本發(fā)明具體涉及一種對穿越采空區(qū)隧道圍巖穩(wěn)定性評價方法，屬于巖土勘察方法技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著高速公路、高速鐵路的快速發(fā)展，隧道建設(shè)在工程中的作用日益重要，在山西，河北、河南、山東等產(chǎn)煤區(qū)域，隧道穿越煤礦采空區(qū)是不可避免的，在很多情況下，采空區(qū)周邊會發(fā)生一定程度的塌方。在工程勘察設(shè)計階段，對隧道圍巖的穩(wěn)定性做出正確的評價，了解圍巖的地質(zhì)信息，對隧道安全施工具有重要的指導(dǎo)意義。為了解待開挖隧道圍巖穩(wěn)定性，按照《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20-2011)的規(guī)定，一般通過對鉆探巖芯進行穩(wěn)定性質(zhì)測試，從測試的數(shù)據(jù)中分析圍巖的穩(wěn)定性、堅硬性等。但是，采空區(qū)周邊的圍巖發(fā)生塌陷后，相對比較破碎，不能取得完整的巖芯，很難準(zhǔn)確對隧道圍巖進行穩(wěn)定性定量評價。對于穿越采空區(qū)等特殊地質(zhì)條件的隧道的圍巖穩(wěn)定性的定量評價，目前，國內(nèi)外都還沒有明確的統(tǒng)一的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明皆在提供一種采用地球物理探測資料對穿越采空區(qū)隧道圍巖穩(wěn)定性進行評價方法。

本發(fā)明的方法包括以下步驟：

步驟一 確定視密度與圍巖波速關(guān)系

在穿越采空區(qū)隧道范圍內(nèi)布設(shè)驗證鉆孔，對驗證鉆孔進行視密度測井測定，并進行孔內(nèi)波速測試或瑞雷波速度測定，得到視密度參數(shù)和圍巖波速參數(shù)，并把視密度參數(shù)和圍巖速度參數(shù)繪成地層視密度與圍巖波速關(guān)系散點圖，根據(jù)散點圖中視密度數(shù)值和圍巖波速數(shù)值，采用了數(shù)理統(tǒng)計回歸方法建立擬合曲線，得到地層視密度與圍巖波速關(guān)系擬合曲線圖；

步驟二 視密度數(shù)值測定

在穿越采空區(qū)隧道范圍各區(qū)段內(nèi)進行視密度測井測定，測定視密度值；

步驟三 確定圍巖波速數(shù)值

在穿越采空區(qū)隧道范圍各區(qū)段內(nèi)，根據(jù)步驟二所得的視密度數(shù)據(jù)，根據(jù)步驟一所獲得的視密度與圍巖數(shù)度之間的擬合關(guān)系，找到視密度數(shù)據(jù)所對應(yīng)的圍巖波速數(shù)值；

步驟四 進行圍巖穩(wěn)定性判定

根據(jù)步驟三獲得的穿越采空區(qū)隧道范圍各區(qū)段的圍巖波速數(shù)值，判斷穿越采空區(qū)隧道范圍各區(qū)段的圍巖穩(wěn)定性。

進一步的，所述步驟一及步驟二中視密度測井測定的方法為將測井探頭與絞車用線纜連接好，測井探頭隨立腳點絞車以一定的速度在鉆孔內(nèi)由上至下做勻速運動，測井探頭中含有發(fā)射源和兩個探測器，兩個探測器與發(fā)射源的距離不同，在測井探測運動過程中，發(fā)射源向地層中發(fā)射γ射線，兩個探測器分別記錄經(jīng)由地層散射后的γ射線數(shù)值，由γ射線數(shù)值確定視密度值。

進一步的，所述步驟一中波速測試使用單孔檢層法。

進一步的，所述步驟一中數(shù)理統(tǒng)計回歸方法具體為；

對于一組給定的圍巖速度測值及視密度測值，(x_i,y_i),i＝1,2,...,n，有公式一

y_i＝f(x_i,θ)+ε_i i＝1,2,...,n 公式一

其中，f為擬合曲線函數(shù)；y_i視密度；x_i是圍巖波速；θ為未知參數(shù)向量；ε_i為隨機誤差項并且滿足獨立同分布假定；

假定擬合曲線f函數(shù)對參數(shù)θ連續(xù)可微，利用微分法，建立方程組，求使公式二達(dá)到最小的

將Q函數(shù)對參數(shù)θ_j求偏導(dǎo)，并令其為0，得到如公式三的p+1個方程；

最小二乘估計就是公式三的解，最終可得視密度與圍巖波速的擬合函數(shù)。

進一步的，所述步驟四中圍巖穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)為：

圍巖速度值：>3.5(km/m)，圍巖穩(wěn)定性好，

圍巖速度值：2～3.5(km/m)，圍巖穩(wěn)定性一般，

圍巖速度值：1～2(km/m)，圍巖穩(wěn)定性較差，

圍巖速度值：<1(km/m)，圍巖穩(wěn)定性差。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供一種對穿越采空區(qū)隧道圍巖穩(wěn)定性評價方法，利用相關(guān)分析的方法，合理有效的運用了密度測井、波速測試等物探勘察手段，利用視密度參數(shù)和圍巖速度參數(shù)，對圍巖穩(wěn)定性做出可靠評價，保證了最終的隧道施工過程安全高效地進行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種對穿越采空區(qū)隧道圍巖穩(wěn)定性評價方法的流程圖；

