CN102539652A - 深埋隧洞围岩开挖响应系统性监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深埋隧洞围岩开挖响应系统性监测方法。本发明的目的是提供一种深埋隧洞围岩开挖响应系统性监测方法，为评价深埋隧洞运行期间的围岩稳定特征和支护结构安全提供准确的原位测试数据。本发明的技术方案是：步骤如下：a、开挖与主测试洞平行的辅助测试洞；b、布置应力监测断面、声发射监测断面、光纤光栅监测断面、多点位移计监测断面；c、开挖主测试洞，记录开挖过程中各监测仪器的测试数据；d、主测试洞开挖过程中或待主测试洞开挖完成后，布置波速监测断面和锚杆应力监测断面；e、封闭主测试洞两端，向封闭区注水并施加压力，监测内水压力对围岩松弛破坏的影响；f、通过长期监测获得实测数据。本发明适用于深埋隧洞工程中。

Description

深埋隧洞围岩开挖响应系统性监测方法

技术领域

本发明涉及一种深埋隧洞围岩开挖响应系统性监测方法，主要适用于深埋隧洞工程中。

背景技术

深埋地下工程建设过程中一般都会遭遇到多种围岩破坏形式，这些破坏形式的共同特点是与高应力环境密切相关，是岩体强度和地应力条件相互作用的结果，一些高应力破坏还会显著地受到结构面的影响。典型的高应力破坏形式包括：片帮、应力节理、破裂、岩爆等，一些高应力破坏形式具有明显的时间特征，即开挖完成后，围岩破坏过程可能持续数年乃至数十年的时间。地下工程施工过程中对围岩高应力破坏过程进行全面系统地监测具有显著的工程价值和学术价值，前者体现为支护动态设计等环节，后者可以将工程实践上升为岩石力学理论的研究成果。

原位试验研究是目前岩石力学领域比较主流的研究方法，欧美的一些核废料地下封存方面所涉及到的岩石力学研究普遍采用建设原位试验场，实施原位试验的研究方法。我国一些深埋地下隧洞由于埋深巨大，隧洞开挖后高应力破坏问题比较普遍，当这些隧洞建设于大理岩地层时，由于大理岩特殊的岩性特征，系统支护后隧洞的松弛破坏仍会随着时间不断增长。特别是当这些隧洞是水工隧洞时，可以预计隧洞运行期间，地下水的活动必然会改变隧洞损伤区内的裂纹面和裂纹端部所处的环境特征，进而改变围岩松弛破坏随时间的变化特征。

为了评价深埋水工隧洞运行期的围岩破坏随时间的增长特征以及地下水对围岩破裂时将效应的影响，需要通过系统的原位试验对该问题进行研究。原位试验的思路是在深埋段开挖一段试验洞，最大程度地反映水工隧洞真实工作环境，通过系统可行的测试手段了解试验洞围岩破裂松弛发展状态及其对衬砌安全性的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种深埋隧洞围岩开挖响应系统性监测方法，通过长期监测实现对高地应力、高内水压力环境下围岩松弛破坏随时间变化特征的全面监测，为全面评价深埋隧洞运行期间的围岩稳定特征和支护结构安全提供准确的原位测试数据。

本发明所采用的技术方案是：深埋隧洞围岩开挖响应系统性监测方法，其特征在于步骤如下：

a、选定试验场地并确定主测试洞的开挖位置，然后开挖与主测试洞平行的辅助测试洞；

b、从辅助测试洞向主测试洞钻孔，并埋设监测仪器，形成应力监测断面、声发射监测断面、光纤光栅监测断面、多点位移计监测断面；其中声发射监测断面至少包含三个相互平行的监测断面，且三个断面的监测部位一致；光纤光栅监测断面和多点位移计监测断面的监测部位一致；

