CN101922985B - 一种tbm掘进时围岩应力变化测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及TBM掘进时围岩应力变化测量方法。本发明所要解决的技术问题是提供一种TBM掘进时围岩应力变化测量方法，测量TBM开挖洞段围岩中某点的三维应力变化，判断围岩损伤范围，优化支护设计，保证洞室整体稳定和工作人员安全。解决该问题的技术方案是：TBM掘进时围岩应力变化测量方法，步骤如下，a、确定空心包体应力计的埋设位置和测点数量；b、挖辅助洞或利用已有洞室向TBM待开挖洞段钻孔并埋设空心包体应力计；c、TBM掘进，监测并记录空心包体应力计的应变变化；d、确定测量段岩石的弹性模量、泊松比；e、列方程，Eεk＝Ak1σx+Ak2σy+Ak3σz+Ak4τxy+Ak5τyz+Ak6τzx，求解地应力的六个分量σx、σy、σz、τxy、τyz、τxz，本发明主要用于隧洞等施工期的支护优化设计和洞室整体稳定性评价。
Description
技术领域
本发明涉及一种TBM掘进时围岩应力变化测量方法，可以作为TBM掘进时对洞室围岩应力扰动的直接测量方法，适用于隧洞等施工期的支护优化设计和洞室的整体稳定性评价。
背景技术
全断面隧道掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)是目前世界长大隧道施工最有效、最先进的的大型综合性施工机械之一，已成为国际上快速开挖隧道的主流。TBM与传统钻爆法相比，具有快速、优质、安全等优点，可连续进行开挖、出碴，施工速度快；无爆破，掘进超挖量极少，对围岩挠动小；施工人员工作环境大大改善，尤其是TBM施工的高速优质成洞，可为建设及施工单位取得良好的经济效益。而我国是一个地形复杂、山岭密布的多山国家，正值基础建设的高速发展的时期。在今后相当长的时间内地下空间的拓展将会成倍增长，在一定的条件下可以取代传统的钻爆法，因此TBM在我国具有广阔的应用前景。
隧道开挖前，岩体中的初始应力处于相对平衡状态，而当隧道开挖后，岩体中初始应力状态必然要发生变化，影响到隧道围岩的受力状态。应力重分布是引起围岩收敛变形的主要原因。在TBM隧道设计中，围岩收敛变形量如果过大，洞室断面净空大为缩小，TBM操作室及后备套难以通过，会造成初期支护困难，并影响到隧道的二次衬砌。而在整个地下工程监测环节中应力的监测是最困难的，如果能够通过系统的测试手段解答这个问题，并能够针对性的提供一定的补救措施，便具有很高的实用价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了能够准确地反映TBM开挖对围岩应力的扰动，提供一种TBM掘进时围岩应力变化测量方法，可以比较准确地测量TBM开挖洞段围岩中某点的三维应力状态变化，从而很好的判断出围岩损伤范围，以达到优化支护设计，加快施工进度，节省工程造价，保证洞室整体稳定和工作人员人身安全的目的。
本发明所采用的技术方案是：TBM掘进时围岩应力变化测量方法，其特征在于：通过预先埋设空心包体应力计来监测掘进过程中围岩的应力变化，其步骤如下，
a、综合考虑数值计算的应力结果、地形地貌、岩体强度、断层的影响，确定空心包体应力计的埋设位置和测点数量，保证扰动区内外至少各安装一个；
b、开挖辅助洞或利用已有洞室向TBM待开挖洞段钻安装孔并埋设空心包体应力计，辅助洞或已有洞室到TBM待开挖洞段的垂直距离为2-3倍的TBM洞段洞径；
c、对TBM待开挖洞段进行开挖掘进，同时监测并记录空心包体应力计在TBM通过监测断面的全程应变变化；
d、通过试验确定测量段岩石的弹性模量、泊松比；
