CN102829899B - 一种适用于深埋圆形隧洞的围岩应力快速测算方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于深埋圆形隧洞的围岩应力快速测算方法，设置各圈崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔分两段起爆，引爆后根据振动监测仪器量测到的各圈崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔第一段起爆时的单段振动速度时程曲线，确定掌子面上主应力，继而根据掌子面上最大主应力确定隧洞轴向应力。其优点是：利用常规的爆破作业和振动监测，无需额外设备，操作方便，能够在爆破施工过程中实时动态地估算掌子面附近的围岩应力。主要适用于水电、交通、矿山等领域深埋地下工程的围岩地应力快速测量。

Description

一种适用于深埋圆形隧洞的围岩应力快速测算方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体的说是一种适用于深埋圆形隧洞的围岩应力快速测算方法。

背景技术

随着我国西南地区水电开发的进一步深入以及矿产资源开采深度的日益增加，深埋隧洞开挖过程中高地应力诱发的工程地质灾害越来越普遍和严重。为预报岩体失稳破坏和岩爆的发生以及为岩体支护加固提供依据，在洞室施工过程中需要实时动态地掌握掌子面附近围岩的应力大小和方向。已有的地应力测量方法根据其测量原理大致可归纳为三类：第一类是以测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力解除法、水压致裂法及应力恢复法等；第二类是以测量岩体中声发射、声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理方法；第三类是根据地质构造或岩体破坏状况提供的信息确定应力方向。其中以应力解除法与水压致裂法应用最为广泛。应力解除法需要钻孔、套取岩芯、安装精密的电子仪器等操作，测量周期长，在洞室掌子面附近采用时影响施工进度，不能满足实时动态的需求；而且由于深部岩体的高地应力，钻孔变形严重、岩芯破裂，导致取芯困难，测量成功率较低，测量结果的可信度受到明显影响。水压致裂法所用设备庞大，钻孔直径大，钻孔时间长，测量仪器昂贵，测试费用高，无法适用于深埋隧洞围岩的地应力快速测量。

“深埋隧洞岩体开挖瞬态卸荷机制及等效数值模拟”(卢文波等，《岩石力学与工程学报》，第30卷第6期，2011年6月)一文公开了圆形隧洞开挖爆破设计，是本申请最接近的现有技术。

发明内容

本发明的目的就是针对现有的技术状况，以深埋隧洞爆破开挖过程中地应力瞬态释放激发的围岩振动为依据，提供一种可适用于深埋圆形隧洞的围岩应力快速测算方法。

本发明的理论依据是：深埋隧洞爆破开挖过程中，地应力瞬态释放会在周围岩体中激发地震波，按照弹性卸载理论，峰值质点振动速度与波阵面上应力存在如下关系：

$\mathrm{PPV}=\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{\ρ}{C}_p}---\left(1\right)$

式中：PPV为峰值质点振动速度；σ为卸载边界上的地应力(开挖荷载)；ρ、C_p分别为岩体的密度和弹性纵波速度。

圆形隧洞全断面爆破开挖时开挖边界垂直或平行于掌子面，因此本发明的核心在于测算圆形隧洞掌子面上最大主应力σ₁、掌子面上最小主应力σ₃及隧洞轴向应力σ_L，如图1和图4所示。

(1)式表明：相同卸载边界尺寸条件下，振动强度与卸载边界上的地应力大小成正比，地应力瞬态释放激发的振动幅值分布反映了掌子面内的应力分布。极坐标下，圆形隧洞全断面爆破开挖过程中掏槽区形成后，卸载边界上的地应力分布如图2所示(σ₁/σ₃＝2.0)，在掌子面两个主应力方向上，环向应力出现最大、最小值；当σ₁/σ₃小于4.0～5.0时，环向应力远大于剪应力，而在世界大部分地区σ₁与σ₃的比值为2.0～3.0，剪应力释放激发的环向振动可以忽略不计。因此可以通过控制圆形隧洞全断面开挖过程毫秒爆破起爆顺序，获得与不同段别(不同方向)对应的围岩振动速度时程曲线，基于应力释放激发的环向振动幅值大小判别掌子面上主应力方向，环向振动最大和最小的段别所在的方位即是掌子面上主应力方向。对比主应力方向上应力瞬态释放和爆炸荷载分别激发的径向振动幅值，并根据弹性振动边界上的爆炸荷载压力估算掌子面上主应力大小。在隧洞轴向应力和掌子面上最大主应力卸载边界大小相等的条件下，比较隧洞轴向应力释放激发的隧洞轴向振动幅值和掌子面上最大主应力释放激发的隧洞径向振动幅值，确定隧洞轴向应力大小。不利结构面的存在会改变岩体局部的应力分布，因此基于地应力瞬态释放激发振动的围岩应力估算需在较完整的岩体中进行。

