围岩分级方法（精选5篇）
围岩分级方法 篇1
隧道岩体分级主要为通过地下岩体的一些简单和容易实测的指标, 把工程地质条件和岩体力学性质参数联系起来, 并借鉴已建工程的经验教训, 对岩体分级进行量化归类的一种工作方法。其目的是通过对隧道围岩分级进行量化, 方便在隧道工程的勘察、设计中能更准确、更具操作性地对地下隧道围岩进行分级, 为工程设计和施工方法的选择等提供参数和依据。
1 公路隧道围岩分级发展
围岩分类、分级从Terzaghi (1946) 最早提出发展至今, 分类方法有上百种之多。随着勘探测量技术、监控量测技术、物探技术和岩石力学的发展, 围岩分级逐渐从以主观经验定性分级的方法, 向以经验定性描述和单一指标定量指标结合对围岩进行综合评价的分类法发展, 并继续发展成为多项指标进行综合定量分级为主进行围岩分级, 目前正向多种因素参数法进行定量分级方法发展, 围岩分级在各国工程实践中得以不断发展和完善。
2 围岩分级方法
2.1 老规范隧道围岩分类方法
虽然我国公路隧道是20世纪80年代才开始起步, 但改革开放后在经济高速发展的带动下, 交通事业及公路隧道建设技术取得了高速的发展, 早期《公路隧道设计规范》 (JTJ 026-90) (以下称老规范) 对围岩分类主要根据围岩岩石等级、受地质构造作用的影响程度、岩体节理裂隙发育程度、风化作用等岩体的定性描述及岩石饱和抗压强度Rb、岩石质量指标RQD、岩体弹性波速Vp等单指标进行对围岩进行综合分类。
在使用该方法进行围岩分类时, 主要以围岩的定性描述作为围岩分类的主导, 以岩石饱和抗压强度R b、岩石质量指标RQD、岩体弹性波速Vp等单指标单独进行辅助分类, 其受各个工程技术人员的经验等主观因素影响较大, 采用的单指标进行定量辅助分类时未能将其进行相关联形成一个整体的分类体系, 虽然考虑了岩石强度等因素的影响, 但对围岩体的地应力、岩体的整体完整性等外围应力对围岩分类的影响考虑偏少, 对地下水对围岩体分类的影响的参与也是以主观定性确定, 可操作性较差, 评价结果差异较大。
2.2 新规范隧道围岩分级方法
为了提高了围岩分级的准确性及可操作性, 减少了定性描述的主观因素影响, 将影响隧道围岩分级的各因素进行有效的关联形成一个综合的整体的分级体系, 《公路隧道设计规范》 (J1 D70-2004) (以下称新规范) 中对围岩分级方法引用了《工程岩体分级标准》 (GB 50218-94) 中根据岩体基本质量的定性特征和岩体基本质量指标定量分析相结合的分级方法, 合理地考虑了影响围岩稳定性的地质因素、力学因素及施工因素, 并在大量经验数据的基础上, 用逐步回归、逐步判别等方法建立并检验围岩基本质量指标BQ的量化计算公式。
该隧道围岩分级法为二步分级法。
第一步, 按岩体的基本质量指标BQ进行初步分级, 在影响工程岩体稳定性的各项因素中, 岩石坚硬程度和岩体完整程度是岩体的基本属性, 也是各种岩石工程类型的共性, 因此BQ分级法将岩石坚硬程度和岩体的完整程度作为岩体基本质量分级的两个基本因素。
其量化计算公式为:BQ=90+3Rc+250Kv
在使用上式时候应注意两个条件:
(1) 当Rc>90Kv+30时, 应以Rc=90Kv+30和Kv代人计算BQ值; (2) 当Kv>0.04Rc+0.4时, 应以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代人计算BQ值。
公式中的系数均为隧道勘察中比较容易获取的试验数据, 在实际工作中时Rc一般根据钻探取样进行岩石单轴饱和抗压实验获得, 有条件时也可进行点荷载实验按公式Rc=22.82IS (50) 进行换算验证抗压实验成果。
Kv应针对不同的工程地质岩组或岩性段, 选择有代表性的点、段, 测试岩体弹性纵波速vpm, 并应在同一岩体取样测定岩石纵波速vpr按公式Kv= (vpm/vpr) 2进行计算, 对该参数除了试验数据外, 还应在野外对不同的工程地质岩组或岩性段, 选择有代表性的露头或开挖壁面进行岩体体积节理数Jv统计, 按表1对试验成果Kv进行野外验证。
