CN110346213A - 一种隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道施工技术领域，具体提供一种隧道下穿采空区拱顶围岩稳定性评价方法，根据隧道拱顶距采空区不同高度，选择若干个典型断面以及岩性相同的常规断面，利用点荷载仪测得现场岩体的单轴抗压强度；采用钢筋应力计、压力盒和混凝土应力计，采集拱架轴力、围岩接触压力和混凝土喷层径向应力；采集拱顶位移；计算反应隧道下穿采空区拱顶围岩稳定性的无量纲参数指标值，按比例分配权重系数，建立隧道下穿采空区拱顶围岩稳定性定量评价值，指导现场支护及施工。本发明加强了对现场岩体强度不同情况下的测试，使得评价围岩稳定性涉及到现场岩体强度时更加合理。施工现场即可进行围岩控制效果评价，无需开展室内试验，提高了施工效率。

Description

一种隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法。

背景技术

随着我国经济高速发展，交通需求量剧增，高速公路、高速铁路快速增长，隧道在相应工程中的作用日益重要，而在山西、内蒙古等西北地区产煤大省，不少隧道穿越釆空区，特别是下穿采空区最为常见。由于我国煤系地层分布复杂，采空区不规则，该类情况对隧道建设安全危害极大，因此开展隧道下穿采空区围岩稳定性评价，指导隧道施工具有十分重要的意义。

目前针对隧道下穿采空区围岩稳定性以治理采空区为主，评价以单因素、定性为主，主要采用位移监测、钢架受力监测，特别是针对支护体受力监测不足，使得对围岩压力的传递以及支护体分担围岩应力的情况不明；同时，隧道下穿采空区现场开挖后岩体强度变化缺少有效的测试，这些均不可避免的导致了对围岩稳定性评价的不准确、不合理，目前国内外还没有统一的方法。

现行的评价方法主要具有以下缺点：

1、对支护体受力监测不足，导致对围岩稳定性评价的不合理、不准确；

2、缺少现场开挖后岩体强度变化的测试，导致对围岩稳定性评价的不全面。

点荷载测试岩体强度简单快速，不受场地限制，避免了岩体在室内试验导致的测试周期过长等问题；同时，针对某一特定位置开展拱架受力、围岩接触压力和混凝土受力监测，有助于全面掌握围岩应力传递以及支护效果，辅以位移监测，建立多因素、定量的综合评价方法，能够科学合理的评价围岩稳定性，指导现场施工。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法以至少解决目前针对下穿采空区的围岩稳定性进行评价时主要以单因素、定性为主，而针对支护体受力监测则不足，并且隧道下穿采空区现场开挖后针对岩体强度的变化缺少有效的测试，这些因素导致对围岩稳定性的评价不准确和不合理等问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，所述评价方法包括如下步骤：

步骤S1，选定若干个岩性相同的典型断面和常规断面，开挖后采集施工现场不同典型断面的多个岩体样本和常规断面的岩体样本，然后分别测量岩体样本的单轴抗压强度；

步骤S2，分别对选定的若干个典型断面进行测量拱架轴力、围岩接触压力和混凝土喷层径向应力；

步骤S3，分别对选定的若干个典型断面进行测量拱顶位移；

步骤S4，根据步骤S1～步骤S3所得到的单轴抗压强度、拱架轴力、围岩接触压力、混凝土喷层径向应力和拱顶位移计算无量纲参数指标值，将无量纲参数指标值按比例分配权重系数后得到隧道下穿采空区拱顶围岩稳定性定量评价值，用于反应隧道下穿采空区拱顶围岩的稳定性。

如上所述隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，优选地，所述步骤S1中岩体样本的测量方法为：利用点荷载仪测量取得的各个典型断面的岩体样本的单轴抗压强度，分别为σ₁、σ₂……σ_n，测量常规断面的单轴抗压强度为σ₀，其中n为典型断面的个数，然后取各个典型断面的岩体样本的单轴抗压强度的平均值，最后得到典型断面的单轴抗压强度。

如上所述隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，优选地，选定的若干个所述典型断面之间拱顶与采空区之间的高度不同，且拱顶距离采空区的距离分别为h₁、h₂……h_n，各个典型断面的地质条件与岩性相同的常规断面的地质条件近似。

如上所述隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，优选地，所述步骤S2中拱架轴力是通过钢筋应力计测量得到的，围岩接触压力是通过压力盒测量得到的，混凝土喷层径向应力是通过混凝土应力计测量得到的；

