CN108268703A - 围岩时变弱化定量检测与加固预案设计方法、系统和设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了围岩时变弱化定量检测与加固预案设计方法、系统和设备。地下工程施工过程中，围岩体物理力学性质往往由于赋存环境的改变而产生时变弱化效应，采用该方法、系统和设备可实时定量获取围岩时变弱化程度。其中，检测方法主要包括以下步骤：现场获取开挖体在设定观测区域处未弱化时的不同深度的初始围岩强度；通过所述初始围岩强度计算初始围岩平均强度；在发生弱化现象后的设定时间，现场获取所述设定观测区域处不同深度的围岩强度，并计算围岩平均强度；比较所述围岩平均强度相对于所述初始围岩平均强度的变化情况；根据所述变化情况，给出围岩支护形式和/或加固范围的预案设计方案。

Description

围岩时变弱化定量检测与加固预案设计方法、系统和设备

技术领域

本公开一般涉及地下工程安全技术领域，尤其涉及一种围岩时变弱化定量检测与加固预案设计方法、系统和设备。

背景技术

随着我国地下工程建设的不断发展，地下工程建设逐渐向复杂地质条件延伸，由于岩层本身的复杂性以及现有探测技术探测范围及精准度的制约，在巷道开挖的过程中可能会遇到富水岩层淋涌水的情况。而由于围岩的性质千差万别，不同岩石在遇水之后发生的弱化及水解特性也不尽相同。现有的地下工程施工设计中，一般先通过在现场钻探取样，随后对所取得的试样进行室内试验的方法，获得岩石在遇水之后的弱化特性，之后再根据该弱化特性，设计相应的支护方法。

为了研究岩石在遇水之后的弱化特性，传统的对于围岩弱化特性的研究多采用现场钻探取样，随后进行室内试验的方法进行研究，根据研究结果，设计相应的支护方法。但这种方法存在以下问题：

1.由于施工现场地质条件的复杂性在进行现场围岩钻探取芯过程中往往难以获得完整试样，室内试验往往难以获得准确的结果。

2.现场岩样在运往实验室过程中易受风化等影响，岩石性状已经发生改变，得到数据不能准确反映当地岩石初始物理性质及力学参数。

3.使用钻探法从现场取芯到得出实验报告的时间间隔长，严重的制约了施工的进度，增加了工程预算成本。

4.由于所取岩芯已经脱离了原始的环境应力、温度等约束条件，特别是对原岩区的取样，不能很好的代表岩体本身的强度。

5.室内试验虽可对岩石试样进行泡洒水处理，仍难以模拟现场岩石淋水状态，对岩石弱化特性的研究不够准确。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种围岩时变弱化定量检测与加固预案设计方案。

第一方面，本申请实施例提供了一种围岩时变弱化定量检测与加固预案设计方法，包括以下步骤：

现场获取开挖体在设定观测区域处未淋水时的不同深度的初始围岩强度，通过所述初始围岩强度计算初始围岩平均强度；

在发生淋水现象后的设定时间，现场获取所述设定观测区域处不同深度的淋水围岩强度，并计算淋水围岩平均强度；

比较淋水围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况；

根据变化情况，给出围岩支护形式和/或加固范围的设计方案。根据变化情况，可以确定淋水围岩的弱化程度。在得知围岩弱化程度的基础上给出围岩支护形式和加固范围的设计方案，属于本领域的现有技术。

现场获取开挖体在观测区域处不同深度的初始围岩强度和/或淋水围岩强度包括：在观测区域处进行钻孔，通过获取钻机在钻进过程中反映围岩强度的钻进参数，得到不同深度处对应的围岩强度。通过这种方式，可以避免室内试验中由于取样条件的限制及岩样运输中易受风化等不足所造成的试验数据不准确的弊端。

该方法还包括：确定围岩的塑性区及原岩区的对应区域；计算初始围岩平均强度包括分别计算塑性区和原岩区的初始围岩平均强度；计算淋水围岩平均强度包括分别计算塑性区和原岩区的淋水围岩平均强度；比较淋水围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况，包括分别比较塑性区淋水围岩平均强度相对于塑性区初始围岩平均强度的变化情况、和原岩区淋水围岩平均强度相对于原岩区初始围岩平均强度的变化情况。通过划分塑性区和原岩区，并分别计算塑性区和原岩区的平均围岩弱化水平，可以得到地下水对弱化围岩的影响程度，可以使围岩支护方案的设计更加科学。

