一種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方法，實施現場鉆進試驗，通過鉆進過程中所測得的隨鉆參數，得出掌子面鉆孔深度方向的單軸抗壓強度和巖體完整性指標，再建立隨鉆參數與單軸抗壓強度以及巖體完整性指標之間的關系式，實際地下工程中，將獲得的隨鉆參數代入上述的關系式中，再通過巖體基本質量指標BQ分級計算公式對掌子面前方圍巖進行快速實時分級。本發明提供的一種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方法，只需要在工程現場利用鉆機對圍巖進行鉆進測試，不需取芯和室內試驗，對圍巖進行快速實時分級，分級效率高；本發明只需根據鉆進參數確定圍巖劃分等級，不需像傳統分級方式一樣需經過多種試驗方式，本發明方法簡單，易于操作。
【專利說明】
一種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方法
技術領域
[0001] 本發明涉及巖土工程勘察技術領域，尤其涉及一種基于隨鉆參數對地下工程圍巖 快速實時分級的方法。
【背景技術】
[0002] 隨著經濟的快速發展和人類社會的不斷進步，基礎性建設快速發展，在修建隧道、 地鐵或巷道時，需要根據對圍巖的分級確定支護方式和開挖方式，圍巖分級的準確與否對 施工工期、支護成本影響巨大，尤其是在TBM和盾構機施工日益增多的背景下，對施工掌子 面無法做到快速準確分級的情況下，遇到破碎圍巖和不良地質體，可能會使TBM或盾構機遭 受被卡甚至被埋的風險。
[0003] 目前普遍采用的圍巖分級方式存在以下問題：
[0004] (1)圍巖分級一般需對巖體進行取芯，并結合室內試驗，無法做到快速實時分級， 分級效率較低，增加了施工的時間成本和經濟成本。
[0005] (2)-般圍巖分級區段相隔較遠，分級不精確，若劃分的低級別圍巖區段過長，可 能會造成支護過強，材料浪費，成本急劇增加;若劃分的高級別圍巖區段過長，可能會造成 支護強度不足，發生圍巖失穩坍塌的風險增大。
[0006] 因此，急需建立一種對地下工程圍巖進行快速實時分級的方法。

【發明內容】

[0007] 本發明的目的是為了提供一種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方 法，該方法可根據現場快速分級結果對支護、施工方案進行及時調整，提高施工的安全性， 可降低施工成本，提高施工效率。
[0008] 為了達成上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0009] -種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方法，實施現場鉆進試驗，通 過鉆進過程中所測得的隨鉆參數，得出掌子面鉆孔深度方向的單軸抗壓強度和巖體完整性 指標，再建立隨鉆參數與單軸抗壓強度以及巖體完整性指標之間的關系式，實際地下工程 中，將獲得的隨鉆參數代入上述的關系式中，再通過巖體基本質量指標BQ分級計算公式對 掌子面前方圍巖進行快速實時分級。
[0010] -種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方法，具體步驟如下：
[0011] 步驟1):實施現場鉆進試驗，測得鉆進過程中的隨鉆參數，并提取巖芯，并利用巖 芯得到掌子面鉆孔不同深度方向的單軸抗壓強度；
[0012] 步驟2):實施彈性波測試試驗，得到巖體完整性指標；
[0013] 步驟3):根據步驟1中實施的大量試驗數據，利用逐步回歸的方法，得到單軸抗壓 強度與隨鉆參數的最優回歸關系式y1;
