提高求取隧道洞身围岩Kv值准确率

1、课题名称：课题名称：提高求取隧道洞身围岩完提高求取隧道洞身围岩完 整性系数整性系数KvKv值的准确率值的准确率江西省交通设计院江西省交通设计院二二0000八年四月八年四月QCQC小组成果汇报材料小组成果汇报材料目目 录录 1、小组概况 2、选题理由 3、活动计划 4、现状调查与分析 5、目标设定 6、原因分析 7、确定主要原因 8、制定对策 9、实施对策 10、检查效果 11、巩固措施及标准化 12、总结回顾及今后打算一、小组概况、问题的提出 在鹰潭至瑞金高速公路及石城至吉安高速公路施工图勘察设计中，我们在依据围岩基本质量指标 BQ对隧道进行隧道围岩分级时发现，有的钻孔在取芯很破碎时，其Kv值

2、大于0.75，即表明隧道围岩很完整，有的甚至出现Kv大于1.0的反常情况，这与实际情况(Kv1)相违背，如表1。 针对表1中出现的情况，如果我们不采取措施找到出现上述情况的原因，依然用上面的Kv值代入BQ公式计算，并通过求出BQ来对隧道洞身围岩进行分级，将会出现意想不到的错误结果。因此我们岩土工程所领导非常重视，决定组织QC小组对其进行技术攻关，以消除这种严重后果。 表1序号项目名称工程名称钻孔编号岩样取样深度及编号岩石弹性纵波波速Vpr（m/s）岩体弹性纵波波速Vpm (m/s)岩体完整性系数Kv评价1鹰瑞高速公路施设赤水隧道ZK258.2-59.4/ZK2-1429842400.9732该

3、段破碎与实际情况相反62.5-62.79/ZK2-2504750701.569完整性系数Kv不能大于1.0瑞金长埠隧道YZK373.5-73.95/YZK3-3468148991.095完整性系数Kv不能大于1.0ZZK484.0-85.53/ZK4-3471738740.6745该段破碎与实际情况相反2石吉高速公路施设石山隧道ZK133.0-33.2/ZK1-5380038111.006完整性系数Kv不能大于1.039.85-40.0/ZK1-7410038110.8640该段破碎与实际情况相反2、小组简介（表2）小组名称岩土工程所小组岩土工程所小组成立日期19991999年年1010月月1

4、515日日注册日期19991999年年1111月月2626日日课题名称提高求取隧道洞身围岩完提高求取隧道洞身围岩完整性系数整性系数KVKV值的准确率值的准确率课题注册登记号07-0507-05TQM教育时间5656小时小时活动时间从从5 5 月下旬至月下旬至1212月上旬月上旬活动次数9 9次次小组类型攻关攻关 型型序号姓名性别年龄文化程度职务、职称小组分工1陈斌文男32本科工程师组长：组织活动，实施落实，要因确认，资料整理，成果发布2罗细雅男50本科所长教授级高级工程师组员：质量教育，组织协调，要因分析3龚剑平男50本科教授级高级工程师组员：工作目标设定，对策措施制定，实施效果检查4李汉江男

5、36本科高级工程师组员：现状调查与分析，实施对策措施一、三5刘 映男33本科工程师组员：搜集资料，外业勘察，实施对策措施五6刘 勇男31本科工程师组员：搜集资料，外业勘察，实施对策措施三7周志军男25研究生助理工程师组员：搜集资料，外业勘察，对策实施四二、选题理由二、选题理由选选题题理理由由1、根据新的隧道设计规范（JTG D70-2004），隧道围岩的分级主要根据围岩基本量化指标BQ来划分，而BQ与Kv值存在如下关系：BQ= BQ-100*（K1+K2+K3），BQ=90+3*Rc+250*Kv，其中K1、K2、K3为修正系数-查表获得，Rc为岩石单轴抗压强-取样试验测得，Kv为隧道围岩完整