爆炸应力波向外传播过程中造成炮孔周围岩体破碎破裂，其能量不断衰减，在破裂圈外边界，即弹性振动边界上已不能再引起岩体的破坏，只能引起弹性振动，爆炸荷载压力约等于岩体动态抗压强度。弹性振动边界以内的岩体径向应力因裂纹的扩展贯通、岩体碎块的抛掷而全部释放，弹性振动边界也是地应力瞬态释放激发振动的卸载边界。

本发明一种适用于深埋圆形隧洞的围岩应力快速测算方法，其步骤如下：

⑴按照隧洞开挖爆破设计，在完整岩体的开挖掌子面上由圆心向圆周依次布置一圈或多圈掏槽炮孔、崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔，所述各圈崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔分两段起爆；

⑵在已开挖隧洞围岩不同爆心距处布置多个振动监测仪器，量测隧洞轴向、垂直于隧洞轴向和竖直向的爆破振动速度时程曲线；

⑶引爆后，根据振动监测仪器量测到的各圈崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔第一段起爆时的单段振动速度时程曲线，确定掌子面上主应力，具体包括如下子步骤：

①根据所述崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔各圈第一段炮孔连线的隧洞径向方位，由量测的振动速度时程曲线计算各圈崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔第一段起爆时的隧洞径向和环向振动速度时程曲线，对隧洞轴向、径向和环向的单段振动速度时程曲线进行幅值谱分析，采用数字信号滤波方法对爆炸荷载和地应力瞬态释放激发的振动速度时程曲线进行分离；

②比较各圈崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔第一段起爆时地应力释放激发的隧洞环向振动幅值大小，将振动幅值最大和最小的段别所在的方位确定为掌子面上主应力方向；

③在掌子面主应力方向上，比较地应力瞬态释放和爆炸荷载引起的隧洞径向振动幅值，按照振动幅值与弹性振动边界上的荷载大小成正比的关系，根据弹性振动边界上爆炸荷载压力确定弹性振动边界上的地应力，利用深埋圆形隧洞弹性分布的二次应力状态公式，估算掌子面上最大、最小主应力；

⑷在不同的爆破循环中改变炮孔深度，使隧洞轴向应力和掌子面上最大主应力的卸载边界相接近，比较轴向应力释放激发的隧洞轴向振动幅值和掌子面上最大主应力释放激发的隧洞径向振动幅值，按照振动幅值与应力大小的正比关系，根据步骤(3)计算得到的掌子面上最大主应力确定隧洞轴向应力。

所述崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔各圈第一段爆破的炮孔连成的圆弧为劣弧，所述劣弧对应的角度均等或相接近，所述劣弧的隧洞径向方位由圆心向圆周连续地覆盖0-180°范围。

对不同测点记录的数据按上述方法进行分析，地应力测量结果取多个测点的平均值；可进一步采用数值分析方法修正岩体线弹性和平面应变假定的影响。

本发明一种适用于深埋圆形隧洞的围岩应力快速测算方法的优点是：利用常规的爆破作业和振动监测，无需额外设备，操作方便，能够在爆破施工过程中实时动态地估算掌子面附近的围岩应力。主要适用于水电、交通、矿山等领域深埋地下工程的围岩地应力快速测量。

