中铁隧道集团二处有限公司，河北 廊坊

收稿日期：2021年1月23日；录用日期：2021年2月15日；发布日期：2021年2月24日

摘要

岩体质量评价结果对岩土工程设计与施工具有重要的参考价值，是岩土工程安全高效开展的重要保障。本文以贵安腾讯数据中心隧道群为工程实例，通过开展声波测试会和室内岩石力学试验，分别对隧道群围岩的岩石力学性质和质量分级进行了研究。研究结果表明：贵安腾讯数据中心隧道群中围岩的力学性质差异较大，单轴抗压强度范围为14.5~51.3 MPa，弹性模量范围为15.9~45.8 GPa；隧道群围岩完整性较差，完整性系数Kv变化范围为0.35~0.51，大多数围岩处于较破碎状态~破碎状态；BQ岩体质量评价结果表明，贵安腾讯数据中心隧道群围岩岩体质量为VI级岩体和V级岩体，这为后续的隧道设计施工提供了重要的参考，具有重要的研究意义。

关键词

贵安腾讯数据中心，声波测试，岩石力学性质，岩体完整性，BQ岩体质量分级

Study on Rock Mechanical Properties and Quality Classification of Surrounding Rock of Tunnel Group in Gui’an Tencent Data Center

Yuexin Yu

China Railway Tunnel Group Erchu Co., Ltd., Langfang Hebei

Received: Jan. 23^rd, 2021; accepted: Feb. 15^th, 2021; published: Feb. 24^th, 2021

ABSTRACT

The results of rock mass quality evaluation have important reference value for the design and construction of geotechnical engineering, and it is an important guarantee for the safe and efficient development of geotechnical engineering. In this paper, taking the tunnel group of Gui’an Tencent data center as an example, the rock mechanical properties and quality classification of the surrounding rock of the tunnel group are studied respectively through the acoustic test meeting and indoor rock mechanics test. The results show that: the mechanical properties of surrounding rock in the tunnel group of Gui’an Tencent data center are quite different; the uniaxial compressive strength range is 14.5~51.3 Mpa; the elastic modulus range is 15.9~45.8 GPa; the integrity of surrounding rock of the tunnel group is poor; the integrity coefficient K_v range is 0.35~0.51; most of the surrounding rock is in a relatively broken state~broken state. BQ rock quality evaluation results show that the surrounding rock mass quality of data center tunnel group is grade VI rock mass and grade V rock mass, which provides an important reference for the subsequent tunnel design and construction, and has important research significance.

Keywords:Gui’an Tencent Data Center, Acoustic Testing, Mechanical Properties of Rock, Rock Mass Integrity, BQ Rock Mass Quality Classification

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1. 引言

岩体质量评价结果对岩土工程设计与施工具有重要的参考价值，是岩土工程安全高效开展的重要保障。许多学者在这方面进行了大量的研究，牛文林等 [1] 对岩爆隧道中的岩体质量评价方法进行了优化，并将优化后的岩体质量评价方法应用于四川泥巴山隧道。结果表明，优化的岩体质量分级结果与实际情况更吻合。沙鹏等 [2] 采用Jaeger-Donath与Mogi-Coulomb强度准则提出针对层状岩体的结构面产状修正系数K₂以及初始地应力状态修正系数K₃的计算公式，并对木寨岭铁路隧道层状围岩进行了岩体质量评价。马世伟等 [3] 将人工智能算法引入岩体质量分级中，建立了基于智能动态分级的KNN方法的岩体质量评价体系，并在延庆–崇礼高速公路中进行应用，结果表明，与传统的BQ岩体质量评价结果相比，此方法的准确率高达90%，极大提高了施工效率。葛丽娜 [4] 等采用数字摄影测量技术对夏甸金矿矿区的结构面进行快速识别，并根据岩体质量指标BQ值进行了岩体质量分级评价。张超等 [5] 以蚕庄金矿为工程背景，推导了能反映岩体质量评价的分形维数D，并与现有的岩体质量分级方法进行对比。结果表明，Q系统分级结果与分形维数D的分级结果最接近。谭文辉等 [6] 鉴于深部地下工程“高地应力、高温、高渗透压”的特点，对Q系统分级方法进行了修正，建立了适合深部工程岩体的质量评价方法。陈卫忠等 [7] 在综合考虑了隧道埋深、跨度、围岩强度应力比、地下水、岩体结构面等影响岩体挤压变形的多种因素下，研究了一种新的适用于国内岩体基本质量指标修正值[BQ]的挤压变形预测方法。研究成果对高地应力软岩隧道确定支护强度及提前采取超前加固措施具有十分重要的指导作用。王章琼等 [8] 以鄂西北地区武当群片岩为例，分析了武当群片岩水敏性、各向异性、构造偏压、水平构造应力等特征，建立了考虑岩块强度、岩体完整性、地下水、地应力、片理面产状等因素的修正Q分级方法，并在十房高速通省隧道进行应用。结果表明，修正的Q分级结果与围岩的实际质量等级基本一致。

本文通过开展声波测试和岩样力学试验等测试，对贵安腾讯数据中心隧道群围岩的岩石力学性质进行探讨，并结合现场的水文地质调查结果，应用BQ岩体质量分级体系对其进行岩体质量分级研究。研究结果对贵安腾讯数据中心隧道群的设计与施工具有重要的意义。

2. 工程背景

贵安腾讯数据中心位于贵安新区马场科技场内 [9] [10]，共设置8条隧道，分别为A1隧道、B1-B6隧道和油库隧道，图1为隧道群地理位置图。

图1. 贵安腾讯数据中心隧道群地理位置图

3. 岩石力学性质研究

3.1. 岩样制备

根据《水利水电工程岩石试验规程》中的规定 [11]，对贵安腾讯数据中心隧道群围岩进行钻孔取芯，对得岩芯进行进一步加工，保证试样两端面不平度误差不大于0.05 mm。试样编号及详细信息如表1所示。

