CN109357935A - 基于玻纤锚杆微应变分析的破碎软岩隧道松动圈测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道围岩松动圈测试领域，具体是基于玻纤锚杆微应变分析的破碎软岩隧道松动圈测试方法，解决了现有隧道松动圈测试方法过于依赖围岩性质且对于破碎软岩测试精度不高的问题，通过引入带有应变片的玻纤锚杆，测试松动圈发展过程中的玻纤锚杆各点微应变数值变化并绘制相应的微应变沿锚杆轴线分布曲线，即可确定围岩松动圈的精确范围。本发明一方面解决了现有松动圈测试技术在软弱破碎围岩中不适用或难以准确量测的问题，为软弱破碎围岩松动圈的测试提供另一种选择方案；另一方面，本发明所提出的测试技术较其他松动圈测试技术具有操作简便、费用较低及后期数据分析容易的优势，不需专业人员也可依照本发明进行松动圈测试。

Description

基于玻纤锚杆微应变分析的破碎软岩隧道松动圈测试方法

技术领域

本发明涉及隧道围岩松动圈测试领域，特别是在破碎软弱围岩中测试松动圈范围，具体是基于玻纤锚杆微应变分析的破碎软岩隧道松动圈测试方法。

背景技术

围岩松动圈是指隧道开挖后，洞室开挖面的径向应力消失，切向应力急剧增加，围岩应力重分布。若调整后的围岩应力大于岩体强度，围岩将产生变形破坏，从而形成围绕隧道开挖面的一个环状破裂带，称其为围岩松动圈。松动圈支护理论在控制围岩变形及保证围岩稳定方面效果显著，其应用受到诸多学者的青睐，而围岩松动圈测试作为松动圈支护理论的重要组成部分，其准确量测与否关系到松动圈支护理论应用成果的好坏。从松动圈支护理论提出以来，多种松动圈测试技术已被提出并成功应用于工程实践。目前常用的松动圈测试技术有：声波法包括单孔声波测试与双孔声波测试、多点位移计法、地震波法、折射波法、地质雷达法、钻孔摄像法。

声波法、多点位移计法、地震波层析成像法及钻孔摄像法均需要钻孔且需要孔洞保持一段时间不塌孔，其对围岩要求相对较高，对于软弱破碎围岩隧道，成孔相对困难，因此此类松动圈探测方法在软弱破碎围岩隧道中适用性较差，甚至不宜采用。折射波法与地质雷达法无需钻孔，但折射波法要求围岩有明显的松动分界面，地质雷达法要求岩体电性差异明显，即两者均对岩体性质较为依赖，当岩体性质不满足其要求时，松动圈解析将变得十分困难。对于软弱破碎围岩隧道，由于其内部节理裂隙发育，多数情况下隧道围岩并无明显的松动区分界面，岩体间电性差异也并不明显，这使得此类隧道围岩松动圈测试面临挑战。

因此一种不依赖围岩性质且测试精度较高的松动圈测试技术对软弱破碎围岩隧道松动圈测试具有重要意义。基于玻纤锚杆微应变分析的破碎软岩隧道松动圈测试方法。

发明内容

本发明为了解决现有隧道松动圈测试方法过于依赖围岩性质且对于破碎软岩测试精度不高的问题，提供了基于玻纤锚杆微应变分析的破碎软岩隧道松动圈测试方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种基于玻纤锚杆微应变分析的破碎软岩隧道松动圈测试方法，包括如下步骤：

S1.根据地质勘探报告预估破碎软岩隧道所处地层松动圈、塑性区、弹性区的区域范围；

S2.在完成初期支护的隧道内表面进行玻纤锚杆安置孔的打孔作业，玻纤锚杆安置孔的数量为若干个且成孔方向垂直于隧道轮廓线，玻纤锚杆安置孔的孔径应大于玻纤锚杆的直径，玻纤锚杆安置孔的孔深应大于隧道轮廓线至隧道所处地层弹性区的最小直线距离；

