CN111325482B - 一种大跨度地下洞库的围岩快速分级方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大跨度地下洞库的围岩快速分级方法，包括以下步骤：获取地下洞库的开挖断面尺寸数据；获取地质勘察过程中对地下洞库进行的围岩分级及其[BQ]y；对开挖断面进行地质素描并分区，对断面分区分别进行围岩BQ值计算；Kv、Rc应对洞库跨度进行修正；对地下水状态、结构面产状及初始地应力进行的修正，计算[BQ]xz；断面各分区的[BQ]xz结合[BQ]y，求其算术平均值，进行综合围岩分级，得到地下洞库的三维围岩分级，再对基本围岩分级进行细分，划分亚级。本发明考虑超大跨度地下洞库尺寸效应对岩石抗压强度以及完整程度的影响，从而对现有国标围岩分级标准进行了修正，使围岩分级更加准确，施工更加安全。

Description

一种大跨度地下洞库的围岩快速分级方法
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，特别涉及一种大跨度地下洞库的围岩快速分级方法。
背景技术
围岩质量分级是岩土工程建设过程中必不可少的重要环节，现阶段国内外对围岩质量的分级标准均以围岩强度和围岩完整性为基础，在考虑地应力、地下水、结构面产状等多方面影响因素的情况下，通过定量及定性两个角度综合对围岩进行评价，这些分级方法使用较为广泛，能满足绝大多数小跨度(单跨＜15m)地下工程的工程建设需要。
随着现代公共和国防基础设施建设的，地下工程中超大跨洞室(跨度≥30m)的工程越来越多，而传统的围岩分级标准均未考虑超大跨度的影响，与小跨度地下工程相比，在同样的地质条件下，大跨度工程经常遇到同一断面跨越多种围岩级别、多个节理裂隙区等情况，若仍按现有围岩划分方法开展大跨度地下工程建设，极易造成工程事故。
因此，在超大跨地下工程的建设过程中，急需对现有围岩分级标准细化、调整，提高超大跨度地下工程围岩分级的准确性。
发明内容
本发明所要解决的问题主要针对现有围岩质量分级方法在超大跨地下工程建设中的局限性，在国内常用的工程岩体分级标准BQ法的基础上，提供一种新的调整方法，使其适用于所有单跨跨度大于15m的地下洞库。
本发明采用的技术方案是：一种大跨度地下洞库的围岩快速分级方法，包括以下步骤：
a.获取地下洞库的开挖断面尺寸数据，包括跨度B，矢高H等；
b.获取地质勘察过程中对地下洞库进行的围岩分级及其BQ值，即[BQ]y，即传统的隧道走向上的一维(y方向)分级；
c.根据实际情况对开挖断面进行地质素描，并对断面进行分区，分区依据具体包括：岩性、风化程度、节理条数、地下水发育情况等，对断面分区分别进行围岩BQ值计算，其中BQ＝90+3Rc+250Kv，式中Kv为围岩完整性系数，是指岩体纵波波速与岩块纵波波速比值的平方(单位：km/s)即：
Figure BDA0002413588510000021
如无实测值时，可根据岩体体积节理数Jv对照表1确定，Jv是指每立方米范围内的节理条数，
表1 Jv与Kv对照表
J<sub>v</sub>/条/m<sup>3</sup> ＜3 3～10 10～20 20～35 ＞35
K<sub>v</sub> ＞0.75 0.75～0.55 0.55～0.35 0.35～0.15 ＜0.15
完整程度 完整 较完整 较破碎 破碎 极破碎
Rc为岩石单轴饱和抗压强度，Rc有实测值时，则按实测值取值；如无实测值时，可采用岩石点荷载强度指数换算，公式为：
Figure BDA0002413588510000022
Is(50)与Rc以及岩石坚硬程度定性值对应关系表见表2，
表2 Is(50)与Rc对照表
I<sub>s(50)</sub>/MPa ＞3.63 1.44～3.63 0.57～1.44 0.13～0.57 ＜0.13
R<sub>c</sub>/MPa ＞60 30～60 15～30 5～15 ＜5
定性值 坚硬岩 较坚硬岩 较软岩 软岩 极软岩
d.在大跨度地下洞库中，Kv应对洞库跨度进行修正，具体方法为：计算断面分区内相对节理(裂隙)间距D，确定Kv’值，D为节理(裂隙)间距d与断面跨度B的比值：