e、空心包体应力计三组应变花可得12个不同位置和方向的应变值，列12个方程，其通式如下，Eεk＝Ak1σx+Ak2σy+Ak3σz+Ak4τxy+Ak5τyz+Ak6τzx利用数理统计的最小二乘法原理，采用Matlab求解方程，利用测得的岩体参数求解出地应力的六个分量σx、σy、σz、τxy、τyz、τxz，式中E为弹性模量，εk为每个应变片所测得的应变值，k＝4(i-1)+j，i＝1～3，j＝1～4，3个应变花序号用i表示，对应的极角为θi，每个应变花由4个应变片组成，序号用j表示，对应的角度为
Ak1～Ak6包含了应变片并非直接粘贴在安装孔岩壁上的修正系数。
步骤b埋设空心包体应力计时，须通过钻设安装孔时产生的岩芯判断周围岩体的完整情况，并通过调整安装孔的深度确保空心包体应力计的埋设能够避开结构面发育地带。
步骤d中的参数通过现场围压率定试验得到，或者将靠近测量段前后的岩芯在实验室加工成标准试块，通过单轴压缩试验得到。
本发明的有益效果是：本发明通过预先在设计位置埋设空心包体应力计来监测掘进过程中围岩的应力变化，比较准确地测量出TBM开挖洞段围岩中某点的三维应力状态变化，能够更好的反映出TBM掘进过程中围岩的损伤范围，对开挖后围岩的支护设计有很好的指导作用，有利于节省工程量，加快施工进度，保证洞室的整体稳定和施工人员的人身安全。
附图说明
图1是本发明的平面图。
图2是本发明的断面图。
具体实施方式
如图1、图2所示，虽然TBM开挖对围岩的扰动较小，但依然会改变原岩应力场，影响洞室稳定，而TBM掘进不同于钻爆法，其对围岩的损伤程度较轻，不会破坏预埋的空心包体应力计，因此可以通过预先在设计位置埋设空心包体应力计1，监测TBM掘进过程中围岩的应力变化，其步骤如下：
a、综合考虑数值计算的应力结果、地形地貌、岩体强度、断层的综合影响，合理确定空心包体应力计1的埋设位置和测点数量，测点布置在TBM待开挖洞段3，并保证周围岩体的完整性，同时应尽可能的靠近应力集中区，以反映卸荷对围岩的作用，但要保证开挖扰动区内外各设置至少一个测点，以反映出TBM掘进过程中对原岩应力场的影响，达到判断开挖扰动区范围的目的。
b、通过开挖辅助洞2或利用已有洞室向TBM待开挖洞段3钻安装孔5并埋设空心包体应力计1，辅助洞2或已有洞室到TBM待开挖洞段3的垂直距离为2-3倍的TBM洞段洞径(即TBM开挖设计洞径)，距离过远的话，空心包体应力计1不易安装而且不能保证安装的质量；过近的话，TBM通过时会影响辅助洞2的安全。埋设空心包体应力计1时，须通过钻设安装孔5时产生的岩芯判断周围岩体的完整情况，并通过调整安装孔5的深度确保空心包体应力计1的埋设能够避开结构面发育地带，保证空心包体应力计1的安装质量。
本例中，空心包体应力计1只要通过一个孔的应力测量就能确定一点的三维应力状态，是目前最常用的三向岩石应力计。它的测量元件是采用用环氧树脂制成的空心圆筒，沿同一圆周等间距(120°)嵌埋着三组电阻应变花，每个应变花由四支相互间隔45°的应变片组成，一个空心包体应力计1共有12支应变片。安装时，通过推动安装杆，将储胶室中的环氧树脂从排胶孔挤出，粘结剂充满它们之间的空隙，一旦环氧树脂固化，应变片将牢固地与围岩粘结，因此一定要保证空心包体应力计的安装质量，使其能准确地来反映围岩变形。
c、对TBM待开挖洞段3进行开挖掘进，同时监测并记录空心包体应力计1中三组应变花、共计十二支应变片在TBM通过监测断面的全程应变变化。一般来说，在监测TBM掘进的过程中，TBM未达到应变片所在位置前，各应变片所测的应变值一般是很小的，当解除深度接近应变片所在的监测断面时，应变值明显增大，但当TBM通过监测断面后，应变值逐渐趋于稳定。
