CN104749642B - 一种判断隧道围岩类别的方法 - Google Patents

Abstract

一种判断隧道围岩类别的方法，涉及地质与地球物理领域，解决了隧道开挖前围岩类别的预测判断的问题，包括：采集待评估区域每一个剖面设点的瞬变电磁数据；将每个所述剖面设点的瞬变电磁数据与隧道的围岩岩性类别系数类比，确定每个所述剖面设点的围岩类别。在开挖过的隧道的围岩岩性类别数据和开挖隧道上方地面上进行瞬变电磁法测量数据之间，建立一种围岩级别与电磁数据相关系数；根据相关系数与隧道(待评估区域)设计线路的地面上的瞬变电磁数据的类比关系，确定出未开挖隧道线路的围岩级别，给设计和施工提供安全生的依据。

Description

一种判断隧道围岩类别的方法

技术领域

本发明涉及地质与地球物理领域，尤其涉及一种判断隧道围岩类别的方法。

背景技术

在我国很多高山峻岭地区，对于公路、铁路、水利隧道(洞)和地下工程的建设，都需要修建大量的隧道(隧洞)及地下工程(如图1所示)。上述工程隧道建设中将会遇到较为复杂的地质环境条件，如碳酸盐分布地区的岩溶、暗河、岩溶陷落柱，高地应力区的岩爆、煤系地层中的煤与瓦斯突出。复杂的地质构造及地下水突涌、塌方、大变形等地质灾害。准确判定未开挖隧道的围岩级别和类型，提供了解围岩的地质信息，对隧道安全施工具有重要的指导意义。

一般情况下，根据围岩的稳定性，可分为以下五类：1)I类：强稳定岩层。坚硬、完整、整体性强，不易风化；岩层间胶结好，无软弱夹岩、玄武岩、石英岩、石英质砂岩、奥陶纪石灰岩、茅口石灰岩等。2)II类：稳定岩层。比较坚硬，岩层胶结较好，裂隙面闭合无泥质充填物，如砂岩、石灰岩。3)III类：中等稳定岩层，中硬岩层。层状岩层以坚硬为主，夹有少数软岩层，较坚硬的块状岩层，如砂岩、砂质泥岩、粉砂岩、石灰岩等。4)IV类：弱稳定岩层，较软岩层。中硬层状岩层，中硬块状岩层，泥岩、胶结不好的砂岩、煤等。5)V类：不稳定岩层，高风化、潮解的松软岩层，如各类破碎岩层、泥岩、软质灰岩、破碎砂岩等。

为了了解待开挖隧道围岩及其稳定性，常规的方法是通过钻探和岩石分析的办法得到岩石的类别，即：首先在待开挖隧道上方地面上布设钻孔，取得岩芯，对岩芯进行稳定性质测试，从而根据它的稳定性、坚硬性等特性，得到围岩的类别；或者对隧道开挖后的岩石或者岩土进行采样，再进行稳定性分析。这种分析方法一般比较可靠，但是由于隧道开挖的时效性或者钻探的成本问题以及复杂地区钻探体的施工问题等，在实际工作都需要考虑。加上钻探工作的一孔之见，有时会使岩石稳定性信息不全。

发明内容

本发明要解决的技术问题隧道开挖前围岩类别的预测判断的问题，本发明提出一种判断隧道围岩类别的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种判断隧道围岩类别的方法，包括：

采集待评估区域每一个剖面设点的瞬变电磁数据；

将每个所述剖面设点的瞬变电磁数据与隧道的围岩岩性类别系数类比，确定每个所述剖面设点的围岩类别。

优选地，采集待评估区域每一个剖面设点的瞬变电磁数据包括：

在待评估区域的地面布设剖面设点，并在每一个所述剖面设点的测量坐标上进行瞬变电磁信号测量，获得待评估区域每一个剖面设点的视电阻率矩阵。

优选地，获得所述隧道的围岩岩性类别系数包括：

建立开挖隧道的围岩岩性类别数据与开挖隧道地面进行瞬变电磁信号测量获得的测量数据之间的对应关系，获得围岩类别与瞬变电磁数据的相关系数，根据所述相关系数确定隧道的围岩岩性类别系数。

优选地，获得待评估区域每一个剖面设点的视电阻率曲线包括：

采集每个所述剖面设点中心回线的瞬变电磁数据；

根据中心回线的视电阻率计算公式确定所述剖面设点的视电阻率：

所述中心回线的视电阻率计算公式为

其中，M是源发射磁矩，大小为发射电流与发射回线面积的乘积；q代表观测位置探头的有效接收面积，V(t)是测量的二次感应电压值，t是观测时间，μ₀为自由空间的磁导率。

