一种基于钻进速度获取隧道掌子面围岩全域强度的方法与流程

本发明涉及一种基于钻进速度获取隧道掌子面围岩全域强度的方法，属于隧道开挖技术领域。

背景技术：

隧道作为交通设施中一个主要的构筑物，在改善线路、节约占地面积、缩短线路里程等方面有着巨大的优势。随着我国经济高速发展，交通需求量剧增，隧道的建设数量越来越多，规模越来越大。由于隧道是在地表以下修建，隧道的勘察、设计和施工存在诸多不可预见因素，建设风险非常高。实际工程中，隧道的设计与施工一般以勘察资料为依据，勘察资料中表征围岩性质的重要参数之一是围岩抗压强度，由于钻探勘察的局限性，不能提供整条隧道围岩的强度参数。随着施工阶段隧道掌子面的不断揭露，发现围岩的岩性与设计阶段的岩性存在较大差异，导致隧道的设计结构与围岩岩性不相适应，设计结构等级过高，浪费材料，设计结构等级过低，不能满足隧道的安全性。因此，对施工阶段隧道掌子面围岩强度的定量分析至关重要。对于隧道掌子面围岩的强度，常规的方法仅用一个值来表征，但实际上围岩强度在掌子面的分布并不是均匀的，这种常规方法忽略了围岩的不均匀性。

因此，提供一种简便、准确的方法，以获取隧道掌子面围岩全域强度成为了亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种基于钻进速度获取隧道掌子面围岩全域强度的方法。该方法能够简便、准确地获取隧道掌子面围岩全域强度。而且不占用正常施工的作业时间，对掌子面的围岩强度的定性确定更全面，强度参数直接来源于隧道掌子面，更具直接性、客观性和合理性。

本发明的技术方案：一种基于钻进速度获取隧道掌子面围岩全域强度的方法，包括有以下步骤：

a.根据前期的隧道地质勘察报告和设计资料，按照围岩地质年代和岩性将隧道划分为不同区段；

b.对于处于同一地质年代和岩性的隧道区段，选取若干典型断面，在掌子面的不同位置采集围岩试样两份，记录试样所在位置并对其中一份试样进行点荷载试验，获取围岩的点荷载强度值r1i；

c.在采集试样的掌子面位置进行回弹测试，获得围岩的强度r2i；

d.将步骤b中采集的另一份围岩试样加工成标准试样后进行室内单轴压缩试验，获取围岩的单轴抗压强度r3i；

e.根据步骤b、步骤c和步骤d中获得的围岩强度值，通过工程类比法获得围岩综合强度rci；

f.测量取样位置的炮孔钻进速度vri；

g.通过最小二乘法拟合得到钻进速度vri与围岩综合强度rci的关系方程式；

h.测量其余炮孔的钻进速度vs，根据步骤g拟合得到的关系方程式，获得每个炮孔所在位置的围岩综合强度；

i.利用克里格插值法对步骤h取得的不同位置的围岩强度按照掌子面面积进行插值，可获得隧道整个掌子面的围岩强度分布，即掌子面围岩全域强度。

前述的基于钻进速度获取隧道掌子面围岩全域强度的方法中，对于隧道区段中的非典型断面，仍然根据步骤g建立的钻进速度vri与围岩综合强度rci的关系方程式，按照步骤i获得掌子面围岩的全域强度。

前述的基于钻进速度获取隧道掌子面围岩全域强度的方法中，对于钻进速度出现突变的掌子面，重新按照步骤b～g，修正钻进速度与综合强度之间的关系方程式。

前述的基于钻进速度获取隧道掌子面围岩全域强度的方法中，所述步骤b中,围岩试样由人工或机械在隧道掌子面采集，且均匀分布在隧道的上、中、下部，围岩试样采集过程中，每份围岩试样不少于12件。

前述的基于钻进速度获取隧道掌子面围岩全域强度的方法中，所述步骤c中,对围岩进行回弹强度测试的位置与步骤b中采集试样的位置为同一位置。

前述的基于钻进速度获取隧道掌子面围岩全域强度的方法中，所述步骤d中,用于单轴压缩试验的围岩试样与步骤b中用于点荷载试验的围岩试样来源于掌子面相同位置。

前述的基于钻进速度获取隧道掌子面围岩全域强度的方法中，所述步骤e中，围岩综合强度由下式计算：式中：表示各强度值的权重，其中单轴抗压强度r3i权重为0.5，点荷载强度r1i权重为0.3，回弹强度r2i权重为0.2。

前述的基于钻进速度获取隧道掌子面围岩全域强度的方法中，所述步骤g中，拟合得到的关系方程式为：rci＝a+bvri；

前述的基于钻进速度获取隧道掌子面围岩全域强度的方法中，所述非典型断面系指未选为典型断面的其他断面。

本发明的有益效果：目前，钻爆开挖是隧道掘进的主要方法之一。相关研究表明，炮孔的钻进速度与围岩的强度存在相关性，围岩强度高，钻进速度慢，围岩强度低，钻进速度快。基于以上研究发现，我方提出了基于钻进速度获取隧道掌子面围岩全域强度的方法，该方法利用炮孔钻进速度与围岩强度两者之间的这种相关性，可以直接快速、客观实时获得围岩的强度参数。在炮孔施工过程中，每钻进一个炮孔，就获得一个钻进速度，通过公式计算对应得到一个强度参数，利用克里格等插值法对不同位置的围岩强度按照掌子面面积进行插值，可获得隧道围岩强度在整个掌子面的分布，即获得隧道掌子面围岩全域强度。这不仅为隧道的光面爆破和支护结构优化设计提供可靠的依据，而且为进一步科学研究炮孔钻进速度与围岩强度之间的关系提供大量可靠有效的基础数据。

