CN110398784B - 一种隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于地下工程围岩控制技术领域，具体提供一种隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法。本发明在对围岩稳定性进行评价时首先选定隧道断面的典型断面，再对通过钻孔测量围岩的破碎范围值、注浆前围岩波速值、注浆后围岩波速值、围岩的浆液扩散范围值、拱架弯矩值、拱顶的下沉位移值、左拱肩和右拱肩以及左拱腰和右拱腰处的水平位移值，将上述的参数值经过计算后得到无量纲评价参数，用于准确反映隧道过断层破碎带围岩的稳定性。本发明属于多因素定量评价方法，克服了传统评价方法主要以单因素、半定性和半定量评价的缺陷，本发明无需开展室内试验，现场即可进行围岩控制效果评价，以此为依据指导支护设计与施工，提高了施工效率。

Description

一种隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法
技术领域
本发明属于地下工程围岩控制技术领域，具体涉及一种隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法。
背景技术
随着我国交通需求量剧增，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。在修建隧道时需要穿越的断层破碎带是常见的一种复杂地质条件。由于断层带岩体破碎，自承能力低，容易发生塌方、支护构件破断等灾害，对隧道安全施工影响极大，因此开展隧道穿越带层破碎带围岩稳定性评价，指导隧道施工具有十分重要的意义。
目前针对隧道穿越断层破碎带围岩稳定性的评价方法以比选开挖方法和围岩注浆治理为主，对于围岩稳定性评价以单因素、定性为主，以位移收敛、拱架受力为主。断层破碎带围岩注浆后缺少对浆液扩散以及围岩注浆加固提高程度的测试，同时，拱架在断层破碎带容易受到扭曲等作用，分析拱架主要部位弯矩变化更加符合拱架稳定性方面的评价，这些缺少的工作均导致了对隧道穿越断层破碎带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。
现行的评价方法大致具有以下缺点：1、对破碎岩体缺少注浆前后加固提高程度测试，导致对围岩稳定性评价的不准确；2、缺少对拱架重要部位弯矩变化的监测，使得支护体受力分析不足，导致对围岩稳定性评价的不全面；3、破碎岩体注浆强度需要试验才能确定加固效果，测试过程繁琐，周期长，不能及时的反馈并用于指导施工。
而声波测试属于一种方便快捷的测试方法，可以在现场有效的测试破碎岩体注浆前后波速的变化，分析围岩注浆加固的提高程度，同时声波测试可以利用钻孔电视测试后的钻孔，达到一孔两用的效果，在此基础上，辅以位移、拱架弯矩监测，建立起多因素、定量的综合评价方法，能够科学合理的评价隧道穿越断层破碎带围岩稳定性。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的隧道穿越断层破碎带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穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法以至少解决目前针对隧道断层破碎带时主要以单因素、半定性和半定量进行评价，使得整个评价方法不合理，不能够准确指导现场施工，以及测试过程繁琐和测试周期过长，不能及时的反馈并用于指导施工等问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法，所述评价方法包括如下步骤：
步骤S1，选定隧道过断层破碎带的典型断面，然后对典型断面进行开挖，开挖后在典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰进行钻孔，得到第一评价钻孔，然后分别探测拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处的破碎范围值，并得到围岩平均破碎范围值；同时探测第一评价钻孔内的注浆前围岩波速，并得到注浆前围岩平均波速值；
步骤S2，对开挖后典型断面的围岩进行注浆加固，待围岩稳定后在靠近第一评价钻孔处再次进行钻孔，得到第二评价钻孔，再探测典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处围岩的浆液扩散范围值，并得到浆液平均扩散范围值；对注浆后第二评价钻孔内破碎岩体的围岩波速值进行探测，并得到注浆后围岩平均波速值，探测完成后对第二评价钻孔进行封闭；
步骤S3，对隧道内典型断面处安设初期支护的拱架，然后采集典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处相对应的拱架弯矩值，并得到拱架平均弯矩值；
步骤S4，采集典型断面拱顶处的下沉位移值，左拱肩和右拱肩以及左拱腰和右拱腰处的水平位移值，并得到典型断面的平均位移值；
步骤S5，由步骤S1～步骤S4中的围岩平均破碎范围值、注浆前围岩平均波速值、注浆后围岩的浆液平均扩散范围值、注浆后围岩平均波速值、拱架平均弯矩值和典型断面的平均位移值计算无量纲评价参数，用于反应隧道过断层破碎带围岩的稳定性；