第二步, 针对各类工程岩体的特点, 影响围岩体稳定性的因素还有很多, 由于岩体所处环境的不同, 使其稳定性差别很大, 同时考虑将地下水、围岩结构面、初始地应力等因素进行量化后参与于计算公式中对BQ进行修正后进行综合量化分级。
BQ修正值公式为:[B Q]=B Q-1 0 0 (K1+K2+K3)
公式中的K1、K2、K3修正系数根据现场工程地质实际测量、观测或现场试验所得。
地下水影响修正系数K1可按表2确定, 在确定参数K1时, 地下水的水压可根据勘探期间钻孔内或周边出露泉点地下水压或单位出水量确定。
主要软弱结构面影响修正系数K2, 在确定参数K2时, 结构面走向可以从两个方面进行取得, 一为对钻孔进行孔内电视采集孔壁结构面数据, 二为对附近出露岩体测量结构面及统计其优势结构面。
3 结语
根据基本质量指标BQ值进行隧道围岩分级的方法虽然为一种公式化、定量化的方法, 但在长隧道围岩分级时, 勘探中所取样本偏少, 且代表性不够, 使其参数在取值过程中测试得数据的代表性、准确性也不能保证, 数据离散性增加, 降低了数据的准确性, 定量分析很难完全反应其性质, 所以必须将定量分级和定性分析结合起来, 才能更完整的对围岩性质进行判断。故在实际工程围岩分级过程中, 应对所取参数及分级数据的合理性多加考虑, 对各参数取值时应采用多种方法进行相互验证, 在施工过程中采用地质编录、地质超前预报等方法对围岩分级进行完善、修正, 做到动态分级, 充分发挥其对施工的指导作用。
摘要：浅谈公路隧道设计规范中围岩分级方法的发展, 比较新老规范进行围岩分级的异同点, 对最新规范中定量分级法在实际工程应用的操作性, 分析各计算参数的取值方法。
关键词：隧道,围岩,分级,参数
参考文献
[1]中华人民共和国交通部规范、公路隧道设计规范 (JTG D70-2004) [S].北京:人民交通出版社, 2004.
[2]中华人民共和国交通部规范、公路隧道设计规范 (JTJ 026-90) [S].北京:人民交通出版社, 1990.
围岩分级方法 篇2
隧道围岩分级是针对爆破、开挖、支护、编制定额等工程要求,而对隧道围岩按照其工程地质条件进行的稳定性分级,以满足隧道设计、施工以及编制定额的需要。
隧道围岩具有以下特点:1)由于隧道岩体经历不同期次的构造作用以及浅、表生作用,岩体中存在大量软弱结构面,从而使岩体具有各向异性、非均质性[3]。2)隧道岩体通常赋存于地应力、地下水等复杂地质环境中,不同地应力环境中岩体的力学响应不同,而地下水渗流场和岩体应力场二者耦合共同决定了岩体的复杂空间应力状态。3)隧道围岩在施工中要经历开挖、爆破、卸荷、回填等工程处理,这些扰动使得围岩的力学性质表现出更加复杂的时间和空间形态。
综上所述,隧道围岩本质上是一个非线性非平衡开放系统,表现为结构的无序、不稳定、不平衡以及时空的不可逆和非对称,从而使隧道围岩的工程地质性质及其力学行为具有不确定性,面临“参数给不准”和“模型给不准”两大瓶颈问题,而这是传统的基于经验的围岩分级方法暂时无法解决的[4]。
面对隧道围岩的高度复杂性和非线性特点,使得隧道围岩稳定性评价的确定性理论在准确性和可靠性方面受到一定限制。而作为智能科学领域的支持向量机具有对高度非线性和复杂性系统无限逼近能力的优点,使得支持向量机可以成为隧道围岩分级的强有力工具。
1 支持向量机网络模型结构及算法原理
支持向量机网络(Support Vector Mochine)的数学理论基础是统计学习理论的VC维理论和结构风险最小原理,主要理论内容是1995年由Vpnik提出的[3]。其基本思想就是通过事先选择好的某一个非线性变换,将输入向量映射到高维特征空间中,在特征空间中构造一个最优分类超平面,使不同类别之间的隔离边缘最大化,而这个分类超平面由支持向量决定。支持向量机网络模型的最大优点是在有限样本的情况下仍能得出精确的预测结果(见图1)。
BP神经网络和RBF神经网络的理论基础都是传统统计学,只有在训练样本数据足够多甚至趋近于无穷大时,经验风险才有可能趋近于期望风险,但实际上训练样本数据都是有限的,有时甚至是不足的,所以BP神经网络和RBF神经网络经常出现过学习现象,模型的泛化能力不高。基于传统统计学理论的学习机器,如BP神经网络和RBF神经网络,模型的泛化能力与样本数目和研究系统的复杂性有关,而且始终存在学习精度和泛化能力之间的矛盾。
