CN108414724B - 地下工程围岩分区弱化快速定量检测方法、系统和设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了地下工程围岩分区弱化快速定量检测方法、系统和设备。方法包括以下步骤：现场获取开挖体在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；根据所述弱化围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况和/或所述弱化围岩平均强度随时间的变化情况，检测围岩的弱化程度。地下工程施工过程中，随硐室开挖，硐室周围岩体产生扰动，形成原岩区围岩和塑性区围岩，且随时间推移，上述围岩会发生一定程度的弱化。通过现场获取围岩强度，可以更加快速直接的得到各区趋于弱化后围岩的力学指标，所得数据不脱离原始的赋存环境、应力场、温度等约束条件，能很好的代表岩体本身的强度。
Description
技术领域
本公开一般涉及地下工程安全技术领域，尤其涉及一种地下工程围岩分区弱化快速定量检测方法、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，预测围岩弱化的程度。
由于使用室内试验需要从现场钻探取芯，之后将岩石试样运输至实验室，并通过对岩石试样进行泡洒水处理以模拟现场岩石受地下水条件影响的状态，通过测试弱化后岩石试样的相关力学参数，获取岩石遇水等条件之后的弱化特性。因此，该方法存在以下缺点：
1、该过程需要经过钻探取芯、运输、以及在室内试验阶段对岩石试样淋水模拟等环节，因此从现场取芯到得出试验报告的时间间隔长，延误工期。
2、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。
3、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。
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受地下水条件影响的状态，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，期望提供一种受地下水条件影响下弱化程度的快速检测体系。
第一方面，本申请实施例提供了一种围岩弱化程度的快速检测方法，包括以下步骤：
现场获取开挖体在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；
根据弱化围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况和/或弱化围岩平均强度随时间的变化情况，检测围岩受地下水条件影响的弱化程度。
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；通过初始围岩强度计算初始围岩平均强度。
获取弱化围岩强度包括获取不同时段下的弱化围岩强度，
计算弱化围岩平均强度包括计算不同时段的弱化围岩平均强度。
根据弱化围岩平均强度随时间的变化情况，检测围岩受地下水条件影响下的弱化程度包括：拟合弱化围岩平均强度随时间变化的对应关系，根据对应关系，检测不同时间下围岩受地下水条件影响下的弱化程度。
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；比较弱化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弱化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、和原岩区弱化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。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。
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σp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。
比较弱化围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况包括：定义弱化系数，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。
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地下水条件影响状态下围岩的弱化规律。
定义塑性区围岩弱化系数：
定义原岩区围岩弱化系数：
对比塑性区围岩弱化系数或原岩区围岩弱化系数与围岩弱化安全系数M的大小，确定围岩所处的危险状态。利用弱化系数，可以定量的反映地下水对围岩的弱化情况。
一种围岩弱化程度的快速检测系统，包括：
获取单元：配置用于现场获取开挖体的设定观测区域处不同深度的弱化围岩强度；
分析单元，配置用于根据弱化围岩强度计算弱化围岩平均强度，根据弱化围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况和/或弱化围岩平均强度随时间的变化情况，检测围岩受地下水条件影响下的弱化程度。
一种围岩弱化程度的快速检测设备，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：
获取开挖体的设定观测区域处不同深度的弱化围岩强度数据；
根据弱化围岩强度数据，计算弱化围岩平均强度，根据弱化围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况和/或弱化围岩平均强度随时间的变化情况，检测围岩受地下水条件影响下的弱化程度。
本申请实施例提供的围岩弱化程度的快速检测方案，通过现场获取弱化围岩强度，可以更加快速直接的得到弱化后围岩的力学指标，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；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受地下水条件的影响状态，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。
本申请某些实施例中，通过比较弱化围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况，可以更加快速直接的得到弱化前后围岩的力学指标。
本申请另一些实施例中，通过现场获取不同时间段的弱化围岩强度，并拟合弱化围岩平均强度随时间变化的对应关系，可以更加快速直接的得到弱化围岩的力学指标随时间的变化情况，更加真实的反映地下水对围岩的弱化程度。该对应关系可以有效预测围岩的最佳支护时间。
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设定强度的降低，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是本申请实施例的σ-t曲线法及相应数据处理示意图；
图2是本申请实施例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和图2，其示出了一种受地下水影响条件下弱化围岩的快速加固设计方法，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弱化时围岩强度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σp为
以及原岩区内围岩平均强度σr为
则通过上一步未弱化时的σ-D曲线法可得未弱化状态下塑性区平均强度为σp0及原岩区围岩平均强度为σr0。
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弱化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，…，tn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，…，tn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σp1，σp2，σp3，…，σpn以及原岩区内围岩平均强度σr1，σr2，σr3，…，σrn。
