基于質(zhì)量指標(biāo)的隧道圍巖智能分級(jí)及精益建造研究

基金項(xiàng)目：重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KJZD-M202204001）；重慶市九龍坡區(qū)基礎(chǔ)研究與成果轉(zhuǎn)化類科技計(jì)劃項(xiàng)目（2022-02-001-Z）

第一作者簡(jiǎn)介：王悅（1973-），女，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)橥聊竟こ獭?/p>

*通信作者：王清江（1973-），男，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師。研究方向?yàn)橥聊竟こ獭⒕G色智能建造、現(xiàn)代交通運(yùn)輸。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.001

摘" 要：隧道工程圍巖級(jí)別的準(zhǔn)確判識(shí)是圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及隧道開(kāi)挖精益支護(hù)的基礎(chǔ)。圍巖質(zhì)量指標(biāo)是圍巖級(jí)別評(píng)判的依據(jù)，由于圍巖質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算包括定性與定量因素，存在定性指標(biāo)難以準(zhǔn)確評(píng)定，圍巖級(jí)別精準(zhǔn)評(píng)價(jià)困難的問(wèn)題。采用圍巖質(zhì)量指標(biāo)分級(jí)法與機(jī)器學(xué)習(xí)算法融合構(gòu)建圍巖智能分級(jí)軟件系統(tǒng)，量化分析圍巖分級(jí)質(zhì)量指標(biāo)要素，數(shù)值法求解圍巖質(zhì)量指標(biāo)，圍巖級(jí)別判定卡采集圍巖要素，卡片信息軟件系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)讀、自動(dòng)分析，快速判定圍巖級(jí)別，精準(zhǔn)確定支護(hù)參數(shù)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化原支護(hù)設(shè)計(jì)方案。研究成果在3項(xiàng)隧道工程中實(shí)踐應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)隧道圍巖精準(zhǔn)分級(jí)、精益支護(hù)建造的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：隧道；質(zhì)量指標(biāo)；圍巖分級(jí)；精益建造；智能建造

中圖分類號(hào)：U455" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）21-0001-07

Abstract： Accurate identification of surrounding rock level in tunnel engineering is the foundation of surrounding rock stability evaluation and tunnel excavation lean support. The quality index of the surrounding rock is the basis of the evaluation of the surrounding rock grade. Since the calculation of the quality index of the surrounding rock includes qualitative and quantitative factors， it is difficult to evaluate the qualitative index accurately and evaluate the surrounding rock grade accurately. The intelligent surrounding rock classification software system is constructed by combining the surrounding rock quality index classification method and the machine learning algorithm， the surrounding rock classification quality index elements are analyzed quantitatively， the surrounding rock quality index is solved by numerical method， and the surrounding rock quality factors are collected by the surrounding rock grade determination card. The card information software system can automatically read， analyze and determine the grade of surrounding rock quickly， accurately determine the support parameters and dynamically optimize the original support design scheme. The research results have been applied in three tunnel projects to achieve the goal of accurate classification of tunnel surrounding rock and lean support construction.

Keywords： tunnel; quality index; surrounding rock classification; lean construction; intelligent construction

我國(guó)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，大量的鐵路公路主干線及城際交通工程開(kāi)工建設(shè)，尤其是我國(guó)路網(wǎng)相對(duì)不足的西部地區(qū)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)“第四極”的打造和成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈的規(guī)劃建設(shè)，川藏線等一批國(guó)家重大工程投入建設(shè)。我國(guó)西部多為山嶺丘陵地貌，隧道工程成為穿山越嶺的重要工程設(shè)施，同時(shí)，我國(guó)城市的快速發(fā)展，推動(dòng)了城市地下工程的建設(shè)?，F(xiàn)階段我國(guó)隧道及地下工程的規(guī)模和數(shù)量都得到了飛速發(fā)展，已成為名副其實(shí)的隧道大國(guó)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，全國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)14.6萬(wàn)km，其中，投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道共計(jì)16 798座，總長(zhǎng)約19 630 km，含高速鐵路隧道3 631座，總長(zhǎng)約6 003 km[1]；公路隧道方面，截至2017年底，全國(guó)投入運(yùn)營(yíng)隧道共計(jì)16 229座，總里程15 285 kｍ[2]；城市隧道方面，到2021年末，全國(guó)有28?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）661個(gè)城市中，82座城市建設(shè)有城市道路隧道，共計(jì)406座城市道路隧道建成通車。