若干个典型断面的所述拱架轴力测量结果分别为N₁、N₂……N_n；

若干个典型断面的所述围岩接触压力测量结果分别为P₁、P₂……P_n；

若干个典型断面的所述混凝土喷层径向应力测量结果分别为F₁、F₂……F_n。

如上所述隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，优选地，所述步骤S3中的典型断面的拱顶位移测量结果分别为D₁、D₂……D_n。

如上所述隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，所述步骤S4中无量纲参数指标包括单轴抗压强度弱化率、拱架强度使用率、围岩应力传递率、混凝土喷层支护分担率、拱顶位移影响率。

如上所述隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，优选地，所述单轴抗压强度弱化率为α_i为相关系数，i＝1～n，且∑α_i＝1；

所述拱架强度使用率为β_j为相关系数，N_s为拱架的屈服强度，j＝1～n，且∑β_j＝1，N_s为拱架的屈服强度；

所述围岩应力传递率为c_k为相关系数，f为隧道围岩应力，k＝1～n，且∑c_k＝1，f为隧道围岩应力；

所述混凝土喷层支护分担率为d_m为相关系数，F_C为混凝土抗压强度，m＝1～n，且∑d_m＝1，F_C为混凝土抗压强度；

所述拱顶位移影响率为e_t为相关系数，t＝1～n，且∑e_t＝1。

如上所述隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，优选地，所述隧道下穿采空区拱顶围岩稳定性定量评价值k_w为分配系数，w＝1～5，且∑k_w＝1。

如上所述隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，优选地，所述评价方法还包括如下步骤：

步骤S5，将η与η₀进行比较，其中η₀为评价标准值；

步骤S6，当η﹤η₀时，即监测得到的值小于评价标准值，则立即对围岩加强支护等措施；

步骤S7，当η≥η₀时，即监测得到的值大于等于评价标准值，则维持原支护方案不变。

如上所述隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，优选地，所述典型断面的个数为3～5个。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

(1)本发明属于多因素综合定量评价方法，克服了现行评价方法主要以单因素或者半定性半定量评价的缺陷，使得评价方法更加合理。

(2)本发明填补了隧道下穿采空区围岩稳定性评价方面的空白，完善了围岩控制评价体系。

(3)本发明加强了对现场岩体强度不同情况下的测试，使得评价围岩稳定性涉及到现场岩体强度时更加合理。

(4)本发明施工现场即可进行围岩控制效果评价，无需开展室内试验，以此为依据指导支护设计与施工，提高了施工效率。

附图说明

图1为本发明实施例评价方法的流程图；

图2为图1的详细流程图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

根据本发明的具体实施例，如图1和图2所示，本发明提供一种隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，评价方法包括如下步骤：

步骤S1，选定若干个岩性相同的典型断面和常规断面，开挖后采集施工现场不同典型断面的多个岩体样本和常规断面的岩体样本，然后分别测量岩体样本的单轴抗压强度。本实施例中岩体样本的数量至少为五个，每个典型断面上选取的岩体样本至少为五个，单个岩体样本具有一定的离散型，每个典型断面上选取多个岩体样本后再取其平均值，这样能够保证单轴抗压强度测量结果的准确性。本实施例中典型断面的个数为3～5(如3、4或者5)个，典型断面的个数可以根据施工现场的实际选定具体的数量，一般是选定3～5。此处的常规断面的选取主要是为了与典型断面做对比，尤其是对比岩体样本的单轴抗压强度，常规断面的单轴抗压强度与典型断面的单轴抗压强度做对比。

其中岩性是指反映岩石特征的一些属性，如颜色、成分、结构、胶结物、及胶结类型、特殊矿物等。典型断面指的是具有代表性的断面的基本型式，为本领域研究时一种常用的表达方式，也是一种人为的选择。

此处的岩性在实际工程中主要是指同一类岩体，在本发明的评价方法中主要针对的是单轴抗压强度不同，其它地质状况则相同或者相似。

步骤S1中岩体样本的测量方法为：利用点荷载仪测量取得的各个典型断面的岩体样本的单轴抗压强度，分别为σ₁、σ₂……σ_n，测量常规断面的单轴抗压强度为σ₀，其中n为典型断面的个数，然后取各个典型断面的岩体样本的单轴抗压强度的平均值，最后得到典型断面的单轴抗压强度。