[0014] 步驟4):將對巖體破碎程度敏感的轉速r和扭矩m進行處理，得到扭矩顯著率爾和 轉速顯著率f，得到扭矩破碎指標QD m和轉速破碎指標QDr，并建立扭矩破碎指標QDjP轉速破 碎指標QDr與巖體完整性指標Kv擬合公式y2;
[0015] 步驟5):對于具體地下工程，實施鉆進試驗，將隨鉆參數代入到步驟3)得出的最優 回歸關系式yi和步驟4)得出的公式y2,快速得到掌子面前方的單軸抗壓強度R。和巖體完整 性指標K v;
[0016] 步驟6):將步驟5)得到的單軸抗壓強度R。和巖體完整性指標Kv代入到巖體基本質 量指標BQ分級計算公式，對掌子面前方圍巖進行快速實時分級。
[0017] 進一步地，所述步驟1)中所述的鉆進試驗，指搭載數字化圍巖強度鉆進測定系統 (DRST系統）的鉆機沿掌子面前方鉆進，并得到鉆進過程中鉆機的扭矩m、轉速r、軸壓力n、鉆 進速率V和鉆進比功w。
[0018] 進一步地，所述單軸抗壓強度R。通過實施單軸試驗得出。
[0019] 進一步地，所述步驟3)中所述扭矩顯著率S和轉速顯著率f分別通過公式（1)和公 式（2)計管·
[0020] (1)
[0021] (2)
[0022]式中k表示數據第k個采集點；
[0023] 所述扭矩破碎指標QDjP轉速破碎指標QDr分別通過以下公式(3) (4)計算：
[0024] (3)
[0025] (4)
[0026] 式中，h丨表示某一個鉆孔中扭矩顯著率兩小于臨界值的第i段長度，玲表示扭矩顯 著率指標小于臨界值段之間且長度小于IOmm的段中編號j的段長度;岵表示某一個鉆孔中 轉速顯著率f大于臨界值的第i段長度，If表示轉速顯著率指標大于臨界值段之間且長度小 于IOmm的段中編號j的段長度，H表示某鉆孔的總長度。所述扭矩顯著率臨界值和轉速顯著 率臨界值為根據試驗得到的，扭矩顯著率和轉速顯著率大于某一固定值時，判別到的破碎 巖體的保證率在95%，那么該固定值就是臨界值。
[0027]進一步地，所述步驟3)中所述建立扭矩破碎指標QDjP轉速破碎指標QDr與巖體完 整性指標Kv擬合公式72，為利用多元線性回歸的方法將Kv數據與扭矩破碎指標QDjP轉速破 碎指標QD r數據進行公式擬合，最終擬合公式的形式為：
[0028] y 2 = Kv = Po+PiQDm+^2QDr
[0029] 其中^、^、說都為回歸系數。
[0030]進一步地，所述步驟5)中巖體基本質量指標BQ分級計算公式：
[0031] BQ = 90+3Rc+250Kv
[0032] 進一步地，所述步驟3)中最優回歸關系式yi的計算步驟如下：
[0033] 2-1)明確自變量和因變量，計算相關系數矩陣，此步驟包括4個小步驟。
[0034] A.自變量為扭矩X1、轉速X2、軸壓力X3、鉆進速率X4和鉆進比功X 5因變量為單軸抗壓 強度yi，5元回歸模型為：
[0035]
[0036] B.計算各變量的平均值
[0037] 對于自變量和因變量根據大量現場試驗有η組數據，則各變量平均數
[0038]
[0039] η 1
[0040] Xk1表示第k次試驗數據中，Xl的值。
[0041 ] C ·計算離差陣
[0042] 自變量平方和為SSi，自變量間及其因變量乘積和為SPij和SPiy
[0048] D.計算相關系數矩陣[0049] μ 1為相關陣，計算公式為[0050][0051] 丨的相關系數;相關系數矩陣為
[0043]
[0044]
[0045]
[0046]
[0047]
[0052]
[0053]于是相關系數矩陣為
[0054] R(0) = [rij(0)]
[0055] 式中0代表原始相關系數。
[0056] 2-2)確定顯著性的F檢驗水準
[0057]本試驗樣本觀察數η遠大于自變量個數m，則m個自變量被引入的個數對剩余自變 量自由度影響不大，此時選定一個固定F檢驗值，不用更換，顯著水準α不宜過小，如可選Q = 0.1A為顯著性水平為α時的F值，可查F檢驗臨界值表得到。
