基于二次正交组合试验的围岩松动圈影响因素分析

刘亚东



基于二次正交组合试验的围岩松动圈影响因素分析

刘亚东

(中铁十九局集团公司云桂铁路四标段项目部, 广西南宁, 530012)

围岩松动圈的形成实质是松动圈内围岩产生碎胀变形, 碎胀变形是围岩卸荷扰动产生的松动与破坏, 其影响因素包括地下水含量、地应力以及其它地质力学指标如霍克布朗参数等。采用二次正交组合试验的4因素5水平试验方案, 并结合地质雷达, 按照组合设计表进行了17次野外试验。经过计算得出影响因素的显著性由高至低分别为: 霍克布朗参数、、和的交互作用及隧道埋深。

霍克布朗参数; 围岩松动圈; 二次正交组合试验; 隧道

围岩松动圈理论是分析隧道稳定性的一个重要手段。围岩松动圈的分类方法和所确定的支护形式和参数与现场实际符合, 取得了显著的技术、经济与社会效益。工程实践证明[1–2], 该理论抓住了支护的主要对象, 即松动圈的形成实质是松动圈内围岩产生碎胀变形。然而松动圈厚度值多使用超声波测试技术等手段获得, 不仅费时, 而且费用高昂, 限制了松动圈理论的进一步推广应用。因此, 研究如何快速准确地获取松动圈厚度值是势在必行的工作。杨志法[3]等基于反分析原理, 由实际监测值反馈, 根据开挖的推进与监测应力和位移的数据变化, 进一步验证了围岩松动圈的实际存在。高玮等[4]运用人工神经网络来预测围岩松动圈的厚度, 避免了传统神经网络存在网络结构及计算参数等不易确定的问题, 但没有研究网络权值进化的优化问题。李顺才等[5]采用有限元分析软件ANSYS对不同地应力、围岩强度和跨度的巷道进行了数值模拟, 得出最显著的影响因素是地应力, 其次为围岩强度, 其跨度影响最小, 但没有考虑地质力学指标; 陈庆发等[6]采用声波对不同采深等变量相异的巷道进行了实测, 得出围岩松动圈不同的影响因素, 并给出了相对应的经验公式; 陈秋红等[7–8]采用FLAC3D有限元分析软件, 通过模拟计算黏聚力强度()、摩擦角()、围岩压力()和洞室跨高比()这4个不同条件下得出的不同松动圈厚度值, 并用回归法建立围岩松动圈=(,,,)的关系函数, 但未考虑地下水含量等因素对围岩松动圈的影响。陈建功等[9]采用动静力学分析得出围岩松动圈的半径; 李政林[10]提出基于损伤理论来确定隧道围岩松动圈的大小。已有的研究很少考虑岩体赋存的地质情况以及开挖前后被扰动程度。地下工程由于工程区域的地质构造、围岩产状和岩性、岩体力学参数、地应力场构成、地下水分布以及开挖支护等不确定因素的存在, 使得每一个地下工程都具有特殊性。松动圈的支护对象是松动圈内围岩的碎胀变形, 碎胀变形实质就是围岩卸荷扰动产生的松动与破坏, 其影响因素包括地下水含量、岩体强度、地应力以及其它地质力学指标。而Hoek-Brown准则中的参数和全面考虑了岩体强度、岩体风化程度、节理间距和岩体扰动程度等一系列因素[11–14], 因而可以考虑采用Hoek-Brown准则中的参数进行松动圈的影响因素分析。松动圈的影响因素可能是单个或多个因素, 也可能是两两因素之间的交互作用。二次正交组合设计实验考虑因素间交互作用, 具有试验次数少、结果可靠的特点[15]。本文采用二次正交组合试验, 考虑地下水含量、隧道埋深(表征地应力)和Hoek-Brown参数来分析围岩松动圈的影响因素。

