一种勘察设计阶段隧道围岩大变形分级方法与流程

本发明涉及岩体工程技术领域，特别是涉及一种勘察设计阶段隧道围岩大变形分级方法。

背景技术：

围岩大变形是地下工程开挖面周边的岩体在工程扰动应力及膨胀应力作用下形成显著的变形并超过工程设计允许值的一种现象。高应力挤压作用下的围岩大变形通常具有变形量大、变形速率高、持续时间长、支护破坏形式多样、围岩破坏范围大等特点，对隧道的正常施工和运营会造成较大的人身安全威胁和经济损失。

当前我国的基础设施建设，特别是铁路、公路、水电等领域步入了迅猛的发展期。特别是在我国西部山岭地区，这些基础设施建设所伴随的地下岩体工程环境将更为复杂。在一些深埋高应力、软弱破碎岩体、断层破碎带、板块活动强烈等不良地质环境下，诱发围岩大变形工程灾害的几率将会大大增加。因而在勘察设计阶段对岩体大变形灾害及等级的评估显得尤为重要。这将会对地下隧洞的选线、设计和施工提供重要的参考依据，直接影响到工程造价及项目的顺利开展。

目前对隧道围岩大变形的分级仍然无统一标准，分级方案多按单一指标分为3级或5级，而分级指标多为强度应力比或其等效形式，过于简单。其中，申请号为201811170774.3、201810245461.3、201810228740.9的发明专利申请分别提出了三种围岩大变形的判别方法，但其均为施工期间的评估且判别指标较为单一，故其对勘察设计阶段围岩大变形的评估及分级指导意义有限。一方面，在实际勘察设计阶段岩土体原位参数及地应力极难准确获取，按现有普遍应用的强度应力比分级标准很难操作且可靠性不高，随意性较大。另一方面，经研究发现，围岩大变形灾害的发生与岩性及岩体完整性、地应力和断层等因素密切相关，同时也受到了地下水发育情况、岩层走向与隧道轴线夹角及岩层倾角等因素的重要影响，现有的隧道围岩大变形分级方法未考虑到影响围岩大变形的重要因素如地下水、岩层产状等因素，从而分级准确度较低。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种勘察设计阶段隧道围岩大变形分级方法，能够在勘察设计阶段对围岩大变形灾害的风险等级进行评估，且指标选取较为全面、易于获取，提高了分级准确度。

本发明的技术方案为：

一种勘察设计阶段隧道围岩大变形分级方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：将围岩大变形等级分为n个等级；

步骤2：获取隧址区的最大主应力σ；

步骤3：获取隧址区的岩性及岩体完整性资料；

步骤4：获取隧址区的活动断层资料{a,l,d}；其中，a∈{0,1}，a＝0代表隧址区不存在活动断层，a＝1代表隧址区存在活动断层，l、d分别为活动断层的延展长度、宽度；

步骤5：结合隧址区的最大主应力σ、岩性及岩体完整性资料，对隧址区的围岩大变形的等级进行一次初评，得到隧址区的围岩大变形一次初评等级r11；

步骤6：若a＝1，结合隧址区的最大主应力σ、活动断层资料{a,l,d}，对隧址区的围岩大变形的等级进行二次初评，得到隧址区的围岩大变形二次初评等级r12，计算隧址区的围岩大变形初评等级为r1＝max{r11,r12}；若a＝0，计算隧址区的围岩大变形初评等级为r1＝r11；

步骤7：获取隧址区的地下水情况资料；

步骤8：获取隧址区的岩层走向与隧道轴线夹角α、岩层倾角β；

步骤9：结合隧址区的地下水情况资料、岩层走向与隧道轴线夹角α、岩层倾角β，计算等级修正参数m；

步骤10：利用等级修正参数m对隧址区的围岩大变形初评等级r1进行修正，得到隧址区的围岩大变形修正等级r2。

所述步骤1中，将围岩大变形等级分为n个等级包括：将围岩大变形等级r分为0、i、ii、iii四个等级；其中，等级0代表不发生大变形，等级i、ii、iii代表发生大变形且严重程度依次加剧，r＝0代表ε≤3％，r＝i代表3％＜ε≤5％，r＝ii代表5％＜ε≤8％，r＝iii代表ε＞8％，ε为相对变形量，相对变形量为绝对变形量与隧道当量半径的比值。