2 隧道围岩工程地质特征定量化
建立基于支持向量机网络的隧道围岩分级模型,首要一步是建立起围岩分级指标体系并予以向量化。本文主要从隧道围岩的岩块强度、岩体结构、岩体完整性、岩体受地质构造影响程度、岩体结构面发育情况、控制性结构面与隧道轴线的关系以及地下水状态等方面建立分级指标体系。
由于这些数据大部分都是定性的描述,为了建立定量模型的需要同时也要符合工程地质分析的习惯,需要对分级指标数据作定量化处理。具体操作方法是采用“1”和“0”的组合向量来分别表示某一工程地质属性的有无,如极硬岩可用(0,0,0,0,1)表示,硬岩可用(0,0,0,1,0)表示,较软岩(0,0,1,0,0)表示,软岩(0,1,0,0,0)表示,极软岩(1,0,0,0,0)表示,其他分类指标的定量化以此类推。
依据以上建立的围岩分级指标体系,在充分调研文献资料和隧道施工设计资料的基础上,收集整理了93组具有代表性的隧道围岩分级数据作为基于人工神经网络的围岩分级模型的样本数据,向量化后为93组44维数据。
由于定性数据的测量误差较大,所以选定83组数据作为训练样本建立分类模型,最后用10组数据作为预测样本用来评价分级模型的分级准确性。
3 支持向量机网络设计过程
1)核函数类型的选择。
支持向量机网络的核函数类型一般有线性核函数、多项式核函数、径向基核函数和Sigmoid核函数。研究表明核函数的选择对支持向量机网络的性能影响不大。但是选择合适的核函数可以减小分类模型的计算量。综合考虑核函数的核参数数目、特征空间的非线性变换以及维数灾难,最终选取高斯径向基核函数。
2)核参数的选择。
高斯径向基核函数的核参数主要有中心向量和宽度系数,支持向量机网络模型要求解的支持向量就是中心向量,由算法自定选定;而宽度系数σ2表征神经元的感知阈,影响改变样本特征空间的复杂程度,过大过小都不合适而且与惩罚因子C共同决定分类模型的结构风险,本文通过网格搜索寻找最优宽度系数和惩罚因子。
3)惩罚因子C的选择。
惩罚因子C用来控制错分样本的惩罚程度,在错分样本的比例和模型算法复杂性二者之间寻求折中,其值大小最终影响分类预测模型的复杂程度。同样,惩罚因子C的选择也存在一个优化问题,过大过小皆不合适,而且与宽度系数σ2共同决定分类模型的结构风险,需要对二者同时协调优化,详细过程见图2。
4)数据的处理。
数据的处理包括对输入数据的处理即前处理和输出数据的处理即后处理。由于多分类支持向量机本是基于二分类支持向量机发展而成,所以本文支持向量机网络模型的样本数据采用1～5五个数字分别代表五个围岩级别,而且不做归一化处理。
基于以上所述,本文采用网格搜索法先粗搜后细搜,对宽度系数和合惩罚因子同时协调优化,最终选择宽度系数和合惩罚因子的最优组合值作为分类模型的参数(见图3),采用训练样本数据的分类正确率和预测样本的分类正确率分别表征网络模型的经验误差和泛化能力。
4 支持向量机网络模型围岩分级结果
通过一系列优化设计,最终确定:支持向量机网络的核函数采用高斯径向基核函数,宽度系数取0.015 625,惩罚因子取181.019 3;样本数据一共93个,训练数据83个,仿真预测数据10个。最终预测结果见表1和图4。
通过上面的围岩分级结果分析可知,支持向量机模型分级模型对10个预测样本的分级正确率为90%,唯一一个误判的是样本89,将Ⅳ级误判为Ⅲ级,但是误差不超过一级;表明支持向量机模型基本能完全正确的进行围岩分级。
5结论与建议
支持向量机模型对围岩分级结果能够进行很好的预测,正确率达到90%,预测精度也基本满意,收敛速度明显变快。如何进一步对定量实测的工程地质指标进行建立分级模型是本文的不足,是以后需要进一步深入的工作。其次是扩散系数和惩罚系数需要通过不断试算确定最优值,虽然采用了粗细网格结合的搜索方法,但是仍然增加了建模时间,如何改进参数的寻优方法也是接下来需要解决的问题。
参考文献
[1]冯夏庭.智能岩石力学导论[M].北京:科学出版社,2000.
