铁路隧道BQ法、Q值法、RMR法相互关系研究

研究目的:围岩等级是铁路隧道设计和施工需确定的关键参数,随着中国铁路“走出去”战略的深入实施,我国设计工程师与国际咨询在隧道围岩分级方法的选取和应用上往往难以达成共识,从而影响海外工程的顺利开展。为研究围岩分级国标BQ法与国际主流Q值法和RMR法间的相互关系,总结对比BQ法、Q值法、RMR法三种围岩分级方法间差异,选取国内外多座代表性铁路隧道,对同一里程掌子面分别采用上述三种方法进行围岩分级,并结合其他文献研究成果,对分级结果进行对比分析。研究结论:(1)Q值法、RMR法在实际工程应用中均存在利弊,现场围岩等级的确定宜结合国标BQ法相互校核得出结论;(2)[BQ]值和Q值间关系符合指数函数,[BQ]值和RMR值间符合线性关系,Q值和RMR值间关系符合对数函数;(3)不同文献在BQ法、Q值法、RMR法间相互关系研究成果差异性大小方面,Q值和RMR值关系最小,也最为成熟,[BQ]值和RMR值关系次之,[BQ]值和Q值关系最大;(4)本文建立了国标BQ法与国际Q值法和RMR法间围岩等级划分对应关系表,在无法应用BQ法划分围岩级别情况下,可通过查表帮助国内设计人员理解和选择围岩支护体系,研究成果将有利于国标BQ法与国际Q值法和RMR法间的相互借鉴和融合,对海外隧道工程设计和施工具有一定指导意义。

基于关键块体的井巷围岩稳定性分析及支护研究

为了进一步研究关键块体对巷道围岩稳定性的影响及通过关键块体分析进行支护措施的设计。以蒙库铁矿地下开采某一巷道为研究对象,通过工程地质调查与现场测试工作,对围岩节理裂隙统计与分段,并进行岩块强度试验和岩体的波速测试,获得了岩体完整性参数,依据此进行了详细的岩体工程分级,给出不同岩体的分级力学参数,再通过Unwedge进行关键块体分析,对不稳定岩块进行划定,确定了锚喷支护的参数及重点支护位置,然后采用有限元软件模拟开挖过程并分析了开挖过程中围岩及支护的应力应变变化情况,最后进行现场采动应力的监测与分析。研究结果表明:经过关键块体分析,更准确地辨别出可能导致巷道失稳的不稳定岩块,针对关键块体分析结果提出稳定性支护措施,并应用于现场,进行采动应力监测与分析,取得了良好的效果。研究结果在一定程度上为围岩稳定性分析及支护设计提供了可靠依据。

基于数字图像修正HC法的水工隧洞围岩精细化分级研究

现有水工隧洞围岩分级方法仍以经验性为主,易造成围岩分级结果存在偏差,进而导致隧洞支护设计不合理,甚至开挖过程发生围岩失稳。依托犬木塘水库大山岭引水隧洞工程,采用数字图像技术对HC法进行修正,可实现对水工隧洞进行精细化围岩分级,为合理的隧洞支护设计提供依据。为此,首先明确了水工隧洞围岩分级HC法中岩石强度采用点荷载试验,岩体完整程度、结构面状态、结构面产状采用数字图像技术进行确定的评分方法;其次,通过对九龙岭隧洞2号支洞的实际应用表明,所取岩体的岩石单轴抗压强度为24.22 MPa、结构面走向与洞轴线夹角为32.5°、结构面倾角为40.1°,结构面充填物主要为岩屑、呈微张状态、起伏较为粗糙,岩体体积节理数3≤Jv≤10;最后,参照《水力发电工程地质勘察规范》,并结合HC法评分准则,评定犬木塘九龙岭2号支洞ZG23+717.5处围岩总评分T为29分,围岩级别为Ⅳ类围岩。该方法具有图像采集便捷、计算过程简洁、分析结果准确等优点,可为水工隧洞开挖支护设计提供重要的决策支持,具有显著的工程实用价值和广泛的应用前景。

基于AHP-熵权模糊综合评价的隧道围岩分级模型研究

由于复杂地质环境下传统围岩分级的局限性和不合理性,常常给隧道的施工成本控制和安全生产带来不确定因素。为优化隧道围岩分级评价体系,基于模糊数学理论,引入断面面积、开挖工法等工程施工因素指标,结合岩石强度、完整性系数、地下水状态、结构面特征、地应力等地质因素构建围岩分级评价指标体系及评价指标分级标准;应用层次分析法和熵权法确定各评价指标的综合最优权重值,建立隧道围岩分级的模糊综合评价模型,选取已建隧道相关断面进行围岩模糊综合评价。结果表明:采用模糊数学理论对隧道围岩进行模糊评价分级,实现了多类定性参数的定量化处置,提升了围岩评价的可靠性;引入相关工程施工因素作为围岩评价指标所获得的分级成果与实际揭示围岩较为一致。

