围岩分级参数定量值的现场快速获取方法研究

吴秋军

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西　南宁　530029)

围岩分级参数定量值的现场快速获取方法研究

吴秋军

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西南宁530029)

关键词：围岩分级参数定量值；岩石坚硬程度；岩体完整程度；回弹仪；数码成像技术

0引言

围岩分级作为隧道及地下工程中最重要的基础性课题之一，一直以来都受到国内外地下工程界地广泛关注[1]。经过大量的研究，目前国内外学者提出的围岩分级方法已达上百种，其中绝大多数都是为地下工程设计和施工服务的[2]。从对分级因素的处理方式来看，围岩分级方法大致可分为两种，即定性分级方法和定量分级方法。定性分级方法概念明确，可操作性强，但需要较强的地质专业知识和经验才能较准确地使用；定量分级方法准确度更高，但需要大量的工程实践作为支撑，而且测试成本高昂、费时费力。

尽管定性分级方法仍然是我国铁路、公路隧道领域中首要采用的分级方法，但对比国际上较为流行的分级方法，如RMR、RSR、Q系统分级、日本公路铁路弹性波速围岩分级方法等，可以看出定量分级方法是围岩分级方法发展的主要方向[3]。随着我国经济和工程测试技术的不断发展，定量分级方法势必也将越来越受到重视。但是，建立和使用定量分级方法的前提之一则是必须获得较为精确的定量数据。公路隧道围岩分级方法中引入了《工程岩体分级标准》(GB50218-94)[4]的BQ定量分级，需要给出岩石的单轴饱和抗压强度Rc和岩体完整性指数KV两个指标，但这两个指标不但测试成本高昂、速度慢，而且会严重干扰施工。鉴于此，发展出一种既快速、准确，又不影响现场施工的围岩分级参数定量值快速获取方法是十分必要的。而且由于分级参数定量值可准确地转化为定性值，所以在采用定性分级方法时也可有效提高其准确性。

基于上述考虑，本文针对我国铁路、公路隧道围岩分级方法中的两个基本指标——岩石坚硬程度和岩体完整程度分别提出了现场快速获取其定量值的方法。

1岩石坚硬程度的快速获取方法

1.1岩石坚硬程度常规确定方法的局限性

隧道施工过程中，岩石坚硬程度一般仅通过定性鉴别并结合岩性和风化程度定性确定，如表1所示[5]，这种方法完全依赖于现场地质人员的专业知识和经验，不但误差较大，而且难以覆盖整个掌子面。

若采集定量值，则采用单轴饱和抗压强度Rc或标准点荷载强度指数Is(50)来表达，如表2所示[6]。其中，测定Rc一般通过室内岩石试验，不但昂贵，而且费时费力；点荷载强度指数一般通过点荷载仪测定，虽然较室内试验方便得多，但测试设备一般重达30 kg，显得过于笨重，设备费用也比较高。

1.2回弹仪的工作原理及应用情况

从上述分析可以看出，各种岩石坚硬程度的常规确定方法都存在较多局限性，因此结合隧道施工现状，本文提出采用回弹仪来测试掌子面围岩岩石坚硬程度的方法。

表1　岩石坚硬程度定性值的确定方法表

表2　岩石坚硬程度定量值的确定方法表

目前，回弹仪在隧道二次衬砌混凝土强度检测中已广泛应用，其原理是利用联结弹簧对重锤加力，当释放弹簧时，弹击重锤冲击弹击杆，弹击杆冲压测试表面后回弹重锤，与重锤相连的滑块则在刻度尺上指示出回弹值N。回弹值是重锤能量损失的反映，与混凝土的强度成正比[7-8]。

考虑到掌子面岩石强度与混凝土强度的相似性，因此在兰渝铁路兰广段的50座隧道的掌子面岩石强度测试中进行了应用，围岩级别为Ⅲ～Ⅴ级，应用情况如下页表3所示。回弹测试采用了手持式回弹仪直接在掌子面上进行，为了进行对比分析，对相同掌子面的岩石取样并利用数显式的点荷载仪进行点荷载强度测试。回弹仪试验和点荷载试验方法完全按照《回弹仪检定规程》(JJG817-2011)[9]和《铁路工程岩石试验规程》(TB1011-1998)[10]执行。

