CN113010942A - 隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法，包括利用最值标准化法将不同岩性的电阻率进行归一化处理，得到归一化后的卡尼亚电阻率；将归一化后得出的卡尼亚电阻率转换为岩体完整性系数；根据综合测井和地震折射得出速度与岩体完整性的对应关系，对岩体完整性系数进行修正；利用岩体完整性系数进行隧道围岩等级划分和风险预警。

Description

隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法

技术领域

本发明涉及地质勘探施工技术领域，尤其涉及铁路隧道围岩等级划分方法领域，具体涉及一种隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法。

背景技术

目前围岩分级的方法中：浅埋隧道以纵波速度作为围岩分级评价的主要依据，但对于深埋隧道，由于埋深大，难以直接从地表获得隧道洞身岩体的波速值；地质调绘精确度不足，主观性较强；钻探方法在林区和山区难以大面积使用，使得围岩等级的划分难以达到理想精度。目前长大隧道勘察中，主要以大地电磁手段获得的卡尼亚电阻率推断围岩分级，但电阻率与围岩级别之间的关系尚未量化。

从目前公开报道的研究结果来看，用电阻率进行隧道围岩分级存在几点问题：(1)隧道围岩往往利用经验量值进行划分，该方法主观性较强；(2) 电阻率受成分、结构、孔隙度、饱和度、水的矿化度等因素的影响较大；(3) 不同岩性的电阻率差别很大，自然界中火成岩和变质岩的电阻率普遍较高，沉积岩中，含泥质多的碎屑沉积岩电阻率较低，石灰岩电阻率较高。在未开挖情况下隧道围岩缺乏物性判断依据。用统一的标准划分围岩等级较为困难。

岩石的电阻率范围较大，偏离平均值较多的电阻率定义为奇异电阻率指相对于其他输入样本特别大或特别小的电阻率，奇异电阻率的存在使得电阻率与围岩等级关系式不收敛，无法获得一一对应的关系式，即使根据正态分布去掉部分奇异电阻率统计得到的关系式，也因适用范围较窄无法进行推广应用。

例如，收集朔准铁路六狼山隧道、鹰鹞山隧道；太中银铁路离石隧道、柳林隧道、吕梁山隧道；张集线旧堡隧道；长昆线雪峰山1号、2号、3号隧道；北同蒲铁路雁门关隧道；吕临支线车赶隧道；牡绥线双丰隧道计7237m；石太铁路南梁隧道、太行山隧道；张唐铁路百草鞍隧道、燕山隧道、赤城隧道；大西铁路乔家山隧道、韩信岭隧道m；合计67个隧道514.304km既有大地电磁资料和已施工开挖的隧道围岩分级资料，并进行实地开挖调查，统计、归纳大地电磁测深电阻率数据和隧道围岩分级的对应关系。

收集的隧道总里程共计984.693km，12种岩性，36821个样本。收集的资料中有不同的单位和人实施了的不同的方法，数据不免受到现场人文噪声以及雷暴等二次场场源，不同地质人员对围岩等级的认识的差异，不同岩性电阻率受岩性、水文条件、风化等影响的差异等影响，但放入大数据以后，可以把以上差异产生的误差认为是随机而离散的。为了去除奇异值样本，假设电阻率为随机变量x，随机变量服从一个位置参数为可理解为数学期望、尺度参数为可理解为方差的概率分布，且其概率密度函数为：

根据正太分布的理论，当概率密度函数的小于99.7％，可以理解为小概率事件，根据数学理论小概率事件几乎是不可能发生的，因此将原始数据位于区间之外的电阻率数值删除。由于不同岩性的电阻率和围岩等级对应关系不一样，因此对不同岩性的电阻率与围岩等级进行区分计算并回归公式。下图1为经过正太分布岩浆岩围岩等级与电阻率的关系。图1(a)为Ⅱ级围岩与电阻率的关系示意图；图1(b)为Ⅲ级围岩与电阻率的关系示意图；图1(c)Ⅳ级围岩与电阻率的关系示意图；图1(d)Ⅴ级围岩与电阻率的关系示意图；

