隧道围岩快速分级及超欠挖爆破智能控制研究

第1章　绪论 在日新月异的21世纪，经济社会的发展对交通行业有了更多的要求，对道路的线型和质量的要求也在日益提高。而作为道路工程的关键性控制工程——隧道工程，所发挥的作用逐渐凸显出其不可取代的地位。所以，对隧道工程现场施工时的特殊问题进行研究具有重大的价值。 如今，我国正处于交通工程发展的繁荣期，大量的工程建设项目正在进行，其中隧道工程项目工程大、类别多，特别是在我国的西部地区，以及其他地形复杂的沟谷地区，因其自然环境和复杂的地质条件，交通工程造价较高，并且施工技术难度较大。在实际建设中，为了使经济效益*大化，设计方、投资方、承建方和运营方等通常会在某些路段采用隧道工程。随着科学技术的发展，隧道建设的研究正在不断地迈上新台阶，在许多复杂的路段均可进行隧道建设，这也为隧道工程的高速发展提供了技术研究的支撑平台。但是，随着道路工程要求的提高和各种特殊建设环境的出现，现有的研究资料已经无法满足当前快速建设隧道工程的需要。因此，结合现有的研究资料和研究方法，对隧道工程进行更为深入的研究是十分有必要的。 在目前的隧道工程建设中，多方面的因素制约着施工质量，超欠挖是其中的关键性因素之一。超欠挖是以隧道设计尺寸的周边界限为控制位置，将爆破后开挖的实际周边界限与设计尺寸进行对比，设计尺寸以外开挖的部分称为超挖，设计尺寸以内开挖的部分称为欠挖，开挖部分与隧道设计尺寸误差小于一定值称为无超欠挖。超欠挖问题一直存在于工程实际之中，尤其是采用钻爆法等方法对隧道进行开挖，即使在德国、日本、瑞典等工程技术水平较高的国家，也有超欠挖问题的产生，这也是隧道等地下工程施工的特点。引起超欠挖问题的原因有很多，有人为的，也有技术上的，具体来说，包括钻孔精度的影响、爆破技术参数的影响、用测绘仪器标定钻孔位置的影响以及围岩情况的影响等，但是无论是哪一种原因，超欠挖都会对工程质量造成一定程度的影响，导致施工成本升高。首先是在工程质量方面，会在一定程度上造成工程质量降低，而具体降低的程度及范围，目前的研究资料依旧较少，并且，隧道超欠挖问题还会直接关系后续施工的效率，尤其是在隧道初期支护的混凝土用量、防排水布板的铺设以及二次浇筑筑模的施工中，超欠挖问题均有着十分重要的影响。其次是在施工安全方面，由于超欠挖偏离了设计的尺寸，造成受力不均，有的地方甚至出现了应力集中，再加上地下工程复杂的地质条件，即便是采用边开挖边支护的方法，也同样存在一定的安全隐患。*后是在经济效益方面，通常超欠挖问题会致使建造成本上升，一般来说，隧道工程的超挖会使衬砌的混凝土用量大量地增加，但是在某些特定的条件下，欠挖需要实施补炮钻孔时，其造价成本甚至会超过超挖，而且补炮作业也会使循环作业时间加长。在上述影响因素下，在了解现有研究成果的基础上，对隧道工程的超欠挖进行更加深入的研究具有十分重要的意义。这不仅可以确保施工质量，保障人员的施工安全，而且可以节约施工成本。 然而，隧道工程项目虽然起步较早，但是在隧道超欠挖问题的研究上，即使有不错的成果，但对于完全做好超欠挖问题的因素分析，并对超欠挖问题进行计算和控制，提高工程质量等级，控制施工成本仍然是不够的，尤其是在围岩等级较差或者地质情况较为复杂时，很难消除超欠挖问题的影响，也没有可以完全作为参照控制的规范标准，再加上在实际施工中，不少单位对超挖、欠挖的认识不足，严重地影响了施工质量，威胁生产人员的生命安全，有时，在工程完工后，也无法达到施工质量的验收标准。同时，由于工程实际的差异性，造成部分问题存在无可借鉴的情况，对于实际的隧道工程施工造成了一定的影响，使实际的工程无法达到预定的施工质量要求，在施工过程中的安全隐患，往往会增大施工的成本控制难度。 因此，为了更加安全、经济地进行隧道项目的建设，本书从工程实际的地质情况出发，结合现有的标准规范和研究成果，将不同围岩等级和围岩类别的工况进行区分，并且在不同工况下结合不同的隧道超欠挖形式，利用有限元软件，对不同类型的工况进行模拟和计算，以达到安全、经济地进行隧道工程施工的目的，对类似隧道的施工有一定的借鉴价值。 