6、性系数。因此Kv值准确与否是准确进行隧道围岩分级的关键因素。2、岩土所要求：力求找到一种准确测量岩体纵波波速Vpm及岩石纵波波速Vpr的方法，并准确求取隧道围岩完整性系数Kv,然后将之规范化以作为岩土所今后进行波速测试的测量准则。3、设计院的要求：随着高速公路的迅猛发展，高速公路的修建已全面进入了山岭重丘区，山岭隧道已成为高速公路修建中不可缺少的一部分，因此院强烈要求岩土所在进行隧道洞身围岩分级时应准确可靠，即隧道围岩完整性系数Kv求取要准确可靠。提高求取隧道洞身围岩完整性系数 K V值的准确率因此，根据上述选题理由，我们QC小组选择了 “提高求取隧道洞身围岩完整性系数KV值的准确率” 这一课

7、题，并对其进行技术攻关。图 1 选题理由分类图 三、活动计划三、活动计划活动计划时间安排表表3阶段时间内容负责人阶段12007.5.255.31选择课题、制定活动计划、明确分工陈斌文22007.6.16.20现状调查与分析李汉江32007.6.216.30设定工作目标龚剑平42007.7.17.20分析原因罗细雅52007.7.217.25确定主要原因陈斌文62007.7.267.31制定对策措施龚剑平D阶段12007.8.118.15实施对策措施一李汉江刘勇22007.8.168.20实施对策措施二周志军32007.8.218.25实施对策措施三刘映阶段2007.8.269.5检查实施效果龚

8、剑平阶段12007.9.69.15巩固措施及标准化陈斌文22007.9.169.25总结回顾及今后打算陈斌文32007.9.2612.10整理成果，准备发布陈斌文图 2 活动计划时间进度图A3A2A1CD3D2D1P6P5P4P3P2P1阶段P阶段D阶段A阶段C 阶段时 间(2007年)5月6月7月8月9月10月11月12月1020 31 1020 30 1020 31 1020 31 1020 30 1020 31 1020 30 1020 31四、现状调查与分析四、现状调查与分析图 3 课题现状调查分析图 课题现状1、2007年5月以前，采用PS波进行钻孔波速测试，即测岩体纵波波速Vpm，

9、由于隧道钻孔深度大，震源能量较弱，测量浅部效果较好，深部效果很差，无法准确测出钻孔周边岩体纵波波速Vpm，其准确率不到50%，如岩体完整的花岗岩测得的Vpm只有2500m/s左右，而实际上岩体完整的花岗岩其Vpm一般均大于5000m/s ，由此算出的Kv值准确率也不到50%(见表4)。2、2007年5月以后，我们岩土所购买了超声波测试仪，即采用超声波测试仪进行钻孔岩体波速Vpm测试，该方法解决了震源能量不足的问题，测试精度得到了一定提高，但是其测量结果与实际钻进情况也有较大偏差，其岩体波速Vpm准确率也不到70%，如有些岩芯较破碎的地层，其岩体波速Vpm与实际情况相差较大(见表5)。3、岩石试

10、样弹性纵波波速测试均送往外单位进行测试，其测量结果与实际情况相差较大，有的钻孔岩石波速Vpr甚至比相应位置的岩体波速Vpm还小很多，求出的Kv值出现大于1.0的情况(见表1)。隧隧道道围围岩岩分分级级准准确确率率小小于于60%60%导导致致K vK v值值的的准准确确率率小小于于65%65%采用PS技术隧道洞身部分钻孔围岩完整性系数评价表 表4 项目名称工程名称钻孔编号岩样取样深度及编号岩石弹性纵波波速Vrm (m/s）岩体弹性纵波波速Vpm (m/s)岩体完整性系数Kv评价Kv值准确率(%)鹰瑞高速公路初设大禾隧道ZK365.6-662/ZK3-2487926780.3013该段岩体完整胶结

11、致密,结果错误小于50%76.45-76.86/ZK3-3504728430.3173该段岩体完整胶结致密,结果错误ZK216.46-16.89/ZK2-1469540180.7324该段岩体较为完整，结果正确57.28-57.83/ZK2-3498626840.2898该段岩体完整胶结致密,结果错误赤水隧道ZK369.42-70.2/ZK3-2502827830.3064该段岩体完整胶结致密,结果错误ZK482.3-82.78/ZK4-3498726780.2884该段岩体完整胶结致密,结果错误注：表中岩石纵波波速Vpr由江西地矿岩土实验室测得 课题攻关前采用声波测试技术隧道洞身部分钻孔围岩

