CN110276102B - 基于岩体节理特征和爆破振动效应修正围岩压力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于岩体节理特征和爆破振动效应修正围岩压力的方法，主要解决现有围岩压力测试未考虑节理特征与爆破效应的影响的技术问题。本发明实现步骤如下：（1）基于现场地质素描获取隧道岩体节理产状；（2）利用统计分析获取优势节理产状特征；（3）基于现场爆破参数建立数值模型，获取爆破振动应力波；（4）基于优势节理特征建立离散元计算模型，施加爆破振动应力波，进行隧道开挖，确定围岩松动圈范围；（5）按照设计围岩压力确定松动圈范围，计算修正系数，修正围岩压力。本发明综合考虑岩体节理特征和爆破振动效应对隧道围岩的影响，对隧道支护结构设计提供支持。

Description

基于岩体节理特征和爆破振动效应修正围岩压力的方法
技术领域
本发明涉及隧道围岩压力测试技术领域，特别是涉及一种基于岩体节理特征和爆破振动效应修正围岩压力的方法。
背景技术
围岩压力是隧道支护结构承受的主要荷载，也是隧道支护结构的设计的主要依据。目前隧道围岩压力的主要计算方法包括太沙基极限平衡法、土柱理论、普氏平衡拱理论、深浅埋法等。
专利CN106383945A公开了一种隧道及地下空间深、浅埋垂直围岩压力计算方法。根据围岩地质情况及所处围岩分级，确定物理参数，计算洞室垂直地压。
专利CN106682330A公开了一种深埋硐室围岩压力的计算方法。通过构建破坏机制，建立许可的位移场，获得最优上限解，即围岩压力上限值。
由于岩体内部广泛分布着节理裂隙，且隧道开挖过程中爆破振动使得节理裂隙出现一定的扩展，对围岩压力产生一定的影响，而上述计算方法均未考虑节理特征与爆破效应的影响。因此，综合考虑岩体节理特征和爆破振动效应对隧道围岩的影响，修正围岩压力，对隧道支护结构设计及施工安全具有重要的意义。
发明内容
鉴于现有技术的缺陷，本发明提供一种基于岩体节理特征和爆破振动效应修正围岩压力的方法，包括以下步骤：
（1）基于现场地质素描获取隧道岩体节理产状；
（2）利用统计分析获取优势节理产状特征；
（3）基于现场爆破参数建立数值模型，获取爆破振动应力波；
（4）基于优势节理特征建立离散元计算模型，施加爆破振动应力波，进行隧道开挖，确定围岩松动圈范围；
（5）按照设计围岩压力确定松动圈范围，计算修正系数，修正围岩压力。
进一步，步骤（1）所述隧道岩体节理产状主要包括倾角、倾向、迹长、间距、填充物、填充厚度、张开位移、粗糙度等，且每个掌子面节理统计数量不应低于30组。
进一步，步骤（2）所述统计分析，按照以下步骤分析：
a. 根据倾向、倾角做极值等值线图；
b. 根据图中极点分布密度，按照倾向将节理产状分组；
c. 对每组节理产状各参数做频率直方图，利用概率分布模型拟合，确定各组优势节理产状特征。其中，概率分布模型主要包括均匀分布、负指数分布、正态分布、对数正态分布。
进一步，步骤（3）所述爆破数值模型应根据工程现场实际爆破参数建立，炸药爆炸后压力可按公式（1）计算，空气压力可按公式（2）计算。模型边界条件应设置为无反射边界条件，以减小反射波与入射波的相互叠加带来的误差。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中，
Figure 528799DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 195797DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 200662DEST_PATH_IMAGE006
为状态方程系数，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
为初始内力，
Figure 513963DEST_PATH_IMAGE008
为初始体积。
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
（2）
式中，
Figure 246164DEST_PATH_IMAGE010
~
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为气体性质相关常数，
Figure 781051DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 769866DEST_PATH_IMAGE014
分别为空气的初始密度、密度。
进一步，步骤（4）所述离散元计算模型建立方法，按照以下步骤：
a. 基于步骤（2）优势节理参数，建立隧道模型；
b. 赋予模型材料及节理物理力学参数；
c. 模型划分网格，模型完成。
进一步，步骤（4）所述爆破振动应力波施加方法，按照以下步骤：
a. 沿隧道内轮廓线每1m选取一个监测单元；
b. 步骤（3）计算完成后，提取每个监测单元爆破振动应力波；
c. 隧道开挖的同时，在每个监测单元施加对应的爆破振动应力波。
进一步，步骤（4）所述确定围岩松动圈方法，可根据极限拉应变、剪应力峰值等方法确定松动圈范围。
进一步，步骤（5）所述按照设计围岩压力计算围岩松动范围按照公式（3）计算。
Figure S1
（3）
式中，
Figure 3752DEST_PATH_IMAGE016
为隧道毛洞半跨，h为隧道毛洞高度，
Figure 103426DEST_PATH_IMAGE018
为围岩内摩擦角，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为围岩坚固系数。
进一步，步骤（5）所述修正系数按照公式（4）计算
Figure S2
（4）
式中，h j 为考虑节理特征及爆破振动后的松动圈范围。
进一步，步骤（5）所述修正围岩压力可按公式（5）计算
Figure S3
（5）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为围岩重度。
与传统围岩压力计算方法相比，本发明综合考虑了节理特征与爆破振动效应对围岩的影响，修正后的围岩压力值更加符合工程现场实际，对隧道支护设计及施工安全具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明流程图。
图2为本发明极点等值线图。
图3为本发明频率直方图及概率模型。
图4为本发明爆破振动应力波。
图5为本发明爆破振动应力波监测单元示意图。
图6为本发明松动圈示意图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的具体实施案例进行详细的描述。
图1说明了基于岩体节理特征和爆破振动效应修正围岩压力的方法，包括：
（1）基于现场地质素描获取隧道岩体节理产状，主要包括倾角、倾向、迹长、间距、填充物、填充厚度、张开位移、粗糙度等，且每个掌子面节理统计数量不应低于30组。
（2）根据倾向、倾角做极值等值线图，如图2所示，其中径向的直线表示倾向，沿着逆时针方向，从E至S至W至N方向分别为0至90°至180°至360°，而周向的线表示倾角，从圆点至最外圈表示0°至90°；根据图中极点分布密度，按照倾向将节理产状分组；如图3所示，对每组节理产状各参数做频率直方图，利用概率分布模型拟合，确定各组优势节理产状特征。其中，概率分布模型主要包括均匀分布、负指数分布、正态分布、对数正态分布。
（3）基于工程现场实际爆破参数建立数值模型，获取爆破振动应力波，如图4所示。其中炸药爆炸后压力可按公式（1）计算，空气压力可按公式（2）计算。模型边界条件应设置为无反射边界条件，以减小反射波与入射波的相互叠加带来的误差；
Figure 111068DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中，
Figure 139067DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 382966DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 887154DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 786976DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 415404DEST_PATH_IMAGE006
为状态方程系数，
Figure 530122DEST_PATH_IMAGE007
为初始内力，
Figure 890696DEST_PATH_IMAGE008
为初始体积；
Figure 340132DEST_PATH_IMAGE009
（2）
式中，
Figure 21518DEST_PATH_IMAGE010
~
Figure 974430DEST_PATH_IMAGE011
为气体性质相关常数，
Figure 584534DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 255687DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 737834DEST_PATH_IMAGE014
分别为空气的初始密度、密度。
（4）如图5所示，沿隧道内轮廓线每1m选取一个监测单元，提取每个监测单元爆破振动应力波；基于优势节理特征建立离散元计算模型，隧道开挖的同时，在每个监测单元施加对应的爆破振动应力波，根据极限拉应变或剪应力峰值确定围岩松动圈范围；
所述离散元计算模型建立方法（常规方法），按照以下步骤：
a. 基于步骤（2）优势节理参数，建立隧道模型；
b. 赋予模型材料及节理物理力学参数；
c. 模型划分网格，模型完成。
（5）依照公式（3）计算设计围岩压力下松动圈范围，如图6所示，从而按照公式（4）计算修正系数，最后按照公式（5）修正围岩压力；
Figure S1
（3）
式中，
Figure 591838DEST_PATH_IMAGE016
为隧道毛洞半跨，h为隧道毛洞高度，
Figure 461890DEST_PATH_IMAGE018
为围岩内摩擦角，
Figure 638663DEST_PATH_IMAGE019
为围岩坚固系数；
Figure S2
（4）
式中，h j 为考虑节理特征及爆破振动后的松动圈范围；
Figure S3
（5）
式中，
Figure 471304DEST_PATH_IMAGE023
为围岩重度。