表3　掌子面围岩回弹测试应用情况表

1.3测试数据处理及与岩石坚硬程度的对应关系

首先根据国家标准《回弹仪检定规程》(JJG817-2011)的数据处理方法对实测回弹值进行处理，获得考虑测试角度等因素修正后的回弹值，然后按照已获得的岩石坚硬程度定性值进行对比分析。为了充分利用样本数据，分析过程中还考虑了每组样本的最大和最小回弹值，在剔除了部分明显不合理的数据后，结果如图1所示。

图1　回弹测试值与标准点荷载强度指数对比图

从图1中可以看出，岩石的回弹值与标准点荷载强度之间有一定的对应关系，即标准点荷载强度基本上是随着回弹值的增大而增大的，反之亦然。但回弹值的离散性比较大，并且对照表2，在相邻的岩石坚硬程度区间边界附近还存在部分重叠，故对最大、最小及平均回弹值进行聚类分析，并利用表2对各组岩石的情况进行岩石坚硬程度划分，结果如表4所示。

表4　回弹值聚类分析结果表

从表4的分析结果来看，回弹值与相应的岩石坚硬程度之间具有较为良好的对应关系，可作为岩石坚硬程度定量判断的依据之一。

这种确定围岩岩石坚硬程度的方法的特点是设备轻，一般不到2～3 kg，携带方便，价格低廉，仅为数显式点荷载仪价格的1/5～1/10，可大量装备和使用；其精度比点荷载试验差，但比定性方法高得多，如果采用数显式回弹仪，则精度可进一步提高；此外，可在掌子面上直接采集，无需取样，速度很快。

2岩体完整程度的快速获取方法

2.1岩体完整程度常规确定方法的局限性

隧道施工过程中，岩体完整程度一般通过人工地质编录方法直接确定，现场工作量很大，由于掌子面附近粉尘浓度高，环境很差，对技术人员的安全及健康极为不利。目前世界各国都在研究数码成像技术进行地质编录的方法，但该技术在隧道掌子面的应用在我国还是刚刚起步[11]。这种方法的特点是直接用普通数码相机对掌子面围岩进行照相，通过计算机图像处理技术，提炼出掌子面中相关围岩结构面发育程度参数信息，用于确定岩体完整程度，现场工作仅限于数码摄像，工作量很少，安全性高，速度快，成本也很低廉。

2.2数码成像技术获取岩体完整程度方法的基本原理

数码成像技术获取岩体完整程度的方法包括图像测定、图像处理和地质解析三个部分。

2.2.1图像测定

图像测定是对掌子面及周边岩体进行地质数据采集的一个过程，步骤如下：根据数码相机参数确定图像长度等控制因素→确定图像测定物距→数码成像。

2.2.2图像处理

即对原始图像进行处理，主要包括图像增强和图像分割两部分内容。图像增强技术主要包括图像的灰度修正、图像的平滑和图像的锐化等；图像分割方法有很多，此处采用边缘检测方法。上述图像增强的具体原理可参照相关资料[12-14]，此处从略。

2.2.3地质解析

地质解析是指对结构面的发育程度参数，如结构面组数、平均间距等地质变量用图像解析进行量化评价，步骤如下：几何变换确定图像与实物间的尺度比例→最小二乘法进行结构面边缘直线拟合→提取结构面发育程度参数。

2.3数码成像技术的计算机技术实现

数码成像技术的后期图像增强和地质解析十分复杂，工作量很大，不可能人工操作，因此编制了相关的VC++处理软件，可在人工控制下自动处理，该软件是新编制的“铁路隧道围岩分级系统”软件的一个重要模块，其程序流程见图2：