1 二次回归正交组合设计试验因素的确定

董方庭[1]提出的围岩松动圈支护理论, 认为影响围岩松动圈的因素有原岩应力和围岩强度, 而隧道的几何尺寸影响不大, 但很多学者认为围岩松动圈理论的影响因素还存在爆破震动、节理裂隙发育程度和施工方法等。董方庭建立了方程(,),为松动圈厚度,为地应力,为围岩强度。靖洪文等[2]采用实测数据和最小二乘法拟合得到

= 1.293(/-0.379)1/2。 (1)

式(1)表明: 在岩石强度不变情况下, 原岩应力与松动圈厚度正相关; 在原岩应力不变时, 岩石强度与松动圈厚度值反相关。闫长斌等[15]对地下洞室开挖爆破对围岩松动圈的影响进行了数值分析, 得出判定岩体开始松动的损伤系数阈值推导公式, 说明围岩松动圈同样受到爆破震动的影响。围岩卸荷后, 隧道周围的应力释放, 导致局部应力集中, 围岩强度随之降低, 从而由临空面向里形成一定范围的松动圈, 因而围岩松动圈必须考虑地应力这一因素。对于以自重应力为主的地下工程, 以埋深为参考。围岩强度大小可由围岩的力学参数得到, 因而围岩的破坏过程与力学参数相关, 所以岩体力学参数是围岩松动圈影响因素之一。而地下水的赋存多少也影响围岩破坏程度, 地下水与岩体之间的交互作用, 相互改变着两者的物理、化学组分及力学性质, 因此地下水的赋存情况也是围岩松动圈考虑因素之一。围岩无论采用爆破开挖或机械开挖方式, 围岩都会受到扰动。Hoek-Brown准则是Hoek E和Brown E T在修正Griffith理论的基础上, 并通过对大量岩石三轴试验及岩体现场试验成果的统计分析, 采用试错法导出岩体破坏时极限主应力和岩块之间的关系式, 其成功之处在于将岩体强度与地质描述联系在了一起。因此, 可由Hoek-Brown参数,来表征围岩扰动程度大小和地质强度变化, 地质强度指标GSI和扰动参数相当于M-C准则中的黏聚力强度()、摩擦角()。综上所述, 考虑以地下水含量、埋深、Hoek-Brown参数和4个因素作为表征围岩松动圈的影响因素。

试验时, 可参考施工现场超前地质预报资料和红外探水方法获取所测隧道的含水情况, 地下水条件水平值可参考表1。Hoek-Brown准则以室内岩石力学试验为基础, 综合考虑岩体中节理风化程度、节理间距、岩体扰动程度等。Hoek-Brown参数和取值可参考岩体力学与工程[16]。

表1 地下水条件参考

2 二次回归正交组合设计

2.1 回归方程的建立

计算回归系数, 建立含规范变量的回归方程。回归系数的计算公式为: 常数项; 一次项偏回归系数; 交互项偏回归系数;二次项偏回归系数。

2.2 回归方程显著性检验

3 工程概况及二次正交试验

3.1 工程简介

长岭岗隧道是云桂铁路的重要隧道之一, 隧道处于云贵高原, 喀斯特地貌广泛分布, 存在地形起伏大、地层繁多、岩性纷杂、断裂构造等工程地质问题。根据二次正交法, 得到如表2所示的各影响因素。和分别代表地下水含量、埋深。根据文献[11], 得到表2。其中因变量为所测得围岩松动圈厚度值, 用雷达测得。与表2中试验号对应的分别为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因素二次回归正交组合设计计算表

3.2 试验分析

3.2.1 因素水平确定

由因素数= 4, 取0= 1, 根据星号臂长的计算公式得= 1.353。

依据确定的围岩松动圈影响因素, 每10 m长的隧道涌量(1)为10～100 L/min, 上限可确定为1γ= 100, 下限为1-= 10, 所以零水平10= 55。计算得到变化间距1= (100-55)/1.353 = 33.259, 同理可得、和的编码, 如表3所示。

表3 因素水平的编码

3.2.2 试验方案的实施

因变量为围岩松动圈的厚度值。采用LTD-2200探地雷达对隧道进行探测, 考虑分辨率与探测深度, 采用900 MHz可满足要求。根据岩石力学参数计算松动圈值与实测松动范围的对比结果见表2。部分处理后雷达波形图见图1, 可解译读出深度标尺即松动圈大小。

