CN110118105B - 一种基于电磁辐射原理的隧道初期支护稳定性判别与预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁辐射原理的隧道初期支护稳定性判别与预测方法，包括以下步骤：S1：对初期支护可能失稳破坏的危险区段（包括初期支护未成环段和已成环段），以一定间距循环间隔设置监测断面，并在监测断面上的代表性位置布置电磁辐射监测点；S2：在各监测点处的隧道初期支护表面，采用便携式电磁辐射监测仪监测不同时段的电磁辐射强度，并在各监测点同步进行常规隧道变形监测。本发明的监测方法无需预埋任何设备，现场测试简便，对施工基本无干扰，可进行大范围测试，适宜复杂地质条件下隧道工程中大范围采用；监测结果可反映围岩压力的相对大小、变化趋势和初期支护变形、破坏的关键部分，可满足初期支护稳定性分析、评判的基本需要。

Description

一种基于电磁辐射原理的隧道初期支护稳定性判别与预测 方法

技术领域

本发明涉及隧道与地下工程技术领域，具体为一种基于电磁辐射原理的隧道初期支护稳定性判别与预测方法。

背景技术

隧道施工过程中，初期支护屈服、失稳破坏是由隧道开挖引起的围岩变形挤压支护结构造成的。处于稳定状态的初期支护变形速率比较缓慢，发生局部屈服或失稳后，变形速率会逐步增加，且增速越来越快，最终因局部失稳导致初期支护整体失稳或区段性破坏。初期支护失稳将直接威胁施工人员和机具的安全，影响施工进度，造成资源浪费。因此，采用适宜的方法，监测初期支护局部屈服或失稳出现的位置和时机，并据以评判初期支护的稳定性及稳定程度，为初期支护局部补强、加固或危险区域预警提供依据，避免初期支护局部屈服、失稳诱发整体失稳或区域性失稳具有重要意义。然而，目前，还没有哪一种方法能够较为准确地在初期支护失稳和破坏前对其稳定性、稳定程度进行监测和评判。

国内外专门针对隧道施工过程中，初期支护稳定性监测评判的方法研究很少。申请号CN201220438699.6和CN201220596417.5的实用新型，提出了在隧道二次衬砌完成区段的相对稳定位置，通过设置全断面激光扫描仪对隧道断面变形进行实时扫描，实时监测隧道变形，据以评判初期支护稳定性的方法。这种方法建立在初期支护已发生较大变形的基础上，且全断面激光扫描仪价格昂贵，现场测试容易受到施工车辆、机具的遮挡和干扰，可用于隧道施工期间初期支护稳定性和变形的验证，但不便于指导施工。目前，施工阶段隧道初期支护稳定性的判断，主要根据施工期间监控量测得到的初期支护变形（如常规的拱顶下沉、边墙收敛等）或肉眼观察。然而，这类通过“结果”进行判别的方法都具有相对滞后性，不利于事件的提前处理和预防。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电磁辐射原理的隧道初期支护稳定性判别与预测方法，以解决上述背景技术中提到的不能准确地在初期支护失稳和破坏前对其稳定性、稳定程度进行监测和评判，且现有的评判方法价格昂贵，操作复杂且不便于现场大范围采用的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于电磁辐射原理的隧道初期支护稳定性判别与预测方法，包括以下步骤：

S1：对初期支护可能失稳破坏的危险区段（包括初期支护未成环段和已成环段），以一定间距循环间隔设置监测断面，并在监测断面上的代表性位置布置电磁辐射监测点；

S2：在各监测点处的隧道初期支护表面，采用便携式电磁辐射监测仪监测不同时段的电磁辐射强度，并在各监测点同步进行常规隧道变形监测（常规方法进行拱顶下沉、边墙收敛监测）；

S3：根据监测结果，从时间和空间两个维度判别初期支护的稳定状态；

S4：当初期支护处于稳定状态时，根据电磁辐射监测结果，以“先找关键部位、后求比值”的方式评判初期支护的稳定程度；

S5：此类隧道初期支护发生失稳破坏区段现场监测的基础上，通过初期支护稳定状态的判别结果与实际结果的对比分析，提高所处稳定状态判断准确性；通过监测值与初期支护局部屈服、失稳实际发生情况的对比分析，得出基于电磁辐射监测的初期支护局部屈服、失稳基准值，并进行不断修正和完善；