附图说明

图1是开挖隧洞掌子面及坐标示意图。

图2是圆形隧洞全断面爆破开挖时卸载边界上地应力分布示意图。

图3是炮孔分布及起爆顺序示意图。

图4是爆破振动监测仪器分布示意图。

图5是崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔第一段爆破时单段振动速度时程曲线示意图。

图6是地应力瞬态释放激发的振动速度时程曲线示意图。

图7是爆炸荷载激发的振动速度时程曲线示意图。

图8是弹性振动边界示意图。

图中标记：1为掌子面，2为掌子面上最大主应力，3为掌子面上最小主应力，4为环向正应力，5为径向正应力，6为剪应力，7为炮孔，701为掏槽炮孔圈，702为崩落炮孔圈，703为缓冲炮孔圈，704为光爆炮孔圈，8为隧洞轴向应力，9为水平横向地应力，10为第一个爆破循环，11为第二个爆破循环，12为已开挖隧洞，13为测点，14为破裂圈外边界，15为弹性振动边界(卸载边界)，θ为极角，为掌子面内任一点与σ₁的夹角，MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS10、MS11、MS12、MS13、MS14、MS15和MS16为起爆雷管的段别编号，1#、2#、3#、4#、5#和6#为振动测点编号。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步说明：根据图1-8所示，一种适用于深埋圆形隧洞的围岩应力快速测算方法，其步骤如下：

某无限山体中开挖一个直径为10m的深埋圆形隧洞，如图1所示，掌子面上最大主应力2、掌子面上最小主应力3大小及方向未知。

在圆形隧洞全断面爆破过程中，炮孔的布置由爆破规模、爆破效果以及爆破安全确定。本实施例是在开挖掌子面1上由圆心向圆周依次布置2圈掏槽炮孔、3圈崩落炮孔、1圈缓冲炮孔和1圈周边光面爆破炮孔，孔深3.0m，炮孔7布置如图3所示。

传统的起爆方式是首先中部掏槽，然后掌子面上的炮孔一圈圈由圆心向圆周顺序起爆，各圈炮孔均一段起爆。本发明在已有的爆破设计基础上对起爆顺序稍作改进，根据爆破振动监测数据确定地应力，具体如下：

1.起爆方式设计

在岩体较完整的爆破循环10中，掏槽炮孔一段起爆，其余各圈炮孔均分为两段起爆，采用的起爆雷管段别为MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS10、MS11、MS12、MS13、MS14、MS15和MS16，且MS5、MS9、MS11、MS13和MS15段起爆的炮孔由圆心向圆周连续分布在0-180°范围内，如图3所示，这5段起爆对应的隧洞径向方位(用卸载面中垂线与x轴夹角θ表示)分别是45°、77°、108°、138°和166°。

2.爆破振动量测

在已开挖隧洞12洞壁不同测点13布置若干振动传感器，如图4，记录爆破地震波沿隧洞轴向、垂直于隧洞轴向和竖直向的振动速度时程曲线。

3.振动速度分析

1)在1#测点记录的垂直于隧洞轴向和竖直向的振动速度时程曲线中，选取MS5、MS9、MS11、MS13和MS15起爆时的单段振动速度时程曲线，并根据各段对应的隧洞径向方位θ，计算得到5条径向和5条环向振动速度时程曲线，以其中某一条曲线为例，如图5所示。

2)对以上10条单段振动速度时程曲线进行幅值谱分析，针对地应力瞬态释放激发振动的频带低于爆炸荷载，采用数字信号滤波对二者激发的振动进行分离，分离的曲线见图6和图7。

3)地应力瞬态释放激发的5条隧洞环向振动速度时程曲线中，最大振动幅值为S_θmax，最小振动幅值为S_θmin，S_θmax和S_θmin所在段别对应的方位即是掌子面上最大主应力2、最小主应力3的方向。在两个主应力方向上，地应力瞬态释放激发的隧洞径向振动幅值为S_r1和S_r3，爆炸荷载激发的径向振动幅值分别为B_r1和B_r3，对比地应力瞬态释放和爆炸荷载激发的振动幅值，并根据弹性振动边界15上的爆炸荷载压力，确定弹性振动边界上的径向应力大小：