图1 雷达现场测试及波形图(所标记白线为松动圈实测值)

3.2.3 回归方程的建立

3.2.4 显著性判断

表4 方差分析表

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

4 结论

(1)二次正交组合设计试验与正交试验相比较, 能有效减少试验次数, 考虑了试验因素之间的交互作用, 得到的数据也更为全面。

(2) 建立了松动圈影响因素的4因素5水平组合设计试验方案。4因素分别为埋深、地下水含量、霍克布朗参数和霍克布朗参数; 5水平即上星号水平、上水平、零水平、下水平和下星号水平及各因素和水平对应的取值。

(3) 对于松动圈的影响因素, 以往学者只是定性分析单个因素, 忽略了两两因素的交互作用对松动圈大小的影响。确定了围岩松动圈的影响因素试验方案, 并建立了回归方程, 再由回归方程的显著性判别影响因素的重要程度。结果表明, 影响围岩松动圈的显著性大小依次为:霍克布朗参数、、和的交互作用及隧道埋深。

参考文献：

[1] 董方庭, 宋宏伟, 郭志宏, 等. 围岩松动圈巷道支护理论的基本观点[J]. 建井技术, 1994(4–5): 3–9.

[2] 郭志宏, 周希圣, 何胜春, 等. 巷道支护的围岩松动圈分类方法[J]. 建井技术, 1994(Z1): 11–13.

[3] 杨志法, 熊顺成, 王存玉, 等. 关于位移反分析法的某些考虑[J]. 岩石力学与工程学报, 1999, 18(l): 70–74.

[4] 高玮, 郑颖人. 巷道围岩松动圈预测的进化神经网络法[J]. 岩石力学与工程学报, 2002, 21(5): 658–661.

[5] 刘刚, 宋宏伟. 围岩松动圈影响因素的数值模拟[J]. 矿冶工程, 2003, 23(1): 1–3.

[6] 陈庆发, 周科平, 胡建华,等. 缓倾薄层弱结构松动圈声波测试时测孔布置的理论依据与验证[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2009, 41(5): 1 406–1 410.

[7] 陈秋红, 李仲奎, 张志增. 松动圈分区模型及其在地下工程反馈分析中的应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(Z1): 3 216–3 220.

[8] 蒋树屏, 蔡志伟, 林志,等. 考虑松动圈的卡尔曼滤波与有限元耦合反分析法及其在围岩稳定性分析中的应用[J]. 岩土力学, 2009, 30(08): 2 529–2 534.

[9] 陈建功, 贺虎, 张永兴. 隧道围岩松动圈形成机理的动静力学解析[J]. 岩土工程学报, 2011, 33(12): 1 964–1 967.

[10] 李政林. 基于损伤理论的隧道围岩松动圈确定方法[J]. 地下空间与工程学报, 2011, 7(6): 1 060–1 064.

[11] Hoek E, Carranza-Torres, Corkum. Hoek-Brown failure criterion [C]//Proe of the 5th North American Rock Mechanics Symposium and 17th Tunneling Association of Canada Conference. Toronto: University of Toronto Press, 2002: 267–271.

[12] Sonmez H, Ulusay R. Modifications to the geological strength index (GSI) and their applicability to stability of slopes assessment of the in-situ shear strength of rock masses and discontinuities [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1999, 36(5): 743–760.

[13] 闫长斌, 徐国元. 对Hoek-Brown公式的改进及其工程应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(22): 4 030–4 035.

[14] 闫长斌, 徐国元, 杨飞. 爆破动荷载作用下围岩累积损伤效应声波测试研究[J]. 岩土工程学报, 2007, 29(1): 88–93.

[15] 李云雁, 胡传荣. 试验设计与数据处理[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005.

[16] 工程岩体分级标准: GB50218-1994 [S].

(责任编校: 刘刚毅)

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

刘亚东, xiuxiu128@qq.com。

2015–05–08

国家自然科学基金(51478065)。