步骤S6，将步骤S5中的无量纲评价参数按比例分配权重系数，得到隧道过断层破碎带围岩稳定性的定量评价值，用于指导隧道现场支护及施工。
如上所述隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法，优选地，所述步骤S1中典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处第一评价钻孔内所对应的破碎范围最大值分别为D1、D2、D3、D4、D5，所述围岩平均破碎范围值为
Figure GDA0002912144300000031
如上所述隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法，优选地，所述步骤S1中典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处第一评价钻孔的注浆前围岩波速值分别为
Figure GDA0002912144300000032
所述注浆前围岩平均波速值为
Figure GDA0002912144300000033
如上所述种隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法，优选地，所述步骤S2中典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处围岩的浆液扩散范围最大值分别为K1、K2、K3、K4、K5，所述浆液平均扩散范围值为
Figure GDA0002912144300000034
Figure GDA0002912144300000035
如上所述种隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法，优选地，所述步骤S2中典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处注浆后围岩波速值分别为
Figure GDA0002912144300000036
所述注浆后围岩平均波速值为
Figure GDA0002912144300000037
如上所述隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法，优选地，所述步骤S3中典型断面拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处拱架的弯矩值分别为M1、M2、M3、M4、M5，所述拱架平均弯矩值为
Figure GDA0002912144300000041
如上所述隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法，优选地，所述步骤S4中典型断面拱顶处的下沉位移值、左拱肩和右拱肩以及左拱腰和右拱腰处的水平位移值分别为L1、L2、L3，所述平均位移值为
Figure GDA0002912144300000042
如上所述隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法，优选地，所述步骤S1中的破碎范围值和所述步骤S2中的围岩的浆液扩散范围值均是通过钻孔电视探测得到的；
所述步骤S1中的注浆前围岩波速值和步骤S2中的注浆后围岩波速值均是通过声波探测仪探测得到的；
所述步骤S3中的拱架弯矩值是通过钢筋应力计测量得到的；
所述步骤S4中的典型断面拱顶处的下沉位移值、左拱肩和右拱肩以及左拱腰和右拱腰处的水平位移值是通过全站仪测量得到的。
如上所述隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法，优选地，所述步骤S5中的无量纲评价参数包括断层破碎带影响率、围岩注浆加固强度提高率、拱架受力离散率和围岩注浆加固位移控制率；
所述断层破碎带影响率为
Figure GDA0002912144300000043
L扰为断层破碎带开挖扰动距离；
所述围岩注浆加固强度提高率为
Figure GDA0002912144300000044
所述拱架受力离散率为
Figure GDA0002912144300000045
αi为相关系数，i＝1～5，且∑αi＝1；
所述围岩注浆加固位移控制率为
Figure GDA0002912144300000046
所述隧道过断层破碎带围岩稳定性的定量评价值
Figure GDA0002912144300000051
βi为分配系数，j＝1～4，且∑βi＝1。
如上所述隧道穿越断层破碎带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S7，将η与η0进行比较，其中η0为评价标准值；
步骤S8，当η﹤η0时，监测得到的值小于评价标准值，则对围岩加强支护等措施；当η≥η0时，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。
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有益效果：
(1)本发明属于多因素定量评价方法，克服了传统评价方法主要以单因素、半定性和半定量评价的缺陷，使得评价方法更加合理。
(2)本发明加强了对隧道过断层破碎带注浆前后的岩体波速探测，使得评价围岩稳定性更加全面。
