劉亞東

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基于二次正交組合試驗的圍巖松動圈影響因素分析

劉亞東

(中鐵十九局集團(tuán)公司云桂鐵路四標(biāo)段項目部, 廣西南寧, 530012)

圍巖松動圈的形成實質(zhì)是松動圈內(nèi)圍巖產(chǎn)生碎脹變形, 碎脹變形是圍巖卸荷擾動產(chǎn)生的松動與破壞, 其影響因素包括地下水含量、地應(yīng)力以及其它地質(zhì)力學(xué)指標(biāo)如霍克布朗參數(shù)等。采用二次正交組合試驗的4因素5水平試驗方案, 并結(jié)合地質(zhì)雷達(dá), 按照組合設(shè)計表進(jìn)行了17次野外試驗。經(jīng)過計算得出影響因素的顯著性由高至低分別為: 霍克布朗參數(shù)、、和的交互作用及隧道埋深。

霍克布朗參數(shù); 圍巖松動圈; 二次正交組合試驗; 隧道

圍巖松動圈理論是分析隧道穩(wěn)定性的一個重要手段。圍巖松動圈的分類方法和所確定的支護(hù)形式和參數(shù)與現(xiàn)場實際符合, 取得了顯著的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與社會效益。工程實踐證明[1–2], 該理論抓住了支護(hù)的主要對象, 即松動圈的形成實質(zhì)是松動圈內(nèi)圍巖產(chǎn)生碎脹變形。然而松動圈厚度值多使用超聲波測試技術(shù)等手段獲得, 不僅費時, 而且費用高昂, 限制了松動圈理論的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。因此, 研究如何快速準(zhǔn)確地獲取松動圈厚度值是勢在必行的工作。楊志法[3]等基于反分析原理, 由實際監(jiān)測值反饋, 根據(jù)開挖的推進(jìn)與監(jiān)測應(yīng)力和位移的數(shù)據(jù)變化, 進(jìn)一步驗證了圍巖松動圈的實際存在。高瑋等[4]運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測圍巖松動圈的厚度, 避免了傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及計算參數(shù)等不易確定的問題, 但沒有研究網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進(jìn)化的優(yōu)化問題。李順才等[5]采用有限元分析軟件ANSYS對不同地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和跨度的巷道進(jìn)行了數(shù)值模擬, 得出最顯著的影響因素是地應(yīng)力, 其次為圍巖強(qiáng)度, 其跨度影響最小, 但沒有考慮地質(zhì)力學(xué)指標(biāo); 陳慶發(fā)等[6]采用聲波對不同采深等變量相異的巷道進(jìn)行了實測, 得出圍巖松動圈不同的影響因素, 并給出了相對應(yīng)的經(jīng)驗公式; 陳秋紅等[7–8]采用FLAC3D有限元分析軟件, 通過模擬計算黏聚力強(qiáng)度()、摩擦角()、圍巖壓力()和洞室跨高比()這4個不同條件下得出的不同松動圈厚度值, 并用回歸法建立圍巖松動圈=(,,,)的關(guān)系函數(shù), 但未考慮地下水含量等因素對圍巖松動圈的影響。陳建功等[9]采用動靜力學(xué)分析得出圍巖松動圈的半徑; 李政林[10]提出基于損傷理論來確定隧道圍巖松動圈的大小。已有的研究很少考慮巖體賦存的地質(zhì)情況以及開挖前后被擾動程度。地下工程由于工程區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、圍巖產(chǎn)狀和巖性、巖體力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力場構(gòu)成、地下水分布以及開挖支護(hù)等不確定因素的存在, 使得每一個地下工程都具有特殊性。松動圈的支護(hù)對象是松動圈內(nèi)圍巖的碎脹變形, 碎脹變形實質(zhì)就是圍巖卸荷擾動產(chǎn)生的松動與破壞, 其影響因素包括地下水含量、巖體強(qiáng)度、地應(yīng)力以及其它地質(zhì)力學(xué)指標(biāo)。而Hoek-Brown準(zhǔn)則中的參數(shù)和全面考慮了巖體強(qiáng)度、巖體風(fēng)化程度、節(jié)理間距和巖體擾動程度等一系列因素[11–14], 因而可以考慮采用Hoek-Brown準(zhǔn)則中的參數(shù)進(jìn)行松動圈的影響因素分析。松動圈的影響因素可能是單個或多個因素, 也可能是兩兩因素之間的交互作用。二次正交組合設(shè)計實驗考慮因素間交互作用, 具有試驗次數(shù)少、結(jié)果可靠的特點[15]。本文采用二次正交組合試驗, 考慮地下水含量、隧道埋深(表征地應(yīng)力)和Hoek-Brown參數(shù)來分析圍巖松動圈的影響因素。

