基于掌子面巖體結(jié)構(gòu)掃描的隧道巖體力學(xué)參數(shù)確定方法研究*

張成良，李 鵬，王亞寧，閆 祥，李明健，李 珍

(1.昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，云南 昆明 650093；2.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

0 引言

目前確定巖體力學(xué)參數(shù)的方法主要有原位試驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)估算法、工程類比法及巖體分類法等。原位試驗(yàn)法最為直觀準(zhǔn)確，但周期長(zhǎng)、費(fèi)用高；經(jīng)驗(yàn)估算法易受主觀因素和地形地質(zhì)環(huán)境的影響；工程類比法應(yīng)用局限性大；巖體分類法是目前最有效的手段[1]。

工程巖體分類法通常以巖石強(qiáng)度和巖體完整性為基礎(chǔ)進(jìn)行分類，常用的巖體分類方法有RQD、Q系統(tǒng)、RMR、RMI、GSI系統(tǒng)等，各分類方法的使用范圍不同[2]。而其中只有GSI系統(tǒng)與巖體參數(shù)直接相關(guān)，其根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖體結(jié)構(gòu)、不連續(xù)面狀況和巖塊的鎖嵌狀況等信息綜合評(píng)估，不需要進(jìn)行復(fù)雜原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，即可較為準(zhǔn)確地反映圍巖狀況[3]。通過(guò)引入結(jié)構(gòu)面條件JCond89和RQD值對(duì)GSI進(jìn)行量化處理，其中RQD是基于巖芯數(shù)據(jù)對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行劃分的。由于隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，巖性多變，采用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔確定RQD值，無(wú)法滿足隧道快速確定圍巖力學(xué)參數(shù)的需要。本文利用隧道掌子面揭露的巖體結(jié)構(gòu)，采用數(shù)碼相機(jī)獲取掌子面巖體結(jié)構(gòu)照片，通過(guò)圖像處理獲取結(jié)構(gòu)面的參數(shù)信息，確定掌子面RQD值，進(jìn)而確定隧道圍巖GSI值，結(jié)合Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則，快速確定隧道不同區(qū)域的巖體力學(xué)參數(shù)，并與其他方法進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證本方法的合理性和可行性。

1 地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI的量化

1.1 GSI圍巖分級(jí)系統(tǒng)

GSI圍巖分級(jí)系統(tǒng)主要通過(guò)對(duì)野外巖體露頭的觀察和測(cè)量，與GSI圖表進(jìn)行對(duì)比確定估值。GSI可通過(guò)兩個(gè)線性尺度進(jìn)行量化，HOEK等[4]于2013年提出了基于結(jié)構(gòu)面條件和巖石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)量化的GSI方法，通過(guò)對(duì)GSI適用性和巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)2000年提出的GSI圍巖分級(jí)表進(jìn)行刪減，并適度調(diào)整圖表中的斜線，使其相互平行且等距以減小誤差(見圖1)。引入結(jié)構(gòu)面條件等級(jí)表示巖體表面質(zhì)量，豎軸定義為RQD/2，分為5個(gè)等級(jí)，范圍為0～45。巖體結(jié)構(gòu)連續(xù)性分為4個(gè)類型，縱軸定義為1.5JCond89，取值范圍為0～40，GSI的估值由兩軸求和得出。

圖1 基于結(jié)構(gòu)面條件和RQD的GSI量化圖

1.2 GSI量化

GSI的提出為現(xiàn)場(chǎng)人員提供了直接有效的分類手段，通過(guò)觀察巖體露頭地質(zhì)特征，對(duì)比圖中的描述即可得到地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)，但據(jù)圖得出的值往往只是一個(gè)范圍，取值具有較大的主觀性，需要對(duì)GSI進(jìn)行量化。HOEK引入BIENIAWSKI[5]提出的結(jié)構(gòu)面條件(JCond89)替代巖體結(jié)構(gòu)面條件，以DEERE[6]提出的RQD替代巖體結(jié)構(gòu)。JCond89有較為完整的評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)面條件評(píng)分見表1，該方法已廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐?；贘Cond89和RQD的GSI量化關(guān)系為

表1 JCond89結(jié)構(gòu)面條件評(píng)分表

GSI=1.5JCond89+RQD/2 ，

(1)

(2)

式中，Jr為節(jié)理粗糙度系數(shù)，Ja為節(jié)理蝕變系數(shù)，Jr/Ja表示結(jié)構(gòu)面(節(jié)理)的形態(tài)、充填物特征及其次生變化程度。

1.3 通過(guò)掌子面圖像確定RQD

RQD是通過(guò)鉆孔巖芯數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)巖石質(zhì)量的，在無(wú)巖芯可用時(shí)，可通過(guò)觀測(cè)掌子面、隧道壁或斜坡面來(lái)確定。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，基于數(shù)碼成像的掌子面地質(zhì)信息系統(tǒng)[7]得到了完善和應(yīng)用，對(duì)掌子面進(jìn)行圖像采集和處理分析(見圖2)，提取其結(jié)構(gòu)面邊界線，對(duì)邊界線圖進(jìn)行 10 cm×10 cm網(wǎng)格劃分，統(tǒng)計(jì)所有相鄰結(jié)構(gòu)面間距大于10 cm的結(jié)構(gòu)面，相加后與分組線總長(zhǎng)度相比作為掌子面的RQD值，即

