一種判斷隧道圍巖類別的方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及地質(zhì)與地球物理領域，尤其涉及一種判斷隧道圍巖類別的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在我國很多高山峻嶺地區(qū)，對于公路、鐵路、水利隧道（洞）和地下工程的建設，都 需要修建大量的隧道（隧洞）及地下工程（如圖1所示）。上述工程隧道建設中將會遇到 較為復雜的地質(zhì)環(huán)境條件，如碳酸鹽分布地區(qū)的巖溶、暗河、巖溶陷落柱，高地應力區(qū)的巖 爆、煤系地層中的煤與瓦斯突出。復雜的地質(zhì)構(gòu)造及地下水突涌、塌方、大變形等地質(zhì)災害。 準確判定未開挖隧道的圍巖級別和類型，提供了解圍巖的地質(zhì)信息，對隧道安全施工具有 重要的指導意義。
[0003] -般情況下，根據(jù)圍巖的穩(wěn)定性，可分為以下五類：1)1類：強穩(wěn)定巖層。堅硬、完 整、整體性強，不易風化；巖層間膠結(jié)好，無軟弱夾巖、玄武巖、石英巖、石英質(zhì)砂巖、奧陶紀 石灰?guī)r、茅口石灰?guī)r等。2)11類：穩(wěn)定巖層。比較堅硬，巖層膠結(jié)較好，裂隙面閉合無泥質(zhì) 充填物，如砂巖、石灰?guī)r。3)111類：中等穩(wěn)定巖層，中硬巖層。層狀巖層以堅硬為主，夾有 少數(shù)軟巖層，較堅硬的塊狀巖層，如砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、石灰?guī)r等。4)IV類：弱穩(wěn)定巖 層，較軟巖層。中硬層狀巖層，中硬塊狀巖層，泥巖、膠結(jié)不好的砂巖、煤等。5)V類：不穩(wěn)定 巖層，高風化、潮解的松軟巖層，如各類破碎巖層、泥巖、軟質(zhì)灰?guī)r、破碎砂巖等。
[0004] 為了 了解待開挖隧道圍巖及其穩(wěn)定性，常規(guī)的方法是通過鉆探和巖石分析的辦法 得到巖石的類別，即：首先在待開挖隧道上方地面上布設鉆孔，取得巖芯，對巖芯進行穩(wěn)定 性質(zhì)測試，從而根據(jù)它的穩(wěn)定性、堅硬性等特性，得到圍巖的類別；或者對隧道開挖后的巖 石或者巖土進行采樣，再進行穩(wěn)定性分析。這種分析方法一般比較可靠，但是由于隧道開 挖的時效性或者鉆探的成本問題以及復雜地區(qū)鉆探體的施工問題等，在實際工作都需要考 慮。加上鉆探工作的一孔之見，有時會使巖石穩(wěn)定性信息不全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題隧道開挖前圍巖類別的預測判斷的問題，本發(fā)明提出一 種判斷隧道圍巖類別的方法。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種判斷隧道圍巖類別的方法，包括：
[0007] 采集待評估區(qū)域每一個剖面設點的瞬變電磁數(shù)據(jù)；
[0008] 將每個所述剖面設點的瞬變電磁數(shù)據(jù)與隧道的圍巖巖性類別系數(shù)類比，確定每個 所述剖面設點的圍巖類別。
[0009] 優(yōu)選地，采集待評估區(qū)域每一個剖面設點的瞬變電磁數(shù)據(jù)包括：
[0010] 在待評估區(qū)域的地面布設剖面設點，并在每一個所述剖面設點的測量坐標上進行 瞬變電磁信號測量，獲得待評估區(qū)域每一個剖面設點的視電阻率矩陣。
[0011] 優(yōu)選地，獲得所述隧道的圍巖巖性類別系數(shù)包括：
[0012] 建立開挖隧道的圍巖巖性類別數(shù)據(jù)與開挖隧道地面進行瞬變電磁信號測量獲得 的測量數(shù)據(jù)之間的對應關(guān)系，獲得圍巖類別與瞬變電磁數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)所述相關(guān)系 數(shù)確定隧道的圍巖巖性類別系數(shù)。
[0013] 優(yōu)選地，獲得待評估區(qū)域每一個剖面設點的視電阻率曲線包括：
[0014] 采集每個所述剖面設點中心回線的瞬變電磁數(shù)據(jù)；
[0015] 根據(jù)中心回線的視電阻率計算公式確定所述剖面設點的視電阻率：
[0016] 所述中心回線的視電阻率計算公式為
【主權(quán)項】
1. 一種判斷隧道圍巖類別的方法，其特征在于：包括： 采集待評估區(qū)域每一個剖面設點的瞬變電磁數(shù)據(jù)； 將每個所述剖面設點的瞬變電磁數(shù)據(jù)與隧道的圍巖巖性類別系數(shù)類比，確定每個所述 剖面設點的圍巖類別。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：采集待評估區(qū)域每一個剖面設點的瞬變電 磁數(shù)據(jù)包括： 在待評估區(qū)域的地面布設剖面設點，并在每一個所述剖面設點的測量坐標上進行瞬變 電磁信號測量，獲得待評估區(qū)域每一個剖面設點的視電阻率矩陣。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于：獲得所述隧道的圍巖巖性類別系數(shù)包 括： 建立開挖隧道的圍巖巖性類別數(shù)據(jù)與開挖隧道地面進行瞬變電磁信號測量獲得的測 量數(shù)據(jù)之間的對應關(guān)系，獲得圍巖類別與瞬變電磁數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)所述相關(guān)系數(shù)確 定隧道的圍巖巖性類別系數(shù)。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于：獲得待評估區(qū)域每一個剖面設點的視電阻 率曲線包括： 采集每個所述剖面設點中心回線的瞬變電磁數(shù)據(jù)； 根據(jù)中心回線的視電阻率計算公式確定所述剖面設點的視電阻率： 所述中心回線的視電阻率計算公式為