确定围岩的塑性区及原岩区的对应区域包括：将围岩按照设定深度进行划分，大于设定深度的区域为原岩区，小于设定深度的区域为塑性区。通过划分塑性区和原岩区，并分别计算塑性区和原岩区的平均围岩弱化水平，可以得到地下水对弱化围岩的影响程度，可以使围岩支护方案的设计更加科学。值得一提的是，对围岩区域的划分还可以包括位于塑性区与原岩区之间的过渡区。此外，塑性区和原岩区的划分方式也可以采用其他的方法，比如按照数值模拟的计算结果对围岩区域进行划分。

塑性区围岩平均强度σ_p通过下式确定：

原岩区围岩平均强度为：

其中，D为钻孔处的围岩深度，R为设定深度，Ds为钻孔深度。通过定义围岩平均强度的上述算法，可以更加科学的获取观测区域处反映塑性区和原岩区围岩受力情况的力学数据。

比较淋水围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况包括：计算反映水对围岩的弱化影响的围岩随时间变化的弱化系数。利用弱化系数，可以定量的反映地下水对围岩的弱化情况。

比较弱化系数与围岩弱化安全系数的大小，确定围岩加固方案。

分别计算塑性区与原岩区的弱化系数，获得塑性区与原岩区的弱化差别率，通过弱化差别率的大小确定相应的支护形式以及加固范围。通过弱化差别率可以进一步揭示淋水状态下围岩的弱化规律。

第二方面，本申请实施例还提供了一种围岩时变弱化定量检测与加固预案设计系统，系统包括：

获取单元，配置用于现场获取开挖体在设定观测区域处不同深度的未淋水时的初始围岩强度和淋水后设定时间的淋水围岩强度；

分析单元，配置用于根据初始围岩强度和淋水围岩强度计算初始围岩平均强度和淋水围岩平均强度，通过比较淋水围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况，给出围岩支护形式和/或加固范围的设计方案。

第三方面，本申请实施例还提供了一种围岩时变弱化定量检测与加固预案设计设备，包括处理器、存储器和显示器；

存储器包含可由处理器执行的指令以使得处理器执行：

获取开挖体在设定观测区域处不同深度的未淋水时的初始围岩强度数据和淋水后设定时间的淋水围岩强度数据；

根据初始围岩强度和淋水围岩强度计算初始围岩平均强度和淋水围岩平均强度；

比较淋水围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况，给出围岩支护形式和/或加固范围的设计方案。

本申请实施例提供的围岩时变弱化定量检测与加固预案设计方案，通过现场获取围岩的初始围岩强度和淋水围岩强度，可以更加快速直接的得到淋水前后围岩的力学指标，所得数据不脱离原始的环境应力、温度等约束条件，能很好的代表岩体本身的强度；通过比较淋水围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况，替代了室内试验对岩石试样进行泡洒水处理来模拟现场岩石淋水状态，可真实反映地下水对围岩的弱化程度，对岩石弱化特性的研究更加准确。此外，避免了钻探法从现场取芯到得出实验报告的时间间隔长的缺点，大大加快了施工进度，节省工程的预算成本。

本申请中所述弱化的概念，意指为当地下硐室围岩在开挖之后，受赋存环境的影响，其本身物理力学参数较开挖之前产生一定强度的降低，称之为弱化。本领域技术人员可以根据工程情况确定具体的所述设定强度，并清楚的理解弱化的含义。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出了本申请实施例一的流程图；

图2是本申请实施例二的σ-t曲线法及相应数据处理示意图；

图3是本申请实施例二的操作及数据处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，而且具体实施的步骤顺序可以根据情况进行调整，不受实施例中具体顺序的限制。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例一

请参考图1，其提供了一种围岩时变弱化定量检测与加固预案设计方法，包括以下步骤：

步骤一：现场获取开挖体在设定观测区域处未淋水时的不同深度的初始围岩强度，包括：在观测区域处进行钻孔，通过获取钻机在钻进过程中反映围岩强度的钻进参数，得到不同深度处对应的围岩强度。通过这种方式，可以避免室内试验中由于取样条件的限制及岩样运输中易受风化等不足所造成的试验数据不准确的弊端。

