CN103487797A - 柱状节理岩体洞室工程围岩松弛深度的原位测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柱状节理岩体洞室工程围岩松弛深度的原位测试方法。该方法包括在柱状节理岩体内开挖洞室的周围平行和垂直于柱状节理岩体柱体轴线的测试钻孔的设计与布置，测试项目的选择、松弛深度的确定和综合测试方法。洞室开挖后，在监测断面的关键部位布设测试钻孔，采用单孔与跨孔声波、数字钻孔摄像综合的原位测试手段，获得开挖洞室监测断面的围岩弹性波和节理裂隙特征，根据卸荷松弛区声波波速降低和对应的岩体裂隙情况综合判定围岩松弛深度。本发明技术方案简洁，测试手段可靠，确保柱状节理岩体卸荷松弛信息的综合采集和对比分析，准确确定围岩的松弛深度，可广泛应用于水利水电、交通、地下试验场等柱状节理岩体开挖与支护工程。

Description

柱状节理岩体洞室工程围岩松弛深度的原位测试方法

技术领域

本发明涉及一种柱状节理洞室工程围岩松弛深度的原位测试方法，该方法可广泛应用于水利水电、交通、地下试验场等赋存柱状节理岩体的开挖与支护工程。

背景技术

柱状节理是常见于火山熔岩中的一种呈规则柱状形态的原生张性破裂构造，柱体基本垂直于熔岩层的延伸方向，其内部节理裂隙异常发育，这种节理即包括柱体和柱体之间的节理，又包括单个柱体内部随机发育的隐性节理，柱状节理岩体常呈现镶嵌结构。柱状节理岩体在开挖卸荷作用下极易出现松弛和开裂，自稳时间较短且稳定性差，并具有强的时效松弛特性，而柱体结构也使得该类岩体在平行和垂直于柱体轴向的力学特性具有显著的差异。

在柱状节理岩体中开挖洞室改变了岩体的边界条件，岩体原始的相对平衡状态发生了改变，同时也使得岩体的天然应力场发生变化，洞室围岩的应力场将重新分布。当重新分布后的应力大于围岩强度时，围岩即产生塑性破坏，这一破坏发展到一定深度后会取得新应力平衡，在洞室周围形成一定范围的松弛，此范围即是岩体的松弛区。

国内外对于柱状节理松弛深度的分析，其基本出发点是洞室开挖后，由于围岩受到卸荷松弛的影响，导致岩体开裂、变形，从而会导致弹性波波速降低、渗透性和位移增大。在岩石工程原位测试中，岩体弹性波的特性通常通过声波测试获得。对于松弛深度测试，当前国内外普遍接受和应用最广的是岩体声波纵波测试，分析时根据岩体纵波波速值随孔深的变化确定松弛深度，即围岩波速明显连续降低的临界点对应的钻孔深度划定为围岩松弛深度。

然而，在实际工程中，围岩的声波波速除受到围岩松弛影响外，还受到岩性、不均一性及构造的影响。由于受柱状节理的特殊构造和显著各向异性影响，传统的原位声波测试方法在确定该类围岩的松弛深度方面存在明显不足。首先，柱状节理岩体原岩内部节理裂隙极度发育，而且被自然形成的层间和层内错动带切割，这种岩体内部的天然缺陷使得声波波速降低，这种条件下的声波测试难以分辨岩体中的原生节理和开挖卸荷后产生的新裂隙，从而很大程度影响围岩松弛深度准确判定；其次，现有原位声波测试都是通过在围岩内钻设的钻孔进行测试，而呈镶嵌结构的岩体钻孔后在孔壁产生表面的卸荷损伤，并出现局部掉快，使得孔壁岩体呈现出明显的碎裂形态，这种孔壁碎裂的岩体结构既可发生在卸荷松弛区，又可仅出现在孔壁表面，从而使得声波波速难以真实反映岩体的完整性，因此无法准确确定实际的围岩松弛深度；再次，由于受柱状节理岩体各向异性特性的影响，平行和垂直柱体轴线的声波波速具有显著差异，现有方法依据单个波速指标评价整个岩体工程的松弛界限和松弛深度，已不适用于具有柱状节理结构的岩体松弛深度的合理判定。