选定的若干个典型断面之间拱顶与采空区之间的高度不同，且拱顶距离采空区的距离分别为h₁、h₂……h_n，各个典型断面的地质条件与岩性相同的常规断面的地质条件近似。

步骤S2，分别对选定的若干个典型断面进行测量拱架轴力、围岩接触压力和混凝土喷层径向应力。

步骤S2中拱架轴力是通过钢筋应力计测量得到的，围岩接触压力是通过压力盒测量得到的，压力盒用于岩土工程中进行介质内应力测量，以及围岩与支护结构之间，喷射混凝土与现浇混凝土之间接触应力测量的仪器，压力盒为扁平圆柱状，受力一侧面向围岩放置，在本发明中压力盒放置在拱顶位置，位于拱顶围岩与拱架之间。混凝土喷层径向应力是通过混凝土应力计测量得到的，混凝土应力计是由适用于长期埋设在水工结构物或其它混凝土结构物内，测量结构物内的受压状态，并可同步测量埋设点温度的振弦式传感器，混凝土应力计长约20cm的圆柱体，其端头属于受力部位，放置在混凝土喷层中，且端头面向围岩。

若干个典型断面的拱架轴力测量结果分别为N₁、N₂……N_n；

若干个典型断面的围岩接触压力测量结果分别为P₁、P₂……P_n；

若干个典型断面的混凝土喷层径向应力测量结果分别为F₁、F₂……F_n。

步骤S3，分别对选定的若干个典型断面进行测量拱顶位移，拱顶位移是通过全站仪来进行测量的，大致每天测量一次，根据拱顶位移变化趋势，可以得到位移的稳定值，围岩的稳定状态指的是位移基本不变的状态。

步骤S3中的典型断面的拱顶位移测量结果分别为D₁、D₂……D_n。

步骤S4，根据步骤S1～步骤S3所得到的单轴抗压强度、拱架轴力、围岩接触压力、混凝土喷层径向应力和拱顶位移计算无量纲参数指标值，将无量纲参数指标值按比例分配权重系数后得到隧道下穿采空区拱顶围岩稳定性定量评价值，用于反应隧道下穿采空区拱顶围岩的稳定性。

步骤S4中无量纲参数指标包括单轴抗压强度弱化率、拱架强度使用率、围岩应力传递率、混凝土喷层支护分担率、拱顶位移影响率。

单轴抗压强度弱化率为α_i为相关系数，i＝1～n，且∑α_i＝1，即单轴抗压强度弱化率为常规断面的单轴抗压强度与下穿采空区典型断面的抗压强度的差值，再与常规断面的单轴抗压强度的比值。常规断面即为非下穿采空区断面，下穿采空区断面中距离采空区越近，岩体的单轴抗压强度越低。

拱架强度使用率为β_j为相关系数，j＝1～n，且∑β_j＝1，N_s为拱架的屈服强度，即拱架强度使用率为典型断面的拱架轴力与拱架屈服强度的比值，其中拱架的屈服强度根据拱架的钢材型号确定，属于定值。

围岩应力传递率为c_k为相关系数，f为隧道围岩应力，k＝1～n，且∑c_k＝1，即围岩应力传递率为典型断面的围岩接触压力与隧道围岩应力的比值，其中隧道围岩应力是已知的，在实际中工程建设前期需要现场勘查获得围岩应力的值。

混凝土喷层支护分担率为d_m为相关系数，F_C为混凝土抗压强度，m＝1～n，且∑d_m＝1，即混凝土喷层支护分担率为典型断面的混凝土喷层径向应力与混凝土抗压强度的比值，其中混凝土抗压强度根据混凝土等级具体的强度值，此处属于定值。

拱顶位移影响率为e_t为相关系数，t＝1～n，且∑e_t＝1，即拱顶位移影响率为典型断面的拱顶位移与断面的隧道拱顶距采空区高度的比值。

进一步的，隧道下穿采空区拱顶围岩稳定性定量评价值k_w为分配系数，w＝1～5，且∑k_w＝1。

进一步的，本发明的评价方法还包括如下步骤：

步骤S5，将η与η₀进行比较，其中η₀为评价标准值，η₀为一种评价的标准值，也是一种工程经验值，类似于一种临界标准，相当于是一个工程经验的围岩稳定性的参考标准。

步骤S6，当η﹤η₀时，即监测得到的值小于评价标准值，则立即对围岩加强支护等措施，防止施工现场出现安全事故。

步骤S7，当η≥η₀时，即监测得到的值大于等于评价标准值，则维持原支护方案不变，此时隧道下穿采空区围岩稳定性较强，无需额外进行支护，避免过度支护而增加的无效工作量，同时也能避免过度支护而带来冲击地压或者岩爆的事故。