伴隨著隧道工程的大規(guī)模建設(shè)，我國(guó)隧道工程建設(shè)理論和方法也得到了長(zhǎng)足發(fā)展，逐步形成了以圍巖穩(wěn)定性控制為基礎(chǔ)，以圍巖應(yīng)力釋放與變形約束協(xié)調(diào)為出發(fā)點(diǎn)，以隧道襯砌為安全儲(chǔ)備，強(qiáng)化圍巖與初期支護(hù)協(xié)同作用的中國(guó)式隧道建設(shè)法[3-4]。該方法以圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)精準(zhǔn)分級(jí)為前提，在準(zhǔn)確判識(shí)圍巖級(jí)別及穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，精益施作初期支護(hù)以使圍巖應(yīng)力釋放與變形約束協(xié)調(diào)。但現(xiàn)階段圍巖的質(zhì)量評(píng)價(jià)多為定性指標(biāo)，受作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)水平影響，隧道開(kāi)挖揭示圍巖質(zhì)量難以準(zhǔn)確判定。針對(duì)此問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外眾多的專家學(xué)者開(kāi)展了研究，其研究核心思想是：借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，通過(guò)隧道施工過(guò)程鉆孔參數(shù)、圍巖變形等參數(shù)，開(kāi)展機(jī)器訓(xùn)練，映射得到相應(yīng)參數(shù)與圍巖分級(jí)關(guān)系，進(jìn)而預(yù)測(cè)判識(shí)圍巖級(jí)別，指導(dǎo)隧道開(kāi)挖支護(hù)施工。在施工參數(shù)選擇上包括單一參數(shù)及組合參數(shù)2類。

單一參數(shù)主要有：一是隧道鉆孔參數(shù)。文獻(xiàn)[5-9]通過(guò)采集隧道鉆孔施工時(shí)鑿巖臺(tái)車鉆孔參數(shù)，包括鉆桿推進(jìn)速度、推進(jìn)壓力、鉆頭沖擊壓力、鉆桿回轉(zhuǎn)壓力、水壓力和水流量參數(shù)等，構(gòu)建不同圍巖級(jí)別樣本庫(kù)，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，建立鉆孔參數(shù)與圍巖分級(jí)關(guān)系，預(yù)測(cè)隧道圍巖級(jí)別，評(píng)價(jià)圍巖質(zhì)量；文獻(xiàn)[10]采取超前鉆孔參數(shù)識(shí)別預(yù)測(cè)圍巖分級(jí)方法，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練錯(cuò)誤率在14%以內(nèi)。二是隧道開(kāi)挖掌子面圖像參數(shù)。文獻(xiàn)[11]采用雙目立體攝影測(cè)量方法拍攝隧道掌子面圖像；文獻(xiàn)[12]采用紅外攝像技術(shù)拍攝掌子面圖像，再借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析識(shí)別掌子面巖體的結(jié)構(gòu)面及完整程度，通過(guò)樣本訓(xùn)練，預(yù)測(cè)分析隧道掌子面處的圍巖質(zhì)量及穩(wěn)定性。三是隧道圍巖變形參數(shù)。文獻(xiàn)[13]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)圍巖收斂及拱頂沉降變形分析判識(shí)圍巖的分級(jí)及質(zhì)量；文獻(xiàn)[14]基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立圍巖反演參數(shù)與圍巖位移之間的映射關(guān)系。

組合參數(shù)包括：隧道鉆孔參數(shù)與掌子面圖像組合及多源參數(shù)組合2類。文獻(xiàn)[6]提出了采集鑿巖臺(tái)車鉆孔參數(shù)與掌子面圖像融合分析進(jìn)行隧道圍巖亞分級(jí)，優(yōu)化隧道支護(hù)參數(shù)的方法；文獻(xiàn)[15]提出了多源異構(gòu)地質(zhì)信息的圍巖智能判識(shí)方法，將地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、攝影測(cè)量、超前鉆孔參數(shù)信息融合，相互印證，基于多種圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如Q分級(jí)法、BQ分級(jí)法、RMR分級(jí)法等，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將傳統(tǒng)圍巖分級(jí)方法與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合用于圍巖分級(jí)。在隧道圍巖智能識(shí)別基礎(chǔ)上，有研究人員開(kāi)展了圍巖識(shí)別與施工工法相關(guān)聯(lián)的研究，用于指導(dǎo)隧道施工建設(shè)，文獻(xiàn)[16]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將圍巖分級(jí)與施工工法的智能選擇對(duì)接，將不同圍巖分級(jí)與長(zhǎng)臺(tái)階、短臺(tái)階、超短臺(tái)階、單側(cè)壁導(dǎo)洞和雙側(cè)壁導(dǎo)洞工法相對(duì)應(yīng)，在圍巖智能識(shí)別基礎(chǔ)上推薦選取相應(yīng)施工工法；文獻(xiàn)[17]介紹了水利工程中圍巖智能感知方法，基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)了多種圍巖智能分級(jí)。

