖分級方法的研究，提出基于超前地質預報、BQ法和灰色關聯分析法相結合的隧道圍巖分級方法，在湘黔界地區開展圍巖分級是可行的和有效的。

1 公路隧道圍巖分級方法存在的問題

隨著公路隧道的蓬勃發展，圍巖正確合理的分級日益受到關注，由于地下工程的地質條件的復雜性，這就使得現存的分級方法呈現出許多應用上的不合理問題，主要體現在以下幾個方面:

1)隧道圍巖的影響因素眾多，導致了其分級方式各有不同，有些分級方法所計算出來的定量指標，可能位于兩種圍巖級別之間，即模糊性大，在實際操作中應用性較小。

2)前期的地質勘查只能代表某一段的地質情況，而且模糊性大，但是地下工程的地質條件是千變萬化的。現有的圍巖分級方法是靜態的分級方法，用靜態的事物去描述動態的事物是沒有科學依據的。

3)現有的分級方法考慮問題不全面，例如在開挖過程中對圍巖的破壞機理，變形等等認識不清，這些都是影響圍巖穩定性的重要因素，缺乏這些主要因素的考慮，必定會影響圍巖分級的正確性。

2 圍巖分級的理論基礎

圍巖分級是在隧道開挖過程中評價圍巖穩定最實際的而又簡單實用的分析模型，它既是指導安全施工的基礎，也是隧道工程概預算的主要依據。

2.1 基于超前地質預報和BQ法的現場圍巖分級

《公路隧道設計規范》(JTG D70－2004)規定隧道圍巖分級的綜合評判方法采用兩步分級。具體步驟如下:

巖體基本質量指標BQ計算公式如下:

當Rc＞90Kv+30時，應以Rc=90Kv+30和Kv代入計算BQ值;

當Kv＞0.04Rc+0.4 時，應以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入計算BQ值。

事實上，地下水狀態、初始應力狀態、工程軸線或走向線的方位與主要軟弱結構面產狀的組合關系等，也是影響巖體穩定性的重要因素，所以要對巖體基本質量指標進行修正。

修正巖體質量指標的計算公式如下:

通過計算出來的修正后的巖體基本質量指標，然后結合巖體的定性特征，最后進行綜合評判，從而確定巖體的圍巖級別。

2.2 基于灰色理論的現場圍巖分級

灰色理論是部分信息明確，部分信息不明確的系統，它主要是將抽象的問題具體化和實體化，把明確的信息定量化，從有變化規律，在不明顯的情況下找出規律。近年來，我們在研究隧道圍巖分級時常采用灰色關聯分析原理，利用擴展的最小二乘準則，建立了隧道工程圍巖分級灰色優化理論模型。考慮到影響圍巖穩定性的因素很多，一般在研究時要結合該地區的工程的實際情況。湘黔界淺變質巖隧址區影響圍巖穩定性指標有如下4種指標:巖體的完整程度、巖石的堅硬程度、地下水作用以及結構面與隧道軸線之間的組合關系。由于結構面與軸線間的組合關系難以掌握，故改為結構面強度kf作為一個代替的指標。

灰色關聯分析實際上是一種曲線間幾何形狀的分析對比，即相對變化一致，關聯程度就越大;反之，二者的關聯程度就小，因此關聯分析的關鍵是關聯度的計算。關聯分析的計算步驟如下:

1)為使各因素具有等效和同序性，需要對原始序列進行數據變換。如:初始值變換、均值化變換、區間值變換、歸一化變換等。

2)求差序列，即求各序列對應元素之間的距離。即Δi(k)。

3)求兩極最大差與最小差。

6)計算關聯序。

3 工程應用

3.1 工程簡介

太平河1號隧道位于杭瑞高速公路貴州境大興至思南段第DXTJ—6合同段，隧址位于湘黔界銅仁地區江口縣鎮江鄉，穿越低山山嶺，隧址區地貌形態屬強烈剝蝕切割的低山區。大興端為溝谷，地形切割強烈，地面自然坡腳約40°，思南端地形陡峭，地面自然坡腳一般50°～60°。隧道大角度斜穿山體，山坡植被較發育，溝谷發育，地形切割強烈，溝谷兩側多為陡壁懸崖，起伏變化較大，地面高程變化最高海拔734.8 m，最低海拔390.1 m，相對高差344.7 m。

3.2 Yk63+358斷面圍巖分級實例

3.2.1 BQ 法判定圍巖級別

定量指標的測試:

1)現場運用點荷載儀(型號AKS—GL2001)和回彈儀(型號HT—225A)進行巖石堅硬程度測試，測試出換算后的巖石單軸飽和抗壓強度Rc=47 MPa。

2)現場巖體完整程度測試由于缺乏測試儀器，本項目利用巖體體積節理數Jv來表征巖體完整性系數Kv的定量指標。經過現場量測，斷面Yk63+358處的單位體積節理數為17 m3/條，查表對應巖體完整性系數為0.37。

根據公式計算出［BQ］=297，通過查公路隧道設計規范，并參照定性指標，最終確定圍巖級別為Ⅳ級。

3.2.2 灰色理論判定圍巖級別

現場測試圍巖分級參數為Rc=47.278 MPa，Kv=0.37，w=0.47，kf=0.2。將測試數據用數列形式表示，得x0=(47.278，0.37，0.47，0.2)，做規范處理得x1=(0.26，0.11，0.837 5，0.25)。

表1 Δik(k)計算表

求兩極最大差和最小差，根據表1可以得出Δmax=0.875，Δmin=0.019。

表2 關聯系數ξi(k)計算表

表3 各級圍巖關聯度計算

通過運用BQ圍巖分級法及灰色關聯分析，綜合判斷該段圍巖級別為Ⅳ級。

4 結語

1)圍巖分析過程中可以利用灰色系統理論進行分析，為圍巖分級方法改善提供了一個途徑。

2)本文的理論研究內容，只適用于該地區的圍巖分級，由于地區與地區之間的差異，在其他地區運用尚不完善，還需要進一步的理論驗證研究。

3)圍巖穩定性影響因素是多方面的，當采用灰色關聯法只是依靠幾個有限的數據來支撐顯然是達不到要求，同時現場測定的分級參數本身就存在誤差，因此依靠單純的數學方法還是不夠全面。

4)本文首先通過BQ法并查閱相關規范，判定出該地段圍巖級別范圍。然后利用灰色關聯法對BQ法確定的圍巖級別進行驗證，兩種方法有機的結合，相互補充，這也說明運用灰色關聯法判定圍巖級別在該地區是可行的。

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