[2]杜时贵,周庆良.公路隧道围岩定量分类系统研究设想和建议[J].西安公路交通大学学报,1996,16(4):32-37.
[3]沈中其,关宝树.铁路隧道围岩分级方法[M].成都:西南交通大学出版社,2000.
[4]Vapnik V.Statistical Learning Theory[M].Wiley,New Yorw,NY,1998.
围岩分级方法 篇3
铁路隧道围岩分级历史上有下述几种方法:1)以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分类方法;2)以岩体构造,岩性特征为代表的分类方法;3)与地质勘察手段相联系的分类方法;4)以多种因素进行组合的分类方法;5)以坑道稳定状态为代表的分类方法。通过多年施工经验总结,影响隧道稳定性因素主要分为两类:1)地质变量或内在因素;2)施工变量或人为因素。其中内在因素是基本的,人为因素则通过内在因素起作用。内在因素主要包括岩性、岩体结构、地下水特征以及初始应力的影响;人为因素主要包括施工方法、支护的措施和时间、开挖掌子面形状尺寸。
目前铁路隧道围岩分级主要考虑围岩的结构特征和完整状态、岩石的物理力学性质、地下水的影响等,采用综合分级方法,即考虑多种因素与地质勘察手段相联系,勘察成果结合围岩开挖实际稳定状态,综合确定调整围岩分级。
2 对西北黄土地区铁路围岩分级应注意的问题
1)对岩性要充分认识,尤其是变质岩类。变质岩是地壳发展过程中,原来已存在的各种岩石,在特定的地质和物化条件下,所形成的具有新的矿物组合和结构构造的岩石。变质作用是自然界的一种内动力作用,它与岩浆作用、构造作用等相互作用,互为因果关系。变质作用的范围,可以使岩石的固态变质结晶和重结晶作用,也包括有外来成分加入的交代作用和部分流体相的重熔岩浆以及深部热液参与的岩石变化。因此,由于变质岩成因的复杂性,很容易造成对岩性认识不足,给隧道围岩分级划分上带来较大误差,尤其是地形条件复杂,钻探等传统勘察方法应用受到限制时,对变质岩围岩确定不能轻率推断。如吴城某号隧道,原设计多为Ⅱ级围岩,混合花岗岩、大块状、弱风化,实际开挖,在埋深大于100 m的情况下,基岩仍为强风化,呈块石夹砂状,后变更为Ⅳ级围岩;又如王家会隧道,原设计主要岩性为片麻岩,强风化,节理裂隙发育,主要为Ⅲ级围岩。实际开挖主要为Ⅱ级围岩,弱风化,大块状。
2)应重视区域构造、地层对隧道的影响,特别是对灰岩等可溶岩隧道的影响。以可溶岩为例,在褶皱发育地区,因背斜轴部张性节理发育,地下水顺节理下渗,并向两翼运动,岩溶的形态以垂直方向为主。而在向斜轴部,虽然裂隙多呈密闭状态,但地下水多汇集于此,所以岩溶亦较发育。对于单斜地层来说,岩溶一般顺层发展,且倾角陡的比倾角缓的相对发育。当可溶岩上覆及下伏岩层均为可溶性岩石时,则岩溶发育较弱。当可溶岩与非可溶岩接触时,其接触面附近岩溶发育。如离石隧道,设计主要为Ⅱ级围岩,实际开挖揭示受离石向斜影响,灰岩、泥灰岩,岩体破碎、节理裂隙发育,裂隙多充填黏土,发育溶洞,部分洞身段呈土夹石状,后多调整为Ⅳ级围岩。
3)黄土地区应建立黄土Ⅳ级和岩石Ⅳ级的概念,重视土石界线,尤其是黄土隧道的土石界线。现行规范中尚未明确黄土Ⅳ级和岩石Ⅳ级的概念。铁路地质围岩分级中,掌子面在土石界线上,均定为Ⅳ级的情况下,因造价差异较大,设计中分为黄土Ⅳ级和岩石Ⅳ级两种情况分别对待。根据太中银线黄土隧道施工的实践经验,自拱顶算起若120°范围内出现完整基岩面,可按岩石Ⅳ级设计,否则按黄土Ⅳ级设计(如图1所示)。如义居2号隧道,勘察中,主要受地形影响,钻机无法到位,物探开展工作效果也不佳,原设计资料主要以岩石Ⅳ级为主,实际开挖后,土石界线上下起伏,后多调整为黄土Ⅳ级。这类问题在山区中较为常见,在实际运用中,还应考虑掌子面岩石产状、出露位置,岩体完整性等特征,尚有待规范明确。
