CN104215748A - 一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法，该方法基于围岩钻孔取芯、地质雷达探测、钻孔窥视探测及原位钻孔围岩强度测试等四种技术检测手段，分别统计分析得到注浆前后围岩钻孔取芯提高率、破损面积加固提高率、裂隙闭合提高率及强度参数提高率等参数，并通过权重分析法，对注浆加固效果进行综合定量分析，建立注浆加固效果定量评价指标，对地下工程破碎围岩注浆加固效果进行科学合理评价。本发明的一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法，克服了现有地下工程破碎围岩注浆加固效果技术检测手段落后、评价方法单一、无法定量等缺点，检测手段先进，方法更具新颖性，与传统经验定性分析方法相比更具科学性。

Description

一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法

技术领域

本发明涉及一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法。 

背景技术

随着国家对交通、水利水电工程建设投入的加大，以及煤炭资源开采强度及深度增加，长大深埋隧洞、巷道、大断面盾构隧道越来越多，并对工程建设安全及围岩稳定控制提出了新的挑战。以煤矿为例，我国煤矿中40％左右的煤系地层为松软岩层，再加上构造应力和应力集中等因素的影响，导致岩体更加破碎，给巷道支护及煤矿安全生产带来很大威胁。注浆加固技术作为一种传统加固方式，可有效填充围岩裂隙，改善围岩破碎状态，提高峰后围岩强度，增强围岩自承能力，控制围岩变形破坏，为巷道后期扩巷、加固提供可靠基础。然而，由于注浆加固属于隐蔽工程，注浆后浆液扩散范围、围岩裂隙填充程度以及强度参数提高程度却较难得到。因此，在围岩注浆加固效果评价方面，目前还主要依赖于经验，多为定性评价，缺少有效的定量评价方法，而且基于常规钻孔取芯、地质雷达探测、钻孔窥视探测的单因素测试及评价方法，存在检测手段落后、准确率低等缺点。 

近年来，原位钻孔强度测试技术作为一种可直接获取现场土体力学参数的有效手段，由于可克服实验室试验时的人为扰动、土样试件尺寸效应影响及松散土体现场无法取芯等缺点，被越来越多现场技术人员认可，并得到了广泛应用。但在岩石工程领域中，该技术应用发展较为缓慢，尤其利用该技术进行注浆前后围岩强度测试的对比分析还未有报道。本发明首次将原位钻孔围岩强度测试技术引入到注浆效果评价，并结合围岩钻孔取芯、地质雷达探测、钻孔窥视探测等测试手段，旨在提出一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法，解决现有技术检测手段落后、评价方法单一、无法定量等问题。 

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法，克服现有地下工程破碎围岩注浆加固效果技术检测手段落后、评价方法单一、无法定量等缺点。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： 

一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法，它包括以下步骤： 

步骤一，注浆前数据采集：采用金刚石钻头和双层岩芯管在围岩中钻进，并连续取芯，统计取芯长度，并计算围岩取芯率； 

开展围岩地质雷达探测，根据探测图像波形、振幅及相位大小，并结合现场地质条件，将围岩由内到外依次划分为极其严重破损区、严重破损区与一般破损区，计算围岩破损程度,其中，具体不同破损区划分依据可根据某具体工程进行单独制定； 

利用钻孔窥视成像记录仪在围岩取芯钻孔内进行探测，生成图像，并统计围岩裂隙张开宽度； 

利用钻孔剪切仪进行原位钻孔围岩强度测试，所述钻孔剪切仪结构包括钢杆和与钢杆连接的对称的带有齿状突起的两块剪切板，首先将钻孔剪切仪剪切头上对称的带有齿状突起的两块剪切板压入破碎围岩钻孔孔壁内，使剪切板上两平行的齿状凸起间形成薄层岩片，再提拉和剪切头相连的钢杆，完成岩片剪切破坏，记录岩石的正应力和岩石的剪应力； 

步骤二，注浆后数据采集：具体实施步骤与注浆前相同； 

步骤三，围岩注浆加固效果分析：基于注浆前后所述围岩取芯率、围岩破碎程度、围岩裂隙发育情况、围岩裂隙张开宽度、岩石的正应力、岩石的剪应力、摩擦系数和内聚力，分别计算得到围岩钻孔取芯提高率、破损面积加固提高率、裂隙闭合提高率、内摩擦系数提高率和内聚力提高率； 