表一

上表为不同岩性的电阻率与围岩等级的对应表，从上表可知同一岩性不同围岩等级的电阻率交叉范围较大，如碎屑岩电阻率为400欧姆，围岩等级可能是II，III，IV，V，因此直接将电阻率与隧道围岩等级一一对应，无法进行推广应用。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例致力于提供一种隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法，将电阻率限定在一定范围内，推导出电阻率与岩体完整性之间关系式，并根据完整性系数与围岩等级量化给定该岩性的围岩等级，达到理想的围岩分级效果。

本发明提供一种隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法，包括以下步骤：

S1、利用最值标准化法将不同岩性的电阻率进行归一化处理，得到归一化后的卡尼亚电阻率；

S2、将归一化后得出的卡尼亚电阻率转换为岩体完整性系数；

S3、根据综合测井和地震折射得出速度与岩体完整性的对应关系，对岩体完整性系数进行修正；

S4、利用岩体完整性系数进行隧道围岩等级划分和风险预警。

优选的，在步骤S1中，采用如下公式进行不同岩性的电阻率归一化处理：

ρ_mass：洞身卡尼亚电阻率；

ρ_r：完整基岩卡尼亚电阻率；

ρ_w：岩体中软弱介质的卡尼亚电阻率。

在上述任意一项实施例中优选的，采用如下公式，将卡尼亚电阻率转化为岩体完整性系数；

其中，λ为分段性线性系数；

Kr：岩体完整性系数；

ρ_mass：洞身卡尼亚电阻率；

ρ_r：完整基岩卡尼亚电阻率；

ρ_w：岩体中软弱介质的卡尼亚电阻率。

在上述任意一项实施例中优选的：所述λ为分段线性系数，且根据

或ρ_mass＞ρ_r分段取值；在进行取值时，采用最小二乘法拟合计算，当拟合误差达到最小时得出。

在上述任意一项实施例中优选的，利用岩体完整性系数进行隧道围岩等级划分时，包括根据岩体完整性系数的范围，对围岩等级进行划分；

当岩体完整性系数>0.9时，围岩等级属于第一级；

当0.6＜岩体完整性系数≤0.9时，围岩等级属于第二级；

当0.4＜岩体完整性系数≤0.6时，围岩等级属于第三级；

当0.2＜岩体完整性系数≤04时时，围岩等级属于第四级；

当岩体完整性系数≤0.2时，围岩等级属于第五级。

在上述任意一项实施例中优选的，根据围岩等级和洞身卡尼亚电阻率变化趋势，进行高风险预警区域的划分：

所述高风险预警区域包括I类高风险预警区和Ⅱ类高风险预警区。

在上述任意一项实施例中优选的，根据围岩等级划分高风险预警区域时，所述I类高风险预警区对应地质围岩的四级和五级围岩；所述Ⅱ类高风险预警区对应地质围岩的Ⅳ级围岩。

在上述任意一项实施例中优选的，根据洞身卡尼亚电阻率变化趋势划分高风险预警区域时，根据洞身卡尼亚电阻率的变化梯度进行表示，当变化梯度大于10⁵时，属于I类高风险预警区；当变化梯度小于10⁵时属于II类高风险预警区。

在上述任意一项实施例中优选的，还包括根据围岩等级和洞身卡尼亚电阻率的值，将岩体划分I类岩体完整性差或破碎区和II类岩体完整性较差区所述I类岩体完整性差或破碎区：洞身卡尼亚电阻率值小于2000；II类岩体完整性较差区：洞身卡尼亚电阻率值位于2000-3000。

本发明提供的隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法，相比于现有技术至少具有以下优点：将电阻率限定在一定范围内，推导出电阻率与岩体完整性之间关系式，并根据完整性系数与围岩等级量化给定该岩性的围岩等级，达到理想的围岩分级效果，便于推广应用。