4)人为因素对围岩的影响。人为因素也是造成围岩失稳的重要条件。实践证明,在同类围岩中,开挖断面越大,初支和二衬间隔的时间越长,围岩的稳定性就越差,因为围岩的破碎程度相对地增大了。如太中银现黄嶂某号隧道,Ⅲ级,Ⅳ级围岩为主,开挖初支一年后,才开始二衬,结果部分已初支段落拱顶塌方,延误了工程进度。因此在现场施工过程中,设计配合人员应现场了解施工方是否按设计图开挖支护,以降低围岩失稳的风险。
3 结语
西北山区铁路隧道勘察确定隧道围岩分级,应在充分了解区域地质资料的前提下,做好地质调绘的基础工作,特别是针对地质条件复杂的长大隧道,在具备条件时,应适当加密钻孔结合钻探物探等勘察手段,查明围岩情况,做好隧道围岩分级工作。在实际工作中,应尤其重视变质岩类工程性质的认识,可溶岩中区域构造、地下水对围岩的影响,建立黄土Ⅳ级和岩石Ⅳ级的基本概念,切实加强现场的施工配合工作,以确保对围岩分级的划分合理、可行。
摘要：通过太中银铁路的工程实践,结合现有铁路隧道确定围岩分级的方法,提出了在西北黄土地区铁路隧道勘察中应特别注意的几个问题,以确保围岩分级合理,工程保质保量按期完成。
关键词：铁路隧道,围岩分级,黄土Ⅳ级,人为因素
参考文献
[1]TB 10012-2007,铁路工程地质勘察规范[S].
[2]铁道第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社,2002.
[3]关宝树.铁路隧道围岩分类[M].北京:人民铁道出版社,1978.
围岩分级方法 篇4
1 深部岩巷基本概况
安居煤矿东部集中轨道大巷位于-940m水平, 宽度5140mm, 高度4370mm, 掘进断面面积20.14 m2, 是典型的深部岩巷。由于大巷穿越断层数量较多, 选取具有代表性的五段大巷为研究对象, 分别进行研究, 这五段大巷由正断层FS3、FS3-1、FS16、FS8所划分。
2 深部岩巷的分级方法
本文打算运用煤矿深部岩巷围岩分级体系, 在综合考虑围岩坚硬完整程度、结构面及充填物性质、巷道断面上的原岩应力分布及无支护情况下围岩自稳时间等情况下, 经过综合分析评判的方法[3], 对安居煤矿的东部集中轨道大巷围岩进行稳定性判断, 从而可以用来指导安居煤矿深部岩巷的支护设计与施工, 使其具有较高的实用性和可操作性。
3 深部岩巷分级的计算
3.1 围岩完整性系数的计算
在现场分别选取对应的岩体, 运用跨孔超声波法测量, 得到岩体纵波波速;再分别选取这5处的岩石, 在实验室进行加工成标准的岩石试件, 使用波速测试仪测量, 得到岩石纵波波速, 具体数据如表1所示。
围岩完整性指标由围岩体完整性系数Kv表示[4], 该系数可用公式 (1) 计算:
式中:Kv-围岩体完整性系数;
vp-岩体纵波波速, m/s;
vp0-完整岩石纵波波速, m/s。
由上式 (1) 得, 位于断层FS8之后、断层FS16~FS8之间、FS3-1~FS16之间、FS3~FS3-1之间以及位于济宁断层~FS3之间的巷道围岩完整性系数分别为0.82、0.89、0.92、0.84、0.95。
围岩综合单轴抗压强度的计算
五段大巷处的围岩并不是一种岩性构成, 具体构成情况如下表2所示。
为方便计算, 引入岩体综合单轴抗压强度的概念计算该5处岩体的综合强度, 即按照岩体厚度进行加权平均, 其中, 按照两倍巷道宽度范围内的各岩层强度进行加权平均取值, 具体如下式 (2) 所示:
式中:Rc-围岩综合单轴抗压强度, MPa;
Mri-第i层岩层的厚度, MPa;
Rci-第i层岩层的单轴抗压强度, MPa。
i-第i层岩层;
n-两倍巷道宽度围岩内的岩层数目。