所述步骤2中，获取隧址区的最大主应力σ包括：通过钻孔实测及地应力数值反演两种手段相结合的方法来获取隧址区的最大主应力σ，或在无实测资料时依据《中华人民共和国行业标准:工程岩体分级标准》(gb/t50218-2014)估算隧址区的最大主应力σ。

所述步骤3中，获取隧址区的岩性及岩体完整性资料包括：根据《中华人民共和国行业标准:工程岩体分级标准》(gb/t50218-2014)将岩性分为{较坚硬，坚硬，较软，软，极软}五个级别、将岩体完整性分为{较破碎，破碎，较完整，完整}四个级别，通过室内试验和钻孔岩芯质量评价获取隧址区的岩性及岩体完整性资料。

所述步骤5中，结合隧址区的最大主应力σ、岩性及岩体完整性资料，对隧址区的围岩大变形的等级进行一次初评，包括：

当σ＜5mpa时，r11＝0；

当5mpa＜σ≤15mpa时，若岩性为较坚硬或坚硬且岩体完整性为较破碎或破碎则r11＝0，若岩性为较软或软且岩体完整性为较完整或完整则r11＝0，若岩性为较软或软或极软且岩体完整性为较破碎或破碎则r11＝i；

当15mpa＜σ≤25mpa时，若岩性为较坚硬或坚硬且岩体完整性为较破碎或破碎则r11＝0，若岩性为较软或软且岩体完整性为较完整或完整则r11＝i，若岩性为较软或软或极软且岩体完整性为较破碎或破碎则r11＝ii；

当σ＞25mpa时，若岩性为较坚硬或坚硬且岩体完整性为较破碎或破碎则r11＝i，若岩性为较软或软且岩体完整性为较完整或完整则r11＝ii，若岩性为较软或软或极软且岩体完整性为较破碎或破碎则r11＝iii。

所述步骤6中，若a＝1，结合隧址区的最大主应力σ、活动断层资料{a,l,d}，对隧址区的围岩大变形的等级进行二次初评，包括：

当σ＜5mpa时，若l≤1000m且d≤1m则r12＝i，若1000m＜l≤10km且1m＜d≤5m则r12＝i，若l＞10km且d＞5m则r12＝ii；

当5mpa＜σ≤15mpa时，若l≤1000m且d≤1m则r12＝i，若1000m＜l≤10km且1m＜d≤5m则r12＝ii，若l＞10km且d＞5m则r12＝iii；

当15mpa＜σ≤25mpa时，若l≤1000m且d≤1m则r12＝i，若1000m＜l≤10km且1m＜d≤5m则r12＝iii，若l＞10km且d＞5m则r12＝iii；

当σ＞25mpa时，若l≤1000m且d≤1m则r12＝ii，若1000m＜l≤10km且1m＜d≤5m则r12＝iii，若l＞10km且l＞10km则r12＝iii。