1.1　隧道围岩分级技术国内外现状 1.1.1　隧道围岩分级发展里程 国外对工程岩体分级方法的研究较早，18世纪，俄国学者就提出了将岩石分为坚石、次坚石、软石、破碎岩石和松散岩石的五级岩石分级法；1861年，F.Offman提出了按开采工具将岩石划分为六级的方法。20世纪初，陆续出现了为支护设计和确定地压力服务的分级方法，如著名的普罗托季亚科诺夫的分级(1926年)、K.Terzaghi的分级(1946年)。20世纪50年代以来，出现了以评价工程岩体(围岩)稳定性和相应支护形式为目标的分级，主要有H.Lauffer根据毛洞稳定时间为指标的分级(1969年)，D.U.Deere按岩石质量指标(rock quality designation，RQD)为指标的分级(1969年)，挪威N.Barton的岩石质量系数Q分级(1974年)，南非Z.T.Bieniawshi的节理化岩体的地质力学分级(1973年)等。 国内工程岩体分级的应用研究起步较晚，1954年以前基本沿用以岩石极限抗压强度和岩石天然容重为指标的分级方法。1954～1972年使用以岩石坚固性系数为指标的普氏分级。1972年到现在为新的工程岩体分级方法不断提出和推广应用阶段。1972年，中国科学院地质研究所(现中国科学院地质与地球物理研究所)谷德振教授等提出了以岩体结构类型为主要划分依据的分级(分类)方法。同年，铁道部(现已撤销)和总参某部队也提出了以岩体结构特征定性描述和岩石强度为基本因素，并结合考虑其他因素的分级新方法。中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司于1974年提出了定性和定量相结合的水电工程岩体分级方法。1978年，铁道部科学研究院西南研究所(现中铁西南科学研究院有限公司，简称中铁西南院)发表了“弹性波(声波)参数与岩体分类、评价”的研究成果，中国科学院地质研究所、长春地质学院(现并入吉林大学)与水利电力部东北勘测设计院等在同期也提出了类似成果。进入20世纪90年代后，东北工学院(现东北大学)、中国人民解放军89003部队、中铁西南院、水电部昆明勘察设计院(现中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司)等单位相继提出更为完善或适合行业的分级研究成果。表1-1为20世纪围岩分级技术的发展情况。 表1-1　围岩分级技术发展历程 进入21世纪后，国内围岩分级迅速发展成熟并形成规范，《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)在1994年版的基础上进行了更新并于2014年颁布执行。铁路系统于2005年在《铁路隧道设计规范》(TB 1003—1999)的基础上，修订和颁布了《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005)；国家铁路局2016年修订并颁布了《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)；交通运输部于2004年颁布了《公路隧道设计规范》(JTGD 70—2004)，2018年修订并颁布了《公路隧道设计规范　**册　土建工程》(JTG 3370.1—2018)。 目前常用的隧道围岩分级方法主要有以下5种。 (1)岩体质量分类Q系统。该方法是挪威人巴顿等于1974年建立起来的，它主要考虑了岩体的完整性、节理特性、地下水和地应力的影响等，并以6个参数确定反映隧道围岩稳定性的岩体质量指标(Q)。 (2)RMR分类。RMR(rock mass rating)分类于即“岩体评分”，又称地质力学系统，由Bieniawski于1973年提出，目前广泛运用于水电工程边坡、坝基等工程的岩体分类中，原理是通过6个参数对岩体质量的贡献进行综合分类。这6个参数包括岩体单轴抗压强度、岩体质量指标、结构面间距、结构面状况、地下水状况、结构面方位。 (3)国标BQ分级。