(3)本发明加强了对拱架整体受力均匀性的监测，使得评价围岩稳定性涉及到支护时更加合理。
(4)本发明无需开展室内试验，现场即可进行围岩控制效果评价，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为本发明实施例围岩稳定性评价方法流程示意图；
图2为图1的详细流程示意图。
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穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法，评价方法包括如下步骤：
步骤S1，选定隧道过断层破碎带的典型断面，然后对典型断面进行开挖，开挖后在典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰进行钻孔，得到第一评价钻孔，然后分别利用钻孔电视探测拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处的破碎范围值，并经过计算得到围岩平均破碎范围值，其中破碎范围指的是钻孔探测的钻孔内的围岩的破碎深度；同时利用声波探测仪探测第一评价钻孔内的注浆前围岩波速，并经过计算得到注浆前围岩平均波速值，探测围岩波速的目的是探测围岩的完整性程度，一般岩体的波速越高，则表明岩体的完整性越好，进而也可以说明岩体的强度也越高。此处的典型断面指的是具有代表性的断面基本型式，也是本领域研究中一种常用的表达方式。在进行典型断面的选定时，其实是一种人为的选择，具体的选定标准要结合具体实践，是一种简略的表达方式。
本申请所用到的钻孔电视系统主要指包括井下摄像头、地面控制器、传输电缆、录像机、监视器、绞车、绞架等地质信息采集的一种设备，主要用于获取岩石的地质资料。
步骤S1中典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处第一评价钻孔内所对应的破碎范围最大值分别为D1、D2、D3、D4、D5，围岩平均破碎范围值为
Figure GDA0002912144300000061
步骤S1中典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处第一评价钻孔的注浆前围岩波速值分别为
Figure GDA0002912144300000062
注浆前围岩平均波速值为
Figure GDA0002912144300000063
步骤S2，对开挖后典型断面的围岩进行注浆加固，待围岩稳定后在靠近第一评价钻孔处再次进行钻孔，得到第二评价钻孔，第二评价钻孔距离第一评价钻孔的距离较近，但是以不影响到第一评价钻孔为准，再利用钻孔电视探测典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处围岩的浆液扩散范围值，并得到浆液平均扩散范围值；对注浆后第二评价钻孔内破碎岩体的注浆后围岩波速值利用声波探测仪进行探测，并得到注浆后围岩平均波速值，此处探测注浆后围岩波速值的目的同样是为了探测围岩的完整性程度，岩体的波速越高，则表明岩体的完整性越高，进而也可以表明岩体的强度越高，那么由此可知，破碎带岩体注浆后围岩的完整性得到提高，那么注浆后的围岩波速值也会增大。测试完成后对第二评价钻孔进行封闭。
步骤S2中典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处围岩的浆液扩散范围最大值分别为K1、K2、K3、K4、K5，浆液平均扩散范围值为
Figure GDA0002912144300000071
Figure GDA0002912144300000072
步骤S2中典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处注浆后围岩波速值分别为
Figure GDA0002912144300000073
注浆后围岩平均波速值为
Figure GDA0002912144300000074
步骤S3，对隧道内典型断面处安设初期支护的拱架，然后利用钢筋应力计采集典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处相对应的拱架弯矩值，并得到拱架平均弯矩值，一般隧道在开挖断面后要进行初期支护与二次衬砌，拱架就是属于初期支护，隧道过断层破碎带是断面开挖后先要进行注浆加固，之后再进行支护。并且布置拱架后，一般需要三十天左右的时间围岩才能够处于相对稳定的状态，因此钢筋应力计主要是在这个时间段内进行监测，等处于稳定状态后，监测的频率会逐渐减小。
步骤S3中典型断面拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处拱架弯矩值分别为M1、M2、M3、M4、M5，拱架平均弯矩值为
Figure GDA0002912144300000075
Figure GDA0002912144300000081
步骤S4，利用全站仪采集典型断面拱顶处的下沉位移值，左拱肩和右拱肩以及左拱腰和右拱腰处的水平位移值，并得到典型断面的平均位移值，此处的平均位移是指收缩量，主要是指拱顶的下沉位移值，左右拱肩的水平位移，左右拱腰的水平位移。其中此处的位移指的是围岩稳定状态下的位移，围岩稳定状态主要是指隧道断面开挖支护后，断面收缩量需要一个时间过程，当断面收缩量基本保持不变时即为围岩稳定状态。