基于隧道超前地质探测的围岩分级研究

为探明隧道掌子面前方的围岩等级以保证后续施工安全,进行超前地质预报是最常用的技术手段。该文以青海加西公路JX-1标互助北山特长隧道为例,依据2种超前地质预报方法即地震波法和地质雷达法,探明隧道掌子面前方的围岩等级,纠正隧道设计阶段围岩等级不明确的误差,验证依靠超前地质探测查明围岩等级方法的可行性。此方法预测的围岩等级与开挖情况符合,能够为后续隧道工程建设提供参考。

极高地应力软岩稳定性指标优先级及多因素耦合分级

极高地应力隧道工程设计施工除了考虑地质构造作用极其强烈以外,强度应力比、地下水、膨胀应力、结构面产状等因素对围岩稳定性的影响也必须考虑,同时隧道轴线与最大应力主方向夹角、隧道断面及面积、岩层厚度及倾角等因素也非常重要。以《工程岩体分级标准》为基础,提出一种极高地应力复杂软岩隧道围岩稳定性因素优先级分析思路,并采用熵权法形成多主因素耦合、次因素修正的围岩分级方法。现场实践表明分级结果与现场施工状态吻合较好,进一步对另两座隧道使用本方法进行验证。结果表明,现行规范中围岩分级因素和方法不适用极高地应力情况,且和影响因素优先级加多因素耦合修正BQ值的围岩分级方法结果相差10%左右,原因是对极高地应力软岩稳定性影响因素考虑不全面。这种围岩稳定性分级方法具有较好的适用性,且耦合时使用熵权法原理使得结果更加偏向于定量计算,减少了人为因素干扰,结果更加客观真实。

基于综合权重—模糊物元法的岩溶地区隧道围岩质量评价

为科学、准确地对岩溶隧道进行围岩质量分级评价,提出了基于综合权重—模糊物元法的岩溶地区隧道围岩质量评价方法。根据实测数据,采用CRITIC法确定影响岩溶地区隧道围岩质量指标的客观权重,采用改进的层次分析法确定其主观权重,并利用组合赋权计算得出各项指标的综合权重,最终根据模糊物元理论确定围岩的分级。为验证该方法的有效性,将其应用于岩溶地区腾讯七星数据中心隧道群围岩质量评价中。研究结果表明:基于综合权重—模糊物元法的岩溶地区隧道围岩质量评价判定结果与实际现场分级情况吻合较好,说明该方法能够实现对岩溶隧道围岩质量的综合判定。

隧道围岩分级方法研究进展及“人工智能+”应用动态

目前,隧道围岩分级方法有评价围岩稳定性分级方法和评价围岩可挖性分级方法2类,分别对应钻爆法施工围岩分级方法和TBM法施工围岩分级方法。据此,围绕现阶段2类方法研究进展予以分别阐述。首先,针对钻爆法施工围岩分级方法,介绍其发展现状和常用分级方法适用条件,并提出3条后续发展建议:1)重视工程因素对围岩分级劣化的定量表征;2)积极探索围岩亚级精细化分级方法;3)推进围岩分级方法集成化体系构建。然后,针对服务于围岩可挖性的TBM法施工围岩分级,梳理基于围岩可挖性及TBM施工适应性的常见围岩分级方法,并着重关注考虑关键地质因素、TBM掘进参数和渣料特征的TBM综合分级方法。其中,可挖性分级建议以TBM净掘进速度、岩体可挖性和现场贯入度指数等参数作为评价指标,而适应性分级则建议依据卡机风险、TBM利用率或施工速度进行评价。最后,介绍“人工智能+”在隧道工程围岩分级方法的应用动态,探索隧道围岩分级集成算法模型、智能化图像处理技术、云计算、智能决策等新方法及新技术在隧道工程围岩分级方法领域的最新应用动态,并提出“人工智能+”在隧道工程围岩分级领域的未来发展方向。