图2　数码成像处理模块的程序流程图

2.4数码成像技术获取岩体完整程度的验证

为验证上述技术的可靠性和适用性，课题组在贵广线上10余座隧道中已进行了数码成像技术获取岩体完整程度参数的应用，其中Ⅲ级围岩10张，Ⅳ级围岩24张，Ⅴ级围岩45张，将图像样本进行软件处理，并与现场地质编录结果进行对比，部分结果见表5：

表5　数码成像技术成果与地质编录结果比较表

从表5及其它应用实例情况来看，数码成像技术的应用效果总体较好。

3结语

本文分析了隧道施工现场围岩分级时确定各分级参数的诸多局限性，据此提出了利用回弹仪快速获取岩石坚硬程度定量值及利用数码成像技术快速获取岩体完整程度的方法，并利用这两种方法在实际工程中进行了应用分析，获得了较为良好的效果。由于这些方法成本低廉、速度快，不影响施工，精度一般可满足工程设计要求，因此推广应用前景较为广阔。

参考文献

[1]沈中其，关宝树.铁路隧道围岩分级方法[D].成都：西南交通大学，2000.

[2]王明年，陈炜韬，刘大刚，等.公路隧道岩质和土质围岩统一分级标准研究[J].岩土力学，2010，31(2)：547-552.

[3]王明年，李玉文.公路隧道围岩亚级分级方法[M].成都：西南交通大学出版社，2008.

[4]GB50218-94，工程岩体分级标准[S].

[5]TB10003-2005，铁路隧道设计规范[S].

[6]JTG D70-2004，公路隧道设计规范[S].

[7]钟金德.回弹仪的使用和检定[J].中国科技信息，2008，(12)：126，128.

[8]李文生.混凝土回弹仪弹击拉簧检定装置检定混凝土回弹仪弹击拉簧刚度测量不确定度分析[J].计量与测试技术，2011，38(11)：64，66.

[9]JJG817-2011，回弹仪检定规程[S].

[10]TB10115-1998，铁路工程岩石试验规程[S].

[11]冷彪.基于数码成像的隧道掌子面地质信息系统研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[12]傅德胜，等.图形图像除理学[M].南京：东南大学出版社，2002.

[13]王新成.高级图像处理技术[M].北京：中国科学出版社，2001.

[14]黄维通.Visual C++面向对象与可视化程序设计(第2版)[M].北京：清华大学出版社，2003.

摘要：在隧道施工过程中，围岩分级参数的获取方法是影响围岩分级结果是否准确的最重要因素。文章基于对当前隧道施工现场围岩分级方法局限性的分析，针对我国铁路、公路隧道围岩分级的两个基本指标——岩石坚硬程度和岩体完整程度，分别提出了利用回弹仪和数码成像技术现场快速获取其定量值的方法，并结合部分隧道的应用实例，验证该方法可获得较为良好的效果，推广应用前景较为广泛。

Study on Field Quick-acquisition Method for Quantitative Values of Surrounding Rock Classification Parameters

WU Qiu-jun

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Abstract：In the process of tunnel construction，the acquisition method of surrounding rock classification parameters is the most important factor affecting the accuracy of surrounding rock classification results.Based on analyzing the limitations of current surrounding rock classification method at tunnel construc-tion site，and regarding two basic indicators of China’s railway and highway tunnel surrounding rock classification-rock hardness and rock completeness degree，this article respectively proposed the field quick-acquisition method of their quantitative values by using the resiliometer and digital imaging technology，and in combination with application practices of some tunnels，it verified that this method can obtain relatively better results，with much wider promotion and application prospects.

Keywords：Quantitative value of surrounding rock classification parameters；Rock hardness degree；Rock completeness degree；Resiliometer；Digital imaging technology

作者简介

吴秋军(1980—)，博士研究生，研究方向：隧道围岩稳定性及分级方法。

基金项目

中图分类号：U452.1+2

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.04.014

文章编号：1673-4874(2016)04-0046-04

收稿日期：2016-03-06

铁道部2009年重大研究计划项目(编号200 9G005)