极高地应力软岩稳定性指标优先级及多因素耦合分级_陈志敏.pdf

第 43卷第 1期2023年 2月防灾减灾工程学报Journal of Disaster Prevention and Mitigation EngineeringVol.43 No.1Feb.2023极高地应力软岩稳定性指标优先级及多因素耦合分级陈志敏1，唐帅尧1，李亚子2，龚军3，陈宇飞3，李增印3（1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中建八局轨道交通建设有限公司，江苏 南京 210046；3.中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458）摘要:极高地应力隧道工程设计施工除了考虑地质构造作用极其强烈以外，强度应力比、地下水、膨胀应力、结构面产状等因素对围岩稳定性的影响也必须考虑，同时隧道轴线与最大应力主方向夹角、隧道断面及面积、岩层厚度及倾角等因素也非常重要。以 工程岩体分级标准 为基础，提出一种极高地应力复杂软岩隧道围岩稳定性因素优先级分析思路，并采用熵权法形成多主因素耦合、次因素修正的围岩分级方法。现场实践表明分级结果与现场施工状态吻合较好，进一步对另两座隧道使用本方法进行验证。结果表明，现行规范中围岩分级因素和方法不适用极高地应力情况，且和影响因素优先级加多因素耦合修正 BQ 值的围岩分级方法结果相差 10%左右，原因是对极高地应力软岩稳定性影响因素考虑不全面。这种围岩稳定性分级方法具有较好的适用性，且耦合时使用熵权法原理使得结果更加偏向于定量计算，减少了人为因素干扰，结果更加客观真实。关键词:极高地应力；复杂软岩；熵权法；多因素耦合；围岩分级中图分类号:U45；X936 文献标识码:A 文章编号:16722132(2023)01007810Stability Index Priority and MultiFactor Coupling Classification Method for ExtremelyHigh InSitu Stress Soft RockCHEN Zhimin1，TANG Shuaiyao1，LI Yazi2，GONG Jun3，CHEN Yufei3，LI Zengyin3(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070，China；2.China Construction Eighth Bureau Rail Transit Construction Co.,Ltd.，Nanjing 210046，China；3.China Railway Tunnel Group Co.,Ltd.,Guangzhou 511458,China)Abstract:In the design and construction of tunnels with extremely high in-situ stress，it is essential to consider not only the geological structure and its strong effect，but also the influence of strength-stress ratio，groundwater，expansive stress，and the occurrence of structural planes on the stability of surrounding rock.At the same time，the angle between the tunnel axis and the three principal stress directions，the tunnel cross-section and area，and the thickness and dip angle of rock layer are also very important.Based on the Engineering Rock Grading Standard，an approach for prioritizing factors for analyzing the stability of the surrounding rock in complex soft rock tunnels with extremely-high in-situ stress is proposed.The entropy weight method is then used to establish a multi-principal factor couDOI：10.13409/ki.jdpme.20220616004收稿日期：2022-06-16；修回日期：2022-11-02基金项目：国家自然科学基金(12262018)、中央引导地方科技发展资金项目（22ZY1QA005）资助作者简介：陈志敏（1979），男，教授，博士。主要从事岩土与隧道工程方面的教学与科研工作。E-mail：通讯作者：唐帅尧（1998），男，硕士研究生。主要从事岩土与隧道方向研究。