圖2為實施例中驗證鉆孔的示意圖；

圖3為實施例中孔內(nèi)波速法裝置示意圖；

圖4為實施例中地層視密度-波速關(guān)系圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行說明：

某二級公路隧道全長2555m，路面寬8m，雙向車道，開挖斷面大(約80m²)。其中一段為煤系地層，影響隧道工程穩(wěn)定性的主要不良地質(zhì)因素是侏羅系大同組的煤炭采空區(qū)、(7、11、14號煤層)以及由采空區(qū)塌落引發(fā) 的地層破碎酥松等，因此除了一般隧道施工中普遍存在的滑坡、塌方、涌水、斷層、巖溶等不良地質(zhì)因素外，又加上了采空區(qū)的不良地質(zhì)因素，使得工區(qū)的地質(zhì)條件更為復(fù)雜，因而對隧道圍巖穩(wěn)定性準(zhǔn)確做出評價的難度進一步加大。

針對隧道穿越煤層采空區(qū)不良地質(zhì)體的復(fù)雜地質(zhì)背景下，利用相關(guān)分析的方法，運用密度測井、波速測試等物探勘察手段，利用視密度參數(shù)和圍巖速度參數(shù)，對圍巖穩(wěn)定性做出可靠評價，保證了最終的隧道施工過程安全高效地進行。

評價步驟如圖1所示，包括以下步驟：

步驟一 確定視密度與圍巖波速關(guān)系

在穿越采空區(qū)隧道范圍內(nèi)布設(shè)驗證鉆孔，對驗證鉆孔進行視密度測井測定，并進行孔內(nèi)波速測試或瑞雷波速度測定，得到視密度參數(shù)和圍巖波速參數(shù)，并把視密度參數(shù)和圍巖速度參數(shù)繪成地層視密度與圍巖波速關(guān)系散點圖，根據(jù)散點圖中視密度數(shù)值和圍巖波速數(shù)值，采用了數(shù)理統(tǒng)計回歸方法建立擬合曲線，得到地層視密度與圍巖波速關(guān)系擬合曲線圖；

步驟二 視密度數(shù)值測定

在穿越采空區(qū)隧道范圍各區(qū)段內(nèi)進行視密度測井測定，測定視密度值；

步驟三 確定圍巖波速數(shù)值

在穿越采空區(qū)隧道范圍各區(qū)段內(nèi)，根據(jù)步驟二所得的視密度數(shù)據(jù)，根據(jù)步驟一所獲得的視密度與圍巖數(shù)度之間的擬合關(guān)系，找到視密度數(shù)據(jù)所對應(yīng)的圍巖波速數(shù)值；

步驟四 進行圍巖穩(wěn)定性判定

根據(jù)步驟三獲得的穿越采空區(qū)隧道范圍各區(qū)段的圍巖波速數(shù)值，判斷穿越采空區(qū)隧道范圍各區(qū)段的圍巖穩(wěn)定性。

具體的，首先對全區(qū)所有鉆孔進行視密度測井和孔內(nèi)波速測試或者利用瑞雷波速度測定，如圖2所示，得到視密度參數(shù)和圍巖速度參數(shù)；

瑞雷波測試用于測定地層的厚度及縱波速度，沿主測線I線布置，每50m 一個測點測，測試深度最大50m，經(jīng)擬合反演計算出地層段的波速值。儀器設(shè)備采用SE-2404M型輕便數(shù)字地震儀，4HZ檢波器，采用爆炸振源，藥量400g，道間距2m，接收道數(shù)12道，采樣間隔0.5m/s，偏移距20m。

波速測試使用單孔檢層法，可以在無水的干孔中確定地層的波速。用18磅大錘側(cè)向及垂向錘擊叩板作為孔內(nèi)激發(fā)震源，孔內(nèi)用三分量檢波器采集用氣囊控制使檢波器緊貼井壁接收，完成各點采集后，通過各點首波到達(dá)的時差和相鄰測點的經(jīng)過校正的間距計算地層的速度，如圖3所示。

儀器設(shè)備：

SE～2404M型輕便數(shù)字地震儀、井下三分量檢波器

工程布置、測試參數(shù)：

在每個鉆孔上部60每1m測一點，采樣間隔：0.1ms。

完成工作量：測井總深400m，物理點400個。

數(shù)據(jù)處理：每1m一個點，相應(yīng)地層上求取多點速度測試的平均值作為該層的速度，波速度為：

式中，V_p是速度，H是深度，t_i+1，t_i為采樣時間

密度測井測量的是長源距和短源距的計數(shù)率N，單位為cps(脈沖/秒)儀器是經(jīng)過在標(biāo)準(zhǔn)模塊上刻度過的，刻度后就可求出下式的A_L、A_S、B_L、B_S系數(shù)值，經(jīng)過處理計算后的補償密度ρ_b，單位為g/cm³。