步骤四，注浆加固效果定量评价：基于步骤三得到的各围岩注浆效果评价值，利用权重分析法，建立注浆加固效果定量评价指标，对围岩注浆效果进行定量评价，并与现场注浆效果统计标准值进行比较。 

步骤一中，基于所述围岩钻孔取芯长度可得注浆前、后围岩钻孔取芯率为RQD＝L₁/L，其中，L为取芯长度，L₁为长度≥10cm岩芯段的长度之和。 

步骤一中，所述注浆前、后围岩破碎程度计算公式为D＝A₂₁S₁+A₂₂S₂+A₂₃S₃，其中，A₂₁、A₂₂、A₂₃为相关系数，且A₂₁+A₂₂+A₂₃＝1，S₁为极其严重破损面积，S₂为严重破损面积，S₃为一般破损面积。 

步骤一中，所述钻孔窥视成像记录仪可输出描述钻孔岩芯或孔壁围岩的立体柱状图或平面展开图，用于钻孔窥视探测数据统计，所述钻孔窥视探测数据包括围岩裂隙倾向、倾角及宽度。 

步骤一中，基于所述钻孔窥视探测数据可得注浆前围岩裂隙发育情况计算公式为 其中，A₃₁、A₃₂、A₃₃为相关系数，且A₃₁+A₃₂+A₃₃＝1， 分别对应注浆前探测钻孔内裂隙张开宽度大于5mm、1～5mm及小于1mm的裂隙长度之和的 平均值。 

步骤一中，所述岩石的正应力σ_ij＝P_ij/S₀，岩石的剪应力τ_ij＝T_ij/(2S₀)，并通过回归分析，得到不同钻孔深度处围岩内摩擦系数和内聚力系数 其中，S₀为嵌于齿状凸起间岩片的面积，P_ij为作用于岩片上的法向力，T_ij为连杆的提拉力,m为探测钻孔个数，i为钻孔编号，j为钻孔测试深度编号，i＝1,2···m,j＝1,2···n，n为钻孔内测试深度的组数。 

所述注浆后原位钻孔围岩强度测试，在注浆完毕后分时间段开展，当两次测试数据相近时，可认为是浆液凝固后的最终数据，此时可分别开展钻孔取芯、地质雷达探测及钻孔窥视探测。 

步骤三中，所述钻孔取芯提高率为R₁＝(RQD′-RQD)/RQD；所述围岩破损面积加固提高率为R₂＝(D′-D)/D；所述围岩裂隙闭合提高率为R₃＝(W′-W)/W；所述围岩内摩擦系数提高率为R₄＝ΣA_4j(f′_j-f_j)/f_j，内聚力提高率R₅＝ΣA_5j(c′_j-c_j)/c_j，其中，A′_4j、A′_5j为对应不同钻孔深度的相关系数，RQD、RQD′分别为注浆前后围岩取芯率，W、W′分别为注浆前后围岩裂隙发育情况，f_j、f′_j分别为注浆前后不同钻孔深度处围岩内摩擦系数，c_j、c′_j分别为注浆前后内聚力系数。 

步骤四中，所述注浆加固效果定量评价，是通过加权得到破碎围岩注浆效果的综合评价指标R＝ΣC_kR_k，并将R值与某具体地下工程现场注浆效果统计标准值R₀比较，即可定量得到注浆后加固效果，其中，C_k为权重系数，k＝1,2,3,4,5，其大小应根据注浆加固效果提高率R₁～R₅的大小及测试数据的可靠性与准确性进行分配，满足ΣC_k＝1。 

本发明的有益效果： 

(1)本发明首次将原位钻孔强度测试技术引入到注浆加固效果检测评价中，避免了现场围岩破碎而无法取芯的缺陷，并可同步获得岩体力学参数，检测手段先进，评价方法更具新颖性。 