由上式 (2) 计算得, 位于断层FS8之后、断层FS16~FS8之间、FS3-1~FS16之间、FS3~FS3-1之间以及济宁断层~FS3之间的巷道围岩综合单轴抗压强度分别为40.72MPa、59.99MPa、64.91MPa、45.24MPa、78.56MPa。
3.3 岩体基本质量指标的计算
结合上式 (1) 计算出的围岩完整性系数Kv和上式 (2) 计算出的围岩综合单轴抗压强度Rc来确定岩体基本质量指标[5], 如下式 (3) 所示:
由此式计算得, 位于断层FS8之后、断层FS16~FS8之间、FS3-1~FS16之间、FS3~FS3-1之间以及济宁断层~FS3之间的巷道围岩完整性系数分别为417.16、492.47、514.73、435.72、563.18。
3.4 相关修正的计算
由于大巷地质条件复杂, 并不能单纯地运用公式 (3) 来确定巷道围岩稳定性级别, 还需要参考巷道顶板和煤层距离、巷道和断层距离以及初始应力状态这三项指标来进行修正, 以此确定巷道围岩稳定性的级别, 公式 (4) 如下:
式中:[BQ]-岩体基本质量指标修正值;
BQ-岩体基本质量指标;
K1-巷道顶板和煤层距离修正系数;
K2-巷道和断层距离修正系数;
K3-初始应力状态修正系数。
参照工程岩体国家分类标准岩体基本质量指标修正方法, 采用经验类比法及各类工程资料对比等方法的综合比较分析[6], 得出安居煤矿深部岩巷各种围岩顶板和煤层距离修正系数K1、巷道和断层距离修正系数K2、强度应力比修正系数K3取值, 如表3所示。
因此, 将表3中的修正系数分别代入公式4计算得, 位于断层FS8之后的巷道岩体基本质量指标修正值[BQ]为367.16, 围岩稳定性级别为Ⅲ级;位于断层FS16~FS8之间的巷道岩体基本质量指标修正值[BQ]为437.47, 围岩稳定性级别为Ⅱ级;位于FS3-1~FS16之间的巷道岩体基本质量指标修正值[BQ]为409.73, 围岩稳定性级别为Ⅱ级;位于FS3~FS3-1之间的巷道岩体基本质量指标修正值[BQ]为360.72, 围岩稳定性级别为Ⅲ级;位于济宁断层~FS3之间的巷道岩体基本质量指标修正值[BQ]为543.18, 围岩稳定性级别为Ⅰ级。
4 结论
(1) 运用煤矿深部岩巷围岩分级体系对安居煤矿东部集中轨道大巷其中的五段巷道围岩进行了准确分级, 在分级过程中, 经过理论分析和数值计算得出了最终结论。位于断层FS8之后的巷道围岩稳定性级别为Ⅲ级, 位于断层FS16~FS8之间的巷道围岩稳定性级别为Ⅱ级, 位于FS3-1~FS16之间的巷道围岩稳定性级别为Ⅱ级, 位于FS3~FS3-1之间的巷道围岩稳定性级别为Ⅲ级, 位于济宁断层~FS3之间的巷道围岩稳定性级别为Ⅰ级。
(2) 引入了围岩综合强度的概念进行大巷围岩分类, 并考虑了断层、煤层位置、地应力对围岩稳定性的影响进行分类的修正, 得到围岩分级的结果。以上分级为指导安居煤矿东部集中轨道大巷掘进工作提供了重要依据, 具有较大的实践意义。
摘要：本文运用煤矿深部岩巷围岩分级体系, 计算岩体基本质量指标BQ, 对安居煤矿东部集中轨道大巷的围岩进行稳定性分级, 为安居煤矿确定合理的支护方式提供有效的依据, 从而可以降低掘进工作的事故发生率, 保证安居煤矿安全生产。
关键词：围岩稳定性分级,煤矿深部岩巷围岩分级体系,东部集中轨道大巷,岩体基本质量指标BQ
参考文献
[1]李玉龙, 张晴.深部岩巷变形破坏特征及稳定性控制[J].中国矿山工程, 2012, 12.
[2]王建峰, 张洪亮.煤矿深部岩巷围岩控制理论与支护技术[J].科技传播, 2011, 8.
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[5]沈明荣, 陈建峰.岩体力学[M].上海:同济大学出版社, 2006.