Claims (5)

1.一种基于岩体节理特征和爆破振动效应修正围岩压力的方法，其特征在于：
（1）基于现场地质素描获取隧道岩体节理产状；
（2）利用统计分析获取优势节理产状特征；
（3）基于现场爆破参数建立数值模型，获取爆破振动应力波；
（4）基于优势节理特征建立离散元计算模型，施加爆破振动应力波，进行隧道开挖，确定围岩松动圈范围；
（5）按照设计围岩压力确定松动圈范围，计算修正系数，修正围岩压力。
2.如权利要求1所述的基于岩体节理特征和爆破振动效应修正围岩压力的方法，其特征在于：步骤（2）所述统计分析，按照以下步骤分析：
a. 根据倾向、倾角做极值等值线图；
b. 根据图中极点分布密度，按照倾向将节理产状分组；
c. 对每组节理产状各参数做频率直方图，利用概率分布模型拟合，确定各组优势节理产状特征。
3.如权利要求2所述的基于岩体节理特征和爆破振动效应修正围岩压力的方法，其特征在于：所述概率分布模型包括均匀分布、负指数分布、正态分布、对数正态分布。
4.如权利要求1所述的基于岩体节理特征和爆破振动效应修正围岩压力的方法，其特征在于：步骤（4）所述爆破振动应力波施加方法，按照以下步骤：
a. 沿隧道内轮廓线每1m选取一个监测单元；
b. 步骤（3）计算完成后，提取每个监测单元爆破振动应力波；
c. 隧道开挖的同时，在每个监测单元施加对应的爆破振动应力波；
所述确定围岩松动圈范围，根据极限拉应变、剪应力峰值确定松动圈范围。
5.如权利要求1所述的基于岩体节理特征和爆破振动效应修正围岩压力的方法，其特征在于：步骤（5）所述按照设计围岩压力确定松动圈范围按照公式（3）获得：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（3）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为隧道毛洞半跨，h为隧道毛洞高度，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为围岩内摩擦角，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为围岩坚固系数；
所述修正系数按照公式（4）获得：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（4）
式中，h j 为考虑节理特征及爆破振动后的松动圈范围；
所述修正围岩压力可按公式（5）获得：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（5）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为围岩重度。
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