发明内容

针对上述存在的缺陷，本发明的目的在于针对柱状节理岩体地下工程开挖引起的洞室围岩卸荷松弛问题，考虑柱状节理岩体特殊的节理裂隙密集发育、镶嵌结构和各向异性特点，提供一种适用于柱状节理洞室工程围岩松弛深度的原位测试方法，从而为柱状节理岩体洞室的开挖和支护设计提供科学依据。

为了实现上述目的，其技术解决方案为：

柱状节理岩体洞室工程围岩松弛深度的原位测试方法，包括测试孔的布置，单孔声波仪、跨孔声波仪和数字钻孔摄像仪的采用，开挖洞室开挖在柱状节理岩体中，测试孔的布置采用在开挖洞室的右侧边墙洞室高度1/2处垂直于柱状节理岩体柱体轴线开出第一测试孔、第二测试孔，第一测试孔与第二测试孔沿开挖洞室轴线方向相互平行，两孔间距为1.0~1.5m，在开挖洞室的底板中心处平行于柱状节理岩体柱体轴线向下开出第三测试孔、第四测试孔，在开挖洞室的左侧边墙洞室高度1/2处垂直于柱状节理岩体柱体轴线开出第五测试孔，第三测试孔与第四测试孔沿开挖洞室轴线方向相互平行，两孔间距为1.0~1.5m，在开挖洞室的左拱肩垂直于拱切线向上开出第六测试孔，在开挖洞室的拱顶中心处平行于柱状节理岩体柱体轴线向上开出第七测试孔，在开挖洞室的右拱肩斜向上开出第八测试孔；在所述的第一测试孔、第三测试孔、第五测试孔、第六测试孔、第七测试孔、第八测试孔内首先置放单发双收的单孔声波探头，对柱状节理岩体进行单孔声波测试，测试完成后取出单孔声波探头，再置放数字钻孔摄像探头，对柱状节理岩体中的各测试孔孔壁进行图像采集，测试完成后取出数字钻孔摄像探头，再对第一测试孔、第二测试孔、第三测试孔、第四测试孔内置放单发单收跨孔声波探头，进行柱状节理岩体的跨孔声波测试。

所有测试孔均采用地质取芯金刚石钻头钻设，确保孔壁光滑，钻孔孔径为75mm，孔深为9.0m。

由于采用了以上技术方案，本发明柱状节理岩体洞室工程围岩松弛深度的原位测试方法的积极效果和优点在于：（1）通过平行和垂直于柱体轴线的钻孔布置方式，考虑了柱状节理岩体显著的各向异性力学特性差异，合理给出了柱状节理岩体中不同钻孔方向条件下不同松弛界限的划分方法；（2）采用了组合式的原位测试手段，通过测试孔的合理设计与布置，同时获得开挖洞室监测断面围岩的单孔和跨孔弹性波、裂隙特征，采集了松弛深度综合判定的基础数据；（3）在监测断面上开展多个项目的综合测试，实现岩体声波波速和钻孔摄像的测试结果互相验证和对比分析，提高了松弛深度原位测试的可靠性；（4）该方法解决了以往测试仅根据声波波速变化、不考虑岩体各项异性而导致难以合理确定柱状节理围岩松弛深度的缺陷。可见，本发明技术方案简洁，测试手段可靠，确保柱状节理岩体卸荷松弛弹性波和裂隙信息的综合采集和对比分析，可准确确定围岩的松弛深度。