围岩分级方法 篇5
巴基斯坦尼卢姆-杰卢姆水电站 (以下简称N-J项目) 的业主是巴基斯坦水电开发署。该工程位于巴控克什米尔地区, 属引水式电站, 总装机容量963万兆瓦, 是目前巴基斯坦在建的最大的水电工程项目。
N-J项目的合同文件由美国哈扎公司编制, 同时, 哈扎公司还承担N-J项目的招标图纸设计和施工阶段的工程咨询工作。N-J项目合同规定以美国ASTM规范为主要参考规范, 部分参考英国BS规范。
N-J项目的引水隧洞总长为28.55km, 其中15.1km隧洞为双线洞, 单线洞采用常规钻爆法掘进, 部分双线洞采用TBM掘进;N-J项目大型地下洞室较多, 包括:地下厂房、主变室、TMB安装间和拆除间等。整个项目的地下洞挖工程量大约四百万立方米, 其地下洞室施工理念总体上秉承国际“新奥法”。
N-J项目在初期设计阶段采用钻取岩芯的方法进行围岩分级。在地下洞室施工期间, 为更合理的确定初期支护型式, 由咨询单位和承包商双方的地质工程师在爆破后岩石暴露的条件下进行现场观测, 以双方认可的围岩分级确定初期支护型式, 本文所述的围岩分级方法即是施工阶段的围岩分级方法。
2 N-J项目的围岩分级方法
2.1 围岩分级方法描述
N-J项目在合同技术条款中规定将围岩划分为五级, 由好至差为Q1, Q2、Q3、Q4、Q5;各级围岩的判定方法如下:
Q 1“极好”
巨块状, 低节理频率, 体积节理数Jv<5/m3。闭合裂隙, 无蚀变的坚硬岩体和极微少的应力引起的片状剥落。
原文:Massive to low joint frequency, Jv<5/m3.Tight joints, unaltered strong rock and insignificant stress slabbing。
Q 2“好”
少量至中等节理频率, 体积节理数5<Jv<10/m3。坚硬岩石不存在或存在极微小的蚀变以及局部缝隙上有被覆层, 存在低等及中等程度的应力引起的片状剥落。
原文:Low to moderate joint frequency, 5/m3<Jv<10/m3.Strong rock with none or insignificant alteration and with coating on some joints.Low to moderate stress slabbing.
Q 3“中等”
中等至高度节理频率, 体积节理数10/m3<Jv<20/m3。中等坚硬至坚硬岩石普遍伴随有被覆物的缝隙和存在一些薄层面和微小的弱化带。围岩可能有轻微的风化。也适用于存在中等至高程度的应力引起的片状剥落的Q1和Q2级围岩以及受到低至中等应力影响导致塑性变形的中等至低强度围岩。
原文:Moderate to high joint frequency, 10/m3<Jv<20/m3.Moderately strong to strong rock generally with coated joints and with some seams and some minor weakness zones.The rock mass may be slightly weathered.Also applies to Q 1 and Q 2 class with moderate to high intensity stress slabbing and to medium to low strength rock sub-jected to low to medium stresses causing plastic deformations.
Q 4“差”
高度节理频率, 体积节理数Jv>20/m3。中等坚硬岩石中存在粘土夹层 (断层带、膨胀性粘土) 。也适用于中等程度风华的坚硬岩石和存在高至非常高程度的应力引起的片状剥落的Q1和Q2级围岩以及受到低至中等应力影响导致塑性变形的中等至低强度围岩。
原文:High joint frequency, Jv>20/m3, clay seams (fault zones, swelling clays) in moderately strong rock.Also applies to moderately weathered strong rock and to high to very high intensity stress slabbing in Q 1 and Q 2 class rock mass;and to medium to low strength rock subjected to medium to high stresses causing plastic deformation。
Q 5“极差”
完全破碎的围岩含有显著数量的次生粘土矿物质并处于主断层带中。蒙脱石可能导致显著的膨胀和挤压现象。也适用于高度风化的岩石和受到高应力导致塑性变形的低强度岩块。
原文:Completely crushed rock containing a significant amount of secondary clay minerals as in major fault zones.Smectite clays may lead to significant swelling and squeezing.Also applies to highly weathered rock and to low strength rock mass subjected to high stress-es causing plastic deformation.