[0058] 2-3)選取第1個自變量
[0059] Α.對5個自變量計算偏回歸平方和m
[0060] Ui = Tiy2/Γ?(? = 1,2,3,4,5)
[0061] m值越大表示該自變量被引入回歸方程后對方差的貢獻越大，該自變量最先引入 回歸方程，如將Xk引入回歸方程。
[0062] Β.引入自變量^后，相關系數陣R(1)經過下列公式變化，轉換為R(1+1)。
[0063]
[0064] 2-4)選取第2個自變量
[0065] A.計算各自變量回歸平方和
[0066] m⑵=[riy⑴]2/rii⑴（i = l，2,3,4,5)
[0067] 取除了已經引用的Xk外，將其與自變量中_4:2)中最大的自變量引入回歸方程，假 如為?。
[0068] B.對引入的自變量?進行F檢驗
[0069] Fi = U5(2)/[ (l-Uk(1)-ui(2))/(n-2-1)]
[0070] 若Fi > Fa則引入XI，否則不引入。
[0071] C.引入幻后，按R(1+1)公式進行變化，將R(1)變化為R(2)。
[0072] D.對引入a和?進行顯著性檢驗
[0073] 先計算出各偏回歸平方和及剩余平方和
[0074] m⑶=[riy⑵]2/rii⑵(i = l，2,3,4,5)
[0075] 若則壯和幻都顯著都保留，否則剔除a。
[0076] 2-5)重復第2-4)步，直至取完所有自變量；
[0077] 2-6)建立最優回歸方程。
[0078] 在逐步回歸分析中采用的是標準化的量，即由相關系數求得的解Pl為標準回歸系 數，再將其轉換為偏回歸系數bi，
[0079]
[0080] 假設Xk、^Q和Χζ*被選自變量，bi、bk、bz為自變量相應的偏回歸系數；
[0081 ] bQ =yl-bixi-bkxK -bzxs
[0082] 最優回歸方程為
[0083]
[0084] 通過以上公式就可以得出相關的關系式。
[0085]本發明的有益效果是：
[0086] 1)本發明提供的一種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方法，只需要 在工程現場利用鉆機對圍巖進行鉆進測試，不需取芯和室內試驗，對圍巖進行快速實時分 級，分級效率高。
[0087] 2)本發明只需根據鉆進參數確定圍巖劃分等級，不需像傳統分級方式一樣需經過 多種試驗方式，本發明方法簡單，易于操作。
[0088] 3)可根據本發明快速實時分級，對支護和施工方式作出及時調整，提高了施工的 安全性，降低施工成本。
【附圖說明】
[0089] 圖1是本發明一種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方法的實施流程 圖。
【具體實施方式】
[0090] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整的描述。
[0091] -種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方法，具體步驟如下：
[0092] 步驟1:實施現場鉆進試驗，測得鉆進過程中的隨鉆參數(扭矩m、轉速r、軸壓力n、 鉆進速率V和鉆進比功w)，并利用取芯鉆機在鉆機試驗鉆孔3倍洞徑以外，Im以內范圍，鉆取 與鉆進試驗相同深度的鉆孔，獲取巖芯并按深度編號，實施單軸試驗，得到鉆孔不同深度的 單軸抗壓強度R。。
[0093] 步驟2:實施彈性波測試試驗，得到巖體完整性指標Kv。
[0094] 步驟3:根據步驟1中實施的大量試驗數據，利用逐步回歸的方法，得到單軸抗壓強 度R。與隨鉆參數的最優回歸關系Sy1，經歷以下步驟。
[0095] 3-1)明確自變量和因變量，計算相關系數矩陣，此步驟包括4個小步驟。
[0096] Α.自變量為扭矩X1、轉速Χ2、軸壓力Χ3、鉆進速率Χ4和鉆進比功X 5因變量為單軸抗壓 強度yiA元同兩爐?為·