12、完整性系数评价表 表5项目名称工程名称钻孔编号岩样取样深度及编号岩石弹性纵波波速Vpr（m/s）岩体弹性纵波波速Vpm(m/s)岩体完整性系数Kv评价Kv值准确率(%)鹰瑞高速公路施设广石隧道ZK578.32-78.86/ZK5-3523742730.6657该段岩体完整胶结致密,与实际情况较为接近，但仍有差距小于70%83.67-84.16/ZK5-4532943780.6749该段岩体完整胶结致密,与实际情况较为接近，但仍有差距ZK347.68-48.37/ZK3-1498741650.6975该段岩体完整胶结致密,与实际情况较为接近，但仍有差距67.46-68.13/ZK3-250164

13、4680.7934该段岩体完整胶结致密,与实际情况相符赤水隧道ZK257.38-57.89/ZK2-2498742170.7150该段岩体较完整，胶结较密,与实际情况相符ZK578.43-79.32/ZK5-3523143540.6928该段岩体完整胶结致密,与实际情况较为接近，但仍有差距注：表中岩石纵波波速Vpr由江西地矿岩土实验室测得针对上述调查情况， QC小组全体成员进行了多方面的研究探讨，查阅和收集了相关资料，经综合分析认为影响计算隧道围岩完整性系数Kv值准确度的因素为以下几点： 计 算计 算K vK v 值值影 响影 响因因 素素1、隧道洞身岩体弹性纵波波速Vpm2、隧道洞身岩石弹性

14、纵波波速Vpr5、计算误差的影响3、仪器设备的精度影响4、成员的理论水平及实践经验图 4 计算Kv值影响因素图影响因素权重打分表 表6序号 成员原因陈斌文罗细雅龚剑平李汉江刘映刘勇周志军总计百分率（%）累计百分率（%）1隧道洞身岩体弹性纵波波Vpm3742403841424328340.440.42隧道洞身岩石弹性纵波波Vpr4339374540433928640.981.33仪器设备的精度影响5674768436.187.44成员的理论水平及实践经验108107655517.394.75计算误差的影响5566645375.31006合 计700100图5 影响因素排列图7 01 4 02 1

15、 02 8 03 5 04 2 04 9 05 6 06 3 07 0 0权重打分N = 7 0 0岩体弹性纵波波速V p m岩石弹性纵波波速V p r4 0 . 48 1 . 39 3 . 67 0 0累计百分率( % )1 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0002 8 33 76 6 32 8 65 14 34 0 . 96 . 17 . 35 . 38 7 . 46 1 25 6 9仪器设备的精度影响成员的理论水平及实践经验计算误差的影响结论根据排列图可知影响计算隧道洞身围岩完整性系数的主要因素为：隧道洞身岩体弹性纵波波速隧道洞身岩体弹性纵波波速VpmVpm和隧

16、道洞和隧道洞身岩石弹性纵波波速身岩石弹性纵波波速VprVpr。五、目标设定五、目标设定1 1、课题目标、课题目标 本课题目标： 准确测试岩体纵波波速准确测试岩体纵波波速VpmVpm和岩和岩石纵波波速石纵波波速VprVpr，使求取的隧道洞，使求取的隧道洞身围岩完整性系数身围岩完整性系数KvKv值准确率达到值准确率达到80%80%以上以上2、目标实现可行性论证1、我们岩土所领导十分重视本课题的实施，亲自参加本QC小组，并在人力、设备和资金等资源上满足课题攻关需要。2、新购置一台超声波波速测试仪，可现场对岩石试样进行波速测试。3、新购置几台大功率150米钻机，钻孔取样可取到较为理想的岩样试块。4、本

17、QC小组成员都是本项目实施的骨干人员，都具有多年的物探经验和地质经验，具有攻克难关的决心和解决实际问题的能力。课课题题目目标标一一定定能能够够实实现现图 6 目标实现可行性论证图 六、原因分析六、原因分析图7 主要影响因素关联图隧 道 洞 身 岩 体 弹性 纵 波 波 速隧 道 洞 身 岩 石 弹性 纵 波 波 速钻 进 方 法仪 器 误 差计 算 误 差钻 孔 孔 壁 泥浆 的 影 响岩 体 测试 方 法岩 石 测试 方 法测 试 岩样 制 作钻 机 操 作 人 员钻 探 水 平 低回 水 或 泥浆 水 钻 进仪 器 操 作人 员 经 验水 平 较 低仪 器 探 头 与 钻孔 的 耦 合 较