2.2 N-J围岩分级法的主要因素分析
N-J围岩分级法主要包括“体积节理数”、“风化程度”、“结构面填充物”、“地应力影响”和“岩石坚硬程度”五项因素。经对这些因素进行分析归纳, 可以得出以下观点:
体积节理数是衡量节理发育程度的指标;风化程度和结构面填充物则是结构面构造的两种类型, 即风化型和构造型。节理发育程度、结构面构造特征和地应力影响综合起来反映了围岩的完整程度。
因此可以得出结论:岩石坚硬程度和围岩完整程度是N-J围岩分级法包含的主要因素。见图1。
3 N-J围岩分级法的实践应用
N-J项目的围岩分级法最核心的指标是Jv值, 以5/m3、10/m3和20/m3作为分级的界限值;其次的控制指标为岩石坚硬程度, 分为坚硬、中等、和低等三种;结构面构造和地质构造影响程度作为前两个指标的补充。为便于在施工现场实际应用, 笔者将分级方法制成表格。见表1。
N-J项目的所在地区常见岩石包含Ⅰ类砂岩、Ⅱ类砂岩、页岩和泥岩四类。根据现场的岩石饱和单轴抗压强度实测数据, Ⅰ类砂岩属坚硬岩石, Ⅱ类砂岩属中等坚硬岩石, 页岩和泥岩属低强度岩石。N-J项目在进行施工阶段的围岩分级时, 双方地质工程师通常先观察掌子面的节理数Jv值和岩石类别, 根据掌子面的Jv值范围和岩石坚硬程度先初步确定一个围岩等级, 再根据风化程度、构造面类型特征和地应力状态等因素酌情降低围岩等级。
4 体会
4.1 欧美的围岩分级法大多在理论上基于巴顿的岩石质量Q法, 主要考虑岩块尺寸、抗剪强度、作用应力三项指标和节理组数目、节理粗糙度、节理蚀变值、节理含水折减系数、应力折减系数五个参数。
国内铁路、公路、矿山、水利等行业规范采用的围岩分级法大多数考虑岩体结构状态、岩石的工程性质、地下水、地应力四个主要因素。国内水电行业执行的围岩分级法依据中国国家标准《水利水电工程地质勘察规范GB 50487-2008》。国标将围岩分级分为初步分类和详细分类, 围岩详细分类采用对岩石强度、岩石完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状五个要素进行综合评分法进行围岩分级。
和上述方法比较, N-J项目的围岩分级法未考虑地下水、主要结构面产状这些重要因素, 容易高估围岩等级增加施工安全风险。
4.2 国内地质工程师通常采用岩石完整性系数KV值作为衡量围岩节理发育程度的定量指标, N-J围岩分级法采用的体积节理数JV值与岩石完整性系数KV值有如下对应关系。见表2。
表2中的Kv值区间分别对应《岩土工程勘察规范GB 50021-94》中的Ⅰ~Ⅴ类围岩, 即当KV>0.75时对应Ⅰ类围岩, 以此类推。表2中的JV值和N-J围岩分级法中的Q1~Q5级围岩规定的JV值范围区间非常近似, 可近似认为表2中JV值区间分别对应Q1~Q5级围岩, 即当JV<3时对应Q1级围岩, 以此类推。
可见JV值和KV值虽然指标定义不同, 但作为评价岩石节理发育程度的指标是异曲同工的, 而且可以看出《岩土工程勘察规范GB50021-94》中的Ⅰ~Ⅴ类围岩和N-J围岩分级法中的Q1~Q5级围岩在定量指标Kv和Jv所对应的区间范围比较近似。
4.3 在N-J项目施工过程中, 中方和外方地质工程师都意识到N-J围岩分级法过于简化的弊端, 对此, 哈扎公司的地质工程师在进行围岩分级时采取了比较谨慎的态度, 基本上“靠低不靠高”, 从而降低了安全风险;另一个方面, N-J项目采用欧美规范作为标准, 加上哈扎公司先进的管理理念、较高的施工工艺和质量要求, 也降低了围岩分级带来的风险。
4.4 目前世界各国对于围岩分类的理论和方法很多, 各种方法都各有优劣, 作为工程地质人员应不墨守成规, 在扎实掌握基本理论原理的基础上以务实的态度批判性地学习各类理论, 做到取其精华、弃其糟粕, 尽可能的选择最科学、全面的方法应用于工程实践中。
摘要：介绍巴基斯坦尼卢姆-杰卢姆水电站《合同技术条款》中采用的围岩分级法和笔者在工程实践中的体会, 为国内水利行业的工程地质人员提供借鉴。
关键词：围岩分级法,介绍,体会
参考文献
[1]《水利水电工程地质勘察规范GB 50487-2008》