附图说明

图1是本发明的测试方案布置示意图。

图2是图1的A-A视图。

图3是实施例测试获得的单孔纵波波速随孔深的变化关系曲线。

图4是实施例测试获得的跨孔纵波波速随孔深的变化关系曲线。

图5是实施例测试获得的孔壁岩体平面展开和虚拟岩心图。

图6是实施例测试获得的典型监测断面松弛区分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明柱状节理岩体洞室工程围岩松弛深度的原位测试方法作进一步详细的描述。

见附图，本发明的原位测试方法包括在开挖洞室1周围测试钻孔的设计与布置，以及测试项目的选择、松弛深度的判定和岩体卸荷松弛的综合测试方法。开挖洞室1开挖在柱状节理岩体中，在开挖洞室1监测断面的右侧边墙、底板、左侧边墙、左侧拱肩、顶拱和右侧边墙六个部位，分别布置平行和垂直与柱状节理岩体柱体轴线2的测试钻孔，通过对测试孔单孔和跨孔声波测试、数字钻孔摄像测试项目综合确定柱状节理岩体的松弛深度。

具体钻孔布置方案如下：

测试孔的布置采用在开挖洞室1的右侧边墙洞室高度1/2处垂直于柱状节理岩体柱体轴线2开出第一测试孔3、第二测试孔4，第一测试孔3与第二测试孔4沿开挖洞室1轴线方向相互平行，两孔间距为1.0~1.5m；在开挖洞室1的底板中心处平行于柱状节理岩体柱体轴线2向下开出第三测试孔5、第四测试孔6，在开挖洞室1的左侧边墙洞室高度1/2处垂直于柱状节理岩体柱体轴线2开出第五测试孔7，第三测试孔5与第四测试孔7沿开挖洞室1轴线方向相互平行，两孔间距为1.0~1.5m；在开挖洞室1的左拱肩垂直于拱切线向上开出第六测试孔8，在开挖洞室1的拱顶中心处平行于柱状节理岩体柱体轴线2向上开出第七测试孔9，在开挖洞室1的右拱肩斜向上开出第八测试孔10；所有测试孔均采用地质取芯金刚石钻头钻设，确保孔壁光滑，钻孔孔径为75mm，孔深为9.0m。

具体测试方案为：

（1）单孔声波测试：在第一测试孔3、第三测试孔5、第五测试孔7、第六测试孔8、第七测试孔9、第八测试孔10内首先置放单发双收的单孔声波探头，将单孔声波探头推送至孔底，自孔底至孔口测试每20cm岩体的声波，测试完成后取出单孔声波探头，获得岩体纵波波速与钻孔深度的变化关系。

（2）钻孔摄像测试：利用数字钻孔摄像仪，第一测试孔3、第三测试孔5、第五测试孔7、第六测试孔8、第七测试孔9、第八测试孔10内置放数字钻孔摄像探头，自孔口至孔底缓慢均匀推进，获取各钻孔全长孔壁360°图像，探头的推进速度小于2.0m/min，在重点关注的部位（节理裂隙密集区），宜降低推进速度至1.0m/min甚至更小，测试完成后取出数字钻孔摄像探头，最后将孔壁图像数字化处理后获得岩体节理裂隙的产状、宽度，给出钻孔全长岩体完整性概化图。

（3）跨孔声波测试：利用单发单收的跨孔声波仪，对第一测试孔3与第二测试孔4、第三测试孔5与第四测试孔6内置放单发单收跨孔声波探头，分别进行柱状节理岩体的跨孔声波测试，将两个跨孔声波探头同时推送至各自孔底相同位置，然后同时向孔口方向提拉20cm的测试距离，测试跨孔间距1.0~15m范围的岩体声波，获得岩体纵波波速与钻孔深度的变化关系。