18、 差测 点 间距 太 大仪 器 探 头与 岩 石 的耦 合 较 差测 试 岩 样 的正 确 选 取标 准 岩 样试 块 制 作不 标 准测 试 岩 样组 数 太 少从关联图上可见，影响隧道洞身岩体弹性纵波波速Vpm和隧道洞身岩石弹性纵波波速Vpr准确度的末端原因有十条。 七、确定主要原因七、确定主要原因 要因确认表 表7序号末端原因要因确认确认方法负责人要因分析1钻机操作人员钻探水平低1、在岩体较完整的情况下取出的岩芯试样破碎；2、钻孔时用泥浆护壁造成测不出真实的岩体弹性纵波波速；3、钻孔不规则造成实测波速低于岩体的实际波速。4、该原因可通过加强理论指导及现场实践操作培训来解决调查试验确定陈斌

19、文非主因2仪器探头与钻孔的耦合较差由于钻孔孔径远大于超声波探仪的发射接收探头，若仪器探头不能与钻孔耦合良好，则发射的超声波不能被很好的接收，即测不出岩体的弹性纵波波速。试验确定刘 映主因3测点间距太大由于仪器探头接收探头之间的距离为30CM，如果测试岩体波速时，测点间距超过30CM，则会出现岩体漏测现象，也就不能真实地反映出实际岩体的波速情况，该情况可以采用测点间距为30CM来解决。试验确定李汉江非主因4测试岩样的正确选取岩石弹性纵波波速时，测试的是洞身较为完整、胶结密实的岩石的弹性纵波波速，若用于测试的岩石裂隙较多，则测出的岩石弹性纵波波速用于求Kv时会得出违背实际情况的结果，该情况可通过现

20、场挑选好的岩石来解决。试验确定龚剑平非主因5标准岩样试块制作不标准由于钻探所取的岩样多为不规则的岩样，若选取的试样两头不平，则测不出准确的结果，需把岩样两头修平整才能进行测试。试验确定罗细雅主因6测试岩样组数太少由于采用单块岩样测试得出的结果不具有代表性，有可能会出现较大的误差，应通过选取多块岩较为完整且胶结密实的岩样进行测试并求取平均值来解决。分析确定刘 勇非主因7仪器探头与岩石的耦合较差进行岩石波速测试时，仪器探头（即平面换能器）应紧紧地与岩石耦合在一起，不能摇晃不定，否则测出的数据变化很大、不稳定。试验确定周志军主因8仪器操作人员经验水平较低1、岩体波速测试时，放入钻孔中仪器探头应固定，

21、不应不能摇晃不定，否则数据变化大、不稳定；2、进行波速速度计算时，由于超声波传播时间以ms计算，若读取首波的起跳时间不准，会造成速度相差几百甚至上千米每秒的误差；3、该原因可通过加强理论指导及现场实践操作培训来解决调查确定陈斌文非主因9计算误差在计算弹性波速度时，因Vp=L/t，L为两接收探头之间的距离，一般为30CM，t为两接收探头接收超声波的时间差，该误差一般较小，通过多保留几位小数点来解决。分析确定刘 勇非主因10仪器误差仪器在出厂时本身存在测试精度，如声时测读精度为0.1m，声幅准确度为3%，该误差在规定允许范围内，可忽略不计。分析确定刘 映非主因图 8 影响Vpm和Vpr准确度的主要

22、原因分类图影响影响VpmVpm和和VprVpr准准确 度 的确 度 的主 要 原主 要 原因因1、仪器探头与钻孔的耦合较差2、标准岩样试块的制作不标准3、仪器探头与岩石的耦合较差从要因确认表（表7）中我们可以看出影响隧道洞身岩体弹性纵波波速Vpm和隧道洞身岩石弹性纵波波速Vpr准确度的主要原因为以下三条： 八、制定对策八、制定对策对策措施表 表8 序号主要原因对策目标措施负责人完成时间工作地点检查人1仪器探头与钻孔的耦合较差通过在隧道深孔中注满清水来解决使超声波能够通过水介质传播至岩体，进而测出岩体的弹性纵波波速1、在进行深孔钻探时，洞身处不能采用泥浆进行钻探，而应采用清水进行；2、钻孔钻完之