所述步骤9中，结合隧址区的地下水情况资料、岩层走向与隧道轴线夹角α、岩层倾角β，计算等级修正参数m，包括：

当α＞60°且地下水情况为干燥时，若0≤β≤30°则m＝1，若30°＜β≤75°则m＝0，若75°＜β≤90°则m＝0；

当α＞60°且地下水情况为潮湿或点滴状出水时，若0≤β≤30°则m＝0，若30°＜β≤75°则m＝1，若75°＜β≤90°则m＝1；

当α＞60°且地下水情况为淋雨或涌流状出水时，若0≤β≤30°则m＝1，若30°＜β≤75°则m＝2，若75°＜β≤90°则m＝2；

当30°≤α≤60°且地下水情况为干燥时，若0≤β≤30°则m＝1，若30°＜β≤75°则m＝1，若75°＜β≤90°则m＝0；

当30°≤α≤60°且地下水情况为潮湿或点滴状出水时，若0≤β≤30°则m＝1，若30°＜β≤75°则m＝2，若75°＜β≤90°则m＝1；

当30°≤α≤60°且地下水情况为淋雨或涌流状出水时，若0≤β≤30°则m＝2，若30°＜β≤75°则m＝3，若75°＜β≤90°则m＝3；

当α＜30°且地下水情况为干燥时，若0≤β≤30°则m＝1，若30°＜β≤75°则m＝2，若75°＜β≤90°则m＝1；

当α＜30°且地下水情况为潮湿或点滴状出水时，若0≤β≤30°则m＝1，若30°＜β≤75°则m＝3，若75°＜β≤90°则m＝2；

当α＜30°且地下水情况为淋雨或涌流状出水时，若0≤β≤30°则m＝3，若30°＜β≤75°则m＝4，若75°＜β≤90°则m＝4。

所述步骤10中，利用等级修正参数m对隧址区的围岩大变形初评等级r1进行修正，包括：

当m＝0时，r2＝r1；

当m＝1时，

当m＝2时，

当m＝3时，

当m＝4时，

本发明的有益效果为：

本发明结合隧址区的最大主应力、岩性及岩体完整性资料、活动断层资料对隧址区的围岩大变形的等级进行初评，结合隧址区的地下水情况资料、岩层走向与隧道轴线夹角、岩层倾角计算等级修正参数，并利用等级修正参数对隧址区的围岩大变形初评等级进行修正，能够在勘察设计阶段对围岩大变形灾害的风险等级进行评估，且指标选取较为全面、易于获取，提高了分级准确度。

附图说明

图1为本发明的勘察设计阶段隧道围岩大变形分级方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。

如图1所示，发明的勘察设计阶段隧道围岩大变形分级方法，包括下述步骤：

步骤1：将围岩大变形等级分为n个等级。

本实施例中，将围岩大变形等级分为n个等级包括：将围岩大变形等级r分为0、i、ii、iii四个等级；其中，等级0代表不发生大变形，等级i、ii、iii代表发生大变形且严重程度依次加剧，r＝0代表ε≤3％，r＝i代表3％＜ε≤5％，r＝ii代表5％＜ε≤8％，r＝iii代表ε＞8％，ε为相对变形量，相对变形量为绝对变形量与隧道当量半径的比值。各等级代表的特征如下表1所示。

表1

步骤2：获取隧址区的最大主应力σ。

所述步骤2中，获取隧址区的最大主应力σ包括：通过钻孔实测及地应力数值反演两种手段相结合的方法来获取隧址区的最大主应力σ，或在无实测资料时依据《中华人民共和国行业标准:工程岩体分级标准》(gb/t50218-2014)估算隧址区的最大主应力σ。本实施例中，通过钻孔实测及地应力数值反演两种手段相结合的方法来获取隧址区的最大主应力σ。

步骤3：获取隧址区的岩性及岩体完整性资料。

所述步骤3中，获取隧址区的岩性及岩体完整性资料包括：根据《中华人民共和国行业标准:工程岩体分级标准》(gb/t50218-2014)将岩性分为{较坚硬，坚硬，较软，软，极软}五个级别、将岩体完整性分为{较破碎，破碎，较完整，完整}四个级别，通过室内试验和钻孔岩芯质量评价获取隧址区的岩性及岩体完整性资料。

步骤4：获取隧址区的活动断层资料{a,l,d}；其中，a∈{0,1}，a＝0代表隧址区不存在活动断层，a＝1代表隧址区存在活动断层，l、d分别为活动断层的延展长度、宽度。

步骤5：结合隧址区的最大主应力σ、岩性及岩体完整性资料，对隧址区的围岩大变形的等级进行一次初评，得到隧址区的围岩大变形一次初评等级r11；

步骤6：若a＝1，结合隧址区的最大主应力σ、活动断层资料{a,l,d}，对隧址区的围岩大变形的等级进行二次初评，得到隧址区的围岩大变形二次初评等级r12，计算隧址区的围岩大变形初评等级为r1＝max{r11,r12}；若a＝0，计算隧址区的围岩大变形初评等级为r1＝r11。

本实施例中，依据表2对隧址区的围岩大变形进行初评。

表2

其中，所述步骤5中，结合隧址区的最大主应力σ、岩性及岩体完整性资料，对隧址区的围岩大变形的等级进行一次初评，包括：

当σ＜5mpa时，r11＝0；

当5mpa＜σ≤15mpa时，若岩性为较坚硬或坚硬且岩体完整性为较破碎或破碎则r11＝0，若岩性为较软或软且岩体完整性为较完整或完整则r11＝0，若岩性为较软或软或极软且岩体完整性为较破碎或破碎则r11＝i；

当15mpa＜σ≤25mpa时，若岩性为较坚硬或坚硬且岩体完整性为较破碎或破碎则r11＝0，若岩性为较软或软且岩体完整性为较完整或完整则r11＝i，若岩性为较软或软或极软且岩体完整性为较破碎或破碎则r11＝ii；