${{\mathrm{\σ}}^{\′}}_{r1}=\frac{S_{r1}}{B_{r1}}{P}_b---\left(2\right)$

${{\mathrm{\σ}}^{\′}}_{r3}=\frac{S_{r3}}{B_{r3}}{P}_b---\left(3\right)$

式中：σ′_r1和σ′_r3为主应力方向上弹性振动边界上的径向应力；P_b为弹性振动边界上的爆炸荷载压力；多个炮孔同时起爆时，弹性振动边界为各炮孔破裂圈外边界14的包络线，以某一段起爆的炮孔为例，弹性振动边界如图8所示，破裂圈半径约为炮孔半径的10～20倍。

弹性振动边界上爆炸荷载压力约等于岩体动态抗压强度：

P_b＝σ_c                      (4)

假定岩体是均质、连续、完全弹性体，将(2)～(4)式计算得到σ′_r1、σ′_r3代入深埋圆形隧洞二次应力状态弹性分布的表达式中，估算掌子面上最大、最小主应力：

式中：σ_r′为掌子面内任一点的径向应力；r为掌子面内任一点到隧洞中心的距离；r_a为各圈炮孔起爆前的临时空腔半径；为与σ₁的夹角，如图1所示，σ′_r1、σ′_r3与σ₁的夹角分别为0°和90°；

4)在下一个爆破循环11中改变炮孔深度，如图4所示，孔深等于掌子面内最大主应力方向对应段别的抵抗线，约1.0m，即隧洞轴向应力8和掌子面内最大主应力2的卸载边界大小相等；在该爆破循环中，重复以上工作，隧洞轴向应力释放激发的沿隧洞轴向振动幅值为S_L，比较S_L和S_r1，确定隧洞轴向应力σ_L大小：

${\mathrm{\σ}}_L=\frac{S_L}{S_{r1}}{\mathrm{\σ}}_1---\left(6\right)$

5)为提高地应力测量结果的可靠性和准确性，对2#、3#、4#、5#和6#测点记录的数据进行以上同样的分析，地应力测量结果取六个测点的平均值；可进一步采用数值分析方法修正岩体线弹性和平面应变假定的影响。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益结果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之类，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种适用于深埋圆形隧洞的围岩应力快速测算方法，包括如下步骤：

⑴按照隧洞开挖爆破设计，在完整岩体的开挖掌子面上由圆心向圆周依次布置一圈或多圈掏槽炮孔、崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔，所述各圈崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔分两段起爆；所述崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔各圈第一段爆破的炮孔连成的圆弧为劣弧，所述劣弧对应的角度均等或相接近，所述劣弧的隧洞径向方位由圆心向圆周连续地覆盖0-180°范围；

⑵在已开挖隧洞围岩不同爆心距处布置多个振动监测仪器，量测隧洞轴向、垂直于隧洞轴向和竖直向的爆破振动速度时程曲线；

其特征在于：

⑶引爆后，根据振动监测仪器量测到的各圈崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔第一段起爆时的单段振动速度时程曲线，确定掌子面上主应力，具体包括如下子步骤：

①根据所述崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔各圈第一段炮孔连线的隧洞径向方位，由量测的振动速度时程曲线计算各圈崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔第一段起爆时的隧洞径向和环向振动速度时程曲线，对隧洞轴向、径向和环向的单段振动速度时程曲线进行幅值谱分析，采用数字信号滤波方法对爆炸荷载和地应力瞬态释放激发的振动速度时程曲线进行分离；

②比较各圈崩落炮孔、缓冲炮孔和光爆炮孔第一段起爆时地应力释放激发的隧洞环向振动幅值大小，将振动幅值最大和最小的段别所在的方位确定为掌子面上主应力方向；

③在掌子面主应力方向上，比较地应力瞬态释放和爆炸荷载引起的隧洞径向振动幅值，按照振动幅值与弹性振动边界上的荷载大小成正比的关系，根据弹性振动边界上爆炸荷载压力确定弹性振动边界上的地应力，利用深埋圆形隧洞弹性分布的二次应力状态公式，估算掌子面上最大、最小主应力；

⑷在不同的爆破循环中改变炮孔深度，使隧洞轴向应力和掌子面上最大主应力的卸载边界相接近，比较轴向应力释放激发的隧洞轴向振动幅值和掌子面上最大主应力释放激发的隧洞径向振动幅值，按照振动幅值与应力大小的正比关系，根据步骤(3)计算得到的掌子面上最大主应力确定隧洞轴向应力。