CN109239779B - 一种隧道围岩松动圈的测试方法及围岩损伤的分级方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧道围岩松动圈的测试方法，属于隧道施工技术领域，包括以下步骤：(1)在隧道横断面上开设有若干个测试孔；(2)每个测试孔的侧壁上开设有若干安装孔，每个安装孔内均设置有速度传感器，每一个速度传感器均与爆破振动信号采集仪电连接；(3)选取上台阶爆破时的爆破能量作为激振源，记录速度传感器记录的速度时程曲线；(4)分析每个测试孔内的速度传感器的速度峰值变化，速度衰减最大的点为围岩损伤的分界点；(5)将每个测试孔的分界点连接起来，得到围岩松动圈的损伤范围；本方法简单易行，直接利用隧道爆破产生的能量作为震源，一次爆破测试多个测试孔和多个振动速度，既得到围岩损伤的范围。

Description

一种隧道围岩松动圈的测试方法及围岩损伤的分级方法
技术领域
本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种隧道围岩松动圈的测试方法及围岩损伤的分级方法，指导隧道控制爆破施工。
背景技术
近年来，随着高速铁路、公路和地下轨道交通工程的发展，隧道工程呈现出逐年增加的趋势。对于岩质隧道施工，采用钻爆法开挖时，隧道爆破产生的冲击波及振动经常会对隧道周边围岩造成损伤。一般以围岩松动圈的大小评价隧道围岩损伤的程度，并根据松动圈的大小进行隧道初期支护结构的设计。因此，准确测量围岩的松动圈具有重要的理论和工程实践指导意义。目前围岩松动圈的常用测试方法如下：
1)声波法。声波法是目前公认的测量围岩松动圈比较成熟的方法，大量的工程实践证明了该方法的可行性。
2)多点位移法。通常应用大量的多点位移计，得到大量的监测数据。通过分析监测数据，也可得到围岩松动圈的厚度范围。
3)地震波法。主要是根据探测围岩纵波波速的差异来判断其松动范围，根据探测方式及原理的不同可分为层析成像法和折射波法。
4)地质雷达法。地质雷达法同样是一种无损测试技术，用仪器从外表面发射高频电磁脉冲波，利用其在围岩内部界面上的反射波来探测裂缝的位置。
5)钻孔摄像方法。靖洪文(《钻孔摄像测试围岩松动圈的机理与实践》)利用全景钻孔数字摄像技术和数字图像处理分析方法研制了全景数字钻孔摄像煤矿巷道围岩松动圈测试系统，利用钻孔摄像技术测试巷道围岩松动圈。
以上测试方法中，工作量较大，周期较长，测量精度不高，仪器贵，操作较复杂，且需要隧道爆破之后再安装仪器或选用新的激振源对隧道进行量测，对围岩损伤量化程度也较低，亟待提出一种新的测试方法，以克服以上方法存在的上述缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种隧道围岩松动圈的测试方法，爆破引起的围岩损伤松动圈的测试方法，指导隧道控制爆破施工，有效的解决了隧道爆破引起围岩损伤的松动圈的测试难题，相比常规方法，该方法原理可靠，工艺简单，简便易行，对于隧道施工行业具有深远的影响。该方法利用隧道爆破产生的能量作为激振源，分别测试隧道爆破地震波在原岩和围岩中的传播速度，通过对比分析爆破地震波的传播速度，得出速度临界点，然后将各个临界点连接起来，就得到爆破围岩松动圈。
本发明所采取的技术方案是一种隧道围岩松动圈的测试方法，包括以下步骤：
(1)在隧道横断面上开设有若干个测试孔，每个测试孔均贯穿围岩层和原岩层；
(2)每个测试孔的侧壁上开设有若干安装孔，每个安装孔内均设置有速度传感器，每一个速度传感器均与爆破振动信号采集仪电连接；
(3)选取上台阶爆破时的爆破能量作为激振源，采用爆破测试仪测试上台阶爆破时掌子面后方围岩内速度传感器的振速，并记录速度时程曲线；
(4)分析每个测试孔内的速度传感器的速度峰值变化，速度衰减最大的点为围岩损伤的分界点，根据分界点所对应的速度传感器所在的位置即可确定围岩的深度；
(5)将每个测试孔的分界点连接起来，得到围岩松动圈的损伤范围。
步骤(4)中速度衰减最大的点即为速度陡降点，因为隧道爆破后，围岩发生损伤，介质破碎，会引起爆破地震波的大幅衰减；反之，围岩为原岩状态，则爆破地震波衰减程度小。
本发明的有益效果为：本方法简单易行，采用速度传感器，直接利用隧道爆破产生的能量作为震源，一次爆破测试多个测试孔和多个振动速度，既可以得到围岩损伤的范围。
本发明该公布了一种隧道围岩损伤的分级方法，利用围岩损伤指数对围岩的损伤进行分级，其中，围岩损伤指数用d损表示，d损＝V围岩/V原岩；
其中：V围岩表示围岩的现场监测点的爆破地震波振速；
V原岩表示原岩的爆破地震波振速。
进一步限定，所述d损大于或等于1时，表示围岩无损伤；所述d损大于或等于0.6且小于1时，表示围岩轻度损伤，定义为I级损伤；所述d损大于或等于0.3且小于0.6时，表示围岩中度损伤，定义为II级损伤；所述d损小于0.3时，表示围岩重度损伤，定义为Ⅲ级损伤。
本发明的有益效果为：根据围岩损伤指数d损可以确定围岩损伤的程度，从而科学指导围岩加固和初期支护设计，具有重要的工程指导意义。
附图说明
图1为实施例1中隧道围岩松动圈测试孔的横断面孔位布置图；
图2为实施例1中测试孔内速度传感器的布置图；
图3为实施例1中围岩损伤松动圈范围图；
图4为实施例1中围岩损伤分级图；
其中：11-松动圈；12-原岩圈；21-II级损伤层；22-I级损伤层；23-无损伤层。
具体实施方式
为使本领域技术人员详细了解本发明的生产工艺和技术效果，下面以具体的生产实例来进一步介绍本发明的应用和技术效果。
实施例1
本实施例涉及的一种隧道围岩松动圈的测试方法，具体实施步骤如下：
(1)如图1所示，在隧道横断面上开设有6个测试孔，编号为A～F，每个测试孔均贯穿围岩层和原岩层，由于一般现有的围岩层的厚度不会超过3米，因此每个测试孔的深度为5米，孔径为10厘米，每个测试孔与掌子面的垂直距离均为6米；
(2)如图2所示，每个测试孔的侧壁上开设有5安装孔，任意相邻两个测试孔之间的距离均为1米，每个安装孔内均设置有速度传感器，分别标号为A1、A2、A3、A4以及A5；每一个速度传感器均通过信号传输线与爆破振动信号采集仪连接，用于采集围岩中的爆破振动信号，采用钻测试孔或安装孔的岩粉对安装有速度传感器的安装孔进行填实压密，保护好传感器和传输线；
(3)选取上台阶爆破时的爆破能量作为激振源，上台阶掏槽孔爆破药量为10kg，总药量80kg，采用爆破测试仪测试上台阶爆破时掌子面后方A～F测试孔内围岩内速度传感器的振速，并记录速度时程曲线，如表1所示；
(4)分析每个测试孔内5个速度传感器的速度峰值变化，速度衰减最大的点为围岩损伤的分界点，即速度陡降点，根据该分界点到隧道洞壁的距离可以确定松动的深度；隧道爆破后，围岩发生损伤，介质破碎，会引起爆破地震波的大幅衰减；反之，围岩为原岩状态，则爆破地震波衰减程度小；
(5)将A～F测试孔的分界点连接起来，得到围岩松动圈的损伤范围，如图3所示，分为松动圈11和原岩圈12；各测试孔的分界点到隧道洞壁距离为该分界点对应的松动圈厚度，分别为A：2m，B：2m，C：3m，D：2m，E：1m，F：2m。
(6)计算围岩损伤指数用d损，d损＝V围岩/V原岩；由于松动圈的厚度不会超过3米，因此取最外侧点的振速值作为原岩的爆破地震波振速，因此本实施例中，V原岩为A5处的振速；根据d损＝V围岩/V原岩，计算得出各个速度传感器所在位置的损伤等级，如表2和图4所示，分为II级损伤层21，I级损伤层22以及无损伤层23，根据表2中的围岩损伤程度用以指导围岩的加固措施和初期支护设计。
表1
Figure BDA0001858299250000041
表2
Figure BDA0001858299250000042
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (1)