S6：通过重复执行上述步骤S1~S5，达到提高初期支护稳定状态、稳定程度判别的准确性。

优选的，S1中，监测断面间距一般设置为5m，电磁辐射监测点一般布置在拱顶、拱腰、边墙和底板处。

优选的，S2中，通过便携式电磁辐射监测仪对监测点进行电磁辐射监测；为保证监测结果准确性，每个监测点的监测时长相同、且不少于为2 min；其中，监测时段是指从初期支护施作到监测作业进行时的时间差，一般以“天”计。

优选的，S3中，时间和空间两个维度判别方法如下：

（1）时间维度：对比分析隧道施工过程中初期支护同一断面、同一部位前后连续两个监测时段的监测结果，若初期支护变形量和电磁辐射强度均逐渐增加，则初期支护处于稳定状态；若初期支护变形量增加而电磁辐射强度持平或减小，则说明初期支护的监测点及其附近部位已发生局部屈服或失稳。

（2）空间维度：在地质条件相似、初期支护相同的隧道监测区段，初期支护所受围岩挤压应力及其变形在空间上应具有连续性，若初期支护不同监测断面的同一监测部位，在同一监测时段的电磁辐射强度变化趋势与初期支护变形的变化趋势基本相同，则初期支护处于稳定；若出现电磁辐射强度减小，而初期支护收敛变形增大的断面，则说明此断面初期支护已发生局部失稳或屈服。

优选的，S4中，评判初期支护的稳定程度方法为：根据监测结果，分析隧道各监测断面上同一监测时段、不同监测位置的电磁辐射强度分布规律，得出此监测时段各断面上初期支护与围岩间挤压应力的分布规律，找出各断面上最可能出现初期支护失稳破坏的关键部位，将该部位监测结果与此类初期支护对应部位的局部屈服、失稳基准值进行对比，据以判断该部位的稳定程度、预测初期支护的稳定性。

优选的，S5中，初期支护稳定程度评判方法是：

（1）根据前期监测结果，将初期支护各关键部位处于局部屈服、失稳临界状态对应的电磁辐射强度设定为各部位局部屈服、失稳的基准值Er（一般取过渡到失稳状态前的最后一次监测结果，且随监测进行不断修正和完善）；

（2）在后续监测中，将各部位电磁辐射强度监测结果E与对应基准值对比，来评判初期支护的稳定程度。稳定程度用稳定系数D评价，稳定系数定义为：

，通过稳定系数将稳定程度分为很稳定（0 ≤D＜0.5）、稳定（0.5 ≤D＜0.8）、基本稳定（0.8 ≤D＜ 0.9）和临界稳定（D≥0.9）四级。

优选的，监测过程中，应根据监测出的电磁辐射强度、初期支护变形速率和初期支护失稳破坏的实际发生情况，对监测断面及测点布置和监测间隔时长进行调整；在预测基准值确定后，仅需对存在局部屈服或失稳可能性的区段和部位进行监测即可。

优选的，监测过程中，因不同初期支护抵抗围岩挤压应力的能力不同，所以随着围岩情况和初期支护的改变，初期支护对应部位的局部屈服或失稳破坏基准值应随之进行调整。

本发明提供了一种基于电磁辐射原理的隧道初期支护稳定性判别与预测方法，具备以下有益效果：

（1）本发明监测方法具有无需预埋任何设备，现场测试简便，对施工基本无干扰，可进行大范围测试的优点，能很好地适应复杂地质条件下围岩及地质条件多变的特点；监测结果可反映围岩压力的相对大小、变化趋势和初期支护变形、破坏的关键部分，可满足初期支护稳定性分析、评判的基本需要，很好地解决了传统的、基于围岩压力监测的初期支护稳定性评判方法在隧道工程实际中难以大量使用的问题，能够更早地发现初期支护局部屈服或不稳定的部位，评判初期支护稳定性及其稳定程度，从而更加有效地指导施工。