上述研究，無(wú)論是單一參數(shù)法還是組合多參數(shù)預(yù)測(cè)隧道圍巖分級(jí)法，在特定的工程項(xiàng)目及施工環(huán)境下均取得了一定成效，但由于隧道工程分布地域、自然環(huán)境的差異，致使隧道工程穿越的圍巖存在極大隨機(jī)性和不確定性，加之參數(shù)采集的局限性，無(wú)論是鉆孔鑿巖臺(tái)車的選型和作業(yè)，還是圖像采集的質(zhì)量，都對(duì)隧道圍巖分級(jí)預(yù)測(cè)產(chǎn)生著較大的影響，因此，上述研究成果適用性不足，難以推廣應(yīng)用。本文以隧道圍巖傳統(tǒng)BQ分級(jí)方法為基礎(chǔ)，分析研究關(guān)鍵要素，將定性描述轉(zhuǎn)變?yōu)槎糠治觯⒔柚窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，研發(fā)圍巖分析平臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息卡自動(dòng)識(shí)別，BQ值自動(dòng)計(jì)算，圍巖智能分級(jí)，隧道支護(hù)參數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化和隧道的精益建造。

1 現(xiàn)階段隧道圍巖工程分級(jí)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

現(xiàn)階段，隧道工程設(shè)計(jì)圍巖分級(jí)主要依據(jù)勘察鉆孔、地形地貌分析、工程地質(zhì)調(diào)查等信息，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)隧道穿越山體的地質(zhì)情況，由于成本等原因，勘察鉆孔不可能密集布置，圍巖分級(jí)預(yù)測(cè)與開(kāi)挖揭示情況不可避免地會(huì)存在差異，設(shè)計(jì)單位也經(jīng)常笑談?wù)f是“一孔之見(jiàn)”，言外之意就是由于信息量有限，圍巖判定不精準(zhǔn)也是再所難免。而隧道施工一切以圖紙為主，隧道開(kāi)挖揭示的圍巖實(shí)際情況并未應(yīng)用到設(shè)計(jì)優(yōu)化上，業(yè)主方在沒(méi)有明確變更設(shè)計(jì)圖紙情況下，只能要求施工單位照?qǐng)D施工。而施工圖紙中圍巖分級(jí)預(yù)測(cè)存在差異從而造成了隧道支護(hù)措施及施工工法的偏差，此偏差若為正偏差（質(zhì)量好的圍巖判定為較差的）則增強(qiáng)支護(hù)措施，增加了工程建設(shè)成本，若為負(fù)偏差（質(zhì)量差的圍巖判定為較好的），可能因支護(hù)不足而出現(xiàn)隧道圍巖掉塊坍塌從而引起安全問(wèn)題。同時(shí)，隧道開(kāi)挖時(shí)由于圍巖判識(shí)技術(shù)方法不足、從業(yè)人員技能不夠、圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)定性化難以準(zhǔn)確判定等原因致使圍巖分級(jí)真實(shí)質(zhì)量情況難以精準(zhǔn)評(píng)價(jià)。于是，現(xiàn)階段隧道開(kāi)挖施工多處于照?qǐng)D施工，動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)支護(hù)基本未開(kāi)展，只有在支護(hù)出現(xiàn)變形過(guò)大難以滿足需要時(shí)才被動(dòng)提出變更設(shè)計(jì)要求，從而造成了隧道開(kāi)挖后圍巖質(zhì)量較好地段采用了強(qiáng)支護(hù)，圍巖差的地段支護(hù)強(qiáng)度又不足等問(wèn)題，既造成了國(guó)家資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，又給隧道施工、運(yùn)營(yíng)埋下了安全隱患。因此，快速準(zhǔn)確判定隧道開(kāi)挖掌子面圍巖級(jí)別，動(dòng)態(tài)優(yōu)化隧道設(shè)計(jì)支護(hù)措施研究已非常緊迫且必要。