（4）松弛界限划分和临界波速判定：综合分析现场单孔、跨孔声波测试和钻孔摄像测试结果，给出钻孔壁面岩体的完整性和节理裂隙发育状况，对比验证钻孔全长单孔、跨孔声波波速变化特征和相应位置的节理裂隙情况。分别考虑平行和垂直柱状节理岩体柱体轴线两种情况，划分其各自的松弛界限，将围岩松弛界限划分在有新生裂隙或原生节理张开区域、且岩体纵波波速连续降低的拐点位置，此时的声波波速即为临界波速。此外，需要考虑钻孔与柱状节理斜交时的情况，若钻孔轴线与柱体轴线夹角为0°~45°，临界波速按垂直于柱体轴线的情况确定，若其夹角为45°~90°，则临界波速按平行于柱体轴线的情况确定。

（5）松弛深度确定：由围岩松弛界限确定的声波波速拐点对应的钻孔深度即为围岩松弛深度。由于柱状节理的特殊结构和各向异性，单孔和跨孔声波测试确定的松弛深度不可避免存在一定的差异，若二者的相对误差小于10%，则以单孔波速划定松弛界限，反之，当二者的相对误差大于10%时，考虑到跨孔声波获得的为两个测试孔间距范围（1.0~1.5m）内等效岩体的弹性波波速，而单孔声波仅反映距离钻孔壁λ/4~λ/2（λ为声波纵波波长）的岩体范围，对于柱状节理玄武岩仅为8~10cm，远小于跨孔声波的情形。因此，应以跨孔声波测试结果为准校验单孔声波测试方法，并及时调整单孔声波检测换能器的频率、采样间隔和增益。

下面结合实例对本发明测试方法做进一步说明。

具体实施例

本实例对某水电站的导流洞上层开挖支护过程进行了围岩松弛深度原位测试，该水电站的五条导流洞分别穿过长约450m左右柱状节理玄武岩区域，柱间和柱内节理极度发育，柱状节理岩体柱体轴线与隧洞边墙夹角为80°，柱状节理区导流洞均为城门型隧洞，截面长19.7m，隧洞已开挖层高9.0m，具体步骤和方法如下：

（1）在柱状节理岩体中的开挖洞室1的监测断面上关键部位布置八个测试钻孔，如图1和图2所示，其中测试孔3、测试孔4、测试孔7垂直于柱状节理岩体柱体轴线，测试孔3、测试孔4沿洞室轴线方向互相平行，间距为1.0m，孔口距离洞室底板高度为4.5m，测试孔7的孔口距离洞室底板高度也为4.5m；测试孔5、测试孔6、测试孔9垂直于柱状节理岩体柱体轴线，测试孔5、测试孔6沿洞室轴线方向互相平行，间距为1.0m，位于洞室轴线中心处；测试孔8、测试孔10垂直于拱肩切线方向，根据柱状节理岩体柱体轴线与隧洞边墙夹角的关系，此时钻孔轴线与柱状节理岩体柱体轴线夹角分别为35°、55°。钻孔孔深均为9.0m，由金刚石钻头取芯钻设，孔径为75mm。

（2）采用单孔声波测试法，分别对测试孔3、测试孔5、测试孔7、测试孔8、测试孔9、测试孔10进行测试，绘制钻孔波速与孔深的关系曲线。

（3）分别对测试孔3、测试孔5、测试孔7、测试孔8、测试孔9、测试孔10进行数字钻孔摄像测试，将孔壁图像数字化处理后获得岩体节理裂隙的产状、宽度，并进一步绘制钻孔全长岩体完整性概化图。

（4）采用跨孔声波测试法，分别对垂直于柱状节理岩体柱体轴线2的测试孔3和测试孔4、平行于柱状节理岩体柱体轴线2的测试孔5和测试孔6进行跨孔声波测试，绘制钻孔波速与孔深的关系曲线。