步骤二：确定围岩的塑性区及原岩区的对应区域：将围岩按照设定深度进行划分，大于设定深度R的区域为原岩区，小于设定深度R的区域为塑性区。

步骤三：通过初始围岩强度计算初始围岩平均强度，包括分别计算塑性区和原岩区的初始围岩平均强度，其中，塑性区围岩平均强度σ_p通过下式确定：

原岩区围岩平均强度σ_r通过下式确定：

其中，D为钻孔处的围岩深度，R为设定深度，Ds为钻孔深度。通过定义围岩平均强度的上述算法，可以更加科学的获取观测区域处反映塑性区和原岩区围岩受力情况的力学数据。

步骤四：在发生淋水现象后的设定时间，现场获取设定观测区域处不同深度的淋水围岩强度，并计算淋水围岩平均强度；

计算淋水围岩平均强度可以包括分别计算塑性区和原岩区的淋水围岩平均强度，计算方法参考步骤三中的相应公式；

步骤五：比较淋水围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况，包括分别比较塑性区淋水围岩平均强度相对于塑性区初始围岩平均强度的变化情况、和原岩区淋水围岩平均强度相对于原岩区初始围岩平均强度的变化情况，具体包括：计算反映水对围岩的弱化影响的围岩随时间变化的弱化系数。

比较弱化系数与围岩弱化安全系数M的大小，确定围岩加固方案，包括：分别计算塑性区与原岩区的弱化系数，获得塑性区与原岩区的弱化差别率，通过弱化差别率的大小确定相应的支护形式以及加固范围。通过弱化差别率可以进一步揭示淋水状态下围岩的弱化规律。

根据弱化系数与围岩弱化安全系数M的大小关系，可以确定淋水围岩的弱化程度。在得知围岩弱化程度的基础上给出围岩支护形式和加固范围的设计方案，属于本领域的现有技术。

值得注意的是，在比较淋水围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的时候，也可以不按照塑性区和原岩区的区域进行划分，比如在计算初始围岩平均强度及淋水围岩平均强度时，可以是对某具体深度的积分，只要在该具体深度范围内的钻进参数都能获得即可。通过比较该初始围岩平均强度和淋水围岩平均强度，同样可以确定淋水围岩的弱化程度。

此外，在比较淋水围岩平均强度和初始围岩平均强度时，其围岩平均强度的计算可以不局限于步骤三中的具体公式，比如也可以是若干个观测点通过上述具体公式计算所得结果的平均值。只要其计算方法能反应平均强度，均在本申请的保护范围之内。

一种围岩时变弱化定量检测与加固预案设计系统，包括：获取单元和主机。其中，获取单元被配置用于现场获取开挖体在设定观测区域处不同深度的未淋水时的初始围岩强度和淋水后设定时间的淋水围岩强度，具体的可以采用数字化围岩强度钻进测定系统作为获取单元；

主机可以是多种电子设备，包括但不限于个人电脑、智能手机、平板电脑等等，其包括分析单元，该分析单元用于根据初始围岩强度和淋水围岩强度计算初始围岩平均强度和淋水围岩平均强度，通过比较淋水围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况，给出围岩支护形式和/或加固范围的设计方案。分析的详细内容参见上述加固设计方法，在此不再赘述。

一种围岩时变弱化定量检测与加固预案设计设备，其包括处理器、存储器和显示器；存储器包含可由处理器执行的指令以使得处理器执行：获取开挖体在设定观测区域处不同深度的未淋水时的初始围岩强度数据和淋水后设定时间的淋水围岩强度数据；根据初始围岩强度和淋水围岩强度计算初始围岩平均强度和淋水围岩平均强度；比较淋水围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况，给出围岩支护形式和/或加固范围的设计方案。其执行任务的详细内容参见上述加固设计方法，在此不再赘述。

实施例二

请参考图2和图3，其示出了一种围岩时变弱化定量检测与加固预案设计方法，包括使用钻机以及数字化围岩强度钻进测定系统，为了消除不同钻机的钻进特性对钻机参数的影响，本发明统一采用全液压冲击回转式钻机，采用高压气体排渣的方式，50—100mm的钻孔直径。