表1. 试样编号及详细信息

3.2. 岩样力学试验结果及分析

分别对表1中的试样进行相对应的试验，其中单轴压缩试验设备为100吨万能材料试验机，加载方式为位移加载，加载速率为0.1 mm/min。直剪试验设备为直剪仪，加载方式为位移加载，加载速率为0.8 mm/min。表2和表3对试样破坏时的信息进行了统计，并计算了表征岩石变形力学特征参数的弹性模量、泊松比、粘结力和内摩擦角等。其中弹性模量的计算方法为岩石应力–应变曲线中线弹性阶段直线的斜率，图2是弹性模量计算示意图，图3和图4是计算得到的试验结果。

图2. 弹性模量计算示意图

表2. 单轴压缩试验结果

图3. 单轴压缩试验计算结果

表3. 直剪试验结果

图4. 直剪试验计算结果

由岩样力学验结果可知，贵安腾讯数据中心隧道群中围岩的力学性质差异较大，单轴抗压强度范围为14.5~51.3 MPa，弹性模量范围为15.9~45.8 GPa，对隧道的开挖要求较高，需要及时根据隧道开挖出的工程情况进行炸药单耗设计，否则极易容易造成超挖或欠挖情况发生。

3.3. 岩石完整性测试

波速测试是岩土工程勘察工作的重要组成部分，对岩体进行波速测试可计算岩体的完整性系数，其计算方法如下所示：

$K_v={\left(\frac{V_{ml}}{V_{cl}}\right)}^2$ (1)

式中，V_ml为岩体中弹性波纵波传播速度，V_cl为岩样中弹性波纵波传播速度，K_v为岩体的完整性系数。表4为岩体完整性评价表。

表4. 岩体完整性系数评价表

本次测试中共对贵安腾讯数据中心隧道群的26个钻孔进行了声波测试，测试结果如表5所示。

表5. 岩体声波测试分析结果表

由表5可知，贵安腾讯数据中心隧道群围岩的完整性较差，大多数处于较破碎状态~破碎状态，没有完整或较完整状态岩体，这为后续岩体质量评价提供了必要的准备工作。

4. 围岩质量分级研究

4.1. BQ岩体质量评价体系

由《工程岩体分级标准》(GBT50218-2014) [12] 可知，BQ方法主要考虑了岩石坚硬程度和岩体完整程度对围岩稳定的影响，用两个指标计算出围岩基本质量指标BQ值。岩体基本质量指标BQ按下式计算：

$BQ=90+3{\sigma }_c+250K_v$ (2)

式中：σ_c为饱和岩石的单轴抗压强度；K_v为岩体完整性系数。BQ岩体质量评价结果如表6所示。

注意：在使用时，应遵守两点限制条件：① σ_c > 90K_v + 30时，应以σ_c = 90K_v + 30代入上式计算BQ值；② K_v > 0.04σ_c + 0.4时，应以K_v = 0.04σ_c + 0.4代上式计算BQ值。

表6. 岩体基本质量分级标准

4.2. 岩体质量评结果

将前面得到的岩石力学参数结果和岩体完整性系数结果分别代入BQ岩体质量评价体系，便可得到贵安腾讯数据中心隧道群的岩体质量评价结果。表7为贵安腾讯数据中心隧道群岩体质量评价结果的详细信息。

表7. 贵安腾讯数据中心隧道群岩体质量分级结果

由表7岩体质量分级结果可知，贵安腾讯数据中心隧道群围岩岩体质量为Ⅵ级岩体和Ⅴ级岩体，其中A1隧道、B2隧道和油库隧道为Ⅵ级岩体，B1隧道、B3隧道、B4隧道、B5隧道和B6隧道为Ⅴ级岩体，这为隧道的设计与施工提供了重要的参考，具有重要的参考价值。

4.3. 工程应用意义

鉴于贵安腾讯数据中心隧道圈的岩体质量情况，特对隧道开挖提出了以下两点建议：

1) 隧道应早进洞、晚出洞，浅埋段尽量以明洞形式通过，减少边仰坡开挖。

2) 隧道围岩为可溶岩，岩溶为微发育。隧道开挖过程中可能揭露隐伏岩溶，溶洞易发生涌水、突泥及坍塌，施工中应加强超前地质预报工作。

5. 结论

本文通过对贵安腾讯数据中心隧道群围岩开展了声波测试和室内岩石力学试验，对岩石的力学性质进行了研究，并运用BQ岩体质量评价体系对其进行岩体质量评价工作，主要得到以下结论：

1) 贵安腾讯数据中心隧道群中围岩的力学性质差异较大，单轴抗压强度范围为14.5~51.3 MPa，弹性模量范围为15.9~45.8 GPa，这需要在隧道施工时及时调整炸药单耗参数，否则易造成超挖或欠挖情况发生；

2) 声波测试结果表明，贵安腾讯数据中心隧道群围岩的完整性较差，完整性系数K_v变化范围为0.35~0.51，大多数围岩处于较破碎状态~破碎状态；

3) BQ岩体质量评价结果表明，贵安腾讯数据中心隧道群围岩岩体质量为Ⅵ级岩体和Ⅴ级岩体，这为后续隧道设计施工提供了重要参考。

文章引用

余跃新. 贵安腾讯数据中心隧道群围岩岩石力学性质及质量分级研究
Study on Rock Mechanical Properties and Quality Classification of Surrounding Rock of Tunnel Group in Gui’an Tencent Data Center[J]. 土木工程, 2021, 10(02): 132-141. https://doi.org/10.12677/HJCE.2021.102015

参考文献