（5）对原位测试结果做进一步综合分析处理，以右边墙垂直于柱状节理岩体柱体轴线2的测试孔3、4的测试结果为例，图3所示为测试孔3的单孔纵波波速随孔深的变化关系，图4是测试孔3和测试孔4的跨孔纵波波速随孔深的变化关系，图5是通过数字摄像仪获得的测试孔3的孔壁岩体虚拟岩心和平面展开图，直观显示了裂隙产状和宽度。 

（6）确定围岩的松弛界限和深度，如图3所示，对于垂直于柱状节理岩体柱体轴线2的情形，波速连续下降的拐点位置钻孔深2.3m，而如图4所示跨孔声波波速变化曲线可以看出，其波速连续下降的拐点位置钻孔深2.4m，二者确定的松弛深度绝对误差为0.1m，相对误差为4.1%，小于10%，因此以单孔波速变化曲线划定松弛界限，对应的单孔纵波波速为4000m/s。在通过钻孔摄像分析，在0~2.5m范围内，裂隙极度发育，有明显的卸荷开裂特征，因此，综合比较后可以认为松弛界限划定在2.3m处是合理的。最终确定测试孔3的松弛深度为2.3m，测试孔7的松弛深度为2.2m，测试孔10的松弛深度为2.4m。

（7）通过与（6）同样的方法，考察平行于柱状节理岩体柱体轴线2的测试孔的松弛界限和深度，通过对测试孔5、测试孔6的钻孔波速和数字摄像分析，划定平行于柱体轴线的松弛界限临界波速为3800m/s，并确定测试孔5的松弛深度为1.7m，测试孔8的松弛深度为2.6m，测试孔9的松弛深度为2.3m。

（8）依据上述分析结果，连接该监测断面上所有钻孔的松弛深度，形成洞室围岩整个监测断面的松弛区11，如图6所示。

Claims (2)

1.柱状节理岩体洞室工程围岩松弛深度的原位测试方法，包括测试孔的布置，单孔声波仪、跨孔声波仪和数字钻孔摄像仪的采用，其特征在于：开挖洞室（1）开挖在柱状节理岩体中，所述测试孔的布置采用在开挖洞室（1）的右侧边墙洞室高度1/2处垂直于柱状节理岩体柱体轴线（2）开出第一测试孔（3）、第二测试孔（4），第一测试孔（3）与第二测试孔（4）沿开挖洞室（1）轴线方向相互平行，两孔间距为1.0~1.5m，在开挖洞室（1）的底板中心处平行于柱状节理岩体柱体轴线（2）向下开出第三测试孔（5）、第四测试孔（6），在开挖洞室（1）的左侧边墙洞室高度1/2处垂直于柱状节理岩体柱体轴线（2）开出第五测试孔（7），第三测试孔（5）与第四测试孔（6）沿开挖洞室（1）轴线方向相互平行，两孔间距为1.0~1.5m，在开挖洞室（1）的左拱肩垂直于拱切线向上开出第六测试孔（8），在开挖洞室（1）的拱顶中心处平行于柱状节理岩体柱体轴线（2）向上开出第七测试孔（9），在开挖洞室（1）的右拱肩斜向上开出第八测试孔（10）；

在所述的第一测试孔（3）、第三测试孔（5）、第五测试孔（7）、第六测试孔（8）、第七测试孔（9）、第八测试孔（10）内首先置放单发双收的单孔声波探头，对柱状节理岩体进行单孔声波测试，测试完成后取出单孔声波探头，再置放数字钻孔摄像探头，对柱状节理岩体中的各测试孔孔壁进行图像采集，测试完成后取出数字钻孔摄像探头，再对第一测试孔（3）、第二测试孔（4）、第三测试孔（5）、第四测试孔（6）内置放单发单收跨孔声波探头，进行柱状节理岩体的跨孔声波测试。

2. 根据权利要求1所述的柱状节理岩体洞室工程围岩松弛深度的原位测试方法，其特征在于：所有测试孔均采用地质取芯金刚石钻头钻设，钻孔孔径为75mm，孔深为9.0m。

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