c、以1m一个爆破循环向前掘进，进行主测试洞的开挖，并连续记录开挖过程中各监测仪器的测试数据；

d、主测试洞开挖过程中或待主测试洞开挖完成后，从其内壁向周围岩体钻孔形成波速监测断面和锚杆应力监测断面，其中锚杆应力监测断面中各孔内均埋设有监测仪器；

e、将主测试洞两端用混凝土堵头进行封闭，然后向封闭区域注水并施加压力，模拟水工隧洞运行期间的内水压力，并监测内水压力对围岩松弛破坏的影响；

f、通过长期监测获得高应力条件下地下水对围岩破裂行为增长特征的影响实测数据；

上述六个监测断面覆盖主测试洞的应力集中区和应力松弛区。

所述辅助测试洞包括位于主测试洞一侧腰部的辅助洞Ⅰ、位于主测试洞另一侧拱脚部位的辅助洞Ⅱ，以及位于主测试洞正上方的顶拱辅助洞。

布置应力监测断面时，从辅助洞Ⅰ向主测试洞的拱肩部位钻设上倾角度分别为6度和10度的孔，从辅助洞Ⅱ向主测试洞的拱脚部位钻设上倾角度分别为2度、6度和10度的孔，同时从顶拱辅助洞向主测试洞靠近辅助洞Ⅰ一侧的拱肩部位钻设外倾角度为10度的孔，并在各钻孔的孔底埋设监测仪器。

布置声发射监测断面时，从辅助洞Ⅰ向主测试洞钻设三个钻孔，其中两个上倾，角度分别为6度和10度，一个下倾，角度为10度；从辅助洞Ⅱ向主测试洞钻设四个钻孔，其中三个上倾，角度分别为2度、6度和10度，一个下倾，角度为6度；同时从顶拱辅助洞向主测试洞钻设三个钻孔，其中一个为铅直孔，另外两个以该铅直孔为轴对称布置，均外倾10度；各钻孔底部埋设均埋设监测仪器。

布置波速监测断面时，从主测试洞向周围岩体钻设八个钻孔；其中两个水平，分别位于主测试洞的两侧腰部；两个铅直，分别位于主测试洞的拱顶和底部；两个位于主测试洞的两侧拱肩部位，且对称布置，均上倾45度；两个位于主测试洞的两侧拱脚部位，且对称布置，均下倾25度。

布置光纤光栅监测断面时，从辅助洞Ⅰ向主测试洞的拱肩部位钻设上倾角度为10度的钻孔，同时从辅助洞Ⅱ向主测试洞的拱脚部位钻设上倾角度为8度的钻孔，并在各钻孔底部埋设监测仪器。

布置多点位移计监测断面时，从辅助洞Ⅰ向主测试洞的拱肩部位钻设上倾角度为10度的钻孔，同时从辅助洞Ⅱ向主测试洞的拱脚部位钻设上倾角度为8度的钻孔，并在各钻孔底部埋设监测仪器。

布置锚杆应力监测断面时，从主测试洞一侧拱肩部位向周围岩体钻设上倾角度分别为30度和50度的钻孔，另一侧拱肩部位钻设上倾角度为25度的钻孔，从主测试洞一侧拱脚部位向周围岩体钻设下倾角度为25度的钻孔，另一侧拱脚部位钻设下倾角度分别为15度和30度的钻孔；六个钻孔左右各三个，且各钻孔内均埋设锚杆应力计。

所述顶拱辅助洞采用从辅助洞Ⅰ爬坡至主测试洞顶部后继续开挖形成。

所述主测试洞与辅助测试洞之间的距离须保证相邻洞室之间无应力干扰。

本发明的有益效果是：本发明设计6个监测断面从5个角度对围岩的开挖响应进行全方位的监测，其中应力监测断面用于了解隧洞开挖过程中围岩应力状态和围岩状态的动态发展变化，为岩体强度的研究提供了重要的基础性资料；声发射监测断面用于了解隧洞横断面应力调整过程中微破裂发生的位置和范围，服务于围岩损伤的研究；波速监测断面用于确定松动圈范围，配合围岩应力监测和声发射监测的成果解读波速增高段的实际含义，确定高应力区域的位置和范围；光纤光栅监测断面和多点位移计监测断面用于了解围岩的变形特征，结合波速测试验验证围岩的松动状态；锚杆应力监测断面用于直观地了解围岩破裂发展过程中锚杆应力的变化特征；通过长期监测获得高应力条件下地下水对围岩破裂行为增长特征的影响实测数据，为全面评价深埋隧洞运行期间的围岩稳定特征和支护结构安全提供了准确的原位测试数据。