Figure BDA0002413588510000031
其中di是指断面每分区范围内单组节理(裂隙)的间距；
根据D值对照表3确定其Kv’值，
表3 D与Kv’对照表
D/m ＞5 1～5 0.2～1 0.05～0.2 ＜0.05
K<sub>v</sub>’ ＞0.75 0.75～0.55 0.55～0.35 0.35～0.15 ＜0.15
e.在大跨度地下洞库中，Rc应对洞库跨度进行相应的折减，其折减方法为：根据步骤e所求得D值和Kv’值，按照公式Rc’＝Rc·Kv’计算抗压强度的修正值；
f.使用步骤d和步骤e的Rc’及Kv’计算断面各分区的围岩BQ值；
g.依据公式[BQ]＝BQ-100(K1+K2+K3)计算[BQ]，式中K1、K2、K3分别为对地下水状态、结构面产状及初始地应力进行的修正；
K1修正系数由表4确定，
表4 K1修正值对照表
Figure BDA0002413588510000032
K2修正系数由表5确定，
表5 K2修正值对照表
Figure BDA0002413588510000033
K2修正值中结构面走向与洞轴线夹角是指结构面走向与各方向(x、y、z)正向的夹角，
K3修正系数由表6确定，
表6 K3修正值对照表
Figure BDA0002413588510000041
h.根据步骤g中所求得断面各分区的[BQ]，即[BQ]xz，结合步骤b中的[BQ]y，求其算术平均值，得到
Figure BDA0002413588510000042
作为该段的综合围岩分级，分级标准对照表7；并对基本围岩分级进行细化，划分亚级，对照表8得到地下洞库的三维围岩分级；
表7围岩基本分级标准
Figure BDA0002413588510000043
表8围岩基本分级细分标准
Figure BDA0002413588510000044
Figure BDA0002413588510000051
i.利用地下洞库三维围岩分级，指导设计、施工及运营期间的维保。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
1.本发明考虑超大跨度地下洞库尺寸效应对岩石抗压强度以及完整程度的影响，从而对现有国标围岩分级标准进行了修正，使围岩分级更加准确，施工更加安全；
2.本发明在传统纵向围岩分级的基础上，综合考虑横向上的分级，使传统的一维分级变为三维，不仅更为直观，而且更符合工程实际情况。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为传统围岩分级图；
图3为本发明的三维围岩分级示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
一种大跨度地下洞库的围岩快速分级方法，包括以下步骤：
a.获取地下洞库的开挖断面尺寸数据，包括跨度B，矢高H等；
b.获取地质勘察过程中对地下洞库进行的围岩分级及其BQ值，即[BQ]y，即传统的隧道走向上的一维(y方向)分级；
c.根据实际情况对开挖断面进行地质素描，并对断面进行分区，分区依据具体包括：岩性、风化程度、节理条数、地下水发育情况等，对断面分区分别进行围岩BQ值计算，其中BQ＝90+3Rc+250Kv，式中Kv为围岩完整性系数，是指岩体纵波波速与岩块纵波波速比值的平方(单位：km/s)即：
Figure BDA0002413588510000061
如无实测值时，可根据岩体体积节理数Jv对照表1确定，Jv是指每立方米范围内的节理条数，
表1 Jv与Kv对照表
J<sub>v</sub>/条/m<sup>3</sup> ＜3 3～10 10～20 20～35 ＞35
K<sub>v</sub> ＞0.75 0.75～0.55 0.55～0.35 0.35～0.15 ＜0.15
完整程度 完整 较完整 较破碎 破碎 极破碎
Rc为岩石单轴饱和抗压强度，Rc有实测值时，则按实测值取值；如无实测值时，可采用岩石点荷载强度指数换算，公式为：
