CN106952003A - 高地应力区层状岩体地下洞室围岩破坏类型预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高地应力区层状岩体地下洞室围岩破坏类型预测方法，涉及岩土及水利水电工程领域。本发明采用的技术方案是，包括如下步骤：A进行地质调查，结合工程意义及尺度进行工程地质岩组划分；B选取具有代表性岩石，分别进行饱和单轴抗压强度试验；将各工程地质岩组按代表性岩石进行概化，并计算各代表性岩石在工程地质岩组中的含量，再以该含量为权重计算各工程地质岩组的综合抗压强度R_bz；C进行三维空间应力测试，获取各区的最大主应力σ_max；D分别计算洞室围岩各部位的强度应力比S_Q，E判断洞室围岩各部位破坏类型及发生概率。本发明对指导大型地下洞室开挖支护方法与参数选取、支护强度与工程经济比选等具有重要工程意义。

Description

高地应力区层状岩体地下洞室围岩破坏类型预测方法

技术领域

本发明涉及岩土及水利水电工程领域，尤其是一种应用于高地应力区、大型地下洞室开挖条件下围岩破坏类型的预测方法。

背景技术

随着岩土及水利水电工程资源开发力度的不断加大，城市地下空间、地下引水发电系统等地下洞室开挖进一步向高边墙、大跨度趋势发展，为满足不同的功能需求与使用功效，在有限的空间内洞室相互交错与连接，形成了规模巨大、结构复杂的地下洞室群。目前，我国水利水电工程向西部高山峡谷地区、复杂地质条件等区域进一步拓展，大型地下洞室的围岩稳定问题往往对工程建设成败、造价投资起决定与控制作用。诸多影响大型地下洞室围岩稳定的因素与条件中，西南峡谷深埋高地应力条件下围岩稳定问题尤为突出。目前西部高地应力区多数已建与在建的水电工程(如锦屏一级、猴子岩等)地下洞室群围岩在不同工程部位均发生了围岩变形破坏，其在开挖初期洞室围岩变形破坏范围较广、变形程度强，对工程建设、地下洞室群运行期安全稳定等带来了许多困扰与问题，为确保围岩稳定与工程安全，在开挖施工期及后期其支护处理工程量较大。

根据目前相关规程规范及工程经验，对地下洞室围岩变形破坏的工程处理类型及支护力度主要分为两个方面考虑：1.根据勘探(开挖)揭示的特定结构面组成的不稳定块体发育部位及范围确定支护措施与力度。2.按规范规程对洞室围岩进行类别划分，根据围岩的类型类别，结合工程经验确定系统支护措施与支护参数(间、排距及支护深度等)。

目前规程规范中，高地应力条件下，将围岩强度应力比S作为一个影响围岩类别降级与否的限定判据，如水电工程围岩分类法(HC法)。在GB50287《水力发电工程地质勘察规范》中，围岩强度应力比S计算方式为：

其中，R_b表示围岩饱和单轴抗压强度，K_v表示围岩完整系数，σ_max表示围岩最大主应力。当围岩类别为I、II类时，S＜4，则降一级；当围岩类别为III、IV时，S＜2，则降一级。

根据目前已建、在建的大型地下洞室现场实施验证，在实际操作过程中K_v往往难以在具体部位准确测量与表达，造成围岩强度应力比S取值不够准确，影响判定。其次，各个工程围岩类别根据自身特点及工程建设要求，部分情况下围岩类别分为许多亚类(如Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅲ1、Ⅲ2等)，规范对围岩强度应力比S限定判据降级-亚类降级或跨级降级未做明确规定，实际工程概化与操作中较为模糊与困难。再者，在大型地下洞室开挖过程中，与规范中将高地应力条件考虑为围岩类别的概化限定降级相比，对围岩破坏类型进行较为准确的预测，更利于提出科学合理、及时有效的针对性防治措施。但是，目前对地应力导致的围岩破坏类型的描述较为混杂，无统一标准。