综上所述，本申请中的隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法先选定若干个典型断面以及常规断面，然后在典型断面上选取多个岩体样本，再测量岩体样本的单轴抗压强度，在测量典型断面的拱架轴力、围岩接触压力和混凝土喷层径向应力和拱顶位移，再通过计算得到无量纲参数指标，再进一步通过按比例分配权重系数后得到隧道下穿采空区拱顶围岩稳定性定量评价值，用于反应隧道下穿采空区拱顶围岩的稳定性。本发明属于多因素综合定量评价方法，克服了现行评价方法主要以单因素或者半定性半定量评价的缺陷，使得评价方法更加合理，填补了隧道下穿采空区围岩稳定性评价方面的空白，完善了围岩控制评价体系，加强了对现场岩体强度不同情况下的测试，使得评价围岩稳定性涉及到现场岩体强度时更加合理，在施工现场即可进行围岩控制效果评价，无需开展室内试验，以此为依据指导支护设计与施工，提高了整体的施工效率。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述评价方法包括如下步骤：

步骤S1，选定若干个岩性相同的典型断面和常规断面，开挖后采集施工现场不同典型断面的多个岩体样本和常规断面的岩体样本，然后分别测量岩体样本的单轴抗压强度；

步骤S2，分别对选定的若干个典型断面进行测量拱架轴力、围岩接触压力和混凝土喷层径向应力；

步骤S3，分别对选定的若干个典型断面进行测量拱顶位移；

步骤S4，根据步骤S1～步骤S3所得到的单轴抗压强度、拱架轴力、围岩接触压力、混凝土喷层径向应力和拱顶位移计算无量纲参数指标值，将无量纲参数指标值按比例分配权重系数后得到隧道下穿采空区拱顶围岩稳定性定量评价值，用于反应隧道下穿采空区拱顶围岩的稳定性。

2.如权利要求1所述隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述步骤S1中岩体样本的测量方法为：利用点荷载仪测量取得的各个典型断面的岩体样本的单轴抗压强度，分别为σ₁、σ₂……σ_n，测量常规断面的单轴抗压强度为σ₀，其中n为典型断面的个数，然后取各个典型断面的岩体样本的单轴抗压强度的平均值，最后得到典型断面的单轴抗压强度。

3.如权利要求2所述隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，其特征在于，选定的若干个所述典型断面之间拱顶与采空区之间的高度不同，且拱顶距离采空区的距离分别为h₁、h₂……h_n，各个典型断面的地质条件与岩性相同的常规断面的地质条件近似。

4.如权利要求3所述隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述步骤S2中拱架轴力是通过钢筋应力计测量得到的，围岩接触压力是通过压力盒测量得到的，混凝土喷层径向应力是通过混凝土应力计测量得到的；

若干个典型断面的所述拱架轴力测量结果分别为N₁、N₂……N_n；

若干个典型断面的所述围岩接触压力测量结果分别为P₁、P₂……P_n；

若干个典型断面的所述混凝土喷层径向应力测量结果分别为F₁、F₂……F_n。

5.如权利要求4所述隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述步骤S3中的典型断面的拱顶位移测量结果分别为D₁、D₂……D_n。

6.如权利要求5所述隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述步骤S4中无量纲参数指标包括单轴抗压强度弱化率、拱架强度使用率、围岩应力传递率、混凝土喷层支护分担率、拱顶位移影响率。

7.如权利要求6所述隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述单轴抗压强度弱化率为α_i为相关系数，i＝1～n，且∑α_i＝1；

所述拱架强度使用率为β_j为相关系数，j＝1～n，且∑β_j＝1，N_s为拱架的屈服强度；

所述围岩应力传递率为c_k为相关系数，k＝1～n，且∑c_k＝1，f为隧道围岩应力；

所述混凝土喷层支护分担率为d_m为相关系数，m＝1～n，且∑d_m＝1，F_C为混凝土抗压强度；

所述拱顶位移影响率为e_t为相关系数，t＝1～n，且∑e_t＝1。

8.如权利要求6所述隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述隧道下穿采空区拱顶围岩稳定性定量评价值k_w为分配系数，w＝1～5，且∑k_w＝1。

9.如权利要求7所述隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述评价方法还包括如下步骤：

步骤S5，将η与η₀进行比较，其中η₀为评价标准值；

步骤S6，当η﹤η₀时，即监测得到的值小于评价标准值，则立即对围岩加强支护等措施；

步骤S7，当η≥η₀时，即监测得到的值大于等于评价标准值，则维持原支护方案不变。

10.如权利要求1所述隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述典型断面的个数为3～5个。