E-mail：78pling and sub-factor correction method for grading the surrounding rock.The results show that the factors and methods of surrounding rock classification in the current code are not suitable for extremely high ground stress，and the results of surrounding rock classification method with priority of influencing factors and multi-factor coupling correction BQ value yields results that differ by about 10%.This discrepancy is due to that the factors affecting the stability of soft rock with extremely high ground stress are not fully considered.This method of classifying the stability of the surrounding rock is highly applicable，and the use of the entropy method principle in the coupling process leads to more quantitative calculations，reducing the interference of human factors，and making the results more objective and realistic.Keywords:extremely-high in-situ stresses；complex soft rock；entropy weighting method；multi-factor coupling；classification of surrounding rock0 引 言近年来，随着我国西部隧道建设的越来越多，遇到的难题也随之变多，尤其高地应力软岩隧道的大变形现已经变成隧道行业研究的热门方向，这种隧道在施工过程中，需要对围岩进行分级从而保证施工安全、节约资金和后期运营维护方便等。对工程岩体进行分类与分级的目的是对各类岩体的承载力及稳定性做出评价，以指导建筑物的设计、施工及基础处理。围岩分级经过长时间的发展，研究人员陆续提出 RQD、RMR、Q 系统等适用于不同围岩条件的分级方法，加快了研究进程16。在我国，围岩分级主要采用国 BQ 法进行分级，适用于大部分的围岩，但在一些特殊的地质围岩环境中，其准确性和适用性将会大大降低。但因其简单可靠，故许多专家学者都在此分级基础上针对不同工程岩体进行修正，利用修正后的 BQ 值再进行围岩质量分级7。在极高地应力复杂软岩隧道进行围岩稳定性分级时，需要对影响因素进行主次分类。陈卫忠等8在研究岩体基本质量指标修正值 BQ 的挤压变形预测方法时优先考虑了隧道埋深、跨度、围岩强度应力比、地下水、岩体结构面等 5个为主要影响因素进行分级。余跃新9通过开展声波测试和室内岩石力学试验，分别对隧道群围岩的岩石力学性质和质量分级进行了研究。在层状岩体质量评价中，沙鹏等10采用 JaegerDonath 与 MogiCoulomb 强度准则提出结构面产状修正系数以及初始地应力状态修正系数的计算公式，修正 BQ 分级方法并对木寨岭铁路隧道层状围岩进行了岩体质量评价，且结果更为精确。张波11总结各类围岩分级方法的基础上综合选取岩石单轴饱和抗压强度、岩石完整性系数、岩体体积节理数、地下水、岩石质量指标 RQD、围岩弹性纵波速度等 6 个参数作为隧道围岩分级评价指标，运用熵权可拓物元理论及熵权云模型的数学解析方法对围岩分级。刘浩等7在对巷道围岩稳定性分级时依然采用工程岩体分级标准中的三个分级指标，采用加权平均法对系数取值进行修正，效果良好。故在研究不同地质环境时对影响因素进行增加或减少再进行适当处理，此种方法可行12，在极高地应力软岩膨胀岩分级工程中也可采用类似的方法进行围岩等级修正。由此可见，很多国内外学者在针对围岩分级方面已经做出了很多建设性的研究，给极高地应力软岩隧道围岩稳定性分级方面提供了理论及实践参考价值1316。但在这一研究方向上，还有些不足之处：一是所有研究并未形成一个被所有人接受和认可的方法，需要在不同的地质条件下进行不同的考虑；二是在前人的研究中，对于围岩稳定性的影响因素优先级判断主要通过工程师的经验进行判断，并未明确的进行规定；三是在已提出的围岩分级方法中并不完全适用极高地应力情况，只能提供参考借鉴。因此，本文通过在前人研究的基础上，针对以往研究的不足，结合围岩特征和变形数据分析影响极高地应力复杂软弱围岩稳定性的影响因素，用灰色关联法确定影响因素的主次关系，再以 BQ 分级方法为基础使用熵权法对围岩进行修正。结合隧道实例进行验证，其成果可以为极高地应力复杂软岩类隧道围岩分级提供科学依据和施工指导。791 高 地 应 力 软 岩 特 征 及 影 响 因 素分析1.1 极高地应力基本概念及分类地应力是指在人类活动影响前就存在于岩体中的应力。其成因可以分为板块挤压运动、地心引力、岩浆侵入、地温梯度、地表剥蚀等几种情况。根据引起因素的不同，可以分为构造应力、非构造应力和残余应力17。一般情况下，（极）高地应力隧道均是以构造应力为主，表现为测点水平应力大于其垂直应力。规范中规定，以强度应力比的大小判断围岩是否属于（极）高地应力。当数值小于 4 时，则属于极高地应力区；在 47 时，属于高地应力区。但在实际应用过程中，这种划分方法有时过于保守，根据具体情况可以适当进行调整。1.2 极高地应力复杂软岩隧道围岩变形及机理极高地应力复杂软岩隧道在开挖后，由于围岩自身软弱破碎且围岩的自稳能力弱，施工开挖后岩体不再是三轴应力稳定状态易受剪应力破坏，从而使围岩会发生大变形和位移，当支护结构上的支护力不足时会引起结构掉块、破裂等隧道病害。一般在隧道围岩变形过程中主要分为三步：围岩发生弹性变形时期；围岩弹性变形与塑性变形共存时期；变形的形式主要为蠕变并有一定的塑性变形，并且围岩处于断裂、挤出以及膨胀等多种形变形式共存的时期。1.3 极高地应力复杂软岩稳定性影响因素引起隧道围岩发生大变形的原因较多，且错综复杂，不易进行判断。通过前人1819的研究和总结，主要分为客观和主观因素。客观因素主要有：地下水、围岩结构面产状、岩层厚度和倾角、强度应力比、膨胀应力、隧道