CN112949043A - 砂卵石地层盾构隧道地质评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种砂卵石地层盾构隧道地质评价方法，包括以下步骤：（1）收集样本，找出影响砂卵石围岩稳定性最主要的因素，研究这些因素对土体黏聚力、内摩擦角的影响，通过围岩分级各因素指标间转换关系得到了砂卵石围岩各分级因素的组合，最后通过试验得出各组合下的围岩稳定性分级；（2）通过LCPC磨蚀性试验得到LAC值以及CAI磨蚀试验得到CAI值两者曲线的线性相关性，以及细料含量与LAC值之间的关系；（3）考虑围岩的稳定性还有砂卵石地层对刀具的磨损程度，得到综合指标等级，该分级方法不仅考虑到砂卵石地层围岩稳定性还考虑到了砂卵石对盾构刀盘刀具的磨蚀程度。对于砂卵石地层盾构隧道的施工和设计有指导意义。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种砂卵石地层盾构隧道地质评价方法。
背景技术
挖隧道本质上是一项地质工程，在隧道的修建过程中，会遇到各种不同的地层环境，盾构机在掘进过程中要面临各种地质灾害，正确的围岩分级有利于采取及时有效的支护措施而且还影响整个工程的造价。
目前，国内外既有和现行的围岩分级方法大多数属于围岩稳定性分级方法。对于围岩可掘性的分级主要针对于TMB隧道施工之中。何发亮、谷明成等人引入了岩石单轴抗压强度、岩石完整性、岩石耐磨性指数、岩石凿碎比功提出了TBM在工作条件下的围岩等级划分。薛亚东、李兴等人综合考虑工程的围岩可掘性及TBM适应性,以施工速度为指标,建立基于掘进性能的TBM施工围岩综合分级。李苍松、谷婷等人根据TBM施工的工作效率、碴料特征和涌水状况进行分级修正,建立适合于TBM施工的水工隧洞围岩分级修正模型。吴煜宇、吴湘滨等人以岩石的单轴抗压强度、岩石的耐磨性和岩体的完整性提出TBM施工条件下的围岩可掘性分级。
而对于砂卵石地层盾构隧道施工而言，现行规范依然沿用围岩稳定性分级方法，而对于自稳能力和成洞条件较差的砂卵石地层而言，由于砂卵石粒径大、粒径不均匀，强度高，对盾构刀盘刀具有很强的磨蚀性，因此对于砂卵石地层盾构施工而言不仅需考虑围岩的稳定性分级还应考虑围岩的可掘性分级，有鉴于此，需要研究一种围岩分级方法，降低围岩分级评价过程中潜在的风险。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种砂卵石地层盾构隧道地质评价方法，综合考虑围岩的稳定性和砂卵石地层对刀具的磨损程度，对砂卵石地层的围岩分级进行精确划分，便于技术人员给出最佳的施工方法、支护结构设计以及控制成本，对于砂卵石地层盾构隧道的施工和设计有指导意义。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种砂卵石地层盾构隧道地质评价方法，包括以下步骤：
(1)收集样本，找出影响砂卵石围岩稳定性最主要的因素，研究这些因素对土体黏聚力、内摩擦角的影响，通过围岩分级各因素指标间转换关系得到了砂卵石围岩各分级因素的组合，最后通过试验得出各组合下的围岩稳定性分级；
(2)通过LCPC磨蚀性试验得到LAC值以及CAI磨蚀试验得到CAI值两者曲线的线性相关性，以及步骤(1)的因素与LAC值之间的关系；
(3)结合步骤(1)和步骤(2)，考虑围岩的稳定性还有砂卵石地层对刀具的磨损程度，得到综合指标等级。
进一步的，步骤(1)所述的影响砂卵石围岩稳定性最主要的因素包括密实程度(干密度)、细料含量、含水量等3个物性指标。
进一步的，步骤(2)所述的LAC值与CAI值的关系是：
LAC＝288.9CAI+4.495 (1)
步骤(2)所述的细料含量与LAC值之间的关系是：
LAC＝2008.5exp(-0.014x) (2)
式中x为细料含量.