优选地，获得所述隧道的围岩岩性类别系数包括：

在开挖隧道地面进行瞬变电磁信号测量，获得观测的感应电压值V(t)，并按中心回线的视电阻率计算公式计算对应的视电阻率值，针对每个开挖隧道剖面设点，根据所得到的视电阻率值形成开挖隧道视电阻率矩阵A；

对开挖隧道的围岩类别数据进行整理，形成围岩类别矩阵C；

建立如下的方程：

AX＝C

其中，A为开挖隧道视电阻率矩阵，C为所对应的围岩类别矩阵，X为围岩类别与电磁数据相关系数矩阵；

求解围岩类别与电磁数据相关系数矩阵X。

优选地，求解围岩类别与电磁数据相关系数矩阵X包括：

开挖隧道视电阻率矩阵A的元素与所对应的围岩类别矩阵C的元素之间对应非线性关系表示为：

10^C≈ρ^a h^b

其中，a，b是待定系数，ρ是根据中心回线的视电阻率计算公式计算获得的视电阻率，h是探测深度，探测深度由下式决定：

式中：

对所述非线性关系等式两边取对数，获得：

c≈a logρ+b log h

相应的围岩类别矩阵表示：C≈a logρ+b log H

把上式按泰勒级数公式展开成高阶多项式相加的形式：

C＝a₁logρ+a₂(logρ)²+a₃(logρ)³+b₁log H+b₂(log H)²+b₃(log H)³

建立方程组；并通过已知的视电阻率ρ，探测深度h，及所对应的岩石级别求得六个系数a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃；

得到围岩类别与电磁数据相关系数矩阵X。

优选地，将每个所述剖面设点的瞬变电磁数据与隧道的围岩岩性类别系数类比，确定每个所述剖面设点的围岩类别包括：

将获得的相关系数矩阵X和待评估区域视电阻率矩阵A’组合成如下的方程组：

A’X＝D

其中，针对每个所述待评估区域剖面设点，根据所得到待评估区域视电阻率值形成待评估区域视电阻率矩阵A’，D为待评估区域的围岩类别矩阵；

计算获得待评估区域围岩类别矩阵D。

优选地，所述方法还包括：

以每个所述剖面设点距离为横坐标，以探测深度为纵坐标，将每个所述剖面设点的围岩类别数据绘制在剖面图中，形成围岩类别预测图。

优选地，建立方程组，并通过已知的视电阻率ρ，探测深度h，及所对应的岩石级别求得六个系数a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃包括：

通过开挖隧道视电阻率建立如下六个方程组：

通过解线性方程组，计算出系数a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃；

得到围岩类别与电磁数据相关系数矩阵X。

与现有技术相比，本发明提出一种采用地球物理瞬变电磁法探测资料实现对隧道围岩级别的预判方法，采用瞬变电磁测深技术，在隧道(未开挖)设计线路的地面上布剖面设点，并剖面的每一个测量坐标上进行瞬变电磁信号测量，获得隧道设计线路上的视电阻率曲线。在相临的开挖隧道上方地面上进行瞬变电磁法测量，由于开挖过的隧道的围岩岩性类别是已知的，所以，可以在开挖过的隧道的围岩岩性类别数据和开挖隧道上方地面上进行瞬变电磁法测量数据之间，建立一种围岩级别与电磁数据相关系数；根据相关系数与隧道(未开挖)设计线路的地面上的瞬变电磁数据的类比关系，确定出未开挖隧道线路的围岩级别，给设计和施工提供安全生的依据。

附图说明

图1为现有技术隧道设计线路示意图；

图2为本发明实施例的一种判断隧道围岩类别的方法的流程图；

图3为本发明实施例的中心回线装置进行瞬变电磁信号测量的示意图；

图4为本发明实施例一的测量剖面的围岩分级类别示意图；

图5为本发明实施例一的测量剖面的围岩岩性预测示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图2所示，本发明实施例提供一种判断隧道围岩类别的方法，包括：

S101、采集待评估区域每一个剖面设点的瞬变电磁数据；

S102、将每个所述剖面设点的瞬变电磁数据与隧道的围岩岩性类别系数类比，确定每个所述剖面设点的围岩类别。

其中，步骤S101包括：

在待评估区域的地面布设剖面设点，并在每一个所述剖面设点的测量坐标上进行瞬变电磁信号测量，获得待评估区域每一个剖面设点的视电阻率矩阵。

具体的方法为：

采用瞬变电磁测深技术，在隧道待评估区域(未开挖)设计线路的地面上布剖面设点，并在剖面的每一个测量坐标上进行瞬变电磁信号测量，获得隧道设计线路上的视电阻率曲线。如下：