具体步骤如下：

为了实现该目的，本发明采用如下技术方案：

a.首先对硐室围岩进行开挖，在硐室中设立观察点，以便于观察顶板及帮部围岩后续淋涌水状态，并通过对围岩进行勘察及淋水状态进行分析，得到性状大致相同的地段并每隔一定距离选取一个钻探点。

b.选定钻探点之后，由于此时硐室刚刚开挖，硐室尚未开始淋水，立即利用数字化围岩强度钻进测定系统对围岩进行首次钻探试验，数字化围岩强度钻进测定系统可参考专利号“ZL201510154334.9”，并由安装于钻机上的激光测距仪记录下钻进的深度，通过安装在钻头上的钻压传感器、扭矩传感器、转速传感器等测得钻进过程中的轴压力、扭矩、转速、钻进速率以及钻进比功等参数，与已有各参数与岩石强度关系的数据库进行比对得出不同深度的岩层的围岩强度。利用所得数据绘制未淋水时围岩强度σ随深度D变化的曲线，即σ-D曲线法。

c.通过数值模拟以及前期岩石力学试验得到围岩塑性区半径R，将围岩按照深度划分为塑性区及原岩区，根据上一步得到的σ-D曲线，分别绘制塑性区σ-D曲线以及原岩区σ-D曲线，并利用积分中值法定义塑性区围岩平均强度σ_p为

以及原岩区内围岩平均强度σ_r为

则通过上一步未淋水时的σ-D曲线法可得未淋水状态下塑性区平均强度为σ_p0及原岩区围岩平均强度为σ_r0。

d.对第一步中的硐室围岩观察点进行观察，当观察到硐室围岩有淋水现象发生时记录下时间，并将此时的时间记录为0，随后持续对观察点进行观察，并在围岩进入淋水状态t₁，t₂，t₃，…，t_n时间后利用数字化围岩强度钻进测定系统对围岩进行钻探试验，得到t₁，t₂，t₃，…，t_n时间下的σ-D曲线，并利用该曲线通过步骤三中的方法进行计算，分别得到塑性区内围岩平均强度σ_p1，σ_p2，σ_p3，…，σ_pn以及原岩区内围岩平均强度σ_r1，σ_r2，σ_r3，…，σ_rn。

e.通过上述不同淋水时间t_n条件下围岩塑性区平均强度σ_pn与原岩区平均强度σ_rn绘制围岩各部平均强度σ随时间t变化的σ-t曲线，通过σ-t曲线可以直观的反映水对围岩的弱化影响，并可反映水对围岩塑性区与原岩区不同的影响差别，即σ-t曲线法。

f.根据所得到的σ-t曲线，选取围岩进入淋水状态后t_n时间处的塑性区平均强度σ_pn与未淋水时的塑性区平均强度σ_p0进行计算，定义塑性区围岩弱化系数

同理，可定义原岩区围岩弱化系数

该塑性区及原岩区围岩弱化系数能够较好反映围岩在淋水状态下围岩弱化程度随时间的变化关系，通过将该系数与围岩弱化安全系数M进行对比，如弱化系数S_p及S_r大于安全系数M，则围岩处于危险状态需要进行加固处理，反之则继续观察。通过上述系数定义可确定围岩弱化程度，从而有针对性对围岩进行加固处理。

g.根据所得到的σ-t曲线，选取围岩进入淋水状态后tn时间处的塑性区平均强度σ_pn与原岩区平均强度σ_rn与未淋水时的塑性区平均强度σ_p0及原岩区围岩平均强度为σ_r0进行计算，得到塑性区与原岩区弱化差别率Δ为

该塑性区与原岩区弱化差别率计算法可以直观表示出同一围岩位置处塑性区与原岩区在相同淋水状态下不同的弱化特性，通过弱化特性的差别确定相应的支护形式以及加固范围。

h.根据第五步绘制的不同淋水时间下围岩各部强度的σ-t曲线分别建立塑性区及原岩区σ＝f(t)函数，并通过函数运算求得相应的反函数利用该反函数以及塑性区及原岩区达到围岩弱化安全极限时的强度σ_p0(1-M)及σ_r0(1-M)，将上述安全极限强度带入反函数即可求出达到安全极限所需时间，利用该时间可以指导现场施工进度安排，从而确保现场硐室处于安全状态。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.围岩时变弱化定量检测与加固预案设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