（2）本发明综合考虑了初期支护变形、破坏发展过程中，围岩与初期支护间挤压应力（围岩压力）的发展、变化以及初期支护变形的变化，提高了初期支护稳定性预报的准确性。

附图说明

图1为本发明基于电磁辐射原理的隧道初期支护稳定性监测评判流程图；

图2为本发明仰拱回填前全断面监测时电磁辐射监测点布置图；

图3为本发明仰拱回填后全断面监测时电磁辐射监测点布置图。

图中：1、拱顶；2、左拱腰；3、右拱腰；4、左边墙；5、右边墙；6、左拱脚；7、右拱脚；8、仰拱中部；9、底板中部。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1：

对初期支护可能失稳破坏的危险区段（包括初期支护未成环段和已成环段），以一定间距循环间隔设置监测断面，监测断面间距一般设置为5m，并在监测断面上的代表性位置布置电磁辐射监测点如图2和图3所示，其中仰拱回填前，电磁辐射监测点一般布置在拱顶1、左拱腰2、右拱腰3、左边墙4、右边墙5、左拱脚6、右边脚7和仰拱中部8；仰拱回填后，电磁辐射监测点一般布置在拱顶1、左拱腰2、右拱腰3、左边墙4、右边墙5、左拱脚6、右边脚7和底板中部9；在各监测点处的隧道初期支护表面，采用便携式电磁辐射监测仪监测不同时段的电磁辐射强度，并在各监测点同步进行常规隧道变形监测（常规方法进行拱顶下沉、边墙收敛监测）；根据监测结果，从时间和空间两个维度判别初期支护的稳定状态，时间维度：对比分析隧道施工过程中初期支护同一断面、同一部位前后连续两个监测时段的监测结果，若初期支护变形量和电磁辐射强度均逐渐增加，则初期支护处于稳定状态；若初期支护变形量增加而电磁辐射强度持平或减小，则说明初期支护的监测点及其附近部位已发生局部屈服或失稳；空间维度：在地质条件相似、初期支护相同的隧道监测区段，初期支护所受围岩挤压应力及其变形在空间上应具有连续性，若初期支护不同监测断面的同一监测部位，在同一监测时段的电磁辐射强度变化趋势与初期支护变形的变化趋势基本相同，则初期支护处于稳定；若出现电磁辐射强度减小，而初期支护收敛变形增大的断面，则说明此断面初期支护已发生局部失稳或屈服；当初期支护处于稳定状态时，根据电磁辐射监测结果，以“先找关键部位、后求比值”的方式评判初期支护的稳定程度，根据监测结果，分析隧道各监测断面上同一监测时段、不同监测位置的电磁辐射强度分布规律，得出此监测时段各断面上初期支护与围岩间挤压应力的分布规律，找出各断面上最可能出现初期支护失稳破坏的关键部位，将该部位监测结果与此类初期支护对应部位的局部屈服、失稳基准值进行对比，据以判断该部位的稳定程度、预测初期支护的稳定性；此类隧道初期支护发生失稳破坏区段现场监测的基础上，通过初期支护稳定状态的判别结果与实际结果的对比分析，提高所处稳定状态判断准确性；通过监测值与初期支护局部屈服、失稳实际发生情况的对比分析，得出基于电磁辐射监测的初期支护局部屈服、失稳基准值，并进行不断修正和完善，其中初期支护稳定程度评判方法是：根据前期监测结果，将初期支护各关键部位处于局部屈服、失稳临界状态对应的电磁辐射强度设定为各部位局部屈服、失稳的基准值Er（一般取过渡到失稳状态前的最后一次监测结果，且随监测进行不断修正和完善）；在后续监测中，将各部位电磁辐射强度监测结果E与对应基准值对比，来评判初期支护的稳定程度。稳定程度用稳定系数D评价，稳定系数定义为：

，通过稳定系数将稳定程度分为很稳定（0 ≤D＜0.5）、稳定（0.5 ≤D＜0.8）、基本稳定（0.8 ≤D＜ 0.9）和临界稳定（D≥0.9）四级；最后通过重复执行上述步骤，达到提高初期支护稳定状态、稳定程度判别的准确性。