1.一种隧道围岩松动圈的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在隧道横断面上开设有若干个测试孔，每个测试孔均贯穿围岩层和原岩层；
(2)每个测试孔的侧壁上开设有若干安装孔，每个安装孔内均设置有速度传感器，每一个速度传感器均与爆破振动信号采集仪电连接；
(3)选取上台阶爆破时的爆破能量作为激振源，采用爆破测试仪测试上台阶爆破时掌子面后方围岩内速度传感器的振速，并记录速度时程曲线；
(4)分析每个测试孔内的速度传感器的速度峰值变化，速度衰减最大的点为围岩损伤的分界点，根据分界点所对应的速度传感器所在的位置即可确定围岩的深度；
(5)将每个测试孔的分界点连接起来，得到围岩松动圈的损伤范围；
利用围岩损伤指数对围岩的损伤进行分级，其中，围岩损伤指数用d损表示，d损＝V围岩/V原岩；
其中：V围岩表示围岩的现场监测点的爆破地震波振速；
V原岩表示原岩的爆破地震波振速；
所述d损大于或等于1时，表示围岩无损伤；所述d损大于或等于0.6且小于1时，表示围岩轻度损伤，定义为I级损伤；所述d损大于或等于0.3且小于0.6时，表示围岩中度损伤，定义为II级损伤；所述d损小于0.3时，表示围岩重度损伤，定义为Ⅲ级损伤。
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