[0097]
[0098] Β.計算各變量的平均值
[0099] 對于自變量和因變量根據大量現場試驗有η組數據，則各變量平均數
[0100]
[0101]
[0102] Xk1表示第k次試驗數據中，Xl的值。
[0103] C.計算離差陣
[0104] 自變量平方和為SSi，自變量間及其因變量乘積和為SPij和SPiy
[0110] D.計算相關系數矩陣
[0105]
[0106]
[0107]
[0108]
[0109]
[0111] 在逐步回歸中為便于表達和計算，通常將離差陣化為相關陣，計算公式為
[0112] riy = SPij/(SSiSSj)0·5
[0113]式中，i，j = l，2,3,4,5，riy為xi、X2、X3、X4、X5、y之間的相關系數;相關系數矩陣為
[0114]
[0115] 于是相關系數矩陣為
[0116] R(0) = [rij(0)]
[0117] 式中0代表原始相關系數。
[0118] 3-2)確定顯著性的F檢驗水準
[0119] 本試驗樣本觀察數η遠大于自變量個數m，則m個自變量被引入的個數對剩余自變 量自由度影響不大，此時選定一個固定F檢驗值，不用更換，顯著水準α不宜過小，如可選Q = 0.1。
[0120] 3-3)選取第1個自變量
[0121] Α.對5個自變量計算偏回歸平方和m
[0122] Ui = Tiy2/Γ?(? = 1,2,3,4,5)
[0123] m值越大表示該自變量被引入回歸方程后對方差的貢獻越大，該自變量最先引入 回歸方程，如將Xk引入回歸方程。
[0124] Β.引入自變量^后，相關系數陣R(1)經過下列公式變化，轉換為R(1+1)。
[0125]
[0126] 3-4)選取第2個自變量
[0127] A.計算各自變量回歸平方和
[0128] m⑵=[riy⑴]2/rii⑴（i = l，2,3,4,5)
[0129] 取除了已經引用的處外，將其與自變量中^2)中最大的自變量引入回歸方程，假 4· 如為XI;
[0130] B.對引入的自變量?進行F檢驗
[0131 ] Fi = U5(2)/[ (l-Uk(1)-ui(2))/(n-2-1)]
[0132] 若Fi>Fa則引入xi，否則不引入；
[0133] C·引入Xi后，按R(1+1)公式進行變化，將R(1)變化為R (2);
[0134] D.對引入a和?進行顯著性檢驗；
[0135] 先計算出各偏回歸平方和及剩余平方和
[0136] m(3) = [riy(2)]2/rii⑵（i = l，2,3,4,5)
[0137] 若up > uf3)，則X1JPx1都顯著都保留，否則剔除xk;
[0138] 3-5)重復第3-4)步，直至取完所有自變量
[0139] 3-6)建立最優回歸方程
[0140] 在逐步回歸分析中采用的是標準化的量，即由相關系數求得的解Pl為標準回歸系 數，再將其轉換為偏回歸系數bi，
[0141]
[0142] 假設Xk^1和心為被選自變量，bi、bk、bz為自變量相應的偏回歸系數；
[0143] 4 - V, -bjX, ~!\xk -b_xr
[0144] 最優回歸方程為
[0145]
[0146] 步驟4:將對巖體破碎程度敏感的轉速r和扭矩m進行處理，利用下面公式得到扭矩 顯著率衍和轉速顯著率f
[0147]
[0148]
[0149] 式中k表示數據第k個采集點。
[0150] 在此基礎上計算扭矩破碎指標QDjP轉速破碎指標QDr
[0151]
[0152]
[0153] 式中，塒表示某一個鉆孔中扭矩顯著率柄小于臨界值的第i段長度，!:〖表示扭矩顯 著率指標小于臨界值段之間且長度小于IOmm的段中編號j的段長度;Zif表示某一個鉆孔中 轉速顯著率f大于臨界值的第i段長度，〖f表示轉速顯著率指標大于臨界值段之間且長度小 于IOmm的段中編號j的段長度，H表示某鉆孔的總長度。