1 二次回歸正交組合設(shè)計試驗因素的確定

董方庭[1]提出的圍巖松動圈支護(hù)理論, 認(rèn)為影響圍巖松動圈的因素有原巖應(yīng)力和圍巖強(qiáng)度, 而隧道的幾何尺寸影響不大, 但很多學(xué)者認(rèn)為圍巖松動圈理論的影響因素還存在爆破震動、節(jié)理裂隙發(fā)育程度和施工方法等。董方庭建立了方程(,),為松動圈厚度,為地應(yīng)力,為圍巖強(qiáng)度。靖洪文等[2]采用實測數(shù)據(jù)和最小二乘法擬合得到

= 1.293(/-0.379)1/2。 (1)

式(1)表明: 在巖石強(qiáng)度不變情況下, 原巖應(yīng)力與松動圈厚度正相關(guān); 在原巖應(yīng)力不變時, 巖石強(qiáng)度與松動圈厚度值反相關(guān)。閆長斌等[15]對地下洞室開挖爆破對圍巖松動圈的影響進(jìn)行了數(shù)值分析, 得出判定巖體開始松動的損傷系數(shù)閾值推導(dǎo)公式, 說明圍巖松動圈同樣受到爆破震動的影響。圍巖卸荷后, 隧道周圍的應(yīng)力釋放, 導(dǎo)致局部應(yīng)力集中, 圍巖強(qiáng)度隨之降低, 從而由臨空面向里形成一定范圍的松動圈, 因而圍巖松動圈必須考慮地應(yīng)力這一因素。對于以自重應(yīng)力為主的地下工程, 以埋深為參考。圍巖強(qiáng)度大小可由圍巖的力學(xué)參數(shù)得到, 因而圍巖的破壞過程與力學(xué)參數(shù)相關(guān), 所以巖體力學(xué)參數(shù)是圍巖松動圈影響因素之一。而地下水的賦存多少也影響圍巖破壞程度, 地下水與巖體之間的交互作用, 相互改變著兩者的物理、化學(xué)組分及力學(xué)性質(zhì), 因此地下水的賦存情況也是圍巖松動圈考慮因素之一。圍巖無論采用爆破開挖或機(jī)械開挖方式, 圍巖都會受到擾動。Hoek-Brown準(zhǔn)則是Hoek E和Brown E T在修正Griffith理論的基礎(chǔ)上, 并通過對大量巖石三軸試驗及巖體現(xiàn)場試驗成果的統(tǒng)計分析, 采用試錯法導(dǎo)出巖體破壞時極限主應(yīng)力和巖塊之間的關(guān)系式, 其成功之處在于將巖體強(qiáng)度與地質(zhì)描述聯(lián)系在了一起。因此, 可由Hoek-Brown參數(shù),來表征圍巖擾動程度大小和地質(zhì)強(qiáng)度變化, 地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI和擾動參數(shù)相當(dāng)于M-C準(zhǔn)則中的黏聚力強(qiáng)度()、摩擦角()。綜上所述, 考慮以地下水含量、埋深、Hoek-Brown參數(shù)和4個因素作為表征圍巖松動圈的影響因素。

試驗時, 可參考施工現(xiàn)場超前地質(zhì)預(yù)報資料和紅外探水方法獲取所測隧道的含水情況, 地下水條件水平值可參考表1。Hoek-Brown準(zhǔn)則以室內(nèi)巖石力學(xué)試驗為基礎(chǔ), 綜合考慮巖體中節(jié)理風(fēng)化程度、節(jié)理間距、巖體擾動程度等。Hoek-Brown參數(shù)和取值可參考巖體力學(xué)與工程[16]。

表1 地下水條件參考

2 二次回歸正交組合設(shè)計

2.1 回歸方程的建立

計算回歸系數(shù), 建立含規(guī)范變量的回歸方程?；貧w系數(shù)的計算公式為: 常數(shù)項; 一次項偏回歸系數(shù); 交互項偏回歸系數(shù);二次項偏回歸系數(shù)。