d、现场进行围压率定试验，或者将靠近测量段前后的岩芯在实验室加工成标准试块并通过单轴压缩试验，确定测量段岩石的弹性模量和泊松比。
e、空心包体应力计1共有三组应变花，其中每个应变花由4个应变片组成，总共可得到12个不同位置和方向的应变值，可列12个方程。这主要是考虑到地应力测量往往在底下洞室恶劣环境中失效和带来较大误差，同时在资料整理中采用数量统计方法，需要更多组合计算，需求更接近真值的应力。如果是精确测量理论上12个方程至少有六个独立方程，其他方程可用这六个独立方程线性表示。但是任何测量均有误差，本实施例利用数理统计的最小二乘法原理，利用Matlab求解以下方程组，便可以得到地应力的六个分量σx、σy、σz、τxy、τyz、τxz。
Eεk＝Ak1σx+Ak2σy+Ak3σz+Ak4τxy+Ak5τyz+Ak6τzx，该式细化分解后得到如下方程组，
式中：E为弹性模量，εk为每个应变片所测得的应变值，σx、σy、σz、τxy、τyz、τxz表示由钻孔坐标系表达的三维地应力场的六个应力分量，k＝4(i-1)+j，i＝1～3，j＝1～4，因此式中n取值范围为1～12，3个应变花序号用i表示，对应的极角为θi；每个应变花由4个应变片组成，序号用j表示，对应的角度为
Ak1～Ak6包含了应变片并非直接粘贴在安装孔5岩壁上的修正系数，该修正系数依赖于钻孔半径、应力计内半径、应变片嵌固部位的半径和环氧树脂层与围岩的弹性常数确定，其取值范围一般为0.8～1.3。
Claims (3)
1.一种TBM掘进时围岩应力变化测量方法，其特征在于：通过预先埋设空心包体应力计(1)来监测掘进过程中围岩的应力变化，其步骤如下，
a、综合考虑数值计算的应力结果、地形地貌、岩体强度、断层的影响，确定空心包体应力计(1)的埋设位置和测点数量，保证扰动区内外至少各安装一个；
b、开挖辅助洞(2)或利用已有洞室向TBM待开挖洞段(3)钻安装孔(5)并埋设空心包体应力计(1)，辅助洞(2)或已有洞室到TBM待开挖洞段(3)的垂直距离为2-3倍的TBM洞段洞径；
c、对TBM待开挖洞段(3)进行开挖掘进，同时监测并记录空心包体应力计(1)在TBM通过监测断面的全程应变变化；
d、通过试验确定测量段岩石的弹性模量、泊松比；
e、空心包体应力计(1)三组应变花可得12个不同位置和方向的应变值，列12个方程，其通式如下，Eεk＝Ak1σx+Ak2σy+Ak3σz+Ak4τxy+Ak5τyz+Ak6τzx利用数理统计的最小二乘法原理，采用Matlab求解方程，利用测得的岩体参数求解出地应力的六个分量σx、σy、σz、τxy、τyz、τxz，式中E为弹性模量，εk为每个应变片所测得的应变值，k＝4(i-1)+j，i＝1～3，j＝1～4，3个应变花序号用i表示，对应的极角为θi，每个应变花由4个应变片组成，序号用j表示，对应的角度为
Ak1～Ak6包含了应变片并非直接粘贴在安装孔(5)岩壁上的修正系数。
2.根据权利要求1所述的TBM掘进时围岩应力变化测量方法，其特征在于：步骤b埋设空心包体应力计(1)时，须通过安装孔(5)的岩芯判断周围岩体的完整情况，并通过调整安装孔(5)的深度确保空心包体应力计(1)的埋设能够避开结构面发育地带。
3.根据权利要求1所述的TBM掘进时围岩应力变化测量方法，其特征在于：步骤d中的参数通过现场围压率定试验得到，或者将靠近测量段前后的岩芯在实验室加工成标准试块，通过单轴压缩试验得到。
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