[0154] 利用多元線性回歸的方法將Kv數據與扭矩破碎指標QDjP轉速破碎指標QDr數據進 行公式擬合，最終擬合公式的形式為：
[0155] y 2 = Kv = Po+PiQDm+^2QDr
[0156] 其中^、^、說都為回歸系數。
[0157] 步驟5:對于具體地下工程，實施鉆進試驗，將隨鉆參數代入到最優回歸關系式71 和公式y2,快速得到掌子面前方的單軸抗壓強度R。和巖體完整性指標Kv。
[0158] 步驟6:將步驟5得到的單軸抗壓強度R。和巖體完整性指標Kv代入到巖體基本質量 指標BQ分級計算公式：
[0159] BQ = 90+3Rc+250Kv
[0160] 并結合《工程巖體分級標準》，得到掌子面前面巖體隨鉆孔深度方向的初步圍巖分 級結果。
[0161]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方法，其特征在于，實施現場鉆 進試驗，通過鉆進過程中所測得的隨鉆參數，得出掌子面鉆孔深度方向的單軸抗壓強度和 巖體完整性指標，再建立隨鉆參數與單軸抗壓強度W及巖體完整性指標之間的關系式，實 際地下工程中，將獲得的隨鉆參數代入上述的關系式中，再通過巖體基本質量指標BQ分級 計算公式對掌子面前方圍巖進行快速實時分級。2. -種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方法，其特征在于，具體步驟如 下： 步驟1):實施現場鉆進試驗，測得鉆進過程中的隨鉆參數，并提取巖忍，并利用巖忍得 到掌子面鉆孔不同深度方向的單軸抗壓強度； 步驟2):實施彈性波測試試驗，得到巖體完整性指標； 步驟3):根據步驟1中實施的大量試驗數據，利用逐步回歸的方法，得到單軸抗壓強度 與隨鉆參數的最優回歸關系式yi; 步驟4):將對巖體破碎程度敏感的轉速r和扭矩m進行處理，得到扭矩顯著率現和轉速顯 著率民得到扭矩破碎指標QDm和轉速破碎指標QDr，并建立扭矩破碎指標QDm和轉速破碎指標 QDr與巖體完整性指標Κν擬合公式y2; 步驟5):對于具體地下工程，實施鉆進試驗，將隨鉆參數代入到步驟3)得出的最優回歸 關系式yi和步驟4)得出的公式y2,快速得到掌子面前方的單軸抗壓強度R。和巖體完整性指 標Κν; 步驟6):將步驟5)得到的單軸抗壓強度Rc和巖體完整性指標Κν代入到巖體基本質量指 標BQ分級計算公式，對掌子面前方圍巖進行快速實時分級。3. 如權利要求2所述的一種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方法，其特 征在于，所述步驟1)中所述的鉆進試驗，指搭載數字化圍巖強度鉆進測定系統的鉆機沿掌 子面前方鉆進，并得到鉆進過程中鉆機的扭矩m、轉速r、軸壓力η、鉆進速率V和鉆進比功W。4. 如權利要求2所述的一種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方法，其特 征在于，所述單軸抗壓強度R。通過實施單軸試驗得出。5. 如權利要求2所述的一種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方法，其特 征在于，所述步驟4)中所述扭矩顯著率??和轉速顯著率f分別通過W下公式計算：式中k表示數據第k個采集點； 所述扭矩破碎指標QDm和轉速破碎指標QDr分別通過W下公式計算：式中，:時表示某一個鉆孔中扭矩顯著率巧小于臨界值的第i段長度，巧表示扭矩顯著率 指標小于臨界值段之間且長度小于10mm的段中編號j的段長度;表示某一個鉆孔中轉速 顯著率f大于臨界值的第i段長度，擇表示轉速顯著率指標大于臨界值段之間且長度小于 10mm的段中編號j的段長度，Η表示某鉆孔的總長度。