因此，按破坏程度进行围岩破坏类型标准化划分，提出一种进行高地应力区层状岩体洞室围岩破坏类型及其破坏概率可能性的预测方法，进而指导大型地下洞室开挖支护方法与参数选取、支护强度与工程经济比选等具有强烈的现实需要和重要的工程意义。但是，目前尚无针对高地应力区地下洞室围岩破坏类型的预测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高地应力区层状岩体地下洞室围岩破坏类型预测方法，为地下洞室施工开挖期可能发生的围岩破坏类型设计针对性的防护措施提供参考，同时为后期地下洞室围岩工程处理设计方案选择提供有力依据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高地应力区层状岩体地下洞室围岩破坏类型预测方法，用于围岩最大主应力σ_max≥20MPa的高地应力区，且围岩饱和单轴抗压强度R_b≥60MPa的工况，包括如下步骤：

A.对地下洞室工程区进行地质调查，包括布置平硐及钻孔勘探工作，查明调查区内地下洞室围岩岩性条件；再结合工程意义及尺度进行工程地质岩组划分，工程地质岩组划分为n组，其中n为正整数；

B.从洞室围岩中选取具有代表性岩石，分别进行饱和单轴抗压强度试验，获取各代表性岩石的饱和单轴抗压强度R_b1、R_b2、R_b3……R_bm，其中m为正整数；

将各工程地质岩组按照所选取的代表性岩石类型进行概化，并计算各代表性岩石在工程地质岩组中的含量，分别为k₁、k₂、k₃……k_m；

按公式1计算各工程地质岩组的综合抗压强度R_bz：

R_bz＝R_b1·k₁+R_b2·k₂+……+R_bm·k_m公式1

C.对地下洞室工程区进行三维空间应力测试，获取不同水平与垂直埋深位置的地应力，绘制地应力与埋深的关系曲线；并按地应力值对地下洞室工程区进行三维空间分区，根据关系曲线选取各区的最大主应力σ_max；

D.按公式2分别计算洞室围岩各部位的强度应力比S_Q：

E.根据表1判断洞室围岩各部位破坏类型及发生概率。

表1 洞室围岩破坏类型及发生概率百分比

具体地：所述C步骤中，通过孔径变形法对地下洞室工程区进行三维空间应力测试。

具体地：所述C步骤中，根据关系曲线选取各区的最大主应力σ_max时，最大主应力σ_max的取值区间为：该区测试点平均值～测试点最大值。

本发明的有益效果是：本发明对高地应力区层状岩体地下洞室围岩破坏类型进行了系统分类，通过各种勘测测试手段，测算洞室围岩各部位的强度应力比S_Q各工程地质岩组的综合抗压强度，根据S_Q进行高地应力区洞室围岩破坏类型及可能性的预测，对指导大型地下洞室开挖支护方法与参数选取、支护强度与工程经济比选等具有重要工程意义。

具体实施方式

高地应力区层状岩体地下洞室围岩破坏类型预测方法，用于围岩最大主应力σ_max≥20MPa的高地应力区，且围岩饱和单轴抗压强度R_b≥60MPa的工况，包括如下步骤：

A.对地下洞室工程区进行地质调查，包括布置平硐及钻孔勘探工作，查明调查区内地下洞室围岩岩性条件；再结合工程意义及尺度进行工程地质岩组划分，工程地质岩组划分为n组，其中n为正整数。当n取1时，相当于未进行工程地质岩组划分。

B.从洞室围岩中选取具有代表性岩石，分别进行饱和单轴抗压强度试验，获取各代表性岩石的饱和单轴抗压强度R_b1、R_b2、R_b3……R_bm，其中m为正整数。

然后，将各工程地质岩组按照所选取的代表性岩石类型进行概化，并计算各代表性岩石在工程地质岩组中的含量，分别为k₁、k₂、k₃……k_m。其中k₁、k₂、k₃……k_m分别表示工程地质岩组概化后各代表性岩石的含量权重值，可选择具有代表性的洞段勘探统计获取。明显地，k₁+k₂+k₃+……+k_m＝1。