我国于2014年发布了强制性国家标准《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)。该标准是一种通用的岩体质量分级方法，适用于各类型岩石工程的岩体质量分级，并规定工程岩体分级应采用定性与定量相结合的方法，分两步进行。 (4)水电围岩HC(hydropower classifying)分类。针对水电行业的特点，2008年住建部发布了《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)，提出了围岩工程地质分类方法，该方法以岩石强度、岩体完整性程度及结构面状态为基本因素，以地下水及主要结构面产状为修正因素，以基本因素和修正因素的累计得分为基本判据、以围岩强度应力比为限定判据进行围岩类别划分。 (5)公路隧道围岩分级。现行的*新《公路隧道设计规范　**册　土建工程》(JTG 3370.1—2018)与《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)严格遵循《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)的标准，采用围岩的定性划分与定量指标相结合的综合分级方法。 目前国内各种围岩级别的划分方案，因出发点不同，在指标体系的建立上仍然存在差异，在实际应用中都有其利弊，但目前绝大多数的学者都形成了一定的共识，即围岩级别主要的影响因素为岩石的坚硬程度，岩体完整程度，地下水、结构面状态及地应力的影响。 1.1.2　隧道围岩分级发展趋势 常规的围岩分级方法较慢且定性的影响因素较多，缺乏施工期隧道围岩快速分级方法，加之定量指标参数的采集、分析困难，导致施工期围岩分级主要是在隧道现场通过人为观察与相关信息进行定性判定，缺乏客观性和科学性，因此，行业同仁们借助现代科学技术不断提升围岩分级的快捷化、定量化、科学化，为隧道工程动态设计施工提供了依据和指导，也促使隧道围岩分级技术朝着快捷化和智能化方向发展。 关于围岩分级的智能化，不仅要借助于快捷化的测试方法，还要结合新兴的数学理论与先进的计算机智能化系统，如模糊数学理论、人工神经网络、灰色预测和分形几何等非线性围岩分级方法。基于此，能达到半定量-定量化围岩分级。黄健[1]针对长大隧道，提出了以定性与定量相结合的围岩分级指标体系，建立了围岩分区的标准及具体的操作流程，率先研发了隧道围岩智能分级系统。郭磊和傅鹤林[2]基于人工神经网络取得了与实际施工情况吻合的围岩判别效果；牛文林[3]建立了基于支持向量机模型、神经网络模型和模糊推理模型的围岩级别智能判定方法，并设计开发了围岩分级网站，实现了围岩级别的定性定量智能判别。范新宇等[4]建立起围岩分级的熵权模糊综合评价模型，降低了围岩分级人为赋值的主观性。 关于围岩分级的快捷化和定量化，更注重基础参数的测试研究，主要从分级指标的替代关系研究着手。比如，现行规范要求采用岩石饱和单轴抗压强度(RC)作为岩石坚硬程度的定量指标，但由于该指标的测试需要经历现场钻孔、取样、送样、加工、饱和等流程后才能进行室内试验测定，既耗费成本又耽误时间，无法匹配施工期现实需要。为此，行业同仁们积极寻求替代方法和指标，展开了指标相关性研究并提出了替代指标及替代公式。目前，研究较深入的几个替代指标依次是点荷载强度Is(50)、回弹强度Rm及纵波速度Vpr。邓华锋等[5]综合超声波传播速度、回弹值与岩石强度的相互关系进行试样选择，提高了岩石抗压强度预测的可靠度。牛文林等[6]基于支持向量机的学习算法对围岩样本进行了级别判别，获得了较高的准确率。邵勇等[7]选取凝灰岩、石英砂岩等硬质岩进行试验，拟合了岩石点荷载强度、单轴抗压强度、回弹强度之间的关系，取得了良好的拟合效果。王睿等[8]基于声波-回弹联合法实现了对片麻岩强度的快速预测。侯志鑫等[9]通过测量新鲜岩石与风化岩石的里氏硬度，实现了对风化岩石质文物风化程度的评价。叶嘉成和张中俭[10]对北京大理岩石质文物采样进行里氏硬度、纵波速度和单轴压缩试验，认为单轴抗压强度与里氏硬度值的相关性*好。 1.2　线型炸药爆破作用的国内外研究现状 国民