23、后应在孔中放入适量明矾以净化水质，并在第二天进行测试；3、在钻孔中注满清水。李汉江刘 勇2007年8月15日鹰瑞高速公路隧道勘察现场陈斌文2标准岩样试块的制作不标准1、选取无裂隙且胶结致密的岩样；2、将岩样两端用切割机切平准确测试圆柱体岩石试样的弹性纵波波速1、选取无裂隙或少裂隙且胶结致密的岩石试样3-5组；2、将选取的岩石两端用切割机修平；周志军2007年8月20日鹰瑞高速公路隧道勘察现场罗细雅3仪器探头与岩石的耦合情况将平面换能器用某种物质与岩石试样两端粘结在一起使岩石与平面换能器形成一整体用黄油或牙膏涂在岩石试样的两端，然后将两平面换能器相对粘在岩石试样两端，待固定好后进行测试。刘映20

24、07年8月25日鹰瑞高速公路隧道勘察现场陈斌文九、实施对策九、实施对策图 9 对策实施图对策实施实 施 对 策 一2007.8.118.15实 施 对 策 二2007.8.168.20实 施 对 策 三2007.8.218.251、在测试岩体纵波波速Vpm时，为使仪器探头与钻孔耦合良好，测试前须清孔使得钻孔畅通，使钻孔孔壁不能有泥浆护壁，由李汉江组织钻探人员负责实施。2、在已清孔的钻孔中放入适量明矾以净化水质，并在第二天准备测试，该项由刘勇负责实施；3、在正式进行波速测试前，应向钻孔中注满清水，然后才能进行测试，该项由刘勇负责实施。经过处理后，声波能以清水作为介质顺利传到钻孔两侧岩体，且测试效

25、果很好。1、在进行岩石纵波波速测试时，标准岩样试块的制作应选取无裂隙或裂隙很少的岩样作为岩石弹性纵波波速测试的试样，该项由周志军负责选取。2、对选取的无裂隙或裂隙很少的岩样若两端不平，则需采用切割机将岩样两端修平，该项由刘勇负责实施。岩石试样经过处理后达到了测试要求。在进行岩石弹性纵波波速Vpm测试时，平面换能器必须与岩石两端耦合良好，因此我们必须做到：将岩石两端端面洗净，然后在端面上涂上黄油或牙膏，并将平面换能器固定在黄油或牙膏上，待干燥后轻摇平面换能器看平面换能器是否已固定好，确认已固定好才开始进行测试，每组测3-5个值，取平均值作为测试值，该项由陈斌文负责实施，达到了预期效果探头与岩石形

26、成了一整体。十、检查效果十、检查效果1、应用效果 经过我们小组全体成员两个多月的攻关，总结出了一套准确测量隧道洞身岩体及岩石的弹性纵波波速的方法，并达到预期的效果，通过Vpm和Vpr求出的Kv值也非常符合钻探的实际情况，其Kv值的准确率达到了82%以上(见表9)，该准确率是通过钻探的实际情况与采用Kv对岩体破碎程度的分类情况进行比较得到，且通过Kv值和岩体Vpm值可更详细地划分地层的裂隙密集带或构造破碎带。详见附件1 （钻孔波速测试图一图三），其中测点间距为0.5米，波速测试曲线为每一测点处的波速值Vpm用折线连接起来的一系列折线，波速平均值曲线为根据波速值求取的各层的波速平均值，波速平均值曲

27、线中的直线段为相应位置处地层岩体纵波波速Vpm，Vpm与Kv值很小说明了该段岩体很破碎或裂隙非常发育，Vpm与Kv值较大则说明该段岩体较为完整、胶结较为致密。 课题攻关后采用声波测试技术隧道洞身部分钻孔围岩完整性系数评价表 表 9序号项目名称工程名称钻孔编号岩样取样深度及编号岩石弹性纵波波速Vpr（m/s）岩体弹性纵波波速Vpm(m/s)岩体完整性系数Kv评价Kv值的准确率（%）1鹰瑞高速公路施设赤水隧道ZK263.8-64.29/ZK2-3541250700.8776岩体完整致密，与实相符大于82%65.7-67.0541244900.6884裂隙密集带，与实际相符瑞金长埠隧道ZZK442.