如图3所示，在地面放置边长为L的发送回线，在回线中心放置小型多砸接收线圈R_x(或探头)，进行测量。这种中心回线装置与地质探测对象有最佳耦合，响应曲线形态简单，时间特性不发生变号现象，具有较高的接收电平、较好的穿透深度及异常便于分析解释的特点。测量完毕后，统一移动发射线圈T_x和接收线圈R_x到下一个测量点，继续进行测量，最终获得地面剖面上的每一个剖面设点的测量数据。

步骤S102中的隧道的围岩岩性类别系数通过下述方式获得：

建立开挖隧道的围岩岩性类别数据与开挖隧道地面进行瞬变电磁信号测量获得的测量数据之间的对应关系，获得围岩类别与瞬变电磁数据的相关系数，根据所述相关系数确定隧道的围岩岩性类别系数。

获得待评估区域每一个剖面设点的视电阻率曲线包括：

采集每个所述剖面设点中心回线的瞬变电磁数据；

根据中心回线的视电阻率计算公式确定所述剖面设点的视电阻率：

所述中心回线的视电阻率计算公式为

其中，M是源发射磁矩，大小为发射电流与发射回线面积的乘积；q代表观测位置探头的有效接收面积，V(t)是测量的二次感应电压值，t是观测时间，μ₀为自由空间的磁导率；

针对每个所述待评估区域剖面设点，根据所得到的视电阻率数据形成待评估区域视电阻率矩阵A’。

岩石的级别与地球物理物性参数有某种对应关系，往往可以用地球物理物性参数来间接推断岩石的类别。在回线边长和发送电流一定的情况下。依靠视电阻率和深度来划分围岩级别。在相邻的开挖隧道上方地面上进行瞬变电磁法测量，由于开挖过的隧道的围岩岩性类别是已知的，所以，可以在开挖过的隧道的围岩岩性级别数据和开挖隧道上方地面上进行瞬变电磁法测量数据之间，确定围岩级别与电磁数据相关系数；所述获得所述隧道的围岩岩性类别系数包括：

在开挖隧道地面进行瞬变电磁信号测量，获得观测的感应电压值V(t)，并按中心回线的视电阻率计算公式计算对应的视电阻率值，针对每个开挖隧道剖面设点，根据所得到的视电阻率值形成开挖隧道视电阻率矩阵A；

对开挖隧道的围岩类别数据进行整理，形成围岩类别矩阵C；

建立如下的方程：

AX＝C

其中，A为开挖隧道视电阻率矩阵，C为所对应的围岩类别矩阵，X为围岩类别与电磁数据相关系数矩阵；

求解围岩类别与电磁数据相关系数矩阵X。

求解围岩类别与电磁数据相关系数矩阵X包括：

开挖隧道视电阻率矩阵A的元素与所对应的围岩类别矩阵C的元素之间对应非线性关系表示为：

10^C≈ρ^a h^b

其中，a，b是待定系数，ρ是根据中心回线的视电阻率计算公式计算获得的视电阻率，h是探测深度，探测深度由下式决定：

式中：

对所述非线性关系等式两边取对数，获得：

c≈a logρ+b log h

相应的围岩类别矩阵表示：C≈a logρ+b log H

把上式按秦勒级数公式展开成高阶多项式相加的形式：

C＝a₁logρ+a₂(logρ)²+a₃(logρ)³+b₁log H+b₂(log H)²+b₃(log H)³

要想算出围岩的级别，首先得知道a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃六个系数，

上式中有六个未知数，要建立六个方程组。并通过已知的电阻率，深度，及所对应的岩石级别来求得这六个系数。

通过解线性方程组，得到所要求的围岩级别与电磁数据相关系数矩阵X。

通过大量以往已知资料(开挖隧道视电阻率)，可计算出系数a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃；