附图说明

图1(a)为Ⅱ级围岩与电阻率的关系示意图；

图1(b)为Ⅲ级围岩与电阻率的关系示意图；

图1(c)Ⅳ级围岩与电阻率的关系示意图；

图1(d)Ⅴ级围岩与电阻率的关系示意图；

图2所示为本申请一实施例提供的一种隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法的流程图。

图3所示为本申请一实施例提供的一种隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法的风险预警示意图。

图4所示为本申请另一实施例提供的一种隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法中风险预警解释框图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此外，在示例性实施例中，因为相同的参考标记表示具有相同结构的相同部件或相同方法的相同步骤，如果示例性地描述了一实施例，则在其他示例性实施例中仅描述与已描述实施例不同的结构或方法。

在整个说明书及权利要求书中，当一个部件描述为“连接”到另一部件，该一个部件可以“直接连接”到另一部件，或者通过第三部件“电连接”到另一部件。此外，除非明确地进行相反的描述，术语“包括”及其相应术语应仅理解为包括所述部件，而不应该理解为排除任何其他部件。

如图2所示，本发明一方面的实施例提供了一种隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法，包括以下步骤：

S1、利用最值标准化法将不同岩性的电阻率进行归一化处理，得到归一化后的卡尼亚电阻率；

S2、将归一化后得出的卡尼亚电阻率转换为岩体完整性系数；

S3、根据综合测井和地震折射得出速度与岩体完整性的对应关系，对岩体完整性系数进行修正；

S4、利用岩体完整性系数进行隧道围岩等级划分和风险预警。

卡尼亚电阻率和完整性关系需要总结大量隧道实例，开挖验证年限较长，且直接将不同岩性、不同结构、不同地区测试值综合起来研究是不合理的，不宜推广应用。因此若要研究卡尼亚电阻率和完整性关系，必须排除外界因素影响，基于此揭示的卡尼亚电阻率和完整性之间关系，才可有更宽泛岩性适用性。

以硬岩大地电磁卡尼亚电阻率相对经验成熟的划分围岩完整性和围岩等级作为归一基准，用统一的标准划分围岩等级较为困难，借鉴数学归一化思想将不同岩性的电阻率映射到同一区间，方便进行隧道围岩等级划分。

数据的归一化的目的是将不同量纲和不同数量级大小的数据转变成可以相互进行数学运算的具有相同量纲和相同数量级的具有可比性的数据。数据归一化常用的方法主要有：(1)最大值最小值标准化也成为离差标准化、是对原始数据的线性变换，使结果值映射到最小值最大值之间；(2)Z-score 标准化方法，这种方法给予原始数据的均值(mean)和标准差(standard deviation)进行数据的标准化。

由于不同岩性的电阻率范围较大，因此本研究利用最小值最大值归一化思想进行归一化。归一法的应用能够解决岩体完整性计算过程中围岩电阻率范围大，难以计算分析的问题。也能够规避开挖确定岩体种类、软硬前，选取判别岩体完整性电阻率标准的难题。同时可以规避不同岩性电阻率重合，不同软硬岩性混杂在一起，没有统一分级标准的问题。

优选的，在步骤S1中，采用如下公式进行不同岩性的电阻率归一化处理：

ρ_mass：洞身卡尼亚电阻率；

ρ_r：完整基岩卡尼亚电阻率；

ρ_w：岩体中软弱介质的卡尼亚电阻率。

进一步，采用如下公式，将卡尼亚电阻率转化为岩体完整性系数；

其中：λ为分段性线性系数；且根据

或ρ_mass＞ρ_r分段取值；在进行取值时，采用最小二乘法拟合计算，当拟合误差达到最小时得出。

时，λ＝1.5ρ_mass＞ρ_r,λ＝0.5。

Kr：岩体完整性系数；

ρ_mass：洞身卡尼亚电阻率；

ρ_r：完整基岩卡尼亚电阻率；

ρ_w：岩体中软弱介质的卡尼亚电阻率。

式中系数λ的确定较为重要，当隧道洞身电阻小于最大电阻率的五分之一，电阻率较小，隧道完整性系数较小。根据统计电阻率越小对应的岩体完整性系数越小，对应的围岩等级越差，根据大量的数据统计，当电阻率较小时，对应的岩体完整性普遍更差，因此上式为了体现电阻率与岩体完整性的一一关系λ等于1.5；当隧道洞身电阻大于最大电阻率的五分之一，电阻率较大，隧道完整性性系数较大，对应的围岩等级越好。根据大量的数据统计当电阻率较大，对应的岩体完整性普遍较好，因此上式为了体现电阻率与岩体完整性的准确对应关系，λ等于0.5。