2.2 回歸方程顯著性檢驗

3 工程概況及二次正交試驗

3.1 工程簡介

長嶺崗隧道是云桂鐵路的重要隧道之一, 隧道處于云貴高原, 喀斯特地貌廣泛分布, 存在地形起伏大、地層繁多、巖性紛雜、斷裂構(gòu)造等工程地質(zhì)問題。根據(jù)二次正交法, 得到如表2所示的各影響因素。和分別代表地下水含量、埋深。根據(jù)文獻(xiàn)[11], 得到表2。其中因變量為所測得圍巖松動圈厚度值, 用雷達(dá)測得。與表2中試驗號對應(yīng)的分別為1= 0.84,2= 1.43,3= 1.65,4= 1.58,5= 1.78,6= 1.47,7= 0.52,8= 2.11,9= 0.53,10= 1.22,11= 1.37,12= 2.14,13= 0.66,14= 1.64,15= 0.74,16= 1.68,17= 1.46。

表2 4因素二次回歸正交組合設(shè)計計算表

3.2 試驗分析

3.2.1 因素水平確定

由因素數(shù)= 4, 取0= 1, 根據(jù)星號臂長的計算公式得= 1.353。

依據(jù)確定的圍巖松動圈影響因素, 每10 m長的隧道涌量(1)為10～100 L/min, 上限可確定為1γ= 100, 下限為1-= 10, 所以零水平10= 55。計算得到變化間距1= (100-55)/1.353 = 33.259, 同理可得、和的編碼, 如表3所示。

表3 因素水平的編碼

3.2.2 試驗方案的實施

因變量為圍巖松動圈的厚度值。采用LTD-2200探地雷達(dá)對隧道進(jìn)行探測, 考慮分辨率與探測深度, 采用900 MHz可滿足要求。根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)計算松動圈值與實測松動范圍的對比結(jié)果見表2。部分處理后雷達(dá)波形圖見圖1, 可解譯讀出深度標(biāo)尺即松動圈大小。

圖1 雷達(dá)現(xiàn)場測試及波形圖(所標(biāo)記白線為松動圈實測值)

3.2.3 回歸方程的建立

3.2.4 顯著性判斷

表4 方差分析表

注: *越多代表顯著性越高, 反之越低;0.05(1, 3) = 10.13,0.01(1, 3) = 34.12,0.01(14, 3) = 25.93。

4 結(jié)論

(1)二次正交組合設(shè)計試驗與正交試驗相比較, 能有效減少試驗次數(shù), 考慮了試驗因素之間的交互作用, 得到的數(shù)據(jù)也更為全面。

(2) 建立了松動圈影響因素的4因素5水平組合設(shè)計試驗方案。4因素分別為埋深、地下水含量、霍克布朗參數(shù)和霍克布朗參數(shù); 5水平即上星號水平、上水平、零水平、下水平和下星號水平及各因素和水平對應(yīng)的取值。

(3) 對于松動圈的影響因素, 以往學(xué)者只是定性分析單個因素, 忽略了兩兩因素的交互作用對松動圈大小的影響。確定了圍巖松動圈的影響因素試驗方案, 并建立了回歸方程, 再由回歸方程的顯著性判別影響因素的重要程度。結(jié)果表明, 影響圍巖松動圈的顯著性大小依次為:霍克布朗參數(shù)、、和的交互作用及隧道埋深。

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[16] 工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn): GB50218-1994 [S].

(責(zé)任編校: 劉剛毅)

Analysis of influence factors for the broken rock zone based on quadratic orthogonal method

Liu Yadong

(Yungui Railway Department,China Railway 19th Bureau Group Co Ltd, Nanning 530012, China)

The essence of the broken rock zone is the formation of the hulking deformation of surrounding rock, while the hulking deformation of surrounding rock is produced by loosening or damaging after the unloading of tunnels, the influence factors include not only the groundwater and the ground stress, but also the other geological mechanic indicators, such as Hoek-Brown parameters and so on. The quadratic orthogonal combination experiment with 4 factors 5 level scheme is used, and with the help of Ground Penetrating Radar, 17 times of the field tests are carried out in accordance with the combination design table. The tests results from high to low are listed as follows: the Hoek-Brown parameter,, interaction ofandand the buried depth of tunnels.

Hoek-Brown parameters; the broken rock zone; quadratic orthogonal method; tunnel

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.03.017

U 458

1672–6146(2015)03–0073–05

劉亞東, xiuxiu128@qq.com。

2015–05–08

國家自然科學(xué)基金(51478065)。