Figure BDA0002413588510000062
Is(50)与Rc以及岩石坚硬程度定性值对应关系表见表2，
表2 Is(50)与Rc对照表
I<sub>s(50)</sub>/MPa ＞3.63 1.44～3.63 0.57～1.44 0.13～0.57 ＜0.13
R<sub>c</sub>/MPa ＞60 30～60 15～30 5～15 ＜5
定性值 坚硬岩 较坚硬岩 较软岩 软岩 极软岩
d.在大跨度地下洞库中，Kv应对洞库跨度进行修正，具体方法为：计算断面分区内相对节理(裂隙)间距D，确定Kv’值，D为节理(裂隙)间距d与断面跨度B的比值：
Figure BDA0002413588510000063
其中di是指断面每分区范围内单组节理(裂隙)的间距；
根据D值对照表3确定其Kv’值，
表3 D与Kv’对照表
D/m ＞5 1～5 0.2～1 0.05～0.2 ＜0.05
K<sub>v</sub>’ ＞0.75 0.75～0.55 0.55～0.35 0.35～0.15 ＜0.15
e.在大跨度地下洞库中，Rc应对洞库跨度进行相应的折减，其折减方法为：根据步骤e所求得D值和Kv’值，按照公式Rc＝Rc·Kv’计算抗压强度的修正值；
f.使用步骤d和步骤e的Rc’及Kv’计算断面各分区的围岩BQ值；
g.依据公式[BQ]＝BQ-100(K1+K2+K3)计算[BQ]，式中K1、K2、K3分别为对地下水状态、结构面产状及初始地应力进行的修正；
K1修正系数由表4确定，
表4 K1修正值对照表
Figure BDA0002413588510000071
K2修正系数由表5确定，
表5 K2修正值对照表
Figure BDA0002413588510000072
K2修正值中结构面走向与洞轴线夹角是指结构面走向与各方向(x、y、z)正向的夹角，
K3修正系数由表6确定，
表6 K3修正值对照表
Figure BDA0002413588510000081
h.根据步骤g中所求得断面各分区的[BQ]，即[BQ]xz，结合步骤b中的[BQ]y，求其算术平均值，得到
Figure BDA0002413588510000082
作为该段的综合围岩分级，分级标准对照表7；并对基本围岩分级进行细化，划分亚级，对照表8得到地下洞库的三维围岩分级；
表7围岩基本分级标准
Figure BDA0002413588510000083
表8围岩基本分级标准细化
Figure BDA0002413588510000084
Figure BDA0002413588510000091
利用地下洞库三维围岩分级，指导设计、施工及运营期间的维保。
以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。

Claims (7)

1.一种大跨度地下洞库的围岩快速分级方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.获取地下洞库的开挖断面尺寸数据；
b. 获取地质勘察过程中对地下洞库进行的围岩分级及其BQ值，即[BQ]y；
c.对开挖断面进行地质素描，并对断面进行分区，对断面分区分别进行围岩BQ值计算，其中BQ=90+3Rc+250Kv，式中Kv为围岩完整性系数， Rc为岩石单轴饱和抗压强度；
d. Kv应对洞库跨度进行修正，具体方法为：计算断面分区内相对节理间距D，确定Kv ’值；
步骤d中，根据D值对照表3确定其Kv ’值，
表3 D与Kv ’对照表
Figure DEST_PATH_IMAGE002
D为节理间距d与断面跨度B的比值：
Figure 48916DEST_PATH_IMAGE003
其中di是指断面每分区范围内单组节理的间距；
e. Rc应对洞库跨度进行折减，其折减方法为：根据步骤d所求得D值和Kv’值，按照公式Rc ’=Rc·Kv ’计算抗压强度的修正值；
f. 使用步骤d和步骤e的Rc ’及Kv ’计算断面各分区的围岩BQ值；
g.依据公式[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)计算[BQ]，式中K1、K2、K3分别为对地下水状态、结构面产状及初始地应力进行的修正；