步骤(2)所述的步骤(1)的因素与LAC值之间的关系，指的是细料(0-4mm)含量与LAC值之间的关系，运用回归分析方法，将土体中不同百分比的细料含量与LAC值进行分析研究，得到LAC值随着细料含量增多而降低的指数函数关系，即公式(2)，表示的是拟合曲线，x，y分别代表横纵坐标值，R2代表回归曲线的拟合程度，越接近1拟合程度越好。
进一步的，步骤(3)所述综合指标等级分为四个等级：A—工作条件好；B—工作条件一般；C—工作条件差；D—工作条件极差。
本发明的有益效果是：
本发明所述的一种砂卵石地层盾构隧道地质评价方法，对砂卵石地层围岩稳定性分级和围岩可掘性分级指标和组合进行详细概括，最终形成了基于稳定性和磨蚀程度的综合分级方法，便于技术人员给出最佳的施工方法、支护结构设计以及控制成本，对于砂卵石地层盾构隧道的施工和设计有指导意义。
附图说明
图1为本发明所述的砂卵石地层盾构隧道地质评价方法流程图。
图2为本发明所述的砂卵石地层盾构隧道地质评价方法所述的影响砂卵石围岩稳定性最主要的因素统计图。
图3为本发明所述的砂卵石地层盾构隧道地质评价方法所述的砂卵石围岩稳定性分级表。
图4为本发明所述的砂卵石地层盾构隧道地质评价方法所述的LAC值与CAI值的关系图。
图5为本发明所述的砂卵石地层盾构隧道地质评价方法所述的细料含量与LAC值之间的关系图。
图6为本发明所述的砂卵石地层盾构隧道地质评价方法的综合指标等级表。
图7为本发明所述的砂卵石地层盾构隧道地质评价方法实施例所述的TJ03标可掘性围岩分级表。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，本发明是从砂卵石的物理和力学特性出发，研究围岩稳定性分级；同时利用试验手段研究砂卵石土体的磨蚀性，建立砂卵石地层的综合指标等级，为施工单位合理施工提供科学依据。
1.砂卵石地层围岩稳定性分级
1.1砂卵石隧道围岩分级因素
通过对国内外若干项研究砂卵石围岩稳定性的文献进行调研，总结得出密实程度(干密度)、细料含量、孔隙率、含水量、颗粒级配、矿物成份等6个物性指标是影响砂卵石土围岩稳定性最主要的因素。这6个物性指标的采用率调研结果如图2所示。
由图2可见：密实程度(干密度)、细料(细粒)含量、含水量、颗粒级配、孔隙率的指标采用率分别为52.9％、47.1％、35.3％、29.4％、17.6％，矿物成份指标采用率较低。对于砂卵石土而言其基本分级因素采用细料含量、密实程度及细料含水量这三项。
通过大量组合情况的室内压缩试验，研究这三个因素对土体黏聚力c、内摩擦角
的影响，通过围岩分级各因素指标间转换关系得到了砂卵石围岩各分级因素的组合，
这里的室内压缩试验主要是指的将砂卵石地层围岩取样分组之后进行的三轴及直剪室内试验(获取c、
值)，还有相关的模型试验。
对于砂质土围岩(砂卵石地层)，抗剪强度与土压力的比值可以作为判定隧道开挖后围岩稳定程度的基本质量指标(SBQ)，即
由上式，可得到SBQ值与“三个因素”之间的关系。拟合公式见表1；
表1砂质土围岩SBQ值预测方法
最后通过室内试验及现场试验得出各组合下的围岩稳定性分级；如图3所示。
2.基于围岩磨蚀程度分级
砂卵石地层往往广泛分布于北京、成都、南京等地，在砂卵石地层的地铁建设之中，由于砂卵石粒径大、粒径不均匀，强度高，对盾构刀盘刀具有很强的磨蚀性，以至在盾构掘进过程中需要多次开仓验刀换刀，影响工程进度及施工成本。所以对于盾构的可掘性围岩分析，不仅仅只考虑围岩的稳定性分级还应该考虑围岩对刀盘刀具的磨蚀程度的围岩分级。