(3)

式中，di為第i個(gè)相鄰結(jié)構(gòu)面間距，Dj表示第j條切線的長(zhǎng)度，n和N分別代表間距大于10 cm的結(jié)構(gòu)面及切割線數(shù)量。

(a)掌子面結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分 (b)局部放大示意圖

2 巖體力學(xué)參數(shù)確定

廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則可應(yīng)用于估算巖石強(qiáng)度，也可以反映巖體非線性破壞特征，解釋拉應(yīng)力區(qū)、低應(yīng)力區(qū)和最小主應(yīng)力區(qū)的破壞強(qiáng)度，彌補(bǔ)了Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的不足，在巖體強(qiáng)度預(yù)測(cè)及穩(wěn)定性分析領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[8]。 Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則表達(dá)式為

(4)

式中：σ1、σ3分別為最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力；σci為巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度；mb、s、α為反映巖體節(jié)理特征的半經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，可通過(guò)GSI相關(guān)函數(shù)求得。

目前大多數(shù)巖體評(píng)價(jià)方法中都不同程度地考慮了工程因素，如RMR法考慮了節(jié)理面和洞軸線關(guān)系、Q系統(tǒng)引入了支護(hù)比?？紤]到施工過(guò)程中爆破損傷和應(yīng)力卸荷，引入擾動(dòng)系數(shù)D，新的基于地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)確定的巖體力學(xué)參數(shù)關(guān)系式為

(5)

(6)

(7)

式中：mi為完整巖塊的Hoek-Brown常數(shù)；擾動(dòng)系數(shù)D取值范圍為0～1，取值越大表示巖體受擾動(dòng)強(qiáng)度越大。

在評(píng)估巖體的整體穩(wěn)定性時(shí)，需測(cè)得巖體的等效內(nèi)摩擦角φ、等效黏聚力C和抗壓強(qiáng)度σcm。根據(jù)等效Mohr-Coulomb準(zhǔn)則公式，用Hoek-Brown常數(shù)表示的巖體強(qiáng)度的公式為

(8)

(9)

(10)

(11)

式中，σ3n=σ3max/σci，σ3max為擬合Mohr-Coulomb參數(shù)時(shí)給出的圍壓上限，Ht為巷道埋深。

3 工程實(shí)例驗(yàn)證

3.1 工程概況

以某高速公路隧道為研究對(duì)象，需確定掌子面的圍巖參數(shù)，為隧道開挖和支護(hù)提供依據(jù)。隧道起止樁號(hào)：K8+420-K9+655，全長(zhǎng)1 235 m，最大埋深119.2 m。隧道場(chǎng)地屬侵蝕-溶蝕低中山地貌，山坡局部較陡，地勢(shì)呈“M”形，地勢(shì)起伏較大。圍巖類型主要有灰?guī)r、玄武巖、砂巖、泥巖等，選取代表性巖性斷面K8+465、K8+700、K8+805、K9+120、K9+250。隧道圍巖巖性變化大，地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖力學(xué)參數(shù)變化大、巖性差異明顯，及時(shí)準(zhǔn)確評(píng)估不同變化段的巖體力學(xué)參數(shù)，對(duì)后續(xù)開挖、支護(hù)等工序極為重要。

3.2 巖體強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)面條件調(diào)查

通過(guò)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)得到各巖層的主要物理、力學(xué)參數(shù)(見表2)。通過(guò)對(duì)隧道掌子面的現(xiàn)場(chǎng)勘察，得到的巖體結(jié)構(gòu)面條件評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

表2 巖石主要物理、力學(xué)參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)面條件評(píng)價(jià)結(jié)果

3.3 基于掌子面圖像確定RQD值

為提取掌子面結(jié)構(gòu)面邊界，需獲得高清掌子面照片。對(duì)有代表性的5個(gè)掌子面斷面巖性進(jìn)行研究，在掌子面排險(xiǎn)工作完成后，利用高清攝像機(jī)配合補(bǔ)光燈采集完整高清掌子面照片。對(duì)圖像的亮度、對(duì)比度進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用Canny算子檢測(cè)圖像邊緣，剔除人工挖掘痕跡，連接不連續(xù)邊界線，最終提取結(jié)構(gòu)面邊界，繪制出地質(zhì)素描圖，并對(duì)掌子面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。K8+805斷面識(shí)別圖如圖3所示。

圖3 掌子面信息提取及處理圖

對(duì)掌子面照片內(nèi)的結(jié)構(gòu)面間距進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用式(3)計(jì)算RQD值，結(jié)果見表4。由表4可知，平均間距與RQD值有較強(qiáng)的正相關(guān)性，RQD值隨平均間距的增大而增大。根據(jù)表4繪制出如圖4所示的曲線圖。由圖4可以看出，平均間距與RQD值具有良好的相關(guān)性。根據(jù)掌子面圖像網(wǎng)格劃分法可以確定RQD值，并且與隧道地形地貌、風(fēng)化線都有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，與圍巖的賦存狀況也聯(lián)系緊密。