h.根据步骤g中所求得断面各分区的[BQ]，即[BQ]xz,结合步骤b中的[BQ]y，求其算术平均值
Figure 231636DEST_PATH_IMAGE004
，作为综合围岩分级；并对基本围岩分级进行细化，划分亚级，得到地下洞库的三维围岩分级；
i.利用地下洞库三维围岩分级，指导设计、施工及运营期间的维保。
2.如权利要求1所述的大跨度地下洞库的围岩快速分级方法，其特征在于：步骤c中Kv为围岩完整性系数，是指岩体纵波波速与岩块纵波波速比值的平方，单位:km/s，即：
Figure 542531DEST_PATH_IMAGE005
如无实测值时，可根据岩体体积节理数Jv对照表1确定，
表1 Jv与Kv对照表
Figure DEST_PATH_IMAGE007A
Jv是指每立方米范围内的节理条数。
3.如权利要求1所述的大跨度地下洞库的围岩快速分级方法，其特征在于：步骤c中Rc为岩石单轴饱和抗压强度，如无实测值时，可采用岩石点荷载强度指数换算，公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
Is(50)与Rc以及岩石坚硬程度定性值对应关系表见表2，
表2 Is（50）与Rc对照表
Figure DEST_PATH_IMAGE010
Rc有实测值时，则按实测值取值。
4.如权利要求1所述的大跨度地下洞库的围岩快速分级方法，其特征在于：步骤g中K1修正系数由表4确定，
表4 K1修正值对照表
Figure DEST_PATH_IMAGE012
K1为对地下水状态进行的修正。
5.如权利要求1所述的大跨度地下洞库的围岩快速分级方法，其特征在于：步骤g中K2修正系数由表5确定，
表5 K2修正值对照表
结构面产状及其与洞轴线的组合关系 结构面走向与洞轴线夹角＜30°结构面倾角30°~75° 结构面走向与洞轴线夹角＞60°结构面倾角＞75° 其他组合 K<sub>2</sub> 0.4~0.6 0~0.2 0.2~0.4
K2修正值中结构面走向与洞轴线夹角是指结构面走向与各方向x、y、z正向的夹角，K2为对结构面产状进行的修正。
6.如权利要求1所述的大跨度地下洞库的围岩快速分级方法，其特征在于：步骤g中K3修正系数由表6确定，
表6 K3修正值对照表
初始应力 ＞550 550~451 450~351 350~251 ≤250 极高应力区 1.0 1.0 1.0~1.5 1.0~1.5 1.0 高应力区 0.5 0.5 0.5 0.5~1.0 0.5~1.0
K3为初始地应力进行的修正。
7.如权利要求1所述的大跨度地下洞库的围岩快速分级方法，其特征在于：步骤h中，综合围岩分级对照表7，
表7 围岩基本分级标准
基本质量级别 基本质量定性特征 基本质量指标（BQ） Ⅰ 坚硬岩，岩体完整 ≥550 Ⅱ 坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整 550～451 Ⅲ 坚硬岩，岩体较破碎；较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整 450～351 Ⅳ 坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，岩体较破碎~破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整~较破碎；软岩，岩体完整~较完整 350～251 Ⅴ 较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎~破碎；全部极软岩及全部极破碎岩 ≤250
对基本围岩分级标准进行细化，得到表8细化标准，
表8 围岩基本分级细分标准
Figure DEST_PATH_IMAGE014
得到大跨地下洞库三维围岩分级。
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