S3.选择长度与玻纤锚杆安置孔深度相适应的玻纤锚杆，在其外表面固定多组应变片，应变片连接有导线并与应变仪相连通；

S4.将带有应变片的玻纤锚杆插入玻纤锚杆安置孔中并及时对孔内注浆；

S5.待玻纤锚杆安置孔内所注浆液凝固后，利用应变仪接收各组应变片所获得的应力值进行锚杆微应变数据的采集并将数据导入至计算机；

S6. 对采集到的微应变数据进行数据分析，绘制微应变沿玻纤锚杆轴线的变化曲线，最终根据所得曲线的变化趋势确定围岩松动圈的范围。

玻纤锚杆安置孔利用潜孔钻机进行施工，玻纤锚杆安置孔的深度取值范围为6～12米。

玻纤锚杆上应变片的布设密度及布置方式根据工程测试精度需求所决定，布设密度可为沿玻纤锚杆轴向的等间距布设或不等间距布设。

应变片布设的起始位置应不小于玻纤锚杆端头距隧道净空方向1米。

玻纤锚杆设置在玻纤锚杆安置孔的中部，玻纤锚杆安置孔在注浆前，用封锚剂封堵端头对玻纤锚杆安置孔进行封堵以防止所注浆液流出，注浆压力为0.5～1.0MPa，注浆过程中注浆压力逐级提升。

所注浆液为水泥浆，水泥浆采用单浆液且水泥浆的水灰比为1:1。

数据采集的方式可为连续采集或间隔时间采集，具体采集方式的选择可结合破碎软岩特性及施工现场情况进行灵活确定。

松动圈支护理论将单位体积内因裂缝产生与膨胀所产生的岩石体积增加量定义为“碎胀应变”。松动圈支护理论认为围岩收敛变形由围岩深部的弹塑性变形与松动圈内的碎胀变形构成，且碎胀变形量远大于弹塑性变形，占主导地位。全长粘结性玻纤锚杆具有高强度、低弹性模量的材料性能。在玻纤锚杆上密集布置应变片，从隧道内侧向外垂直于隧道轮廓线施做玻纤锚杆安置孔，并将玻纤锚杆放入玻纤锚杆安置孔内后将孔内进行注浆作业。当隧道松动圈产生碎胀变形时，玻纤锚杆安置孔内水泥浆与围岩间的粘结力将促使处于松动圈中的玻纤锚杆与松动圈岩石发生协调变形。玻纤锚杆微应变的应力值由松动圈区域至弹性区会逐级减小至稳定，通过测试松动圈发展过程中的玻纤锚杆各点微应变数值变化并绘制相应的微应变沿锚杆轴线分布曲线，即可确定围岩松动圈的精确范围。

本发明相比现有技术具有的特定技术特征及有益效果是：

本发明通过设计一种基于玻纤锚杆微应变分析的破碎软岩隧道松动圈测试技术，一方面解决了现有松动圈测试技术在软弱破碎围岩中不适用或难以准确量测的问题，为软弱破碎围岩松动圈的测试提供另一种选择方案；另一方面，本发明所提出的测试技术较其他松动圈测试技术具有操作简便、费用较低及后期数据分析容易的优势，不需专业人员也可依照本发明进行松动圈测试。

附图说明

图1为本发明松动圈测试原理示意图；

图2为本发明玻纤锚杆安装及微应变数据测试示意图；

图3为本发明中玻纤锚杆应变片布置示意图一；

图4为本发明中玻纤锚杆应变片布置示意图二；

图5为本发明玻纤锚杆微应变测试数据分析例图。

图中：1-玻纤锚杆，2-应变片，3-封锚剂封堵端头，4-初期支护，5-应变仪，6-隧道，7-松动圈，8-塑性区，9-弹性区，10-玻纤锚杆安置孔，11-导线。

具体实施方式

参照图1和图2对本发明进行详细阐述， 一种基于玻纤锚杆微应变分析的破碎软岩隧道松动圈测试方法，包括如下步骤：

S1.根据地质勘探报告预估破碎软岩隧道所处地层松动圈7、塑性区8、弹性区9的区域范围；

S2.在完成初期支护4的隧道内表面进行玻纤锚杆安置孔10的打孔作业，玻纤锚杆安置孔10的数量为若干个且成孔方向垂直于隧道轮廓线，玻纤锚杆安置孔10的孔径应大于玻纤锚杆1的直径，玻纤锚杆安置孔10的孔深应大于隧道轮廓线至隧道所处地层弹性区9的最小直线距离；