e.通过上述不同弱化时间tn条件下围岩塑性区平均强度σpn与原岩区平均强度σrn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tn时间处的塑性区平均强度σpn与未弱化时的塑性区平均强度σp0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地下水影响等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Sp及Sr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σpn与原岩区平均强度σrn与未弱化时的塑性区平均强度σp0及原岩区围岩平均强度为σr0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地下水影响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σp0(1-M)及σr0(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。
值得注意的是，在比较弱化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弱化围岩平均强度时，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弱化围岩平均强度，同样可以确定受地下水条件影响下围岩的弱化程度。
同理，在计算围岩平均强度或围岩弱化系数的时候，也可以不按照塑性区和原岩区的区域进行划分，比如在计算弱化围岩平均强度时，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。通过该弱化围岩平均强度，同样可以拟合弱化围岩平均强度随时间变化的对应关系，进而确定受地下水条件影响下围岩的弱化程度。
此外，在比较弱化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。
本申请实施例还提供一种围岩弱化程度的快速检测系统，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的设定观测区域处不同深度的弱化围岩强度，该获取单元具体可以采用数字化围岩强度钻进测定系统。
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，该分析单元被配置用于根据弱化围岩强度计算弱化围岩平均强度，根据弱化围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况和/或弱化围岩平均强度随时间的变化情况，检测围岩受地下水条件影响下的弱化程度。分析的详细内容参见上述方法，在此不再赘述。
本申请实施例还提供一种围岩弱化程度的快速检测设备，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：获取开挖体的设定观测区域处不同深度的弱化围岩强度数据；根据弱化围岩强度数据，计算弱化围岩平均强度，根据弱化围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况和/或弱化围岩平均强度随时间的变化情况，检测围岩受地下水条件影响下的弱化程度。其执行内容的详细内容参见上述方法，在此不再赘述。
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 (9)
1.地下工程围岩分区弱化快速定量检测方法，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不同深度的弱化围岩强度，并计算弱化围岩平均强度；
根据所述弱化围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况和/或所述弱化围岩平均强度随时间的变化情况，检测围岩的弱化程度；
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；所述根据所述弱化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弱化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弱化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。
2.根据权利要求1所述的地下工程围岩分区弱化快速定量检测方法，其特征在于，现场获取开挖体在所述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。
3.根据权利要求1所述的地下工程围岩分区弱化快速定量检测方法，其特征在于，获取所述弱化围岩强度包括获取不同时段下的弱化围岩强度，计算所述弱化围岩平均强度包括计算所述不同时段的弱化围岩平均强度。
4.根据权利要求3所述的地下工程围岩分区弱化快速定量检测方法，其特征在于，所述根据所述弱化围岩平均强度随时间的变化情况，检测围岩的弱化程度包括：拟合弱化围岩平均强度随时间变化的对应关系，根据所述对应关系，检测不同时间下围岩的弱化程度。
5.根据权利要求1所述的地下工程围岩分区弱化快速定量检测方法，其特征在于，所述现场获取开挖体在所述设定观测区域处不同深度的弱化围岩强度包括：在所述设定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。
6.根据权利要求1所述的地下工程围岩分区弱化快速定量检测方法，其特征在于，塑性区围岩平均强度σp通过下式确定：
原岩区围岩平均强度σr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。
7.根据权利要求1所述的地下工程围岩分区弱化快速定量检测方法，其特征在于，所述根据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：定义弱化系数，计算反映水对围岩的弱化影响的围岩随时间变化的所述弱化系数；
其中，定义塑性区围岩弱化系数Sp：
定义原岩区围岩弱化系数Sr：
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，检测围岩受地下水条件影响下的弱化程度；
对比所述塑性区围岩弱化系数或所述原岩区围岩弱化系数与围岩弱化安全系数M的大小，确定围岩所处的危险状态；
其中，
σp0为未弱化状态下塑性区平均强度；
σpn为不同弱化时间tn条件下围岩塑性区平均强度；
σr0为原岩区围岩平均强度；
σrn为不同弱化时间tn条件下原岩区平均强度。
8.根据权利要求1所述的地下工程围岩分区弱化快速定量检测方法的系统，其特征在于，包括：
获取单元：配置用于现场获取开挖体的设定观测区域处不同深度的弱化围岩强度；
分析单元，配置用于根据所述弱化围岩强度计算弱化围岩平均强度，根据所述弱化围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况和/或所述弱化围岩平均强度随时间的变化情况，检测围岩的弱化程度。
9.根据权利要求1所述的地下工程围岩分区弱化快速定量检测方法的设备，其特征在于，包括处理器、存储器和显示器；
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弱化围岩强度数据；
根据所述弱化围岩强度数据，计算弱化围岩平均强度，根据所述弱化围岩平均强度相对于初始围岩平均强度的变化情况和/或所述弱化围岩平均强度随时间的变化情况，检测围岩的弱化程度。
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