附图说明

图1是本发明主测试洞和辅助测试洞的平面图。

图2是图1的A-A向剖视图。

图3是本发明中应力监测断面图。

图4是本发明中声发射监测断面图。

图5是本发明中波速监测断面图。

图6是本发明中光纤光栅监测断面图。

图7是本发明中多点位移计监测断面图。

图8是本发明中锚杆应力监测断面图。

具体实施方式

本实施例具体步骤如下：

a、根据工程的具体特征选定试验场地，并确定主测试洞1的开挖位置，然后开挖与主测试洞1平行的辅助测试洞，用于预埋监测仪器设备。主测试洞1和辅助测试洞之间的间距以不产生相邻洞室的应力干扰为原则，可以通过数值计算确定主测试洞1和辅助测试洞之间的间距，同时主测试洞1和辅助测试洞之间的间距应近可能地小，以减小预埋仪器设备的难度。如图1所示，本例中，所述辅助测试洞包括位于主测试洞1一侧腰部的辅助洞Ⅰ2、位于主测试洞2另一侧拱脚部位的辅助洞Ⅱ3，以及位于主测试洞1正上方的顶拱辅助洞4，其中顶拱辅助洞4采用从辅助洞Ⅰ2爬坡至主测试洞1顶部后继续开挖形成。如图2所示，辅助测试洞（包括辅助洞Ⅰ、辅助洞Ⅱ和顶拱辅助洞）对主测试洞1形成包裹，从辅助测试洞进行钻孔可以比较全面地覆盖主测试洞1的各个部位进行监测。

b、从辅助测试洞向主测试洞1钻孔，并控制各钻孔尽可能的上倾，以便洗孔的水可以由孔口流出，钻孔完成后在孔内埋设监测仪器，形成应力监测断面、声发射监测断面、光纤光栅监测断面和多点位移计监测断面，各监测断面应尽可能全面覆盖主测试洞1的应力集中区和应力松弛区（对于脆性硬岩应力集中和应力松弛深度一般不超过一倍洞径，具体实施过程时候可以通过数值计算帮助定量预测）；其中声发射监测断面至少包含三个相互平行的监测断面以实现空间定位，光纤光栅监测断面和多点位移计监测断面的监测部位一致，以方便位移测试成果的对比验证。

如图3所示，本例中，布置应力监测断面时，从辅助洞Ⅰ2向主测试洞1的拱肩部位（靠近辅助洞Ⅰ一侧）钻设上倾角度分别为6度（孔深19m）和10度（孔深20m）的钻孔，从辅助洞Ⅱ3向主测试洞1的拱脚部位（靠近辅助洞Ⅱ一侧）钻设上倾角度分别为2度（孔深17m）、6度（孔深17m）和10度（孔深18m）的钻孔，同时从顶拱辅助洞4向主测试洞1靠近辅助洞Ⅰ2一侧的拱肩部位钻设外倾角度为10度的钻孔，孔深22m；各钻孔的深度需保证孔底部分伸入主测试洞1的应力集中区和应力松弛区域内，具体的深度也正是该试验的测试内容之一，在试验前是无法准确确定的，只能通过经验和数值分析帮助估算，一般来说，该深度不超过一倍主洞洞直径（下同）。最后在各钻孔的孔底埋设CSRIO空心包体应力计，布置完成后各空心包体应力计均位于同一平面内。

如图4所示，布置声发射监测断面时，本例中声发射监测断面共有三个典型监测断面，现以其中一个为例进行说明。从辅助洞Ⅰ2向主测试洞1钻设三个钻孔，其中两个上倾，角度分别为6度（孔深17m）和10度（孔深18m），一个下倾，角度为10度（孔深17m）；从辅助洞Ⅱ3向主测试洞1钻设四个钻孔，其中三个上倾，角度分别为2度（孔深17m）、6度（孔深16m）和10度（孔深16m），一个下倾，角度为6度（孔深21m）；同时从顶拱辅助洞4向主测试洞1钻设三个钻孔，其中一个为铅直孔（孔深20m），另外两个以该铅直孔为轴对称布置，均外倾10度（孔深均为22m）；各钻孔的深度需保证孔底部分伸入主测试洞1的应力集中区和应力松弛区域内，最后在各钻孔的孔底埋设声发射探头，布置完成后各声发射探头均位于同一平面内。然后按上述方法进行余下两个典型监测断面的布置，且三个监测断面中监测仪器数量和监测部位一致。

如图6所示，布置光纤光栅监测断面时，从辅助洞Ⅰ2向主测试洞1的拱肩部位（靠近辅助洞Ⅰ一侧）钻设上倾角度为10度的钻孔（孔深22.7m），同时从辅助洞Ⅱ3向主测试洞1的拱脚部位（靠近辅助洞Ⅱ一侧）钻设上倾角度为8度的钻孔（孔深19.9m），并在各钻孔内靠近主测试洞1一端埋设19支光栅；本例由18支光纤光栅式应变计和1支光纤光栅式温度计串接形成，相邻应变计之间间隔50cm，且最靠近主测试洞1的应变计到钻孔孔底的距离为100cm，并且该应变计到主测试洞1内壁的垂直距离为200cm。