28、0-43.93/ZZK4-1524749510.8903岩体完整致密，与实际符80.96-85.76524738740.5451该段破碎与实际情况相符2石吉高速公路施设石山隧道ZK134.0-34.25/ZK1-5510038110.5584该段破碎与实际情况相符52.95-54.36515831780.3796该段破碎与实际情况相符根据鹰瑞高速公路和石吉高速公路中测试钻孔的岩体纵波波速Vpm值及相应的岩石纵波波速Vpr值，并结合现场钻进和取样情况可知，采用该课题研究的方法测试的Vpm值和Vpr值准确率大大地得到了提高，求取Kv值准确率也得到大大的提高，其结果与实际情况非常吻合，其效果见下图：

29、65%80%82%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%初始值设定目标值测量结果值初始值设定目标值测量结果值图 10 Kv值活动目标完成示意图 、效益评价该方法的成功攻关不仅解决了我们岩土所多年来因不能准确求取隧道洞身岩体完整性系数而无法准确判断洞身围岩级别带来的难题，而且取得了良好的技术效益、社会效益和经济效益。下面从三个方面加以说明：1、技术效益：该方法的成功攻关，一方面解决了如何准确测出隧道洞身岩体的弹性纵波波速V pm值和洞身岩石的弹性纵波波速Vpr值，另一方面可根据岩体的Kv值和Vpm值详细划分地层，特别是岩体的裂隙密集带和构造破碎带等软弱夹层。2、社会效益：通过

30、准确求取隧道洞身围岩的Kv值，进而准确划分隧道洞身围岩分级并详细划分出岩体的裂隙密集带和构造破碎带具有很好的社会效益：一是可以大大减少地质灾害事故的发生及由此造成的人员的伤亡；二是可以减少一些由于变更造成的损失。3、经济效益：很多隧道在施工过程中发现由于隧道围岩划分不准以及构造破碎带和裂隙密集带勘察不准，造成巨大的设计变更，少则几百万，多则几千万是经常发生的，如正在施工的瑞赣高速公路钟公山隧道出洞口至洞身处及于都隧道进洞口处，均是由于隧道围岩分级划分不准而导致在施工过程中出现大面积下沉和滑坡，其变更设计费用均达到了1000多万，但是若能勘察设计过程中准确划分出隧道围岩分级并能详细划分出构造破碎

31、带和及裂隙密集带等软弱夹层，则可以为国家大大节省这些变更费用，由此带来的经济效益是非常可观的。十一、标准化及巩固措施十一、标准化及巩固措施 本QC小组对“提高求取隧道洞身围岩完整性系数KV值的准确率”这一课题进行了总结分析，为了巩固该方法我们还将该方法用于其他隧道的钻孔岩体波速测试和岩石波速，如2007年7月23日在鹰瑞高速公路广石隧道ZK4号孔波速测试柱状图，其岩体波速Vpm值和岩石波速Vpr值准确率达到82%以上，求出的Kv值准确率达到了82%以上，且波速测试曲线能划分出钻探无法识别的薄层裂隙密集带或构造破碎带，其余部分钻孔波速柱状图详见附件3（图一图四），由此可知该方法在测试钻孔岩体波速Vpm值、岩石波速Vpr值和求取Kv值方面效果非常有效。此外我们在采用该方法进行其他隧道的岩体纵波波速和岩石纵波波速测试时，不断进行了验证和局部的修正，对该方法进行了很好的巩固，并提出和制定了几项标准化措施，作为以后采用声波测试求取隧道围岩完整性系数Kv值的操作规程 （详见附件2）。 十二、总结回报及今后打算十二、总结回报及今后打算（1）、经过小组全体成员的共同努力，严格按照QC小组活动程序和方法，并结合鹰