隧道进出口通常是岩体软弱介质，地震折射得出速度与岩体完整性的对应关系，有助于确定该地区软弱介质电阻率(为确定该地区软弱介质的电阻率提供依据)，利用综合测井得到的完整系数与卡尼亚电阻率的关系，有助于选择合适约束条件，进而根据关系式确定的岩体完整性系数与实际更接近。

将岩体完整性系数与隧道围岩等级进行一一对应，根据统计可得下表2：

表2 Kr与围岩等级量化表

如图3所示，进一步优选的，利用岩体完整性系数进行隧道围岩等级划分时，包括根据岩体完整性系数的范围，对围岩等级进行划分；

当岩体完整性系数>0.9时，围岩等级属于第一级；

当0.6＜岩体完整性系数≤0.9时，围岩等级属于第二级；

当0.4＜岩体完整性系数≤0.6时，围岩等级属于第三级；

当0.2＜岩体完整性系数≤04时时，围岩等级属于第四级；

当岩体完整性系数≤0.2时，围岩等级属于第五级。

进一步优选的，根据围岩等级和电阻率变化趋势，进行高风险预警区域的划分：所述高风险预警区域包括I类高风险预警区：Ⅱ类高风险预警区；

根据围岩等级划分高风险预警区域时，所述I类高风险预警区对应地质围岩的四级和五级围岩；所述Ⅱ类高风险预警区对应地质围岩的Ⅳ级围岩。

根据洞身卡尼亚电阻率变化趋势划分高风险预警区域时，根据洞身卡尼亚电阻率的变化梯度进行表示，当变化梯度大于10⁵时，属于I类高风险预警区；当变化梯度小于10⁵时属于II类高风险预警区。

还包括根据围岩等级和洞身卡尼亚电阻率的值，将岩体划分I类岩体完整性差或破碎区和II类岩体完整性较差区所述I类岩体完整性差或破碎区：洞身卡尼亚电阻率值小于2000；II类岩体完整性较差区：洞身卡尼亚电阻率值位于2000-3000。

在总结了施工期间所发生的涌水、塌方、变形位置的表现规律，施工方向为从高阻到低阻或施工部位低阻层位明显变薄，其一高程从高到低有规律层间低阻电阻率，凹处有明显隔水构造的前端；其二从高阻到明显低阻的突变区等值线密集区域或出现电阻率斜率变化较大部位；其三前方有明显低阻而施工部位低阻层位明显变薄等。在此基础上首次创新性提出了I类高风险预警区、Ⅱ类高风险预警区；I类岩体完整性差或破碎区，Ⅱ类岩体完整性较差区(如图3、图4)。

其中I类高风险预警区：在隧道施工过程中，施工的高风险区往往不在电阻率最低的位置，而在电阻率发生剧烈变化处，电阻率变化表明该处岩石物性发生变化，或岩石性质变化，或岩石完整性变化。高低阻变化处，最接近可能存在(承压的)地下水的位置，容易出现塌方、冒顶、突水突泥等地质灾害，重点标识为I类高风险区，大致对应于地质围岩的Ⅴ、Ⅳ级围岩。

Ⅱ类高风险预警区，圈定的II类高风险区，大致对应地质围岩分级中的Ⅳ级围岩。该类异常临近高低阻变化剧烈的低阻区，围岩的完整性差，也是容易出现施工风险的区域。由于施工穿越较剧烈的高低阻变化处后，地下水基本得到释放，围岩缺乏水的作用危险性显著降低。