(2)本发明属于定量评价方法，与传统经验定性分析方法相比更具科学性。 

(3)本发明属于多因素综合评价方法，克服了传统单因素法准确性不高的缺点，使评价效果更具全面性、合理性。 

附图说明

图1为本发明破碎围岩注浆加固效果综合定量评价体系分析流程简图； 

图2为本发明破碎围岩钻孔布置断面示意图； 

图3为本发明钻孔取芯所获得岩芯示意图； 

图4为本发明地质雷达探测所描绘的围岩破损示意图； 

图5为本发明钻孔窥视探测所描绘的围岩裂隙分布示意图； 

图6为本发明原位钻孔围岩强度测试原理示意图； 

图7为本发明原位钻孔围岩强度测试对应钻孔不同深度的力学参数分布示意图。 

其中，1测试岩体，R₁钻孔取芯提高率，R₂围岩破损面积加固提高率，R₃围岩裂隙闭合提高率，R₄围岩内摩擦系数提高率，R₅内聚力提高率，R综合评价指标，R₀评价参数标准值，①～⑨为围岩钻孔编号，C_k为权重系数，k＝1,2,3,4,5，S₁为极其严重破损面积，S₂为严重破损面积，S₃为一般破损面积，S为巷道断面，W表示完整围岩，W₁表示裂隙张开宽度大于5mm，W₂表示裂隙张开宽度在1～5mm之间，W₃表示裂隙张开宽度小于1mm，L为取芯长度，S₀为嵌于齿状凸起间岩片的面积，P_ij为作用于岩片上的法向力，T_ij为连杆的提拉力；f₁～f₅、c₁～c₅分别是钻孔深度1～5m处的围岩内摩擦系数和内聚力系数。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明： 

本发明基于围岩钻孔取芯、地质雷达探测、钻孔窥视探测及原位钻孔围岩强度测试等四种技术研究手段，分别统计分析得到注浆前后围岩钻孔取芯提高率、破损面积加固提高率、裂隙闭合提高率及强度参数提高率等参数，并通过权重分析法，对注浆加固效果进行综合定量分析，建立注浆加固效果定量评价指标，可对地下工程破碎围岩注浆加固效果进行科学合理评价。 

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

第一步：注浆前后围岩探测方案设计。 

根据地下洞室现场地质条件、断面尺寸及注浆参数，设计注浆前后围岩检测方案，确定 钻孔个数、方位、深度、探测区域长度、高度及探测顺序等参数。如图2所示，断面布置9个钻孔。 

第二步：注浆前数据采集。 

A、注浆前围岩钻孔取芯。用金刚石钻头和双层岩芯管在围岩中钻进，连续取芯，回次钻进所取岩芯中，长度≥10cm的岩芯段长度之和为L₁，所取钻孔岩芯如图3所示，记录围岩取芯率RQD＝L₁/L，L为取芯长度； 

B、注浆前地质雷达探测。开展围岩地质雷达探测，根据探测图像波形、振幅及相位大小，并结合现场地质条件，制定破损区划分依据，将围岩由内到外依次划分为极其严重破损区、严重破损区与一般破损区,其中，具体不同破损区划分依据可根据某具体工程进行单独制定。如图4所示。围岩破碎程度为D＝A₂₁S₁+A₂₂S₂+A₂₃S₃。其中，A₂₁、A₂₂、A₂₃为相关系数，且A₂₁+A₂₂+A₂₃＝1，S₁为极其严重破损面积，S₂为严重破损面积，S₃为一般破损面积； 

C、注浆前钻孔窥视探测。利用钻孔窥视成像记录仪在围岩取芯钻孔内进行探测，生成钻孔围岩立体柱状图或平面展开图，如图5所示。裂隙发育程度主要分为三级，W₁表示裂隙张开宽度大于5mm，W₂表示裂隙张开宽度在1～5mm之间，W₃表示裂隙张开宽度小于1mm；记录围岩裂隙发育情况其中，A₃₁、A₃₂、A₃₃为相关系数，且A₃₁+A₃₂+A₃₃＝1，分别对应注浆前探测钻孔内裂隙张开宽度大于5mm、1～5mm及小于1mm的长度之和平均值； 

D、注浆前原位钻孔围岩强度测试。利用围岩取芯钻孔开展原位强度测试，测试原理如图6所示，把剪切头上对称的带有齿状突起的2块剪切板压入破碎围岩钻孔孔壁内，使剪切板上两平行的齿状凸起间形成薄层岩片，再提拉与剪切头相连的钢杆，完成岩片剪切破坏，记录岩石的正应力σ_ij＝P_ij/S₀和剪应力τ_ij＝T_ij/(2S₀)。一般情况下沿钻孔深度方向每隔1m进行一次测试，共测试5m，如图7所示。通过回归分析，可得到不同钻孔深度处围岩内摩擦系数  $f_j=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}-\mathrm{\Σ}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}^2}{{\left(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}\right)}^2-\mathrm{m\Σ}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}^2}$ 和内聚力 $c_j=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}\mathrm{\Σ}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}-\mathrm{m\Σ}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}}{{\left(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}\right)}^2-\mathrm{m\Σ}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}^2}.$ 其中，S₀为嵌于齿状凸起间岩片的面积，P_ij为作用于岩片上的法向力，T_ij为连杆的提拉力,m为探测钻孔个数，i为钻孔编号，j为钻孔测试深度编号，i＝1,2···m,j＝1,2···n,n为钻孔内测试深度的组数。 