如图7所示，布置多点位移计监测断面时，须保证与光纤光栅监测断面的监测部位一致，以方便位移测试成果的对比验证；从辅助洞Ⅰ2向主测试洞1的拱肩部位（靠近辅助洞Ⅰ一侧）钻设上倾角度为10度的钻孔（孔深22.7m），同时从辅助洞Ⅱ3向主测试洞1的拱脚部位（靠近辅助洞Ⅱ一侧）钻设上倾角度为8度的钻孔（孔深19.9m），并在各钻孔内靠近主测试洞1一端埋设多点位移计。其中孔深22.7m的钻孔内埋设的多点位移计共包括四个位移计，到主测试洞1内壁的垂直距离分别为200cm、400cm、600cm和800cm，且距离主测试洞1最近的位移计到钻孔孔底的距离为100cm，相邻各位移计之间的距离（从孔底到孔口的方向来看）分别为292cm、250cm和232cm；另一钻孔内埋设的多点位移计包括五个位移计，到主测试洞1内壁的垂直距离分别为200cm、400cm、600cm、800cm和1600cm，且距离主测试洞1最近的位移计到钻孔孔底的距离为100cm，相邻各位移计之间的距离（从孔底到孔口的方向来看）分别为207cm、205cm、204cm和809cm。

c、开挖主测试洞1，以1m一个爆破循环缓慢向前掘进，并连续记录主测试洞1开挖过程中的各监测仪器的测试数据。同时在主测试洞（1）开挖过程中穿插进行波速监测断面和锚杆应力监测断面的布置，也可在主测试洞（1）开挖完成后，进行波速监测断面和锚杆应力监测断面的布置。

如图5所示，布置波速监测断面时，从主测试洞1向周围岩体钻设八个钻孔；其中两个水平，分别位于主测试洞1的两侧腰部；两个铅直，分别位于主测试洞1的拱顶和底部；两个位于主测试洞1的两侧拱肩部位，且对称布置，均上倾45度；两个位于主测试洞1的两侧拱脚部位，且对称布置，均下倾25度；各钻孔的孔深均为10m，且无需埋设任何监测仪器。

如图8所示，布置锚杆应力监测断面时，从主测试洞1一侧拱肩部位向周围岩体钻设上倾角度分别为30度和50度的钻孔，另一侧拱肩部位钻设上倾角度为25度的钻孔，从主测试洞1一侧拱脚部位向周围岩体钻设下倾角度为25度的钻孔，另一侧拱脚部位钻设下倾角度分别为15度和30度的钻孔；六个钻孔以主测试洞1的竖向中心线为中心左右各三个，且各钻孔内均埋设锚杆应力计。本例中各锚杆应力计包括三个应力计，相邻各应力计之间的距离为300cm，且距离主测试洞1最近的应力计到主测试洞1内壁的垂直距离为200cm。

d、将主测试洞1两端用混凝土堵头进行封闭，然后向封闭区域注水并施加压力，模拟水工隧洞运行期间的内水压力，并监测内水压力对围岩松弛破坏的影响。

e、通过长期监测获得高应力条件下地下水对围岩破裂行为增长特征的影响实测数据，为理论分析提供基础性资料。

Claims (10)

1.一种深埋隧洞围岩开挖响应系统性监测方法，其特征在于步骤如下：

a、选定试验场地并确定主测试洞（1）的开挖位置，然后开挖与主测试洞（1）平行的辅助测试洞；

b、从辅助测试洞向主测试洞（1）钻孔，并埋设监测仪器，形成应力监测断面、声发射监测断面、光纤光栅监测断面、多点位移计监测断面；其中声发射监测断面至少包含三个相互平行的监测断面，且三个断面的监测部位一致；光纤光栅监测断面和多点位移计监测断面的监测部位一致；

c、以1m一个爆破循环向前掘进，进行主测试洞（1）的开挖，并连续记录开挖过程中各监测仪器的测试数据；

d、主测试洞（1）开挖过程中或待主测试洞（1）开挖完成后，从其内壁向周围岩体钻孔形成波速监测断面和锚杆应力监测断面，其中锚杆应力监测断面中各孔内均埋设有监测仪器；