衡量岩体磨蚀程度的试验主要有LCPC(Laboratoire Central des Ponts etChaussees)磨蚀性试验以及CAI(Cerchar Abrasion Index)磨蚀试验。LCPC磨蚀试验试验是能对不同粒径级配的混合土体进行磨蚀性研究的方法。CAI磨蚀试验则是是欧洲范围内常用的一种测试硬岩磨蚀性指标的试验方法。
先利用LCPC试验仪器，以砂卵石土体的基本因素(上述的三个因素)为对象进行磨蚀性研究，找出各参数与砂卵石土体磨蚀性相互影响规律，同时利用CAI磨蚀性试验、x射线衍射(XRD)定量分析中的K值法对砂卵石土体进行磨蚀性分析，分别建立其与LCPC试验参数间的关系，沿用CAI磨蚀性分类标准，对砂卵石土体进行磨蚀性等级分类。通过这两种磨蚀性试验得到了得到LAC值(LCPC实验得到的数值)和CAI值两者曲线的线性相关性，
LAC＝288.9CAI+4.495 (1)
如图4和5所示，同时通过室内试验得出了细料含量与LAC值之间的关系，
LAC＝2008.5exp(-0.014x) (2)
式中x为细料含量。
这个磨蚀实验验证了砂卵石土体细料含量、密实程度及细料含水量是决定土体磨蚀性的关键因素；建立了LCPC、CAI和岩砂卵石间的关系式，成功的将CAI岩石磨蚀分类标准引入到砂卵石土体中，为施工单位掌握合理换刀时间提出了依据。
3.基于稳定性和磨蚀程度的综合分级指标
对于砂卵石地层盾构隧道而言，在设计施工过程中，除了考虑围岩的稳定性还应考虑砂卵石地层对刀具的磨损程度。综上研究基于稳定性和磨损程度综合指标分级如图6所示，通过分析，将盾构隧道施工条件下围岩由好到差分为四个等级：
A—工作条件好；B—工作条件一般；C—工作条件差；D—工作条件极差。
以XX市地铁17号线TJ03标为例，该地层出现了很多卵石，根据地勘报告结合土体磨蚀性和岩石磨蚀性计算公式，得到该盾构区间围岩分级判别指标如图7所示。
根据盾构工作条件下的围岩等级划分：该区间可掘性围岩等级为ⅤC—即Ⅴ级围岩工作条件差。
本发明通过综合砂卵石地层盾构隧道施工围岩稳定性分级和围岩磨蚀程度分级提出了基于稳定性和磨蚀程度的综合分级方法。该分级方法不仅考虑到砂卵石地层围岩稳定性还考虑到了砂卵石对盾构刀盘刀具的磨蚀程度。对于砂卵石地层盾构隧道的施工和设计有指导意义。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (4)
1.砂卵石地层盾构隧道地质评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）收集样本，找出影响砂卵石围岩稳定性最主要的因素，研究这些因素对土体黏聚力、内摩擦角的影响，通过围岩分级各因素指标间转换关系得到了砂卵石围岩各分级因素的组合，最后通过试验得出各组合下的围岩稳定性分级；
（2）通过LCPC磨蚀性试验得到LAC值以及CAI磨蚀试验得到CAI值两者曲线的线性相关性，以及步骤（1）的因素与LAC值之间的关系；
（3）结合步骤（1）和步骤（2），考虑围岩的稳定性还有砂卵石地层对刀具的磨损程度，得到综合指标等级。
2.根据权利要求1所述的砂卵石地层盾构隧道地质评价方法，其特征在于：步骤（1）所述的影响砂卵石围岩稳定性最主要的因素包括密实程度、细料含量、含水量这3个物性指标。
3.根据权利要求1所述的砂卵石地层盾构隧道地质评价方法，其特征在于：步骤（2）所述的LAC值与CAI值的关系是：
步骤（2）所述的细料含量与LAC值之间的关系是：
式中x为细料含量。
4.根据权利要求1所述的砂卵石地层盾构隧道地质评价方法，其特征在于：步骤（3）所述综合指标等级分为四个等级：A—工作条件好；B—工作条件一般；C—工作条件差；D—工作条件极差。
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