当σ＞25mpa时，若岩性为较坚硬或坚硬且岩体完整性为较破碎或破碎则r11＝i，若岩性为较软或软且岩体完整性为较完整或完整则r11＝ii，若岩性为较软或软或极软且岩体完整性为较破碎或破碎则r11＝iii。

所述步骤6中，若a＝1，结合隧址区的最大主应力σ、活动断层资料{a,l,d}，对隧址区的围岩大变形的等级进行二次初评，包括：

当σ＜5mpa时，若l≤1000m且d≤1m则r12＝i，若1000m＜l≤10km且1m＜d≤5m则r12＝i，若l＞10km且d＞5m则r12＝ii；

当5mpa＜σ≤15mpa时，若l≤1000m且d≤1m则r12＝i，若1000m＜l≤10km且1m＜d≤5m则r12＝ii，若l＞10km且d＞5m则r12＝iii；

当15mpa＜σ≤25mpa时，若l≤1000m且d≤1m则r12＝i，若1000m＜l≤10km且1m＜d≤5m则r12＝iii，若l＞10km且d＞5m则r12＝iii；

当σ＞25mpa时，若l≤1000m且d≤1m则r12＝ii，若1000m＜l≤10km且1m＜d≤5m则r12＝iii，若l＞10km且l＞10km则r12＝iii。

步骤7：获取隧址区的地下水情况资料；

步骤8：获取隧址区的岩层走向与隧道轴线夹角α、岩层倾角β；

步骤9：如表3所示，结合隧址区的地下水情况资料、岩层走向与隧道轴线夹角α、岩层倾角β，计算等级修正参数m；

步骤10：利用等级修正参数m对隧址区的围岩大变形初评等级r1进行修正，得到隧址区的围岩大变形修正等级r2。

本实施例中，所述步骤9中，结合隧址区的地下水情况资料、岩层走向与隧道轴线夹角α、岩层倾角β，计算等级修正参数m，包括：

当α＞60°且地下水情况为干燥时，若0≤β≤30°则m＝1，若30°＜β≤75°则m＝0，若75°＜β≤90°则m＝0；

当α＞60°且地下水情况为潮湿或点滴状出水时，若0≤β≤30°则m＝0，若30°＜β≤75°则m＝1，若75°＜β≤90°则m＝1；

当α＞60°且地下水情况为淋雨或涌流状出水时，若0≤β≤30°则m＝1，若30°＜β≤75°则m＝2，若75°＜β≤90°则m＝2；

当30°≤α≤60°且地下水情况为干燥时，若0≤β≤30°则m＝1，若30°＜β≤75°则m＝1，若75°＜β≤90°则m＝0；

当30°≤α≤60°且地下水情况为潮湿或点滴状出水时，若0≤β≤30°则m＝1，若30°＜β≤75°则m＝2，若75°＜β≤90°则m＝1；

当30°≤α≤60°且地下水情况为淋雨或涌流状出水时，若0≤β≤30°则m＝2，若30°＜β≤75°则m＝3，若75°＜β≤90°则m＝3；

当α＜30°且地下水情况为干燥时，若0≤β≤30°则m＝1，若30°＜β≤75°则m＝2，若75°＜β≤90°则m＝1；

当α＜30°且地下水情况为潮湿或点滴状出水时，若0≤β≤30°则m＝1，若30°＜β≤75°则m＝3，若75°＜β≤90°则m＝2；

当α＜30°且地下水情况为淋雨或涌流状出水时，若0≤β≤30°则m＝3，若30°＜β≤75°则m＝4，若75°＜β≤90°则m＝4。

表3

其中，表3中，“0”代表保持表2中大变形的等级不变；“1”表示将表2中不发生大变形的情况调整为“i”级大变形；“2”表示将表2中不发生大变形的情况调整为“i”级大变形，将表2中“i”级大变形调整为“ii”级大变形；“3”表示将表2中不发生大变形的情况调整为“i”级大变形，将表2中“i”级大变形调整为“ii”级大变形，将表2中“ii”级大变形调整为“iii”级大变形；“4”表示将表2中不发生大变形的情况调整为“ii”级大变形，将表2中“i”级大变形调整为“iii”级大变形，将表2中“ii”级大变形调整为“iii”级大变形。具体地，利用等级修正参数m对隧址区的围岩大变形初评等级r1进行修正，包括：

当m＝0时，r2＝r1；

当m＝1时，

当m＝2时，

当m＝3时，

当m＝4时，

显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。