第三步：注浆后数据采集。 

E、注浆后原位钻孔围岩强度测试。注浆后分时间段利用原位钻孔围岩强度测试装置测得孔内围岩正应力和剪应力，经过若干次测试后，当两次数据相近时，可认为是最终数据，此时可求得注浆后不同钻孔深度处围岩内摩擦系数内聚力 其中，m′为注浆后探测钻孔个数； 

F、注浆后围岩钻孔取芯。在注浆后钻孔原位测试获得数据稳定的前提下，进行钻孔取芯，记录岩石的取芯率RQD′＝L′₁/L′。其中，L′₁为长度≥10cm的岩芯段长度之和； 

G、注浆后地质雷达探测。在注浆后钻孔原位测试获得数据稳定的前提下，进行地质雷达探测，记录围岩的破碎程度D′＝A′₂₁S′₁+A′₂₂S′₂+A′₂₃S′₃。其中，A′_kl(k＝2,l＝1、2、3)为相关系数，且A′₂₁+A′₂₂+A′₂₃＝1，S′₁、S′₂、S′₃分别对应注浆后围岩极其严重破损面积、严重破损面积与一般破损面积； 

H、注浆后钻孔窥视探测。在注浆后钻孔原位测试获得数据稳定的前提下，利用围岩取芯钻孔进行钻孔窥视探测，生成注浆后钻孔围岩立体柱状图或平面展开图，记录孔内裂隙发育情况其中，A′_kl(k＝3,l＝1、2、3)为相关系数，且A′₃₁+A′₃₂+A′₃₃＝1， 分别对应注浆后围岩裂隙张开宽度大于5mm、1～5mm及小于1mm的长度之和平均值。 

第四步：围岩注浆效果分析。 

根据第二步、第三步所获得的数据，可求得注浆前后钻孔取芯提高率为R₁＝(RQD′-RQD)/RQD；围岩破损面积加固提高率为R₂＝(D′-D)/D；围岩裂隙闭合提高率为R₃＝(W′-W)/W；围岩内摩擦系数提高率为R₄＝ΣA_4j(f′_j-f_j)/f_j，内聚力提高率R₅＝ΣA_5j(c′_j-c_j)/c_j。其中，A′_4j、A′_5j为对应不同钻孔深度的相关系数。 

第五步：注浆效果定量评价。 

根据第四步注浆前后围岩探测数据的整理分析，通过加权可得到破碎围岩注浆效果的最终评价指标R＝ΣC_kR_k，并将R值与某具体地下工程现场注浆效果统计标准值R₀比较，即可定量得到注浆后加固效果。其中，C_k为权重系数，k＝1,2,3,4,5，其大小应根据注浆加固效果提高率R₁～R₅的大小及测试数据的可靠性与准确性进行分配，满足ΣC_k＝1。 

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实 现。因此，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。 

 [0055] [0056]

Claims (10)

1.一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法，其特征是，它包括以下步骤：

步骤一，注浆前数据采集：采用金刚石钻头和双层岩芯管在围岩中钻进，并连续取芯，统计取芯长度，并计算围岩取芯率；

开展围岩地质雷达探测，根据探测图像结果将围岩由内到外依次划分为极其严重破损区、严重破损区与一般破损区，并计算围岩破损程度；

利用钻孔窥视成像记录仪在围岩取芯钻孔内进行探测，生成图像，并统计围岩裂隙张开宽度；

利用钻孔剪切仪进行原位钻孔围岩强度测试，记录岩石的正应力和岩石的剪应力；

步骤二，注浆后数据采集：具体实施步骤与注浆前相同；

步骤三，围岩注浆加固效果分析：基于注浆前后所述围岩取芯率、围岩破碎程度、围岩裂隙发育情况、围岩裂隙张开宽度、岩石的正应力、岩石的剪应力、摩擦系数和内聚力，分别计算得到围岩钻孔取芯提高率、破损面积加固提高率、裂隙闭合提高率、内摩擦系数提高率和内聚力提高率；