步骤S4中典型断面拱顶处的下沉位移值、左拱肩和右拱肩以及左拱腰和右拱腰处的水平位移值分别为L1、L2、L3，平均位移值为
Figure GDA0002912144300000082
步骤S5，由步骤S1～步骤S4中的围岩平均破碎范围值、注浆前围岩平均波速值、注浆后围岩的浆液平均扩散范围值、注浆后围岩平均波速值、拱架平均弯矩值和典型断面的平均位移值计算无量纲评价参数，用于反应隧道过断层破碎带围岩的稳定性。
步骤S6，将步骤S5中的无量纲评价参数按比例分配权重系数，得到隧道过断层破碎带围岩稳定性的定量评价值，用于指导隧道现场支护及施工。其中，在分配权重系数时，主要参考权重分析方法，根据各个无量纲评价参数之间的比值，确定相应的权重系数，并且各权重系数之和为1。
步骤S5中的无量纲评价参数包括断层破碎带影响率、围岩注浆加固强度提高率、拱架受力离散率、围岩注浆加固位移控制率。
断层破碎带影响率为
Figure GDA0002912144300000083
L扰为断层破碎带开挖扰动距离，L扰主要是通过位移变形曲线判断得到，即位移曲线变化稳定后，开挖断面距离监测断面的距离。
围岩注浆加固强度提高率为
Figure GDA0002912144300000084
拱架受力离散率为
Figure GDA0002912144300000085
αi为相关系数，i＝1～5，且∑αi＝1，拱架受理离散率包括拱顶受力率、左拱肩受力离散率、右拱肩受力离散率、左拱腰受力离散率和右拱腰受理离散率五个部位的受力离散率，计算得到每个部位的受力离散率后，再将这五个部位的受力离散率加权系数求和后得到拱架整体的受力离散率。
围岩注浆加固位移控制率为
Figure GDA0002912144300000091
隧道过断层破碎带围岩稳定性的定量评价值
Figure GDA0002912144300000092
βi为分配系数，j＝1～4，且∑βi＝1。
进一步的，评价方法还包括如下步骤：
步骤S7，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S8，当η﹤η0时，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，防止现场出现安全事故；当η≥η0时，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，本申请中的围岩稳定性评价方法考虑了多个平均破碎范围值、围岩平均波速值、注浆后围岩的浆液平均扩散范围值、围岩平均波速值、拱架平均弯矩值和典型断面的平均位移这多个因素进行评价分析，克服了现行评价方法主要以单因素、半定性或者半定量的评价方法的缺陷，使得评价结果更接近隧道断面真实的地质状况。除此之外，本发明还加强了对隧道断面注浆前后的岩体波速值的探测，使得评价围岩稳定新更加合理。本发明还加强了对拱架整体受力均匀性的监测，使得涉及到支护时的围岩稳定性评价时更为合理。此外，本评价方法无需在室内开展试验，在现象即可进行围岩控制效果的评价，然后根据评价结果现象指导支护设计和施工，提供了整体的施工效率。
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 (9)

1.一种隧道穿越断层破碎带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，选定隧道过断层破碎带的典型断面，然后对典型断面进行开挖，开挖后在典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰进行钻孔，得到第一评价钻孔，然后分别探测拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处的破碎范围值，并得到围岩平均破碎范围值D0；同时探测第一评价钻孔内的注浆前围岩波速值，并得到注浆前围岩平均波速值
Figure FDA0002912144290000011
步骤S2，对开挖后典型断面的围岩进行注浆加固，待围岩稳定后在靠近第一评价钻孔处再次进行钻孔，得到第二评价钻孔，再探测典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处围岩的浆液扩散范围值，并得到浆液平均扩散范围值K0；对注浆后第二评价钻孔内破碎岩体的注浆后围岩波速值进行探测，并得到注浆后围岩平均波速值
Figure FDA0002912144290000012
探测完成后对第二评价钻孔进行封闭；
步骤S3，对隧道内典型断面处安设初期支护的拱架，然后采集典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处相对应的拱架弯矩值Mi，并得到拱架平均弯矩值M0；
步骤S4，采集典型断面拱顶处的下沉位移值，左拱肩和右拱肩以及左拱腰和右拱腰处的水平位移值，并得到典型断面的平均位移值L0；
步骤S5，由步骤S1～步骤S4中的围岩平均破碎范围值D0、注浆前围岩平均波速值
Figure FDA0002912144290000013
注浆后围岩的浆液平均扩散范围值K0、注浆后围岩平均波速值、拱架平均弯矩值M0和典型断面的平均位移值L0计算无量纲评价参数，用于反应隧道过断层破碎带围岩的稳定性；