e、将主测试洞（1）两端用混凝土堵头进行封闭，然后向封闭区域注水并施加压力，模拟水工隧洞运行期间的内水压力，并监测内水压力对围岩松弛破坏的影响；

f、通过长期监测获得高应力条件下地下水对围岩破裂行为增长特征的影响实测数据；

上述六个监测断面覆盖主测试洞（1）的应力集中区和应力松弛区。

2.根据权利要求1所述的深埋隧洞围岩开挖响应系统性监测方法，其特征在于：所述辅助测试洞包括位于主测试洞（1）一侧腰部的辅助洞Ⅰ（2）、位于主测试洞（2）另一侧拱脚部位的辅助洞Ⅱ（3），以及位于主测试洞（1）正上方的顶拱辅助洞（4）。

3.根据权利要求2所述的深埋隧洞围岩开挖响应系统性监测方法，其特征在于：布置应力监测断面时，从辅助洞Ⅰ（2）向主测试洞（1）的拱肩部位钻设上倾角度分别为6度和10度的孔，从辅助洞Ⅱ（3）向主测试洞（1）的拱脚部位钻设上倾角度分别为2度、6度和10度的孔，同时从顶拱辅助洞（4）向主测试洞（1）靠近辅助洞Ⅰ（2）一侧的拱肩部位钻设外倾角度为10度的孔，并在各钻孔的孔底埋设监测仪器。

4.根据权利要求2所述的深埋隧洞围岩开挖响应系统性监测方法，其特征在于：布置声发射监测断面时，从辅助洞Ⅰ（2）向主测试洞（1）钻设三个钻孔，其中两个上倾，角度分别为6度和10度，一个下倾，角度为10度；从辅助洞Ⅱ（3）向主测试洞（1）钻设四个钻孔，其中三个上倾，角度分别为2度、6度和10度，一个下倾，角度为6度；同时从顶拱辅助洞（4）向主测试洞（1）钻设三个钻孔，其中一个为铅直孔，另外两个以该铅直孔为轴对称布置，均外倾10度；各钻孔底部埋设均埋设监测仪器。

5.根据权利要求2所述的深埋隧洞围岩开挖响应系统性监测方法，其特征在于：布置波速监测断面时，从主测试洞（1）向周围岩体钻设八个钻孔；其中两个水平，分别位于主测试洞（1）的两侧腰部；两个铅直，分别位于主测试洞（1）的拱顶和底部；两个位于主测试洞（1）的两侧拱肩部位，且对称布置，均上倾45度；两个位于主测试洞（1）的两侧拱脚部位，且对称布置，均下倾25度。

6.根据权利要求2所述的深埋隧洞围岩开挖响应系统性监测方法，其特征在于：布置光纤光栅监测断面时，从辅助洞Ⅰ（2）向主测试洞（1）的拱肩部位钻设上倾角度为10度的钻孔，同时从辅助洞Ⅱ（3）向主测试洞（1）的拱脚部位钻设上倾角度为8度的钻孔，并在各钻孔底部埋设监测仪器。

7.根据权利要求2所述的深埋隧洞围岩开挖响应系统性监测方法，其特征在于：布置多点位移计监测断面时，从辅助洞Ⅰ（2）向主测试洞（1）的拱肩部位钻设上倾角度为10度的钻孔，同时从辅助洞Ⅱ（3）向主测试洞（1）的拱脚部位钻设上倾角度为8度的钻孔，并在各钻孔底部埋设监测仪器。

8.根据权利要求2所述的深埋隧洞围岩开挖响应系统性监测方法，其特征在于：布置锚杆应力监测断面时，从主测试洞（1）一侧拱肩部位向周围岩体钻设上倾角度分别为30度和50度的钻孔，另一侧拱肩部位钻设上倾角度为25度的钻孔，从主测试洞（1）一侧拱脚部位向周围岩体钻设下倾角度为25度的钻孔，另一侧拱脚部位钻设下倾角度分别为15度和30度的钻孔；六个钻孔左右各三个，且各钻孔内均埋设锚杆应力计。

9.根据权利要求2所述的深埋隧洞围岩开挖响应系统性监测方法，其特征在于：所述顶拱辅助洞（4）采用从辅助洞Ⅰ（2）爬坡至主测试洞（1）顶部后继续开挖形成。

10.根据权利要求2所述的深埋隧洞围岩开挖响应系统性监测方法，其特征在于：所述主测试洞（1）与辅助测试洞之间的距离须保证相邻洞室之间无应力干扰。

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