其中，M是源發(fā)射磁矩，大小為發(fā)射電流與發(fā)射回線面積的乘積；q代表觀測位置探頭 的有效接收面積，V(t)是測量的二次感應電壓值，t是觀測時間，Utl為自由空間的磁導率。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于：獲得所述隧道的圍巖巖性類別系數(shù)包括： 在開挖隧道地面進行瞬變電磁信號測量，獲得觀測的感應電壓值V (t)，并按中心回線 的視電阻率計算公式計算對應的視電阻率值，針對每個開挖隧道剖面設點，根據(jù)所得到的 視電阻率值形成開挖隧道視電阻率矩陣A ; 對開挖隧道的圍巖類別數(shù)據(jù)進行整理，形成圍巖類別矩陣C ; 建立如下的方程： AX = C 其中，A為開挖隧道視電阻率矩陣，C為所對應的圍巖類別矩陣，X為圍巖類別與電磁數(shù) 據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣； 求解圍巖類別與電磁數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣X。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于：求解圍巖類別與電磁數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣X 包括： 開挖隧道視電阻率矩陣A的元素與所對應的圍巖類別矩陣C的元素之間對應非線性關(guān) 系表不為： IOc^ P ahb 其中，a，b是待定系數(shù)，P是根據(jù)中心回線的視電阻率計算公式計算獲得的視電阻率， h是探測深度，探測深度由下式?jīng)Q定：
對所述非線性關(guān)系等式兩邊取對數(shù)，獲得： c^a log P +b log h 相應的圍巖類別矩陣表示：C ~ a IogP +b log H 把上式按泰勒級數(shù)公式展開成高階多項式相加的形式： C = ajlog P+a2 (log P )2+a3 (log P ) ^b1Iog H+b2(log H)2+b3(log H)3 建立方程組；并通過已知的視電阻率P，探測深度h，及所對應的巖石級別求得六個系 &1，&2，&3，bi，b。，bg; 得到圍巖類別與電磁數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣X。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于：將每個所述剖面設點的瞬變電磁數(shù)據(jù)與隧 道的圍巖巖性類別系數(shù)類比，確定每個所述剖面設點的圍巖類別包括： 將獲得的相關(guān)系數(shù)矩陣X和待評估區(qū)域視電阻率矩陣A'組合成如下的方程組： A' X = D 其中，針對每個所述待評估區(qū)域剖面設點，根據(jù)所得到待評估區(qū)域視電阻率值形成待 評估區(qū)域視電阻率矩陣A'，D為待評估區(qū)域的圍巖類別矩陣； 計算獲得待評估區(qū)域圍巖類別矩陣D。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：還包括： 以每個所述剖面設點距離為橫坐標，以探測深度為縱坐標，將每個所述剖面設點的圍 巖類別數(shù)據(jù)繪制在剖面圖中，形成圍巖類別預測圖。
9. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于：建立方程組，并通過已知的視電阻率P，探 測深度h，及所對應的巖石級別求得六個系數(shù)叫，a 2, a3, bp b2, b3包括： 通過開挖隧道視電阻率建立如下六個方程組：
通過解線性方程組，計算出系數(shù)a2, a3, bp b2, b3; 得到圍巖類別與電磁數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣X。
【專利摘要】一種判斷隧道圍巖類別的方法，涉及地質(zhì)與地球物理領域，解決了隧道開挖前圍巖類別的預測判斷的問題，包括：采集待評估區(qū)域每一個剖面設點的瞬變電磁數(shù)據(jù)；將每個所述剖面設點的瞬變電磁數(shù)據(jù)與隧道的圍巖巖性類別系數(shù)類比，確定每個所述剖面設點的圍巖類別。在開挖過的隧道的圍巖巖性類別數(shù)據(jù)和開挖隧道上方地面上進行瞬變電磁法測量數(shù)據(jù)之間，建立一種圍巖級別與電磁數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)；根據(jù)相關(guān)系數(shù)與隧道(待評估區(qū)域)設計線路的地面上的瞬變電磁數(shù)據(jù)的類比關(guān)系，確定出未開挖隧道線路的圍巖級別，給設計和施工提供安全生的依據(jù)。
【IPC分類】G01V3-08
【公開號】CN104749642
【申請?zhí)枴緾N201510166596
【發(fā)明人】薛國強, 侯東洋, 鐘華森, 馬振軍
【申請人】中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年4月9日