S3.选择长度与玻纤锚杆安置孔10深度相适应的玻纤锚杆1，在其外表面固定多组应变片2，应变片2连接有导线11并与应变仪5相连通；

S4.将带有应变片2的玻纤锚杆1插入玻纤锚杆安置孔10中并及时对孔内注浆；及时注浆能够有效防止塌孔现象并保证隧道围岩的结构稳定。

S5.待玻纤锚杆安置孔10内所注浆液凝固后，利用应变仪5接收各组应变片2所获得的应力值进行锚杆微应变数据的采集并将数据导入至计算机；

S6. 对采集到的微应变数据进行数据分析，绘制微应变沿玻纤锚杆1轴线的变化曲线，最终根据所得曲线的变化趋势确定围岩松动圈7的范围。数据采集的方式可为连续采集或间隔时间采集，具体采集方式的选择可结合破碎软岩特性及施工现场情况进行灵活确定。

由图3和图4可知，玻纤锚杆1上应变片2的布设密度及布置方式根据工程测试精度需求所决定，布设密度可为沿玻纤锚杆1轴向的等间距布设或不等间距布设。

其中，玻纤锚杆安置孔10利用潜孔钻机进行施工，玻纤锚杆安置孔10的深度取值范围为6～12米。应变片2布设的起始位置应不小于玻纤锚杆1端头距隧道净空方向1米。玻纤锚杆1设置在玻纤锚杆安置孔10的中部，玻纤锚杆安置孔10在注浆前，用封锚剂封堵端头3对玻纤锚杆安置孔10进行封堵以防止所注浆液流出，注浆压力为0.5～1.0MPa，注浆过程中注浆压力逐级提升。所注浆液为水泥浆，水泥浆采用单浆液且水泥浆的水灰比为1:1。

以下结合附图2、附图3和附图5，通过实施例对本发明的特征及相关参数做进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解。

本发明选用的全长粘结性玻纤锚杆1的物理力学参数为：内径14mm，外径25mm，横截面积为337mm²，弹性模量为40MPa,抗拉强度为300 MPa，抗剪强度为75 MPa。测试所用玻纤锚1的长度为9m，应变片2距隧道6净空方向玻纤锚杆1端头的距离为1m，应变片2自玻纤锚杆1的1m位置开始进行等间距布置，间距为0.8m，共布置应变片2的数量为10个。

进一步的，采用潜孔钻机在拱肩位置垂直于隧道6轮廓线进行玻纤锚杆安置孔10的施打工作，孔深为9m。打孔完成后，立即将预先处理好的玻纤锚杆1放入玻纤锚杆安置孔10中，用封锚剂封堵端头3将玻纤锚杆安置孔10封堵，用以保证后续注浆过程中浆液不流出。通过玻纤锚杆1向孔中注入水灰比为1:1的水泥单液浆，注浆压力为0.5～1.0MPa，注浆过程中保证玻纤锚杆1始终位于玻纤锚杆安置孔10的轴心位置。其中，封锚剂封堵端头3是利用封锚砂浆做封锚剂，将玻纤锚杆安置孔10的端部先行进行一定长度的注浆封堵，封堵过程中需留有排气孔，待其硬化成型后用于提供后续注浆的封堵装置。此外需保证应变片2通过导线11与应变仪5相通，应变仪5采用TST3822EN型静态电阻应变仪。

进一步的，从注浆完成后的第二天，利用应变仪5进行微应变数据采集，以后每隔一天采集一次数据，所采集的数据实时传输至计算机。

进一步的，利用计算机所收集的应力值绘制不同时间内的玻纤锚杆1各测点微应变沿锚杆轴线的变化曲线并分析。如图5所示，隧道6的初期支护4施作完成后，围岩整体向隧道6净空方向收敛，随着时间的推移，距隧道6净空方向一定深度处围岩形成承载拱，围岩松动圈7与承载拱分离且继续向内侧发生收敛变形。一段时间后，靠近隧道6一侧的表层松动圈7围岩在围岩的碎胀变形压力及初期支护4的支护抗力作用下逐渐被挤压密实，自端头至2m长度以内的测点在后期表现出受压趋势，玻纤锚杆微应变值自2.6m处测点开始逐渐减小并在6.6m测点处稳定，据此可判断6.6m处测点位置应位于围岩弹塑性区内。考虑处于松动圈7至弹塑性区过渡带的玻纤锚杆1虽然已位于弹塑性区，但是由于玻纤锚杆1为一个连续的整体，应变会在过渡带向弹塑性区一侧传递，实际松动圈位置应更靠近隧道6净空一侧，故将此隧道松动圈范围定为6m最为合理。

