基于收斂模式的圍巖判別方法研究

李 偲，馮 曉

(重慶交通大學 重慶智慧城市學院 重慶市 400000)

0 引言

隧道圍巖穩定性是隧道掘進過程中的突出問題，是評估施工質量的重要指標，同時也是選擇合適施工工藝、方法，以及合適支護時間的重要參考因素。圍巖類別直接決定圍巖的穩定程度，因此對隧道圍巖的判別是一項重要工作。由于巖體結構復雜多變和鉆孔取芯試件有限等因素影響，難以全面準確地描述圍巖級別，導致與開挖后的實際圍巖狀態存在差別。為此，通過施工現場反饋的實時數據對隧道圍巖進行及時修正復核能夠避免相應的工程進度、質量和安全等問題，這對保障工程的順利進行是十分必要的。基于不同的判別方法以及判別因子的選取，主流的圍巖判別方法在相同的地質條件下的圍巖分類存在差異性。通過建立基于收斂模式指標的判別模型，研究收斂模式與圍巖類別的相關性以及判定方法。

1 常用圍巖判別方法

1.1 圍巖分類方法

1.1.1Q系統分類法

Q系統分類法是上世紀七十年代由巴頓、利恩和倫德等人在分析研究大量實際工程數據之后發展出來的分類方法[1]。該方法主要考慮以下六個基本參數[2-3]：

(1)巖石質量指標：反應巖體完整性的定量指標，通常利用體積節理數根據經驗公式獲得。

(2)節理組數：反應巖石的整體性，一般通過查表結合巖體實際情況獲得。

(3)節理粗糙系數：反應節理面的表觀特征，通常先判別節理特征，在查表獲取相應值。

(4)節理蝕變系數：反應節理面的穩定性，主要依據節理特征及其填充物情況查表獲得。

(5)節理水折減系數：反應地下水對圍巖收斂的影響，通過查表結合經驗獲得。

(6)應力折減系數：反應圍巖強度的參數，依據不同應力情況對應查表獲得。

1.1.2RMR系統分類法

RMR系統分類法是在1973年由賓尼亞夫斯基提出，RMR評分值由以下參數求和得到[4]：

(1)巖體材料單軸抗壓強度-反應巖石堅硬程度的定量指標，由巖體試件在單向受壓破會時測得。

(2)巖石質量指標：與Q系統分類法中提及的一致。

(3)結構面間距：反應巖體結構的指標，根據結構面間距的平均值對應查表獲得。

(4)不連續結構面特征：反應結構面的風化程度、平整程度等表觀特征，通過查表獲得。

(5)地下水條件：與Q系統分類法中提及的類似。

1.1.3BQ分類法

BQ分類法是國內關于圍巖分類的國家標準中經常使用的方法，該方法首先采用巖塊飽和單軸抗壓強度以及巖體完整系數計算巖體基本質量指標BQ，再結合圍巖相關特征系數對其進行修正獲得最終結果[5]。

1.2 圍巖判別方法

判別分析是一種多指標統計判別技術，其基本思路是在明確分類標準的情況下，基于原始數據樣本的各項特征因子建立判別函數，通過訓練樣本集確定待定系數，最終獲得判別值。在得到一個新的數據樣本之后，將其代入判別模型，對比所得結果與判別值，就可以對新樣本在已知類型中進行分類。

任何判別方法都存在判別因子選取問題，以往研究人員主要采用的判別指標主要有基于圍巖表觀特征的定性指標，如節理組數、裂面風化情況、地下水條件，以及巖體質量指標、巖體完整系數、飽和單軸抗壓強度等可以定量描述的圍巖物理力學指標。通常定性指標都是勘察人員根據現場實際情況對照查表得出，對勘察人員的相關工作經驗要求較高。由于該指標獲取方式較為主觀，使得不同人員對同一圍巖質量得出的指標數據存在差距。定量指標則需要在現場對圍巖鉆孔取芯隨后送往實驗室通過相關設備儀器測算，其中由于巖體的復雜性，不同鉆孔條件下獲取的巖體試件會造成結果存在差異，另外指標獲取過程的繁瑣使得數據獲取的經濟成本、時間成本較高。