从而得到围岩类别与电磁数据相关系数矩阵X。

将每个所述剖面设点的瞬变电磁数据与隧道的围岩岩性类别系数类比，确定每个所述剖面设点的围岩类别包括：

将获得的相关系数矩阵X和待评估区域视电阻率矩阵A’组合成如下的方程组：

A’X＝D

D为待评估区域的围岩类别矩阵；

计算获得待评估区域围岩类别矩阵D。

在步骤S102之后还包括：

以每个所述剖面设点距离为横坐标，以探测深度为纵坐标，将每个所述剖面设点的围岩类别数据绘制在剖面图中，形成围岩类别预测图。

实施例一

以高速公路某段为例，说明本专利的应用方法和效果。

1)首先收集以往开挖隧道的围岩类别数据，所述数据如表1所示：

表1

里程(m)	长度(m)	围岩级别	岩性
				44Km+410m-465m	55m	V	砂岩、泥岩
465m-640m	175m	IV	砂岩、泥岩
				640m-670m	30m	V	砂岩、泥岩

670m-690m	20m	VI	断层破碎带
				690m-762m	72m	V	砂岩、泥岩
762m-780m	18m	VI	断层破碎带
				780m-810m	30m	V	砂岩、泥岩
810m-45Km+392m	582m	IV	砂岩、泥岩
				392m-510m	118m	IV	砂岩
510m-570m	60m	V	砂岩
				570m-630m	60m	VI	褶皱核部
630m-690m	60m	V	砂岩
				690m-46Km+498m	808m	IV	砂岩
498m-47Km+270m	772m	IV	砂岩、泥岩
				270m-300m	30m	V	砂岩、泥岩
300m-320m	20m	VI	断层破碎带
				320m-350m	30m	V	砂岩、泥岩
350m-48Km+137m	787m	IV	砂岩、泥岩
				137m-167m	30m	V	砂岩、泥岩
167m-187m	20m	VI	断层破碎带
				187m-217m	30m	V	砂岩、泥岩
217m-696m	579m	IV	砂岩、泥岩
				696m-750m	54m	V	砂岩、泥岩

2)待评估区域(未开挖隧道)的转围岩类别计算结果，并把计算数据列表如下表2。

表2

里程(m)	长度(m)	围岩级别
			34Km+380m-425m	45m	V级浅埋
425m-637m	212m	IV
			637m-667m	30m	V
667m-687m	20m	VI
			687m-750m	63m	V
750m-770m	20m	VI
			770m-800m	30m	V
800m-922m	122m	IV
			922m-988m	66m	IV
988m-35Km+510m	522m	IV
			510m-570m	60m	V
570m-630m	60m	VI
			630m-690m	60m	V
690m-36Km+180m	490m	IV
			180m-37+288m	1018m	IV
288m-318m	30m	V
			318m-338m	20m	VI
338m-368m	30m	V
			368m-38Km+136m	768m	IV
136m-166m	30m	V
			166m-186m	20m	VI
186m-216m	30m	V

216m-696m	580m	IV
			696m-750m	54m	V

3)做出所测量的剖面的围岩类别预测图

图4显示测量剖面的围岩岩性预测示意图。

4)根据围岩类别，推测围岩的岩性，结果如下表3：

表3

里程(m)	长度(m)	推测岩性
			34Km+380m-425m	45m	砂岩、泥岩
425m-637m	212m	砂岩、泥岩
			637m-667m	30m	砂岩、泥岩
667m-687m	20m	断层破碎带
			687m-750m	63m	砂岩、泥岩
750m-770m	20m	断层破碎带
			770m-800m	30m	砂岩、泥岩
800m-922m	122m	砂岩、泥岩
			922m-988m	66m	泥岩
988m-35Km+510m	522m	砂岩、泥岩
			510m-570m	60m	砂岩
570m-630m	60m	褶皱核部
			630m-690m	60m	砂岩
690m-36Km+180m	490m	砂岩
			180m-37Km+288m	1018m	砂岩、泥岩

288m-318m	30m	砂岩、泥岩
			318m-338m	20m	断层破碎带
338m-368m	30m	砂岩、泥岩
			368m-38Km+136m	768m	砂岩、泥岩
136m-166m	30m	砂岩、泥岩
			166m-186m	20m	断层破碎带
186m-216m	30m	砂岩、泥岩
			216m-696m	580m	砂岩、泥岩
696m-750m	54m	砂岩、泥岩

5)根据上述资料，推测出围岩的岩性图(图5所示)，并把图4和图5的结果一起作为安全施工的参考依据。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种判断隧道围岩类别的方法，其特征在于：包括：

采集待评估区域每一个剖面设点的瞬变电磁数据；

将每个所述剖面设点的瞬变电磁数据与隧道的围岩岩性类别系数类比，确定每个所述剖面设点的围岩类别；

获得所述隧道的围岩岩性类别系数包括：

建立开挖隧道的围岩岩性类别数据与开挖隧道地面进行瞬变电磁信号测量获得的测量数据之间的对应关系，获得围岩类别与瞬变电磁数据的相关系数，根据所述相关系数确定隧道的围岩岩性类别系数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：采集待评估区域每一个剖面设点的瞬变电磁数据包括：