I类岩体完整性差或破碎区：卡尼亚电阻率值较正常的范围电阻率偏低幅度大，对应裂隙发育严重、岩性分界、溶蚀发育区；

II类岩体完整性较差区：卡尼亚电阻率值较正常的范围电阻率偏低幅度小，对应裂隙较发育、岩石成分变化区或薄层低阻岩性所占比重发生变化。

铁路隧道围岩分级在通过卡尼亚电阻率获取基础完整性的基础上，还要根据大地电磁确定I、Ⅱ类高风险预警区，岩体完整性差或破碎区、岩体完整性较差区、地下水出水状态、初始地应力状态、主要结构和产状状态等因素进修正。

除了上述方法和设备以外，本申请的实施例还可以是计算机程序产品，其包括计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本申请各种实施例的基于眼震的眩晕类型识方法中的步骤。

所述计算机程序产品可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本申请实施例操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。

此外，本申请的实施例还可以是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本申请各种实施例的基于眼震的眩晕类型识方法中的步骤。

所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (9)

1.一种隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用最值标准化法将不同岩性的电阻率进行归一化处理，得到归一化后的卡尼亚电阻率；

S2、将归一化后得出的卡尼亚电阻率转换为岩体完整性系数；

S3、根据综合测井和地震折射得出速度与岩体完整性的对应关系，对岩体完整性系数进行修正；

S4、利用岩体完整性系数进行隧道围岩等级划分和风险预警。

2.根据权利要求1所述的隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法，其特征在于，在步骤S1中，采用如下公式进行不同岩性的电阻率归一化处理：

ρ_mass：洞身卡尼亚电阻率；

ρ_r：完整基岩卡尼亚电阻率；

ρ_w：岩体中软弱介质的卡尼亚电阻率。

3.根据权利要求1所述的隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法，其特征在于，采用如下公式，将卡尼亚电阻率转化为岩体完整性系数；

其中，λ为分段性线性系数；

Kr：岩体完整性系数；

ρ_mass：洞身卡尼亚电阻率；

ρ_r：完整基岩卡尼亚电阻率；

ρ_w：岩体中软弱介质的卡尼亚电阻率。

4.根据权利要求1所述的隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法，其特征在于：所述λ为分段线性系数，且根据

或ρ_mass＞ρ_r分段取值；在进行取值时，采用最小二乘法拟合计算，当拟合误差达到最小时得出。

5.据权利要求1所述的隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法，其特征在于，利用岩体完整性系数进行隧道围岩等级划分时，包括根据岩体完整性系数的范围，对围岩等级进行划分；

当岩体完整性系数>0.9时，围岩等级属于第一级；

当0.6＜岩体完整性系数≤0.9时，围岩等级属于第二级；

当0.4＜岩体完整性系数≤0.6时，围岩等级属于第三级；

当0.2＜岩体完整性系数≤04时时，围岩等级属于第四级；

当岩体完整性系数≤0.2时，围岩等级属于第五级。

6.根据权利要求1所述的隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法，其特征在于：根据围岩等级和洞身卡尼亚电阻率变化趋势，进行高风险预警区域的划分：

所述高风险预警区域包括I类高风险预警区和Ⅱ类高风险预警区。

7.根据权利要求6所述的隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法，其特征在于，根据围岩等级划分高风险预警区域时，所述I类高风险预警区对应地质围岩的四级和五级围岩；所述Ⅱ类高风险预警区对应地质围岩的Ⅳ级围岩。

8.根据权利要求1所述的隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法，其特征在于，根据洞身卡尼亚电阻率变化趋势划分高风险预警区域时，根据洞身卡尼亚电阻率的变化梯度进行表示，当变化梯度大于10⁵时，属于I类高风险预警区；当变化梯度小于10⁵时属于II类高风险预警区。

9.根据权利要求1所述的隧道开挖风险预警及围岩分级评价方法，其特征在于，还包括根据围岩等级和洞身卡尼亚电阻率的值，将岩体划分I类岩体完整性差或破碎区和II类岩体完整性较差区

所述I类岩体完整性差或破碎区：洞身卡尼亚电阻率值小于2000。

II类岩体完整性较差区：洞身卡尼亚电阻率值位于2000-3000。

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