圍巖分級參數定量值的現場快速獲取方法研究

吳秋軍

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西　南寧　530029)

圍巖分級參數定量值的現場快速獲取方法研究

吳秋軍

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西南寧530029)

關鍵詞：圍巖分級參數定量值；巖石堅硬程度；巖體完整程度；回彈儀；數碼成像技術

0引言

圍巖分級作為隧道及地下工程中最重要的基礎性課題之一，一直以來都受到國內外地下工程界地廣泛關注[1]。經過大量的研究，目前國內外學者提出的圍巖分級方法已達上百種，其中絕大多數都是為地下工程設計和施工服務的[2]。從對分級因素的處理方式來看，圍巖分級方法大致可分為兩種，即定性分級方法和定量分級方法。定性分級方法概念明確，可操作性強，但需要較強的地質專業知識和經驗才能較準確地使用；定量分級方法準確度更高，但需要大量的工程實踐作為支撐，而且測試成本高昂、費時費力。

盡管定性分級方法仍然是我國鐵路、公路隧道領域中首要采用的分級方法，但對比國際上較為流行的分級方法，如RMR、RSR、Q系統分級、日本公路鐵路彈性波速圍巖分級方法等，可以看出定量分級方法是圍巖分級方法發展的主要方向[3]。隨著我國經濟和工程測試技術的不斷發展，定量分級方法勢必也將越來越受到重視。但是，建立和使用定量分級方法的前提之一則是必須獲得較為精確的定量數據。公路隧道圍巖分級方法中引入了《工程巖體分級標準》(GB50218-94)[4]的BQ定量分級，需要給出巖石的單軸飽和抗壓強度Rc和巖體完整性指數KV兩個指標，但這兩個指標不但測試成本高昂、速度慢，而且會嚴重干擾施工。鑒于此，發展出一種既快速、準確，又不影響現場施工的圍巖分級參數定量值快速獲取方法是十分必要的。而且由于分級參數定量值可準確地轉化為定性值，所以在采用定性分級方法時也可有效提高其準確性。

基于上述考慮，本文針對我國鐵路、公路隧道圍巖分級方法中的兩個基本指標——巖石堅硬程度和巖體完整程度分別提出了現場快速獲取其定量值的方法。

1巖石堅硬程度的快速獲取方法

1.1巖石堅硬程度常規確定方法的局限性

隧道施工過程中，巖石堅硬程度一般僅通過定性鑒別并結合巖性和風化程度定性確定，如表1所示[5]，這種方法完全依賴于現場地質人員的專業知識和經驗，不但誤差較大，而且難以覆蓋整個掌子面。

若采集定量值，則采用單軸飽和抗壓強度Rc或標準點荷載強度指數Is(50)來表達，如表2所示[6]。其中，測定Rc一般通過室內巖石試驗，不但昂貴，而且費時費力；點荷載強度指數一般通過點荷載儀測定，雖然較室內試驗方便得多，但測試設備一般重達30 kg，顯得過于笨重，設備費用也比較高。

1.2回彈儀的工作原理及應用情況

從上述分析可以看出，各種巖石堅硬程度的常規確定方法都存在較多局限性，因此結合隧道施工現狀，本文提出采用回彈儀來測試掌子面圍巖巖石堅硬程度的方法。

表1　巖石堅硬程度定性值的確定方法表

表2　巖石堅硬程度定量值的確定方法表

目前，回彈儀在隧道二次襯砌混凝土強度檢測中已廣泛應用，其原理是利用聯結彈簧對重錘加力，當釋放彈簧時，彈擊重錘沖擊彈擊桿，彈擊桿沖壓測試表面后回彈重錘，與重錘相連的滑塊則在刻度尺上指示出回彈值N?；貜椫凳侵劐N能量損失的反映，與混凝土的強度成正比[7-8]。

考慮到掌子面巖石強度與混凝土強度的相似性，因此在蘭渝鐵路蘭廣段的50座隧道的掌子面巖石強度測試中進行了應用，圍巖級別為Ⅲ～Ⅴ級，應用情況如下頁表3所示?；貜棞y試采用了手持式回彈儀直接在掌子面上進行，為了進行對比分析，對相同掌子面的巖石取樣并利用數顯式的點荷載儀進行點荷載強度測試。回彈儀試驗和點荷載試驗方法完全按照《回彈儀檢定規程》(JJG817-2011)[9]和《鐵路工程巖石試驗規程》(TB1011-1998)[10]執行。

表3　掌子面圍巖回彈測試應用情況表

1.3測試數據處理及與巖石堅硬程度的對應關系

首先根據國家標準《回彈儀檢定規程》(JJG817-2011)的數據處理方法對實測回彈值進行處理，獲得考慮測試角度等因素修正后的回彈值，然后按照已獲得的巖石堅硬程度定性值進行對比分析。為了充分利用樣本數據，分析過程中還考慮了每組樣本的最大和最小回彈值，在剔除了部分明顯不合理的數據后，結果如圖1所示。

圖1　回彈測試值與標準點荷載強度指數對比圖

從圖1中可以看出，巖石的回彈值與標準點荷載強度之間有一定的對應關系，即標準點荷載強度基本上是隨著回彈值的增大而增大的，反之亦然。但回彈值的離散性比較大，并且對照表2，在相鄰的巖石堅硬程度區間邊界附近還存在部分重疊，故對最大、最小及平均回彈值進行聚類分析，并利用表2對各組巖石的情況進行巖石堅硬程度劃分，結果如表4所示。