基于模糊理论的引水隧洞围岩快速分类研究

为了实现鄂北工程长距离引水隧洞施工期现场围岩快速分类,引进模糊理论构建了围岩快速分类模糊综合评价模型。首先采用层次分析法确定影响因素权重,然后在地质观察和地质素描的基础上,结合室内和现场试验数据,制定单个影响因素分类标准,构造合理隶属函数或赋值隶属度,最后利用软件编程进行模糊逻辑运算,从而实现围岩快速判别。结果表明:该方法减少了人为主观影响,大大缩短了围岩初期支护决策时间,实现了围岩快速分类;工程实践应用及与HC法的比较分析结果验证了该方法的可行性和合理性。

岩体模糊分类中隶属函数的等效性

总结出了岩体工程模糊评价中常用的连续隶属函数主要类型有正态型、岭型、三角模糊数和梯形,并给出了相应的基本解析表达式.以岩体分类中的单轴抗压强度为例,研究了具体指标隶属函数建立方法.采用不同隶属函数计算了某岩石试样的单轴抗压强度的隶属度,发现不同隶属函数得出的隶属度有差异.选取影响岩体稳定的五个主要指标,利用某矿深部工程地质资料,计算了其岩体物理力学参数在不同隶属函数下的隶属度,并根据离散型隶属度取值表确定了结构面的隶属度.将不同隶属函数下的各类指标的隶属度进行不同的组合,形成不同的隶属度矩阵,对该围岩进行模糊评判分类,得出最后的分类结果一致.这一研究结果证明了各类隶属函数的等效性、在岩体分类应用中的适应性和正确性,为岩体模糊分类隶属函数的选择提供了依据和便利.

丹巴水电站石英云母片岩力学特性及岩体质量分类

按水电行业HC法将丹巴水电站片理状岩体质量分类定为IV类,围岩稳定性差。通过对丹巴石英云母片岩的宏细观力学特性试验,提出石英云母片岩的"似块状"岩体结构,对岩体质量分类进行合理修正。通过单轴压缩试验、不同围压下真三轴试验表明,高应力作用下片岩的各向异性不明显,并通过薄片的细观试验提出丹巴石英云母片岩并非"层状结构"岩体结构,而是"似块状"结构。在此基础上,对丹巴水电站引水隧洞岩体质量分类进行了修正,隧洞围岩以III类为主。最后,通过现场回弹测试、声波检测和变形分析表明,围岩自稳能力强,修正后的分类标准具有良好的适用性。因此,研究不同应力环境下特殊岩石的力学特征对于岩体质量分类具有重要意义,可为同类水电工程围岩分类提供借鉴。

基于特尔菲–理想点法的隧道围岩分类研究

基于理想点法的基本原理,选取岩石单轴饱和抗压强度Rc、岩石质量指标RQD、岩体完整性系数Kv、结构面强度系数Kf、地下水渗水量ω作为评价指标,通过特尔菲科学方法确定其权重系数,建立隧道围岩分类模型,并利用广州抽水蓄能电站第1期工程围岩实测资料进行模型检验。结果表明:特尔菲–理想点法判别结果与实际围岩类别大致相同,且和人工神经网络判别结果、突变级数法判别结果基本符合,从而验证了特尔菲–理想点法用于围岩分类是可行的。最后,运用建立的特尔菲–理想点法围岩分类模型对浙江省诸永高速公路西华岭隧道围岩类别进行判别,经计算分析发现,所选洞段围岩判定结果与设计围岩类别相吻合,进一步证明了该方法用于隧道围岩分类的合理性和有效性。这一方法在西华岭隧道中的成功应用,不仅可以为该隧道设计、施工提供参考,同时对以后同类隧道工程围岩分类有一定的参考价值。

回采巷道围岩分类的模糊聚类分析方法

影响回采巷道围岩稳定性的因素有众多,各影响因素对围岩稳定性的影响程度也不一样,而回采巷道的分类标准及分类指标的确定却具有一定的模糊性,因此,采用模糊聚类分析的方法,建立模糊聚类分析的模型,对我国回采巷道进行分类,这将更加符合实际情况。本文对比运用模糊等价聚类分析法和模糊ISODATA聚类分析法对我国部分巷道进行了分类计算。