步骤S6，将步骤S5中的无量纲评价参数按比例分配权重系数，得到隧道过断层破碎带围岩稳定性的定量评价值，用于指导隧道现场支护及施工；
所述步骤S5中的无量纲评价参数包括断层破碎带影响率、围岩注浆加固强度提高率、拱架受力离散率和围岩注浆加固位移控制率；
所述断层破碎带影响率为
Figure FDA0002912144290000014
L扰为断层破碎带开挖扰动距离；
所述围岩注浆加固强度提高率为
Figure FDA0002912144290000021
所述拱架受力离散率为
Figure FDA0002912144290000022
αi为相关系数，i＝1～5，且∑αi＝1，典型断面拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处拱架弯矩值Mi分别为M1、M2、M3、M4、M5；
所述围岩注浆加固位移控制率为
Figure FDA0002912144290000023
所述隧道过断层破碎带围岩稳定性的定量评价值
Figure FDA0002912144290000024
βi为分配系数，j＝1～4，且∑βi＝1。
2.如权利要求1所述隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述步骤S1中典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处第一评价钻孔内所对应的破碎范围最大值分别为D1、D2、D3、D4、D5，所述围岩平均破碎范围值为
Figure FDA0002912144290000025
3.如权利要求1所述隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述步骤S1中典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处第一评价钻孔的注浆前围岩波速值分别为
Figure FDA0002912144290000026
所述注浆前围岩平均波速值为
Figure FDA0002912144290000027
4.如权利要求1所述种隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述步骤S2中典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处围岩的浆液扩散范围最大值分别为K1、K2、K3、K4、K5，所述浆液平均扩散范围值为
Figure FDA0002912144290000031
5.如权利要求1所述种隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述步骤S2中典型断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处注浆后围岩波速值分别为
Figure FDA0002912144290000032
所述注浆后围岩平均波速值为
Figure FDA0002912144290000033
6.如权利要求1所述隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述步骤S3中典型断面拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰处拱架弯矩值Mi分别为M1、M2、M3、M4、M5，所述拱架平均弯矩值为
Figure FDA0002912144290000034
Figure FDA0002912144290000035
7.如权利要求1所述隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述步骤S4中典型断面拱顶处的下沉位移值、左拱肩和右拱肩以及左拱腰和右拱腰处的水平位移值分别为L1、L2、L3，所述平均位移值为
Figure FDA0002912144290000036
Figure FDA0002912144290000037
8.如权利要求1所述隧道穿越断层破碎带围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述步骤S1中的破碎范围值和所述步骤S2中的围岩的浆液扩散范围值均是通过钻孔电视探测得到的；
所述步骤S1中的注浆前围岩波速值和步骤S2中的注浆后围岩波速值均是通过声波探测仪探测得到的；
所述步骤S3中的拱架弯矩值Mi是通过钢筋应力计测量得到的；
所述步骤S4中的典型断面拱顶处的下沉位移值、左拱肩和右拱肩以及左拱腰和右拱腰处的水平位移值是通过全站仪测量得到的。
9.如权利要求1所述隧道穿越断层破碎带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S7，将η与η0进行比较，其中η0为评价标准值；
步骤S8，当η﹤η0时，监测得到的值小于评价标准值，则对围岩加强支护措施；当η≥η0时，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。
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