2" 隧道開(kāi)挖圍巖智能分級(jí)及精益支護(hù)技術(shù)

2.1" 隧道圍巖分級(jí)質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)鍵影響要素及量化分析

2.1.1" 隧道圍巖分級(jí)質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)鍵影響要素分析

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外隧道圍巖分級(jí)方法均有多種，考慮因素不盡相同。國(guó)外圍巖分級(jí)方法包括普氏巖石堅(jiān)固性系數(shù)分級(jí)法、太沙基圍巖分級(jí)法、RQD圍巖分級(jí)法、巖體質(zhì)量法（Q法）和地質(zhì)力學(xué)分級(jí)系統(tǒng)（RMR）等，各種不同圍巖分級(jí)方法考慮的因素雖有差異，但圍巖分級(jí)主要要素涉及3項(xiàng)：巖石強(qiáng)度、巖體完整性及地下水[18]，前2項(xiàng)為主要指標(biāo)，所占權(quán)重較大。國(guó)內(nèi)鐵路工程、公路工程、水利水電工程等圍巖分級(jí)方法多達(dá)20多種[3-4，19]，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，國(guó)內(nèi)圍巖分級(jí)考慮的主要指標(biāo)同國(guó)外方法基本一致，現(xiàn)階段我國(guó)鐵路、公路及水工隧道工程等圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)均以圍巖巖體的質(zhì)量指標(biāo)作為穩(wěn)定性分析及質(zhì)量評(píng)價(jià)的依據(jù)，圍巖分級(jí)中考慮的關(guān)鍵要素包括巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度2項(xiàng)基本要素，并以地下水狀態(tài)、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、初始地應(yīng)力狀態(tài)3項(xiàng)要素作為圍巖分級(jí)修正要素。

2.1.2" 隧道圍巖分級(jí)質(zhì)量指標(biāo)關(guān)鍵要素量化分析

1）圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)BQ。隧道圍巖分級(jí)質(zhì)量指標(biāo)包括基本質(zhì)量指標(biāo)及基本質(zhì)量指標(biāo)修正，圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)BQ涉及的關(guān)鍵要素包括：巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度2個(gè)基本因素[3-4]，圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)BQ計(jì)算見(jiàn)公式（1）

BQ=100+3Rc+250Kv ， （1）

式中：Rc為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度，MPa；Kv為圍巖完整程度指數(shù)，可根據(jù)圍巖的完整性對(duì)應(yīng)得出。巖石堅(jiān)硬程度采用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc表示，可采取現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣實(shí)測(cè)得出數(shù)量值。

圍巖的完整程度分為完整、較完整、較破碎、破碎和極破碎5個(gè)級(jí)別，在規(guī)范中已給出了對(duì)應(yīng)圍巖完整程度指數(shù)Kv取值范圍。圍巖完整程度影響因素包括：結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、主要結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度、主要結(jié)構(gòu)面類型和相應(yīng)結(jié)構(gòu)類型4個(gè)要素，4個(gè)要素中除結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度為定性定量結(jié)合描述要素外，其余為定性描述要素，因主要結(jié)構(gòu)面類型要素中定性描述在施工現(xiàn)場(chǎng)不便辨識(shí)，且描述比較模糊，因此，對(duì)該要素不做考慮，僅對(duì)其余要素進(jìn)行量化分析。各要素量化分解方法如下。

結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度定性描述分為不發(fā)育、較發(fā)育、發(fā)育、很發(fā)育和無(wú)序5種程度，量化賦值分別為5、4、3、2、1，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)面組數(shù)和平均間距2個(gè)指標(biāo)。結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度量化分析見(jiàn)表1。

表1" 結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度量化分析表

主要結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度要素中定性描述分為4種情況：好、一般、差和很差，對(duì)每一種結(jié)合情況對(duì)應(yīng)量化賦值分別為4、3、2、1，用于計(jì)算求解圍巖完整程度指數(shù)Kv。主要結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度量化分析見(jiàn)表2。