步骤四，注浆加固效果定量评价：基于步骤三得到的各围岩注浆效果评价值，利用权重分析法，建立注浆加固效果定量评价指标，对围岩注浆效果进行定量评价，并与现场注浆效果统计标准值进行比较。

2.根据权利要求1所述的一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法，其特征是，步骤一中，基于所述围岩钻孔取芯长度可得注浆前、后围岩钻孔取芯率为RQD＝L₁/L，其中，L为取芯长度，L₁为长度≥10cm岩芯段的长度之和。

3.根据权利要求1所述的一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法，其特征是，步骤一中，所述注浆前、后围岩破碎程度计算公式为D＝A₂₁S₁+A₂₂S₂+A₂₃S₃，其中，A₂₁、A₂₂、A₂₃为相关系数，且A₂₁+A₂₂+A₂₃＝1，S₁为极其严重破损面积，S₂为严重破损面积，S₃为一般破损面积。

4.根据权利要求1所述的一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法，其特征在于，步骤一中，所述钻孔窥视成像记录仪可输出描述钻孔岩芯或孔壁围岩的立体柱状图或平面展开图，用于钻孔窥视探测数据统计，所述钻孔窥视探测数据包括围岩裂隙倾向、倾角及宽度。

5.根据权利要求1或4所述的一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法，其特征是，步骤一中，基于所述钻孔窥视探测数据可得注浆前围岩裂隙发育情况计算公式为其中，A₃₁、A₃₂、A₃₃为相关系数，且A₃₁+A₃₂+A₃₃＝1， 分别对应注浆前探测钻孔内裂隙张开宽度大于5mm、1～5mm及小于1mm的裂隙长度之和的平均值。

6.根据权利要求1所述的一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法，其特征在于，步骤一中，所述钻孔剪切仪结构包括钢杆和与钢杆连接的对称的带有齿状突起的两块剪切板，首先将测试仪器剪切头上对称的带有齿状突起的两块剪切板压入破碎围岩钻孔壁内，使剪切板上两平行的齿状凸起间形成薄层岩片，再提拉和剪切头相连的钢杆，完成岩片剪切破坏。

7.根据权利要求1所述的一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法，其特征在于，步骤一中，所述岩石的正应力σ_ij＝P_ij/S₀，岩石的剪应力τ_ij＝T_ij/(2S₀)，并通过回归分析，得到不同钻孔深度处围岩内摩擦系数和内聚力系数其中，S₀为嵌于齿状凸起间岩片的面积，P_ij为作用于岩片上的法向力，T_ij为连杆的提拉力,m为探测钻孔个数，i为钻孔编号，j为钻孔测试深度编号，i＝1,2···m,j＝1,2···n,n为钻孔内测试深度的组数。

8.根据权利要求1所述的一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法，其特征是，所述注浆后原位钻孔围岩强度测试，在注浆完毕后分时间段开展，当两次测试数据相近时，可认为是浆液凝固后的最终数据，此时可分别开展钻孔取芯、地质雷达探测及钻孔窥视探测。

9.根据权利要求1所述的一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法，其特征是，步骤三中，所述钻孔取芯提高率为R₁＝(RQD′-RQD)/RQD；所述围岩破损面积加固提高率为R₂＝(D′-D)/D；所述围岩裂隙闭合提高率为R₃＝(W′-W)/W；所述围岩内摩擦系数提高率为R₄＝ΣA_4j(f′_j-f_j)/f_j，内聚力提高率R₅＝ΣA_5j(c′_j-c_j)/c_j，其中，A′_4j、A′_5j为对应不同钻孔深度的相关系数，RQD、RQD′分别为注浆前后围岩取芯率，W、W′分别为注浆前后围岩裂隙发育情况，f_j、f′_j分别为注浆前后不同钻孔深度处围岩内摩擦系数，c_j、c′_j分别为注浆前后内聚力系数。

10.根据权利要求1所述的一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法，其特征是，步骤四中，所述注浆加固效果定量评价，是通过加权得到破碎围岩注浆效果的综合评价指标R＝ΣC_kR_k，并将R值与某具体地下工程现场注浆效果统计标准值R₀比较，即可定量得到注浆后加固效果，其中，C_k为权重系数，k＝1,2,3,4,5，其大小应根据注浆加固效果提高率R₁～R₅的大小及测试数据的可靠性与准确性进行分配，满足ΣC_k＝1。