6. 如權利要求2所述的一種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方法，其特 征在于，所述步驟4)中所述建立扭矩破碎指標QDm和轉速破碎指標孤r與巖體完整性指標Κν 擬合公式y2，為利用多元線性回歸的方法將Κν數據與扭矩破碎指標孤m和轉速破碎指標孤r 數據進行公式擬合，最終擬合公式的形式為： Y2 = Κν = 0O+0lQDm+02QDr 其中β〇、β?、&都為回歸系數。7. 如權利要求2所述的一種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方法，其特 征在于，所述步驟6)中巖體基本質量指標BQ分級計算公式： BQ = 90+3Rc 巧 50Κν。8. 如權利要求2所述的一種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方法，其特 征在于，所述步驟3)中最優回歸關系式yi的計算步驟如下： 2-1)明確自變量和因變量，計算相關系數矩陣； A. 自變量為扭矩XI、轉速X2、軸壓力X3、鉆進速率X4和鉆進比功X日因變量為單軸抗壓強度 yi，5元回歸模型為：B. 計算各變量的平均值 對于自變量和因變量根據大量現場試驗有η組數據，則各變量平均數xki表示第k次試驗數據中，xi的值； C. 計算離差陣 自變量平方和為SSi，自變量間及其因變量乘積和為SPij和SPiy D. 計算相關系數矩陣在逐步回歸中為便于表達和計算，通常將離差陣化為相關陣，計算公式為 riy=SPij/^(SSiSSj 產 5 式中，i，j = l，2,3,4,5，；Tiy為xi、X2、X3、X4、X5、y之間的相關系數 于是相關系數矩陣為 R(〇) =[巧(〇)] 式中0代表原始相關系數； 2-2)確定顯著性的F檢驗水準； 2-3)選取第1個自變量； A. 對5個自變量計算偏回歸平方和m Ui = riyS/rii(i = l ,2,3,4,5) Ui值越大表示該自變量被引入回歸方程后對方差的貢獻越大，該自變量最先引入回歸 方程，如將a引入回歸方程； B. 引入自變量xk后，相關系數陣RW經過下列公式變化，轉換為2-4)選取第2個自變量； A. 計算各自變量回歸平方和 Ui口）= [riy("]2/rii("(i = l，2,3,4,5) 取除了已經引用的xk外，將其與自變量中中最大的自變量引入回歸方程，假如為 支 XI； B. 對引入的自變量XI進行F檢驗 Fi = U5(2)/[(l-Uk(i)-山(2))/(n-2-l)] 若Fl>Fa則引入XI，否則不引入； C. 引入XI后，按R(i")公式進行變化，將R(i)變化為R(2); D. 對引入a和XI進行顯著性檢驗； 先計算出各偏回歸平方和及剩余平方和 Ui(3) = [riyC)]2/riiW(i = l，2,3,4,5) 若up > ，則祉和XI都顯著都保留，否則剔除化； 2-5)重復第2-4 )，直至取完所有自變量； 2-6)建立最優回歸方程。9.如權利要求8所述的一種基于隨鉆參數對地下工程圍巖快速實時分級的方法，其特 征在于，所述步驟2-6)中最優回歸方程的建立方式如下： 在逐步回歸分析中采用的是標準化的量，即由相關系數求得的解Pi為標準回歸系數，再 將其轉換為偏回歸系數bi，假設Xk、Xl和Xz為被選自變量，bl、bk、bz為自變量相應的偏回歸系數；
【文檔編號】G06Q50/08GK105938611SQ201610529331
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年7月6日
【發明人】王 琦, 李術才, 高松, 王雷, 江貝, 潘銳, 孫會彬, 高紅科, 秦乾, 于恒昌, 胥洪彬, 欒英成, 許英東
【申請人】山東大學