国内外的研究表明：岩体和混凝土受载变形、破裂过程中会向外释放电磁辐射，电磁辐射强度与岩体、混凝土的受载程度呈正相关关系；即，岩体、混凝土所受荷载越大，电磁辐射强度越强，反之亦然。围岩和初期支护混凝土在变形、破裂过程中产生的电磁辐射信号可采用便携式电磁辐射监测仪进行监测。

隧道开挖、初期支护施作后，随着围岩变形，围岩与初期支护间互相挤压，这相当于初期支护与围岩间相互加载，在此过程中，围岩和初期支护混凝土均会发生一定程度的变形、破裂。围岩与初期支护间挤压应力增大的过程，实质上也是围岩和初期支护混凝土变形、破裂逐渐扩展和损伤演化的过程，必然向外辐射电磁波。由于电磁辐射强度与岩体、混凝土的受载程度呈正相关关系，因此，可用便携式电磁辐射监测仪进行初期支护与围岩间挤压应力相对大小的监测。然而，仅靠电磁辐射监测结果并不能直接判断初期支护所处的稳定状态。这主要是因为：（1）电磁辐射监测结果反映的是围岩和初期支护间挤压应力（围岩压力）的相对大小；（2）初期支护施作后，它与围岩间的挤压应力（围岩压力）并非一直增长，而是随着施工过程的推进处于动态变化之中。因此，电磁辐射监测还需结合其它参数才能准确判断隧道初期支护的稳定程度。

对处于稳定状态的初期支护而言，它的变形是由于初期支护受到围岩的挤压作用（围岩压力）而产生的，初期支护变形随围岩压力的增大而增大；若初期支护处于局部屈服或整体失稳状态，那么，它的变形将以局部屈服变形或失稳变形为主，这时，初期支护与围岩间的挤压力（围岩压力）反而会随初期支护变形的增加而减小或维持不变。因此，初期支护与围岩间挤压应力的变化趋势与初期支护变形变化趋势间的相互关系是准确判断隧道初期支护稳定程度的关键。为此，本发明综合考虑了电磁辐射监测得出的初期支护所受围岩挤压应力的相对大小及其变化趋势，以及隧道施工中常规监控量测得出的初期支护变形，从时间和空间两个维度评判初期支护的稳定程度是可行的。

处于稳定状态的初期支护所受围岩挤压应力的相对大小，是评判其稳定程度的重要指标。初期支护所受挤压应力（围岩压力）越接近其局部屈服或失稳的临界值，初期支护稳定程度越低，反之，则稳定程度越高。所以，本发明根据便携式电磁辐射仪监测得出的初期支护所受围岩挤压应力的相对大小，以“先找关键部位、后求比值”的方式来评判初期支护的稳定程度也是可行的。

通过上述分析可看出，本发明基于岩石和混凝土在受载、变形过程中会向外释放电磁辐射，且电磁辐射强度与岩体、混凝土受载程度呈正相关关系的特性（即，载荷越大，电磁辐射强度越高，反之亦然），采用便携式电磁辐射仪监测初期支护与围岩间因相互挤压受载而产生的电磁辐射强度，以此来间接反应初期支护与围岩间挤压应力的相对大小；通过分析电磁辐射强度与初期支护变形的变化趋势，来判断初期支护的稳定状态是可行的。在初期支护稳定时，通过分析隧道各监测断面，同一监测时段、不同监测位置的电磁辐射强度分布规律，判断各断面上最可能出现初期支护失稳破坏的关键部位，将该部位监测结果与此类初期支护对应部位的局部屈服、失稳基准值进行对比，评判初期支护稳定程度是切实可行的。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于电磁辐射原理的隧道初期支护稳定性判别与预测方法，其特征在于,包括以下步骤：