表2" 主要結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度量化分析表

相應(yīng)結(jié)構(gòu)類型要素中定性描述分為4種情況：整體狀或巨厚層狀結(jié)構(gòu)、塊狀或厚層狀結(jié)構(gòu)、裂隙塊狀或中厚層狀結(jié)構(gòu)、碎裂（散體）或薄層狀結(jié)構(gòu)。每一種結(jié)構(gòu)類型對(duì)應(yīng)量化賦值分別為4、3、2、1。相應(yīng)結(jié)構(gòu)類型量化分析見(jiàn)表3。

表3" 相應(yīng)結(jié)構(gòu)類型量化分析表

圍巖完整程度指數(shù)Kv選取。在前述要素量化分析基礎(chǔ)上，可對(duì)應(yīng)計(jì)算出不同圍巖完整程度情況的量化賦值累計(jì)數(shù)值，進(jìn)而對(duì)應(yīng)選取圍巖完整程度指數(shù)Kv數(shù)值，實(shí)現(xiàn)定性描述指標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)槎恐笜?biāo)，求解得到數(shù)值解。圍巖完整程度指數(shù)Kv對(duì)應(yīng)不同的完整程度，其值為一個(gè)值域范圍，為后續(xù)便于計(jì)算，取值域范圍的中值作為數(shù)值解。圍巖完整程度指數(shù)Kv量化分析見(jiàn)表4。

圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)BQ依據(jù)公式（1）計(jì)算，將巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc及圍巖完整程度指數(shù)Kv數(shù)值代入公式即可求得BQ值，并可對(duì)應(yīng)求解圍巖的基本分級(jí)。

2）圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)修正。圍巖分級(jí)在基本分級(jí)基礎(chǔ)上，綜合考慮地下水狀態(tài)、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、初始地應(yīng)力狀態(tài)3項(xiàng)要素的影響，求得圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)修正[BQ]，最終確定圍巖的亞分級(jí)。圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)修正[BQ]見(jiàn)公式（2）

[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3） ， （2）

式中：[BQ]為圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)修正值；BQ為圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)值；K1為地下水影響修正系數(shù)；K2為主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正系數(shù)；K3為初始地應(yīng)力影響修正系數(shù)。

圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)修正要素量化分析方法如下。

地下水影響修正系數(shù)K1影響因素包括地下水出水狀態(tài)和圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)BQ兩個(gè)要素，地下水出水狀態(tài)分為3種，對(duì)應(yīng)量化賦值3、2、1，圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)BQ對(duì)應(yīng)值域范圍劃分為5種，對(duì)應(yīng)量化賦值5、4、3、2、1。2個(gè)要素疊加，求得不同工況下的賦值累加值及對(duì)應(yīng)的地下水影響修正系數(shù)K1的值域范圍，如圖1所示。為便于計(jì)算，對(duì)應(yīng)規(guī)范中地下水影響修正系數(shù)K1值域范圍，取值域范圍的中值作為數(shù)值解，地下水影響修正系數(shù)K1的數(shù)值解見(jiàn)表5。

表5" 地下水影響修正系數(shù)K1與賦值對(duì)應(yīng)表

主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正系數(shù)K2影響要素為結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及其與洞軸線的組合關(guān)系，其量化分析及數(shù)值解見(jiàn)表6。

表6" 主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2量化分析表

初始地應(yīng)力影響修正系數(shù)K3影響因素包括初始地應(yīng)力狀態(tài)和圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)BQ 兩個(gè)要素，初始地應(yīng)力狀態(tài)分極高地應(yīng)力及高地應(yīng)力2種情況，圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)BQ對(duì)應(yīng)值域亦分為2種情況，2個(gè)要素量化賦值及疊加累計(jì)計(jì)算方法同前，但2個(gè)要素量化賦值疊加后與規(guī)范中K3值域缺乏明顯規(guī)律，依經(jīng)驗(yàn)法取初始地應(yīng)力影響修正系數(shù)K3數(shù)值解見(jiàn)表7。

表7" 初始地應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)K3量化分析表

注：Rc－巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度，MPa；qmax-垂直隧道洞軸線方向的最大初始地應(yīng)力值，MPa。垂直隧道洞軸線方向的最大初始地應(yīng)力值qmax可根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算。

圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)修正[BQ]依據(jù)公式（2）計(jì)算，將圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)BQ、地下水影響修正系數(shù)K1、主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正系數(shù)K2和初始地應(yīng)力影響修正系數(shù)K3代入公式求得[BQ]，以此對(duì)應(yīng)求解圍巖的亞分級(jí)，見(jiàn)表8，該表依據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》確定，公路及水利水電等隧道工程可參見(jiàn)相應(yīng)規(guī)范對(duì)應(yīng)求解。

表8" 隧道圍巖亞分級(jí)表

2.2 基于質(zhì)量指標(biāo)隧道圍巖智能分級(jí)系統(tǒng)

2.2.1 圍巖智能分級(jí)系統(tǒng)構(gòu)建

按照上述隧道圍巖分級(jí)質(zhì)量指標(biāo)各要素量化分析求取質(zhì)量指標(biāo)邏輯，構(gòu)建圍巖分級(jí)智能系統(tǒng)，應(yīng)用復(fù)合前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立圍巖分級(jí)模型，采用樣本庫(kù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，利用機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)源框架編寫(xiě)圍巖智能分級(jí)軟件系統(tǒng)。技術(shù)路線如圖2所示。

2.2.2 樣本采集及樣本庫(kù)構(gòu)建

1）圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)要素采集。收集不同巖性，如灰?guī)r、白云巖、砂巖、頁(yè)巖及泥巖等信息，在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc試驗(yàn)采集、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、主要結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度、主要結(jié)構(gòu)面類型和相應(yīng)結(jié)構(gòu)類型等要素參數(shù)。

2）圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)修正要素參數(shù)采集。在隧道施工掌子面采集隧道施工的地下水出水狀態(tài)參數(shù)，并在掌子面處測(cè)試圍巖結(jié)構(gòu)面狀態(tài)參數(shù)，并依照施工圖隧道掌子面處埋深計(jì)算垂直隧道洞軸線方向的最大初始地應(yīng)力值qmax，進(jìn)而計(jì)算Rc/qmax比值，判定掌子面處的初始地應(yīng)力狀態(tài)是否處于極高地應(yīng)力或高地應(yīng)力狀態(tài)，從而采集得到地下水狀態(tài)、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、初始地應(yīng)力狀態(tài)3項(xiàng)要素參數(shù)。

3）通過(guò)各要素參數(shù)采集，構(gòu)建不同巖性的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2.3 基于質(zhì)量指標(biāo)隧道圍巖智能分級(jí)模型

基于圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)和質(zhì)量指標(biāo)修正邏輯建立一個(gè)圍巖基本智能分級(jí)模型與圍巖亞級(jí)分級(jí)模型的復(fù)合模型，如圖3所示。圍巖基本智能分級(jí)模型網(wǎng)絡(luò)層數(shù)為5層，1個(gè)輸入層、1個(gè)輸出層、3個(gè)隱含層，其中輸入層4個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)4個(gè)要素參數(shù)；圍巖亞級(jí)分級(jí)模型復(fù)合模型網(wǎng)絡(luò)層數(shù)為5層，1個(gè)輸入層、1個(gè)輸出層、3個(gè)隱含層，其中輸入層4個(gè)節(jié)點(diǎn)，3個(gè)對(duì)應(yīng)3個(gè)要素參數(shù)，另外1個(gè)為圍巖基本智能分級(jí)模型輸出的數(shù)值，經(jīng)修正后的[BQ]對(duì)應(yīng)輸出圍巖分級(jí)。

圍巖智能分級(jí)系統(tǒng)輸入信息采用圍巖級(jí)別判定卡采集相應(yīng)要素信息，該信息采集卡采取選項(xiàng)式，對(duì)應(yīng)各要素不同狀態(tài)，施工現(xiàn)場(chǎng)采取勾選方式選擇對(duì)應(yīng)選項(xiàng)，信息卡填寫(xiě)完成后，拍照錄入圍巖智能分級(jí)系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別各要素信息，并按前述圍巖分級(jí)邏輯分析計(jì)算圍巖質(zhì)量指標(biāo)，輸出圍巖級(jí)別信息。圍巖級(jí)別判定如圖4所示。

2.3" 基于圍巖智能分級(jí)的隧道精益支護(hù)技術(shù)