表4 巖體結(jié)構(gòu)面間距及RQD值

圖4 結(jié)構(gòu)面平均間距及巖體RQD曲線

3.4 巖體力學(xué)參數(shù)確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖方式和圍巖狀況調(diào)查結(jié)果，擾動(dòng)系數(shù)D確定為0.8。由圖1可以判斷GSI取值范圍。將表3、表4數(shù)據(jù)代入式(1)確定GSI值。查閱文獻(xiàn)[9]確定mi，代入式(7)-式(9)確定mb、s、α，以等效Mohr-Coulomb準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，代入式(9)-式(11)可算得該段圍巖參數(shù)。計(jì)算流程如圖5所示，計(jì)算結(jié)果見表5。應(yīng)用Hoek-Brown準(zhǔn)則對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖6所示。

圖5 計(jì)算流程圖

圖6 各斷面Hoek-Brown屈服曲線擬合結(jié)果

表5 圍巖力學(xué)參數(shù)估值

3.5 巖體力學(xué)參數(shù)取值對(duì)比分析

由GB/T 50218-2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》可知，隧道圍巖可依據(jù)圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ法)進(jìn)行分級(jí)，結(jié)果見表6[10]，不同等級(jí)的巖體物理力學(xué)參數(shù)見表7。根據(jù)表5與表7，巖體力學(xué)參數(shù)結(jié)果對(duì)比見圖7。由圖7可知，應(yīng)用量化的GSI求得的巖體力學(xué)參數(shù)在合理的取值范圍內(nèi)。為進(jìn)一步驗(yàn)證GSI量化估算巖體力學(xué)參數(shù)的正確性，引入RMR巖體強(qiáng)度折減法、費(fèi)森科法原理、M.Georgi 法原理進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果見表8。

表6 隧道圍巖分級(jí)

表7 不同等級(jí)的巖體物理力學(xué)參數(shù)

表8 不同方法巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖7 BQ法和GSI法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

對(duì)比量化GSI法和RMR強(qiáng)度折減法可知，巖體抗壓強(qiáng)度平均誤差為12.12%，抗拉強(qiáng)度平均誤差為2.01%，內(nèi)摩擦角平均誤差為5.56%，差別較小。因?yàn)閮烧叨际腔贖oek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行估算的，都考慮了巖體實(shí)際賦存狀態(tài)。

黏聚力計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖8所示。由圖8可知：將量化的GSI法與RMR法、費(fèi)森科法、M.Georgi法進(jìn)行對(duì)比，平均誤差分別為8.35%、13.99%、17.72%，費(fèi)森科法與M.Georgi法平均誤差為19.28%。GSI法與RMR法差別最小，可認(rèn)為等效。 4種方法存在差異的原因是分級(jí)考慮的因素不同，費(fèi)森科法與M.Georgi法相較于GSI法和RMR法考慮因素單一，GSI法和RMR法充分考慮了巖體結(jié)構(gòu)面特征及賦存狀態(tài)，得出的巖體力學(xué)參數(shù)更接近實(shí)際。

圖8 4種方法所得巖體黏聚力對(duì)比

4 結(jié)論

a.將最新的GSI圍巖分級(jí)系統(tǒng)引入JCond89替代結(jié)構(gòu)面條件、RQD替代巖體結(jié)構(gòu)，與巖體賦存狀況相關(guān)聯(lián)，定量描述巖體結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則和等效Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，可快速、準(zhǔn)確估算不同開挖段圍巖的力學(xué)參數(shù)，這種方法簡(jiǎn)單、快捷、實(shí)用，可為交通運(yùn)輸、邊坡工程、水電等大型巖土工程獲取巖體力學(xué)參數(shù)提供依據(jù)。

b.傳統(tǒng)的RQD值計(jì)算方法受巖體結(jié)構(gòu)面分布、現(xiàn)場(chǎng)條件及施工環(huán)境限制，獲取RQD值具有一定的偶然性和離散性，且工期長(zhǎng)、成本高?；谡谱用娼Y(jié)構(gòu)分布數(shù)據(jù)，采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，可以快速準(zhǔn)確采集掌子面圍巖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)掌子面圖像進(jìn)行網(wǎng)格劃分和數(shù)據(jù)提取，為確定RQD值提供了快捷的途徑。

c.對(duì)比BQ法、RMR法、費(fèi)森科法、M.Georgi法的巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果，本文提出的巖體力學(xué)參數(shù)結(jié)果與BQ法相符、與RMR法等效、與費(fèi)森科法和M.Georgi法較為接近。綜合分析認(rèn)為，采用本文所提供的方法確定的巖體力學(xué)參數(shù)具有較高的準(zhǔn)確性和合理性，為巖體力學(xué)參數(shù)的確定提供了一種方便快捷的方法。