公路隧道围岩的区间数组合分类法

公路隧道围岩的分类方法较多,每一种分类方法的结果都是对真实围岩状况的一种估计,通过一定的算法将这些分类结果进行合成,可以使各分类法取长补短,围岩信息得到充分利用。基于上述思路,并考虑到分类标准和被分类隧道围岩物理力学指标均为区间数的实际情况,提出了一种基于区间数的公路隧道围岩组合分类法。为充分利用区间数携带的信息,定义了一种新的区间数距离计算方法,选择能够兼顾各单一分类法之间功能性和协调性要求的加乘混合函数作为围岩分类函数,计算被分类围岩与分类标准各级别之间的分类函数值,最小值对应的类别即为被分类围岩的类别。针对某工程隧道2个典型段围岩的分类问题,在隧道围岩常用的岩芯质量指标ROD法、《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)BQ值法和弹性波速vp法进行分类的基础上,采用本文方法进行组合分类,结果表明:本文方法物理意义明确,计算过程简捷,分类指标稳定,分类结果与单一分类法相比能够更好地反映实际围岩状况,可供公路隧道勘察、设计、施工时参考。

基于粗糙集和理想点法的隧道围岩分类研究

理想点法是一种多目标决策分析法,其基本思路是通过构造多指标问题的理想解和反理想解,并以靠近理想解和远离反理想解的程度作为各评价对象的判断依据,基于此原理建立了隧道围岩分类的理想点法评价模型。理想点法各指标权重的取值是否合理对最终的评判结果有着很大的影响,采用粗糙集理论把权重问题转化为粗糙集中属性重要性评价问题,以此来确定各指标权重。该方法不需先知经验,求解过程完全由实际样本驱动,具有很强的可操作性。建立了基于粗糙集和理想点法的隧道围岩分类模型,并应用于实际工程,结果表明,该方法的分类结果与实际相符,基于粗糙集和理想点法为隧洞围岩分类提供了一种新思路。

地下工程围岩稳定性分类的突变级数法研究

提出基于突变级数理论的地下工程围岩稳定性分类的评价方法。根据突变级数理论,对影响地下工程围岩稳定性的因素(包括岩石质量指标、岩石单轴饱和抗压强度、完整性系数、结构面强度系数和地下水渗水量)进行多层次分解,对数据进行归一化处理,结合突变理论与模糊数学理论,进行综合量化运算,得到最后的评价类别。利用广州抽水蓄能电站一期工程的12个实测数据和插值法得到的18个学习样本,建立地下工程围岩稳定性分级的突变级数模型,并用于电站二期工程22处围岩的稳定性分类中。研究结果表明,突变级数法的判别结果比较符合实际,并与人工神经网络法、支持向量机法判别结果较一致,为地下工程围岩稳定性分类提供了一种新方法。

模糊择近原则在隧洞围岩分类中的应用

对国内外经常使用的围岩稳定性分类方法作了分析讨论.在多因素分类法的基础上,引进模糊理论.由于各因素对最终指标的影响程度不同,应乘以不同的权重系数.根据围岩地质条件,确定岩土的质量分类情况,引入贴近度及择近原则,建立围岩模糊分类法,给出确切的围岩分类.通过实例说明所建立的围岩模糊分类法是一种计算简便、应用灵活、行之有效的分类法.

深埋隧洞围岩分类方法——JPHC分类

现有围岩分类方法只适用于中低地应力、低外水压力条件，在高地应力、高外水压力条件下的适用性差。某深埋隧洞地应力高达20～40MPa、局部外水压力高达1～10MPa，具有高地应力、高外水压力的特点。以该深埋隧洞为例，对《水利水电工程地质勘察规范》中的围岩分类方法（HC分类）进行了改进。通过HC分类与Q系统在该隧洞分类结果的相关性、一致性分析，引入地应力修正系数、岩爆烈度、水力劈裂的临界水头压力等，建立了高地应力、高外水压力条件下的围岩分类方法——JPHC分类。该方法在某深埋隧洞围岩分类中适用性好，并可推广使用。

公路隧道围岩模糊信息分类的专家系统

符合实际的围岩分类是公路隧道设计和施工的重要依据,是准确进行施工地质超前预报的指南。目前的公路隧道围岩分类规范中,围岩类别与各评定指标间尚未建立起精确的本构关系,在具体应用时受人为因素影响较大。针对围岩分类中存在的这类“模糊性”问题,引入模糊信息分析模型,借助专家丰富经验和既有隧道围岩分类信息,创建了公路隧道围岩模糊信息分类的专家系统,在围岩定量分类方面取得新的进展。

隧道围岩超挖的分形特征研究

隧道的超欠挖影响施工进度和衬砌结构的受力,是施工质量控制的重点之一.利用在现场量测的3条隧道的360个断面的最大超挖样本数据,结合公路隧道围岩类别,研究了样本的特征,验证Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ类岩体中的隧道围岩的最大超挖值是一个分形,为隧道结构稳定的力学分析和随机模型研究提供了依据.