BQ法和灰色关联法相结合的隧道围岩分级验证研究

孙 路，徐望国，张云龙

近年来，随着我国科学技术的发展，推动了隧道施工技术的进步，新建工程中隧道所占比重越来越大，而在复杂地质条件下所开挖的隧道数量占隧道总开挖量的比重更是越来越大。由于在复杂地质条件下开挖的隧道，工程地质条件和水文地质条件相对复杂，不确定因素相对较多，势必会对工程进度、施工质量构成威胁，因此为了避免因灾害造成的损失，就应该对围岩的级别做出合理的判断，依此及时调整围岩级别和支护参数，达到“动态设计、信息化施工”的目的。

本文针对湘黔界一带复杂的地形地貌特征，通过对多种围岩分级方法的研究，提出基于超前地质预报、BQ法和灰色关联分析法相结合的隧道围岩分级方法，在湘黔界地区开展围岩分级是可行的和有效的。

1 公路隧道围岩分级方法存在的问题

随着公路隧道的蓬勃发展，围岩正确合理的分级日益受到关注，由于地下工程的地质条件的复杂性，这就使得现存的分级方法呈现出许多应用上的不合理问题，主要体现在以下几个方面:

1)隧道围岩的影响因素众多，导致了其分级方式各有不同，有些分级方法所计算出来的定量指标，可能位于两种围岩级别之间，即模糊性大，在实际操作中应用性较小。

2)前期的地质勘查只能代表某一段的地质情况，而且模糊性大，但是地下工程的地质条件是千变万化的。现有的围岩分级方法是静态的分级方法，用静态的事物去描述动态的事物是没有科学依据的。

3)现有的分级方法考虑问题不全面，例如在开挖过程中对围岩的破坏机理，变形等等认识不清，这些都是影响围岩稳定性的重要因素，缺乏这些主要因素的考虑，必定会影响围岩分级的正确性。

2 围岩分级的理论基础

围岩分级是在隧道开挖过程中评价围岩稳定最实际的而又简单实用的分析模型，它既是指导安全施工的基础，也是隧道工程概预算的主要依据。

2.1 基于超前地质预报和BQ法的现场围岩分级

《公路隧道设计规范》(JTG D70－2004)规定隧道围岩分级的综合评判方法采用两步分级。具体步骤如下:

岩体基本质量指标BQ计算公式如下:

当Rc＞90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30和Kv代入计算BQ值;

当Kv＞0.04Rc+0.4 时，应以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入计算BQ值。

事实上，地下水状态、初始应力状态、工程轴线或走向线的方位与主要软弱结构面产状的组合关系等，也是影响岩体稳定性的重要因素，所以要对岩体基本质量指标进行修正。

修正岩体质量指标的计算公式如下:

通过计算出来的修正后的岩体基本质量指标，然后结合岩体的定性特征，最后进行综合评判，从而确定岩体的围岩级别。

2.2 基于灰色理论的现场围岩分级

灰色理论是部分信息明确，部分信息不明确的系统，它主要是将抽象的问题具体化和实体化，把明确的信息定量化，从有变化规律，在不明显的情况下找出规律。近年来，我们在研究隧道围岩分级时常采用灰色关联分析原理，利用扩展的最小二乘准则，建立了隧道工程围岩分级灰色优化理论模型。考虑到影响围岩稳定性的因素很多，一般在研究时要结合该地区的工程的实际情况。湘黔界浅变质岩隧址区影响围岩稳定性指标有如下4种指标:岩体的完整程度、岩石的坚硬程度、地下水作用以及结构面与隧道轴线之间的组合关系。由于结构面与轴线间的组合关系难以掌握，故改为结构面强度kf作为一个代替的指标。

灰色关联分析实际上是一种曲线间几何形状的分析对比，即相对变化一致，关联程度就越大;反之，二者的关联程度就小，因此关联分析的关键是关联度的计算。关联分析的计算步骤如下:

1)为使各因素具有等效和同序性，需要对原始序列进行数据变换。如:初始值变换、均值化变换、区间值变换、归一化变换等。

2)求差序列，即求各序列对应元素之间的距离。即Δi(k)。

3)求两极最大差与最小差。

6)计算关联序。

3 工程应用

3.1 工程简介

太平河1号隧道位于杭瑞高速公路贵州境大兴至思南段第DXTJ—6合同段，隧址位于湘黔界铜仁地区江口县镇江乡，穿越低山山岭，隧址区地貌形态属强烈剥蚀切割的低山区。大兴端为沟谷，地形切割强烈，地面自然坡脚约40°，思南端地形陡峭，地面自然坡脚一般50°～60°。隧道大角度斜穿山体，山坡植被较发育，沟谷发育，地形切割强烈，沟谷两侧多为陡壁悬崖，起伏变化较大，地面高程变化最高海拔734.8 m，最低海拔390.1 m，相对高差344.7 m。

3.2 Yk63+358断面围岩分级实例

3.2.1 BQ 法判定围岩级别

定量指标的测试:

1)现场运用点荷载仪(型号AKS—GL2001)和回弹仪(型号HT—225A)进行岩石坚硬程度测试，测试出换算后的岩石单轴饱和抗压强度Rc=47 MPa。

2)现场岩体完整程度测试由于缺乏测试仪器，本项目利用岩体体积节理数Jv来表征岩体完整性系数Kv的定量指标。经过现场量测，断面Yk63+358处的单位体积节理数为17 m3/条，查表对应岩体完整性系数为0.37。

根据公式计算出［BQ］=297，通过查公路隧道设计规范，并参照定性指标，最终确定围岩级别为Ⅳ级。

3.2.2 灰色理论判定围岩级别

现场测试围岩分级参数为Rc=47.278 MPa，Kv=0.37，w=0.47，kf=0.2。将测试数据用数列形式表示，得x0=(47.278，0.37，0.47，0.2)，做规范处理得x1=(0.26，0.11，0.837 5，0.25)。

表1 Δik(k)计算表

求两极最大差和最小差，根据表1可以得出Δmax=0.875，Δmin=0.019。

表2 关联系数ξi(k)计算表

表3 各级围岩关联度计算

通过运用BQ围岩分级法及灰色关联分析，综合判断该段围岩级别为Ⅳ级。

4 结语

1)围岩分析过程中可以利用灰色系统理论进行分析，为围岩分级方法改善提供了一个途径。

2)本文的理论研究内容，只适用于该地区的围岩分级，由于地区与地区之间的差异，在其他地区运用尚不完善，还需要进一步的理论验证研究。

3)围岩稳定性影响因素是多方面的，当采用灰色关联法只是依靠几个有限的数据来支撑显然是达不到要求，同时现场测定的分级参数本身就存在误差，因此依靠单纯的数学方法还是不够全面。

4)本文首先通过BQ法并查阅相关规范，判定出该地段围岩级别范围。然后利用灰色关联法对BQ法确定的围岩级别进行验证，两种方法有机的结合，相互补充，这也说明运用灰色关联法判定围岩级别在该地区是可行的。

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