最后，按公式1计算各工程地质岩组的综合抗压强度R_bz：

R_bz＝R_b1·k₁+R_b2·k₂+……+R_bm·k_m 公式1

C.通过孔径变形法对地下洞室工程区进行三维空间应力测试，测试范围为岸坡地表～地下洞室内侧以里一定范围，获取不同水平与垂直埋深位置的地应力，绘制地应力与埋深的关系曲线；并按地应力值对地下洞室工程区进行三维空间分区，根据关系曲线获取各区的最大主应力σ_max。其中，最大主应力σ_max的取值区间为：该区测试点平均值～测试点最大值。

D.按公式2分别计算洞室围岩各部位的强度应力比S_Q，公式2省略了难以准确测量与表达的围岩完整系数K_v。公式2为：

E.根据表1判断洞室围岩各部位破坏类型及发生概率。

表1 洞室围岩破坏类型及发生概率百分比

表1中的破坏类型及发生概率为根据现有工程的大量数据统计分析而得。可进一步根据统计数据的增多进行相应的调整。现场验证工程为锦屏一级水电站、猴子岩水电站等约231个测点，经验证表1可代表高地应力区层状岩地下洞室围岩破坏类型，以及不同围岩强度应力比S_Q时洞室围岩的各种破坏类型的发生概率。

目前规程规范中，高地应力条件下将围岩强度应力比S作为一个影响围岩类别降级与否的限定判据，关系到洞室围岩的支护类型与支护力度。然而，现规范中围岩强度应力比S计算公式中的K_v实际操作过程中，往往难以在具体部位准确测量与表达，围岩强度应力比S取值不够准确。现规范中，限定判据降级-亚类降级或跨级降级未做明确规定，实际工程概化与操作中较为模糊与困难。高地应力区层状岩体地下洞室围岩破坏类型预测方法，易于实施，对指导大型地下洞室开挖支护方法与参数选取、支护强度与工程经济比选等具有重要工程意义。

Claims (3)

1.高地应力区层状岩体地下洞室围岩破坏类型预测方法，其特征在于：用于围岩最大主应力σ_max≥20MPa的高地应力区，且围岩饱和单轴抗压强度R_b≥60MPa的工况，包括如下步骤：

A.对地下洞室工程区进行地质调查，包括布置平硐及钻孔勘探工作，查明调查区内地下洞室围岩岩性条件；再结合工程意义及尺度进行工程地质岩组划分，工程地质岩组划分为n组，其中n为正整数；

B.从洞室围岩中选取具有代表性岩石，分别进行饱和单轴抗压强度试验，获取各代表性岩石的饱和单轴抗压强度R_b1、R_b2、R_b3……R_bm，其中m为正整数；

将各工程地质岩组按照所选取的代表性岩石类型进行概化，并计算各代表性岩石在工程地质岩组中的含量，分别为k₁、k₂、k₃……k_m；

按公式1计算各工程地质岩组的综合抗压强度R_bz：

R_bz＝R_b1·k₁+R_b2·k₂+……+R_bm·k_m 公式1

C.对地下洞室工程区进行三维空间应力测试，获取不同水平与垂直埋深位置的地应力，绘制地应力与埋深的关系曲线；并按地应力值对地下洞室工程区进行三维空间分区，根据关系曲线获取各区的最大主应力σ_max；

D.按公式2分别计算洞室围岩各部位的强度应力比S_Q：

E.根据表1判断洞室围岩各部位破坏类型及发生概率。

表1 洞室围岩破坏类型及发生概率百分比

2.如权利要求1所述的高地应力区层状岩体地下洞室围岩破坏类型预测方法，其特征在于：所述C步骤中，通过孔径变形法对地下洞室工程区进行三维空间应力测试。

3.如权利要求1所述的高地应力区层状岩体地下洞室围岩破坏类型预测方法，其特征在于：所述C步骤中，根据关系曲线选取各区的最大主应力σ_max时，最大主应力σ_max的取值区间为：该区测试点平均值～测试点最大值。