现场获取开挖体在设定观测区域处未弱化时的不同深度的初始围岩强度；

通过所述初始围岩强度计算初始围岩平均强度；

在发生弱化现象后的设定时间，现场获取所述设定观测区域处不同深度的弱化围岩强度，并计算弱化围岩平均强度；

比较所述弱化围岩平均强度相对于所述初始围岩平均强度的变化情况；

根据所述变化情况，给出围岩支护形式和/或加固范围的设计方案。

2.根据权利要求1所述的围岩时变弱化定量检测与加固预案设计方法，其特征在于：所述现场获取开挖体在观测区域处不同深度的初始围岩强度和/或弱化围岩强度包括：在所述观测区域处进行钻孔，通过获取钻机在钻进过程中反映围岩强度的钻进参数，得到不同深度处对应的围岩强度。

3.根据权利要求1所述的围岩时变弱化定量检测与加固预案设计方法，其特征在于：该方法还包括：确定围岩的塑性区及原岩区的对应区域；所述计算初始围岩平均强度包括分别计算塑性区和原岩区的初始围岩平均强度；所述计算弱化围岩平均强度包括分别计算塑性区和原岩区的弱化围岩平均强度；所述比较所述弱化围岩平均强度相对于所述初始围岩平均强度的变化情况，包括分别比较所述塑性区弱化围岩平均强度相对于所述塑性区初始围岩平均强度的变化情况和/或所述原岩区弱化围岩平均强度相对于所述原岩区初始围岩平均强度的变化情况。

4.根据权利要求3所述的围岩时变弱化定量检测与加固预案设计方法，其特征在于：所述确定围岩的塑性区及原岩区的对应区域包括：将围岩按照设定深度进行划分，大于所述设定深度的区域为原岩区，小于所述设定深度的区域为塑性区。

5.根据权利要求3所述的围岩时变弱化定量检测与加固预案设计方法，其特征在于：所述塑性区围岩平均强度σ_p通过下式确定：

所述原岩区围岩平均强度为：

其中，D为钻孔处的围岩深度，R为所述设定深度，Ds为钻孔深度。

6.根据权利要求1所述的围岩时变弱化定量检测与加固预案设计方法，其特征在于：所述比较所述弱化围岩平均强度相对于所述初始围岩平均强度的变化情况包括：计算反映水对围岩的弱化影响的围岩随时间变化的弱化系数。

7.根据权利要求6所述的围岩时变弱化定量检测与加固预案设计方法，其特征在于：比较所述弱化系数与围岩弱化安全系数的大小，确定围岩加固方案。

8.根据权利要求7所述的围岩时变弱化定量检测与加固预案设计方法，其特征在于：分别计算塑性区与原岩区的所述弱化系数，获得所述塑性区与原岩区的弱化差别率，通过所述弱化差别率的大小确定相应的支护形式以及加固范围。

9.围岩时变弱化定量检测与加固预案设计系统，其特征在于，所述系统包括：

获取单元，配置用于现场获取开挖体在设定观测区域处不同深度的初始围岩强度和弱化围岩强度；

分析单元，配置用于根据所述初始围岩强度和所述弱化围岩强度计算初始围岩平均强度和弱化围岩平均强度，通过比较所述弱化围岩平均强度相对于所述初始围岩平均强度的变化情况，给出围岩支护形式和/或加固范围的设计方案。

10.围岩时变弱化定量检测与加固预案设计设备，包括处理器、存储器和显示器；其特征在于：

所述存储器包含可由所述处理器执行的指令以使得所述处理器执行：

获取开挖体在设定观测区域处不同深度的未弱化时的初始围岩强度数据和弱化后设定时间的弱化围岩强度数据；

根据所述初始围岩强度和所述弱化围岩强度计算初始围岩平均强度和弱化围岩平均强度；

比较所述弱化围岩平均强度相对于所述初始围岩平均强度的变化情况，给出围岩支护形式和/或加固范围的设计方案。