在待评估区域的地面布设剖面设点，并在每一个所述剖面设点的测量坐标上进行瞬变电磁信号测量，获得待评估区域每一个剖面设点的视电阻率矩阵。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：获得待评估区域每一个剖面设点的视电阻率曲线包括：

采集每个所述剖面设点中心回线的瞬变电磁数据；

根据中心回线的视电阻率计算公式确定所述剖面设点的视电阻率：

所述中心回线的视电阻率计算公式为

其中，M是源发射磁矩，大小为发射电流与发射回线面积的乘积；q代表观测位置探头的有效接收面积，V(t)是测量的二次感应电压值，t是观测时间，μ₀为自由空间的磁导率。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：获得所述隧道的围岩岩性类别系数包括：

在开挖隧道地面进行瞬变电磁信号测量，获得观测的感应电压值V(t)，并按中心回线的视电阻率计算公式计算对应的视电阻率值，针对每个开挖隧道剖面设点，根据所得到的视电阻率值形成开挖隧道视电阻率矩阵A；

对开挖隧道的围岩类别数据进行整理，形成围岩类别矩阵C；

建立如下的方程：

AX＝C

其中，A为开挖隧道视电阻率矩阵，C为所对应的围岩类别矩阵，X为围岩类别与电磁数据相关系数矩阵；

求解围岩类别与电磁数据相关系数矩阵X。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：求解围岩类别与电磁数据相关系数矩阵X包括：

开挖隧道视电阻率矩阵A的元素与所对应的围岩类别矩阵C的元素之间对应非线性关系表示为：

10^C≈ρ^ah^b

其中，a，b是待定系数，ρ是根据中心回线的视电阻率计算公式计算获得的视电阻率，h是探测深度，探测深度由下式决定：

$h={\[\frac{3Mq}{16\mathrm{\π}V\left(t\right)S_t}\]}^{1/4}-\frac{t}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_{\mathrm{\τ}}}$

式中：

对所述非线性关系等式两边取对数，获得：

c≈a logρ+b logh

相应的围岩类别矩阵表示：C≈a logρ+b logH

把上式按泰勒级数公式展开成高阶多项式相加的形式：

C＝a₁logρ+a₂(logρ)²+a₃(logρ)³+b₁logH+b₂(logH)²+b₃(logH)³

建立方程组；并通过已知的视电阻率ρ，探测深度h，及所对应的岩石级别求得六个系数a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃；

得到围岩类别与电磁数据相关系数矩阵X。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：将每个所述剖面设点的瞬变电磁数据与隧道的围岩岩性类别系数类比，确定每个所述剖面设点的围岩类别包括：

将获得的相关系数矩阵X和待评估区域视电阻率矩阵A’组合成如下的方程组：

A’X＝D

其中，针对每个所述待评估区域剖面设点，根据所得到待评估区域视电阻率值形成待评估区域视电阻率矩阵A’，D为待评估区域的围岩类别矩阵；

计算获得待评估区域围岩类别矩阵D。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括：

以每个所述剖面设点距离为横坐标，以探测深度为纵坐标，将每个所述剖面设点的围岩类别数据绘制在剖面图中，形成围岩类别预测图。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于：建立方程组，并通过已知的视电阻率ρ，探测深度h，及所对应的岩石级别求得六个系数a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃包括：

通过开挖隧道视电阻率建立如下六个方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1=a_1{\mathrm{log\ρ}}_1+a_2{\left({\mathrm{log\ρ}}_1\right)}^2+a_3{\left({\mathrm{log\ρ}}_1\right)}^3+b_1\log H_1+b_2{\left({\mathrm{logH}}_1\right)}^2+b_3{\left({\mathrm{logH}}_1\right)}^3\\ \mathrm{................}\\ C_1=a_1{\mathrm{log\ρ}}_6+a_2{\left({\mathrm{log\ρ}}_6\right)}^2+a_3{\left({\mathrm{log\ρ}}_6\right)}^3+b_1\log H_6+b_2{\left({\mathrm{logH}}_6\right)}^2+b_3{\left({\mathrm{logH}}_6\right)}^3\end{array}\right.$

通过解线性方程组，计算出系数a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃；

得到围岩类别与电磁数据相关系数矩阵X。