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原文传递基于TSP超前地质预报与监控量测信息的隧道围岩亚级分级方法及应用研究

论文题名：	基于TSP超前地质预报与监控量测信息的隧道围岩亚级分级方法及应用研究
关键词：	隧道围岩;亚级分级方法;TSP超前地质预报;监控量测信息
摘要：	近20年来，我国交通事业发展迅猛，高铁，高速公路，城市轨道等建设规模也越来越大。公路隧道的数量突飞猛涨，使得对于隧道的研究迎来新的挑战与发展。国内外在对隧道的各种研究中，隧道围岩分级一直是一个重点，快速、合理的围岩等级分级判定是隧道施工中急需的技术支撑，也是地质灾害稳定性评价与处治方案制定的重要依据。国内外先后产生了多种分级方法，它们从不同角度对围岩进行了等级划分，但对于国内分级现状来说，与国际上有重要影响的围岩分级方法比，分级级数偏少，以往的隧道工程建设实践表明：《公路隧道设计规范》中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩划分跨度较大，可以通过对各级围岩进行亚级分级划分，从而最大限度的满足安全且经济的建设原则。对于设计阶段的围岩亚级分级已经在《公路隧道设计细则》提出，目前对围岩亚级分级的研究主要集中在施工阶段的开挖之后根据掌子面得到的信息进行围岩分级，但由于现场的复杂性，出现很多设计围岩级别与实际围岩级别有很大出入的情况，而对于超前预报阶段的围岩亚级分级研究还相对较少，没有系统的研究。依据王明年教授等人通过数值试验将公路隧道岩质围岩根据其自稳性表现特征所进行的亚级分级，本文尝试建立了实用的公路隧道围岩亚级分级方法，将Ⅲ级围岩分为两个亚级级别，Ⅳ级围岩分为三个亚级级别，Ⅴ级围岩分为两个亚级级别。　　本文利用TSP超前预报系统探测成果与监控量测信息，结合数量化理论和统计回归分析原理，建立了围岩亚级分级方法。该方法将围岩级别中的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级细分，以及将划分采用的定性指标岩石坚硬程度，岩体完整性和地下水状态定量化，实现围岩亚级分级自动化，标准化。并结合监控量测研究，探究了围岩变形与围岩级别之间的定量关系。主要研究成果有：　　（1）TSP超前预报系统是利用弹性波的动力学原理，采用多分量勘探技术，用X、Y、Z三分量检波器接收由震源产生的地震波信息，通过软件分析得到完整的P-SV、P-SH波和P-P波的地震波记录，根据反射波中有效的信息以及数值分析，得到的成果包括：能够直观表现的数据，如纵波速度，密度，泊松比，静态杨氏模量等岩石物理力学参数，还有通过反射图，以及波形图反映的构造影响程度，节理裂隙发育，围岩的软硬和含水量等情况。以上的成果数据能够用以定量判断围岩分级各指标，为分级提供有效的定量值。　　（2）TSP系统成果与围岩分级指标之间关系的研究。波在岩石中传播受到岩石成分以及密度，体积弹性模量的影响从而发生能量亏损，导致不同的纵波与横波速度，波在岩体中的传播速度受到裂隙发育程度以及裂隙填充物的影响而不同。　　TSP203所能提供最大价值的是岩体纵波速度，而这对于岩石坚硬程度的分析有很大作用，要考究围岩坚硬程度，可以参考铁路隧道围岩分级方法中围岩硬度与围岩弹性纵波传播速度的关系；在进行定性描述时,可以参考TSP探测成果，对前方围岩的节理发育程度进行判断。在进行定量分析时TSP可提供大量可靠的岩石的纵波速度，结合测定的岩体弹性纵波速度，就能够得出岩体完整性指数Kv；在施工过程中以及TSP系统等超前预报的融入，根据TSP成果可以很容易定性的判断出前方地下水的状态。因此通过TSP的探测成果反演出岩石坚硬程度，岩体完整性以及裂隙水等围岩分级指标的参数状态。　　（3）数量化理论作为多元统计分析的一个分支，根据各种统计分析的目的，给出相应的方法，删除了不必要的原始数据，简化了计算，并给变量的选择带来了很大的灵活性，使得数量化理论与回归分析和判别分析得到统一。本文运用数量化理论，建立围岩定量判定的数学模型，该方法将定性指标定量化，通过现场采集的围岩样本进行判别分析，求出亚级分级的判别系数，从而建立了围岩亚级分级方程。　　（4）在隧道施工过程中，围岩稳定性的判断依据绝大部分来源于监控量测数据，通过现场实测，隧道围岩的变形根据围岩变形速率的不同，可分为三个阶段：急剧变形，缓慢变形，基本稳定。本文只针对围岩级别为Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级、Ⅵ级及其亚级进行研究，基于不同围岩级别下，对拱顶沉降和周边收敛的监控量测数据进行统计分析研究与拟合，推得各围岩级别的围岩变形在正态分布下的区间概率，并得出其位移随着围岩级别的降低而升高，总结得出围岩拱顶与周边收敛变形稳定期望值与各围岩级别之间的概略数量关系式：bxy ae,其中对拱顶下沉研究中，a=3.3152,b=0.2769,周边收敛研究中，a=2.9699,b=0.3379，通过研究周边位移与围岩级别之间的定量关系，能够使得现场工程人员对隧道围岩变形的评价更为方便，实现隧道的信息化施工。　　（5）结合工程京台高速南平段隧道苦竹1＃隧道进行围岩亚级分级研究，选取其中有代表性的岩段：YK47+602～YK47+452和ZK47+507～ZK47+388，该两个岩段工程性质较为复杂，包括Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩，根据TSP所得到的2D反射面图和岩石物理参数，以及岩石弹性纵波速度，判断出围岩判别指标：岩石坚硬程度，岩石完整性和地下水状态的定性定量数值，经过亚级分级方程判别，并结合实际隧道开挖情况进行对比，结果表明，该围岩亚级分级方法对工程信息化施工具有指导性，能够有效节省预算。
作者：	赵俊峰
专业：	岩土工程
导师：	谢全敏
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文