上述实施例中为单根玻纤锚杆1的情况，即对一根玻纤锚杆1上的应变片2绘制微应变沿玻纤锚杆1轴线的变化曲线，从而得出破碎软岩隧道松动圈7的范围。

若采用玻纤锚杆安置孔10和玻纤锚杆1的组合为多组时，可对各组玻纤锚杆1的应变片2分别绘制相应微应变沿玻纤锚杆1轴线的变化曲线，然后进行相互比对和验证，从而得出破碎软岩隧道松动圈7的真实范围。比对和验证的原则为多组曲线在相同或相似的区间段内均趋于稳定，才可进行隧道松动圈7范围的最终判断。

通过本发明所述的基于玻纤锚杆微应变分析的破碎软岩隧道松动圈测试方法，可有效解决现有松动圈测试技术在软弱破碎围岩中不适用或难以准确量测的问题。

Claims (7)

1.一种基于玻纤锚杆微应变分析的破碎软岩隧道松动圈测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.根据地质勘探报告预估破碎软岩隧道所处地层松动圈（7）、塑性区（8）、弹性区（9）的区域范围；

S2.在完成初期支护（4）的隧道内表面进行玻纤锚杆安置孔（10）的打孔作业，玻纤锚杆安置孔（10）的数量为若干个且成孔方向垂直于隧道轮廓线，玻纤锚杆安置孔（10）的孔径应大于玻纤锚杆（1）的直径，玻纤锚杆安置孔（10）的孔深应大于隧道轮廓线至隧道所处地层弹性区（9）的最小直线距离；

S3.选择长度与玻纤锚杆安置孔（10）深度相适应的玻纤锚杆（1），在其外表面固定多组应变片（2），应变片（2）连接有导线（11）并与应变仪（5）相连通；

S4.将带有应变片（2）的玻纤锚杆（1）插入玻纤锚杆安置孔（10）中并及时对孔内注浆；

S5.待玻纤锚杆安置孔（10）内所注浆液凝固后，利用应变仪（5）接收各组应变片（2）所获得的应力值进行锚杆微应变数据的采集并将数据导入至计算机；

S6. 对采集到的微应变数据进行数据分析，绘制微应变沿玻纤锚杆（1）轴线的变化曲线，最终根据所得曲线的变化趋势确定围岩松动圈（7）的范围。

2.根据权利要求1所述的基于玻纤锚杆微应变分析的破碎软岩隧道松动圈测试方法，其特征在于，玻纤锚杆安置孔（10）利用潜孔钻机进行施工，玻纤锚杆安置孔（10）的深度取值范围为6～12米。

3.根据权利要求2所述的基于玻纤锚杆微应变分析的破碎软岩隧道松动圈测试方法，其特征在于，玻纤锚杆（1）上应变片（2）的布设密度及布置方式根据工程测试精度需求所决定，布设密度可为沿玻纤锚杆（1）轴向的等间距布设或不等间距布设。

4.根据权利要求3所述的基于玻纤锚杆微应变分析的破碎软岩隧道松动圈测试方法，其特征在于，应变片（2）布设的起始位置应不小于玻纤锚杆（1）端头距隧道净空方向1米。

5.根据权利要求4所述的基于玻纤锚杆微应变分析的破碎软岩隧道松动圈测试方法，其特征在于，玻纤锚杆（1）设置在玻纤锚杆安置孔（10）的中部，玻纤锚杆安置孔（10）在注浆前，用封锚剂封堵端头（3）对玻纤锚杆安置孔（10）进行封堵以防止所注浆液流出，注浆压力为0.5～1.0MPa，注浆过程中注浆压力逐级提升。

6.根据权利要求5所述的基于玻纤锚杆微应变分析的破碎软岩隧道松动圈测试方法，其特征在于，所注浆液为水泥浆，水泥浆采用单浆液且水泥浆的水灰比为1:1。

7.根据权利要求1～6中所述的任意一项基于玻纤锚杆微应变分析的破碎软岩隧道松动圈测试方法，其特征在于，数据采集的方式可为连续采集或间隔时间采集，具体采集方式的选择可结合破碎软岩特性及施工现场情况进行灵活确定。