表4　回彈值聚類分析結果表

從表4的分析結果來看，回彈值與相應的巖石堅硬程度之間具有較為良好的對應關系，可作為巖石堅硬程度定量判斷的依據之一。

這種確定圍巖巖石堅硬程度的方法的特點是設備輕，一般不到2～3 kg，攜帶方便，價格低廉，僅為數顯式點荷載儀價格的1/5～1/10，可大量裝備和使用；其精度比點荷載試驗差，但比定性方法高得多，如果采用數顯式回彈儀，則精度可進一步提高；此外，可在掌子面上直接采集，無需取樣，速度很快。

2巖體完整程度的快速獲取方法

2.1巖體完整程度常規確定方法的局限性

隧道施工過程中，巖體完整程度一般通過人工地質編錄方法直接確定，現場工作量很大，由于掌子面附近粉塵濃度高，環境很差，對技術人員的安全及健康極為不利。目前世界各國都在研究數碼成像技術進行地質編錄的方法，但該技術在隧道掌子面的應用在我國還是剛剛起步[11]。這種方法的特點是直接用普通數碼相機對掌子面圍巖進行照相，通過計算機圖像處理技術，提煉出掌子面中相關圍巖結構面發育程度參數信息，用于確定巖體完整程度，現場工作僅限于數碼攝像，工作量很少，安全性高，速度快，成本也很低廉。

2.2數碼成像技術獲取巖體完整程度方法的基本原理

數碼成像技術獲取巖體完整程度的方法包括圖像測定、圖像處理和地質解析三個部分。

2.2.1圖像測定

圖像測定是對掌子面及周邊巖體進行地質數據采集的一個過程，步驟如下：根據數碼相機參數確定圖像長度等控制因素→確定圖像測定物距→數碼成像。

2.2.2圖像處理

即對原始圖像進行處理，主要包括圖像增強和圖像分割兩部分內容。圖像增強技術主要包括圖像的灰度修正、圖像的平滑和圖像的銳化等；圖像分割方法有很多，此處采用邊緣檢測方法。上述圖像增強的具體原理可參照相關資料[12-14]，此處從略。

2.2.3地質解析

地質解析是指對結構面的發育程度參數，如結構面組數、平均間距等地質變量用圖像解析進行量化評價，步驟如下：幾何變換確定圖像與實物間的尺度比例→最小二乘法進行結構面邊緣直線擬合→提取結構面發育程度參數。

2.3數碼成像技術的計算機技術實現

數碼成像技術的后期圖像增強和地質解析十分復雜，工作量很大，不可能人工操作，因此編制了相關的VC++處理軟件，可在人工控制下自動處理，該軟件是新編制的“鐵路隧道圍巖分級系統”軟件的一個重要模塊，其程序流程見圖2：

圖2　數碼成像處理模塊的程序流程圖

2.4數碼成像技術獲取巖體完整程度的驗證

為驗證上述技術的可靠性和適用性，課題組在貴廣線上10余座隧道中已進行了數碼成像技術獲取巖體完整程度參數的應用，其中Ⅲ級圍巖10張，Ⅳ級圍巖24張，Ⅴ級圍巖45張，將圖像樣本進行軟件處理，并與現場地質編錄結果進行對比，部分結果見表5：

表5　數碼成像技術成果與地質編錄結果比較表

從表5及其它應用實例情況來看，數碼成像技術的應用效果總體較好。

3結語

本文分析了隧道施工現場圍巖分級時確定各分級參數的諸多局限性，據此提出了利用回彈儀快速獲取巖石堅硬程度定量值及利用數碼成像技術快速獲取巖體完整程度的方法，并利用這兩種方法在實際工程中進行了應用分析，獲得了較為良好的效果。由于這些方法成本低廉、速度快，不影響施工，精度一般可滿足工程設計要求，因此推廣應用前景較為廣闊。

參考文獻

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[2]王明年，陳煒韜，劉大剛，等.公路隧道巖質和土質圍巖統一分級標準研究[J].巖土力學，2010，31(2)：547-552.

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[5]TB10003-2005，鐵路隧道設計規范[S].

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[13]王新成.高級圖像處理技術[M].北京：中國科學出版社，2001.

[14]黃維通.Visual C++面向對象與可視化程序設計(第2版)[M].北京：清華大學出版社，2003.

摘要：在隧道施工過程中，圍巖分級參數的獲取方法是影響圍巖分級結果是否準確的最重要因素。文章基于對當前隧道施工現場圍巖分級方法局限性的分析，針對我國鐵路、公路隧道圍巖分級的兩個基本指標——巖石堅硬程度和巖體完整程度，分別提出了利用回彈儀和數碼成像技術現場快速獲取其定量值的方法，并結合部分隧道的應用實例，驗證該方法可獲得較為良好的效果，推廣應用前景較為廣泛。

Study on Field Quick-acquisition Method for Quantitative Values of Surrounding Rock Classification Parameters

WU Qiu-jun

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Abstract：In the process of tunnel construction，the acquisition method of surrounding rock classification parameters is the most important factor affecting the accuracy of surrounding rock classification results.Based on analyzing the limitations of current surrounding rock classification method at tunnel construc-tion site，and regarding two basic indicators of China’s railway and highway tunnel surrounding rock classification-rock hardness and rock completeness degree，this article respectively proposed the field quick-acquisition method of their quantitative values by using the resiliometer and digital imaging technology，and in combination with application practices of some tunnels，it verified that this method can obtain relatively better results，with much wider promotion and application prospects.

Keywords：Quantitative value of surrounding rock classification parameters；Rock hardness degree；Rock completeness degree；Resiliometer；Digital imaging technology

作者簡介

吳秋軍(1980—)，博士研究生，研究方向：隧道圍巖穩定性及分級方法。

基金項目

中圖分類號：U452.1+2

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.04.014

文章編號：1673-4874(2016)04-0046-04

收稿日期：2016-03-06

鐵道部2009年重大研究計劃項目(編號200 9G005)