S1：对初期支护可能失稳破坏的危险区段，以一定间距循环间隔设置监测断面，并在监测断面上的代表性位置布置电磁辐射监测点；

S2：在各监测点处的隧道初期支护表面，采用便携式电磁辐射监测仪监测不同时段的电磁辐射强度，并在各监测点同步进行常规隧道变形监测；

S3：根据监测结果，从时间和空间两个维度判别初期支护的稳定状态；

S4：当初期支护处于稳定状态时，根据电磁辐射监测结果，以“先找关键部位、后求比值”的方式评判初期支护的稳定程度；

S5：在此类隧道初期支护发生失稳破坏区段现场监测的基础上，通过初期支护稳定状态的判别结果与实际结果的对比分析，提高所处稳定状态判断准确性；通过监测值与初期支护局部屈服、失稳实际发生情况的对比分析，得出基于电磁辐射监测的支护局部屈服、失稳基准值，并进行不断修正和完善；

S6：通过重复执行上述步骤S1~S5，达到提高初期支护稳定状态、稳定程度判别的准确性。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁辐射原理的隧道初期支护稳定性判别与预测方法，其特征在于：S1中，监测断面间距设置为5m，电磁辐射监测点布置在拱顶、拱腰、边墙和底板处。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁辐射原理的隧道初期支护稳定性判别与预测方法，其特征在于：所述步骤S2中，通过便携式电磁辐射监测仪对监测点进行电磁辐射监测；为保证监测结果准确性，每个监测点的监测时长相同、且不少于2min；其中，监测时段是指从初期支护施作到监测作业进行时的时间差，以“天”计。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁辐射原理的隧道初期支护稳定性判别与预测方法，其特征在于：S3中，时间和空间两个维度判别方法如下：

（1）时间维度：对比分析隧道施工过程中初期支护同一断面、同一部位前后连续两个监测时段的监测结果，若初期支护变形量和电磁辐射强度均逐渐增加，则初期支护处于稳定状态；若初期支护变形量增加而电磁辐射强度持平或减小，则说明初期支护的监测点及其附近部位已发生局部屈服或失稳；

（2）空间维度：在地质条件相似、初期支护相同的隧道监测区段，初期支护所受围岩挤压应力及其变形在空间上应具有连续性，若初期支护不同监测断面的同一监测部位，在同一监测时段的电磁辐射强度变化趋势与初期支护变形的变化趋势基本相同，则初期支护处于稳定；若出现电磁辐射强度减小，而初期支护收敛变形增大的断面，则说明此断面初期支护已发生局部失稳或屈服。

5.根据权利要求1所述的一种基于电磁辐射原理的隧道初期支护稳定性判别与预测方法，其特征在于：S4中，评判初期支护的稳定程度方法为：根据监测结果，分析隧道各监测断面上同一监测时段、不同监测位置的电磁辐射强度分布规律，得出此监测时段各断面上初期支护与围岩间挤压应力的分布规律，找出各断面上最可能出现初期支护失稳破坏的关键部位，将该部位监测结果与此类初期支护对应部位的局部屈服、失稳基准值进行对比，据以判断该部位的稳定程度、预测初期支护的稳定性。

6.根据权利要求1所述的一种基于电磁辐射原理的隧道初期支护稳定性判别与预测方法，其特征在于：S5中，初期支护稳定程度评判方法是：

（1）根据前期监测结果，将初期支护各关键部位处于局部屈服、失稳临界状态对应的电磁辐射强度设定为各部位局部屈服、失稳的基准值Er；

（2）在后续监测中，将各部位电磁辐射强度监测结果E与对应基准值对比，来评判初期支护的稳定程度；

稳定程度用稳定系数D评价，稳定系数定义为：通过稳定系数将稳定程度分为很稳定、稳定、基本稳定和临界稳定四级。

7.根据权利要求1所述的一种基于电磁辐射原理的隧道初期支护稳定性判别与预测方法，其特征在于：监测过程中，应根据监测出的电磁辐射强度、初期支护变形和初期支护失稳破坏的实际发生情况，对监测断面及测点布置和监测间隔时长进行调整；在预测基准值确定后，仅需对存在局部屈服或失稳可能性的区段和部位进行监测即可。

8.根据权利要求1所述的一种基于电磁辐射原理的隧道初期支护稳定性判别与预测方法，其特征在于：监测过程中，因不同初期支护抵抗围岩挤压的能力不同，所以随着围岩情况和初期支护的改变，初期支护对应部位的局部屈服或失稳破坏基准值应随之进行调整。

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