本方法实施过程中，不占用正常施工作业时间，即与施工同步；每钻进一个炮孔就有一组数据，数据较多，对掌子面的围岩强度的定性更全面；围岩强度参数直接来源于隧道掌子面，更具直接性、客观性和合理性。

附图说明

附图1为本发明的施工流程图；

附图2为隧道区段划分示意图；

附图3为隧道掌子面采集试样示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

本发明的实施例：一种基于钻进速度获取隧道掌子面围岩全域强度的方法，如附图1-3所示，包括有以下步骤：

a.根据前期的隧道地质勘察报告和设计资料，按照围岩地质年代和岩性将隧道划分为不同区段。如图2所示，以隧道穿越的地层为分界，a1段和a2段位于同一地层，即志留系中统中风化泥岩；ab1段和ab2段位于志留系中统中风化泥岩和二叠系下统中风化灰岩的交接处；b1段位于二叠系下统中风化灰岩地层内；c1段和c2段位于断层处；d1段和e1段分别位于奥陶系下统强风化白云岩地层和二叠系下统中风化灰岩地层内。

b.对于处于同一地质年代和岩性的隧道区段，选取若干典型断面，在掌子面的不同位置采集围岩试样两份，记录试样所在位置并对其中一份试样进行点荷载试验，获取围岩的点荷载强度值r1i。围岩试样由人工或机械在隧道掌子面采集，且均匀分布在隧道掌子面的上、中、下部，尽量保证试样的原始状态。主要是确保试验测得的数据更符合实际且有代表性，能代表掌子面的围岩强度。围岩试样采集过程中，每份围岩试样不少于12件。如图3所示，将整个隧道掌子面分为上、中、下部，而中部又分为2个区域，则共计4个区域，而每个区域选取左、中、右3个点，则4个区域共计12个点，基本能较完整地覆盖整个隧道掌子面，通过对这12个点进行强度测试，基本能够表征所处隧道掌子面的围岩全域强度。选取的12点中每个点采集的试样为2个，并将试样和试样所采集位置进行编号，如1a、1b，2a、2b……，每组取1个试样进行点荷载试验，获取围岩的点荷载强度值r1i。下标“i”表示所选取的试样位置。

c.在采集试样的掌子面位置进行回弹测试，获得围岩的强度r2i。对围岩进行回弹强度测试的位置与步骤b中采集试样的位置应为同一位置。

d.将步骤b中采集的另一份围岩试样加工成标准试样后进行室内单轴压缩试验，获取围岩的单轴抗压强度r3i。用于单轴压缩试验的围岩试样与步骤b中用于点荷载试验的围岩试样来源于掌子面相同位置。

步骤b、c和d中，回弹强度、点荷载强度、室内单轴压缩强度测试为同一个地方，这样可以使修正后获得的综合强度更合理可靠。

e.根据步骤b、步骤c和步骤d中获得的3个围岩强度值，3通过工程类比法获得围岩综合强度rci。围岩综合强度由下式计算：式中：表示各强度值的权重，其中单轴抗压强度r3i权重为0.5，点荷载强度r1i权重为0.3，回弹强度r2i权重为0.2。

f.测量取样位置的炮孔钻进速度vri；

g.通过最小二乘法(但不限于最小二乘法)拟合得到钻进速度vri与围岩综合强度rci的关系方程式。拟合得到的关系方程式为：rci＝a+bvri；

h.通过步骤e可以计算得到多个点的围岩综合强度rci，而通过步骤f可以计算得到多个点的炮孔钻进速度vri，将多个点的2个值代入步骤g的关系方程式中，即可计算得到a和b的值，从而拟合得到钻进速度vri与围岩综合强度rci之间的关系方程式。然后测量其余炮孔的钻进速度vs，将vs代入步骤g拟合得到的关系方程式中，即可计算得到每个炮孔所在位置的围岩综合强度rci。

i.利用克里格插值法对步骤h取得的不同位置的围岩强度按照掌子面面积进行插值，可获得隧道整个掌子面的围岩强度分布，即掌子面围岩全域强度。

对于隧道区段中的非典型断面，仍然根据步骤g建立的钻进速度vri与围岩综合强度rci的关系方程式，按照步骤i获得掌子面围岩的全域强度。非典型断面系指未选为典型断面的其他断面。像图2中划分的区段，在一个区段内选取典型断面，其余的断面就属于非典型断面。同一个区段内的围岩特性相同或者相近，故选取典型断面建立的关系方程式也适用于非典型断面。

对于钻进速度出现突变的掌子面，需要重新按照步骤b～g，修正钻进速度与综合强度之间的关系方程式，既是要重新修订关系方程式中a和b的值。