在隧道圍巖準(zhǔn)確分級(jí)基礎(chǔ)上，按標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)原則，對(duì)應(yīng)查找隧道標(biāo)準(zhǔn)圖相應(yīng)支護(hù)參數(shù)，提出建議支護(hù)參數(shù)，并與施工圖支護(hù)參數(shù)對(duì)比，分析施工圖支護(hù)參數(shù)是否可行，根據(jù)對(duì)比結(jié)果判定是否需要優(yōu)化設(shè)計(jì)?；趪鷰r智能分級(jí)的隧道精益支護(hù)技術(shù)路線如圖5所示。

3" 隧道圍巖智能分級(jí)及精益支護(hù)實(shí)踐應(yīng)用

應(yīng)用工程項(xiàng)目：新建重慶至黔江鐵路木涼山隧道，長(zhǎng)9 767 m，設(shè)計(jì)速度350 km/h，隧道最大埋深287 m，洞身穿越地層巖性為泥巖、泥巖夾砂巖、砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖和灰?guī)r等。

新建重慶至萬(wàn)州高速鐵路，香山隧道長(zhǎng)2 117 m，任家山隧道長(zhǎng)4 010 m，設(shè)計(jì)速度350 km/h，軌上凈空斷面100 m2，隧區(qū)為丘陵地貌，地形起伏不大，相對(duì)高差10～100 m。香山隧道埋深180～350 m，隧道穿越地層巖性為粉質(zhì)黏土、泥巖夾砂巖、砂巖等；任家山隧道埋深220～375 m，隧道穿越地層巖性為黏土、泥巖、泥巖夾砂巖、砂巖和頁(yè)巖等。

在2個(gè)應(yīng)用工程項(xiàng)目3個(gè)隧道工程鉆爆開(kāi)挖施工中，應(yīng)用隧道圍巖智能分級(jí)系統(tǒng)，隧道圍巖分級(jí)要素采集采用圍巖級(jí)別判定卡，已收集構(gòu)建各種巖性訓(xùn)練樣本60余個(gè)，經(jīng)對(duì)比分析，圍巖分級(jí)智能系統(tǒng)在不同巖性中具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

4" 結(jié)束語(yǔ)

1）針對(duì)隧道工程智能建造核心技術(shù)圍巖智能分級(jí)和精益支護(hù)建造技術(shù)開(kāi)展了分析研究，采用圍巖質(zhì)量指標(biāo)分級(jí)法融合現(xiàn)代信息技術(shù)的路徑，對(duì)影響圍巖分級(jí)的兩大基本因素及3個(gè)影響因素進(jìn)行了定性轉(zhuǎn)定量分析，將圍巖分級(jí)質(zhì)量指標(biāo)求取由半定性半定量轉(zhuǎn)變?yōu)槎繑?shù)值解，提出了以隧道圍巖分級(jí)基本質(zhì)量指標(biāo)BQ為基礎(chǔ)融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的圍巖智能分級(jí)方法和技術(shù)路線，研發(fā)了圍巖智能分級(jí)軟件系統(tǒng)。

2）采用圍巖級(jí)別判定卡采集圍巖信息、卡片自動(dòng)識(shí)讀、系統(tǒng)自動(dòng)分析圍巖分級(jí)方法，解決了質(zhì)量指標(biāo)法圍巖分級(jí)工作繁瑣、定性定量要素混雜、需專業(yè)地質(zhì)工程人員分析和圍巖分級(jí)準(zhǔn)確性不夠等問(wèn)題，結(jié)合圍巖智能分級(jí)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了快速圍巖智能分級(jí)。

圖4" 隧道開(kāi)挖圍巖級(jí)別判定

圖5" 圍巖智能分級(jí)的隧道精益支護(hù)技術(shù)路線

3）在圍巖分級(jí)基礎(chǔ)上，采取隧道工程標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法，將圍巖分級(jí)與隧道開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配對(duì)應(yīng)，快速得到相應(yīng)圍巖對(duì)應(yīng)的隧道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并與施工圖對(duì)比，用于隧道工程開(kāi)挖施工階段支護(hù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)精益施工的目標(biāo)。

4）因該研究方法僅在2個(gè)工程項(xiàng)目開(kāi)展了應(yīng)用實(shí)踐，應(yīng)用圍巖巖性為泥巖、泥巖夾砂巖、灰?guī)r、頁(yè)巖和白云巖等，訓(xùn)練樣本庫(kù)尚顯不足，下一步將擴(kuò)大應(yīng)用實(shí)踐區(qū)域，以提升研究方法的適用性。

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