2 隧道收斂模式

隧道收斂模式主要包涵圍巖收斂時間、收斂速度、收斂值、相對位移值等指標[6]，收斂模式與圍巖類別存在緊密聯系，它是圍巖在從開挖到自穩過程中的直觀表現，往往在相同圍巖條件下的收斂模式具有高度相似性，而在不同圍巖類別之間存在明顯差異。為了提取收斂模式，采用回歸分析的方式處理圍巖變形數據。

2.1 變形收斂數據預處理

由于圍巖收斂量測會受現場施工影響，以及存在測量誤差等情況，使得水平收斂數據和拱頂下沉數據出現較大變化，不能很好反映圍巖收斂的真實情況，同時影響后續數據分析和圍巖收斂模式的提取。因此，首先要對已有數據進行處理，消除影響。通常對于存在明顯偏差的數據點，可采用鄰點中值平滑處理方法，以左右相鄰兩點的數據平均值代替該點的原始數據。對于監測頻率不規律的數據，可在間隔較大的兩點之間進行插值處理從而得到間隔一致的數據。

2.2 變形收斂數據回歸分析

2.2.1變形收斂數據回歸分析的目的

(1)人為因素、環境因素等外界因素造成的測量數據誤差，使得位移時間曲線上下波動，呈不規則離散性，很難找出其中的規律。

(2)體現隧道收斂的不同階段，進而可以識別巖體是否滿足穩定要求。

(3)通過回歸分析可以確定收斂模式的各項指標。

2.2.2回歸分析的主要步驟

(1)根據收斂數據中自變量與因變量的變化趨勢選擇相應的回歸模型。

(2)通過已有數據集求解相關系數從而獲得回歸方程。

(3)對回歸方程進行相關性檢驗從而驗證方程的可靠性。

2.3 圍巖收斂模式提取

2.3.1圍巖基本穩定判定

判定圍巖穩定性是測量人員的重要任務，也是提取收斂模式的主要條件。通常在滿足以下情況可認為隧道趨于穩定[7]：

(1)各測試項目顯示位移、速度變化趨于穩定，水平收斂速度在0.15mm/d以下，拱頂沉降在0.1mm/d以下。

(2)水平收斂值和拱頂下沉收斂值達到最終收斂值的80%～90%，最終收斂值通過曲線擬合得到。

2.3.2圍巖收斂模式提取

提取對應監控斷面的收斂模式指標：

(1)收斂時間：圍巖達到基本穩定所需天數。

(2)拱頂下沉收斂值：圍巖達到基本穩定后的拱頂下沉累計值。

(3)水平收斂值：圍巖達到基本穩定后的水平收斂累計值。

(4)收斂速度：通常收斂趨勢可分為三個階段[8]：快速增長階段；緩慢增長階段；趨于穩定階段。由于不同圍巖達到基本穩定的條件相同，因此選擇最能反映圍巖差異的快速增長階段的收斂速度作為收斂模式指標。

3 基于收斂模式的圍巖判別方法

在建立判別函數時，選取四個收斂模式指標作為判別因子，由于圍巖收斂變形與圍巖類別存在緊密聯系，這類指標可以較好地反映隧道圍巖的力學狀態變化，并能避免許多不確定因數和影響，同時具有獲取方式簡單、便捷等優點。

常見分類方法將巖體質量分為五級[9]，相應的將圍巖判別結果分為五類，以四個隧道收斂模式指標作為判別因子，確立判別函數，通過求解函數系數，最終建立基于收斂模式的圍巖判別模型。

4 結論

(1)將基于量測數據的收斂模式指標作為圍巖判別因子，從而將量測數據引入圍巖判別，這對研究隧道收斂模式與圍巖類別之間的相關性有很大的幫助，同時對圍巖判別也有很強的實用價值。

(2)該方法在選取判別指標過程中，與前人的選取方法存在本質差別，能夠很好地避免以往的判別指標帶來的各種問題。

(3)由于監控量測技術的局限性和過程中不可避免地產生誤差，將降低原始數據集的可靠性，因此在今后的研究過程中，要重視數據采集過程，控制數據誤差范圍，從而降低判別結果的偏差。