依據(jù)采空區(qū)的勘查成果在隧道主軸兩側(cè)7-10m上布設(shè)了3個驗證鉆孔，YK-1、YK-2、YK-3三孔主要查明隧道西段侏羅系含煤地層的地層結(jié)構(gòu)、煤層采空情況及范圍，設(shè)計孔深100～260m。目的層為14號煤層底板以下3～5m及隧道底板以下20m。終孔口徑不小于91mm。在所有鉆孔中進行密度測井。

表1為YK-1鉆孔處的瑞雷波測試成果與鉆孔內(nèi)測井視密度成果。

表1

表2為三個鉆孔不同深度處的瑞雷波測試成果與鉆孔內(nèi)測井視密度成果。

表2

把視密度參數(shù)和圍巖速度參數(shù)繪成地層視密度-圍巖波速關(guān)系散點圖；根據(jù)散點圖中視密度數(shù)值和圍巖波速數(shù)值，采用了數(shù)理統(tǒng)計回歸方法，建立擬合曲線；得到地層視密度-圍巖波速關(guān)系曲線圖如圖4所示。

數(shù)理統(tǒng)計回歸方法具體為；

對于一組給定的圍巖速度測值及視密度測值，(x_i，y_i)，i＝1，2，...，n，有公式一

y_i＝f(x_i，θ)+ε_i i＝1，2，...，n 公式一

其中，f為擬合曲線函數(shù)；y_i視密度；x_i是圍巖波速；θ為未知參數(shù)向量；ε_i為隨機誤差項并且滿足獨立同分布假定；

假定擬合曲線f函數(shù)對參數(shù)θ連續(xù)可微，利用微分法，建立方程組，求使公式二達(dá)到最小的

將Q函數(shù)對參數(shù)θ_j求偏導(dǎo)，并令其為0，得到如公式三的p+1個方程；

最小二乘估計就是公式三的解，最終可得視密度與圍巖波速的擬合函數(shù)。

在得到圖4所示得到地層視密度-波速關(guān)系擬合曲線后，根據(jù)本發(fā)明方法步驟二所得的視密度數(shù)據(jù)；求得地層波速度；按巖石彈性波縱波速度和巖體完整性系數(shù)之間的關(guān)系，然后進行如下的判定：

圍巖速度值：>3.5(km/m)，圍巖穩(wěn)定性好，

圍巖速度值：2～3.5(km/m)，圍巖穩(wěn)定性一般，

圍巖速度值：1～2(km/m)，圍巖穩(wěn)定性較差，

圍巖速度值：<1(km/m)，圍巖穩(wěn)定性差。

評判結(jié)果即圍巖分級情況如下：

最終根據(jù)采空區(qū)的分布特征、測試或計算所得的隧道圍巖波速V_p及隧道圍巖完整性等各種信息綜合利用，劃分隧道圍巖的類別如下：

K1+840～K1+954：洞體受下部煤層采空坍塌影響，圍巖較為破碎，圍巖 彈性波速1692m/s，圍巖類別為II類。

K1+954～K2+130：洞體下部為煤層采空區(qū)，圍巖水平裂隙發(fā)育，圍巖彈性波波速2079m/s，圍巖類別為II類。

K2+130～K2+380：巖體局部受下部采空影響，巖體呈碎塊狀，圍巖彈性波速2542m/s，類別為III類。

K2+380～K2+540：洞體距下部煤層采空區(qū)較近為0～10m，但采空塌陷影響較輕，巖體呈完整～較破碎狀，圍巖彈性波波速2279m/s，圍巖類別為III類。

K2+540～K2+830：隧道穿越11號煤層而處于14號煤層上部10～20m，本段內(nèi)14號煤層剩余煤柱較多，頂板砂巖堅硬，巖體較破碎，圍巖彈性波波速較低，為1656m/s，圍巖類為III類。

K2+830～K3+280：K2+830～K3+060隧道處于11號和14號煤層之間，圍巖巖性為細(xì)砂巖或粉砂巖，14號煤采空冒落較為嚴(yán)重，巖體水平裂隙較為發(fā)育；圍巖彈性波波速為2929m/s，圍巖類別為IV類。

在入口段施工至K2+210～K2+400m段時，地層較為破碎，和鉆孔資料相吻合。ZK-2相應(yīng)的破碎帶深度在109m～122m處，其彈性波速為958m/s，其上部地層裂隙發(fā)育，至K2+400m之后才會逐步好轉(zhuǎn)，所以該段圍巖類別總體為III類是合適的，在施工中得以證實，至K2+400之后，巖層破碎程度變輕。在K2+450m前后，隧道穿越11^#煤層開空區(qū)，在K3+020前后，隧道穿越14^#煤層采空區(qū)，其圍巖類別由III類過度到IV類，整體揭示的圍巖類別情況與勘察階段的圍巖類別劃分基本相符，沒有出現(xiàn)特殊的異常情況。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。