CN110502794A - 一种大型缓倾角软弱结构面下部围岩高地应力集中带破坏模式的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大型缓倾角软弱结构面下部围岩高地应力集中带破坏模式的预测方法,具有如下有益效果:要求低、速度快、使用方便、效率高;对工程施工无干扰,不影响工程进度;判别结果和开挖响应可及时验证,可靠性高、适用性强;有效规避了常规试验方法要求高、成本大、时间长、技术难度大、不能全区覆盖等不利因素,是对常规试验方法的一个有效补充。通过地下洞室与大型软弱结构面的位置关系,快速、准确预测洞室围岩的破坏位置、破坏形式及破坏程度,提前采取有针对性的支护措施,确保洞室稳定及施工人员的安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种大型缓倾角软弱结构面下部围岩高地应力集中带破坏模式的预测方法,适用于水利水电、矿山、石油、交通运输等行业高地应力区地下隧洞的开挖与支护。
背景技术
随着我国水利水电、矿山、石油、交通运输行业等大型工程的不断建设,深埋地下隧洞工程越发常见,高地应力问题是这些工程面临的重要问题。高地应力条件下地下工程围岩主要发生岩爆、片帮、破裂破坏、围岩持续松弛、大变形等工程地质问题。特别是在大型软弱结构面下盘,围岩应力集中现象更为突出,给地下工程的围岩稳定和施工人员的安全带来严峻挑战。如何快速、简易、可靠地查明工程区地应力情况,预测隧洞开挖过程中,高应力集中带附近围岩破坏位置、程度是工程技术人员面临的主要任务之一。
地应力量值主要采用水压致裂法、浅孔孔壁应变法、浅孔孔径应变法、浅孔孔底应变法等原位试验进行实测,具有成本大、时间长、条件苛刻、技术难度高、不能全区覆盖、实测成果离散、代表性差等特点。多元回归分析法及地应力场模拟,均化了地应力场分布,对地应力集中带难以准确描述,对高地力区地下工程的影响往往估计不足。现行地应力获取方法不能完全满足评估大型缓倾角软弱结构面下部一定范围内地应力状态的实际工程需求。
玄武岩等地层中常发育软弱结构面,该类软弱结构面规模大、性状差,如层间错动带。某水电站现场水圧致裂法实测地应力成果显示,在层间错动带C2下盘20~50m范围内存在一个地应力增高带,其值比正常值一般高出50%~80%,如图1所示。施工开挖过程中,也揭示在层间错动带C2下盘,与C2垂直距离约20m范围内,围岩常发生强烈的片帮,甚至出现岩爆。在系统支护完成前,或系统支护偏弱的情况下,片帮及岩爆会持续发生,严重影响生命财产安全和施工进度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:针对上述常规地应力测试及回归分析不能完全满足评估大型缓倾角软弱结构面下地应力状态实际工程情况。通过大量工程经验及测试成果,研究分析得出大型软弱结构面下盘一定范围内存在地应力集中现象,其距离及集中程度受软弱结构面规模、性状影响。规模越大、性状越差,其距离及集中程度越大,一般而言,其与软弱结构面的距离约在20~50m范围内,其大小约为地应力均值的1.5~1.8倍。通过软弱结构面与隧洞、竖井的位置关系及地应力作用与隧洞、竖井内围岩破坏特征的相关关系,建立起一种大型缓倾角软弱结构面下部高地应力集中带破坏模式的预测方法,根据地应力造成的围岩破坏特征,快速评估高地应力集中带分布范围、延伸方向,最大主应力倾向、倾角、量值等主要参数,补充常规试验方法的不足,预测未开挖洞室围岩破坏出现的范围、位置、特征等,用于指导工程设计和施工。
为此,本发明的上述目的通过以下技术方案实现:
一种大型缓倾角软弱结构面下部围岩高地应力集中带破坏模式的预测方法,所述大型缓倾角软弱结构面下部围岩高地应力集中带破坏模式的预测方法包括如下步骤:
(1)对工程区地下洞室进行工程地质调查,特别是要查明大型缓倾角软弱结构面的规模、性状、与建筑物的位置关系、岩体强度以及其完整性;
(2)进行现场地应力测试,或者采取间接法判别地应力的大小和方向;当最大主应力σ1量级大于20MPa时,或岩石强度应力比Rb/σ1小于4时,有发生岩爆等高地应力破坏的潜在风险,其中:Rb为岩石饱和抗压强度;
(3)根据地应力测试成果及工程实践经验,在大型缓倾角软弱结构面下盘20~50m范围内存在一个高地应力集中带,地应力集中带最大主应力σ1与平均最大主应力σAVG存在以下关系:
σ1=1.5~1.8σAVG
当大型缓倾角软弱结构面的规模大、性状差时取高值;反之,则取低值;
(4)在存在大型软弱结构面的情况下,当现场实测或间接法判别地下洞室区最大主应力σ1达到15MPa,或岩石强度应力Rb/σ1比小于6时,在大型软弱结构面下盘20~50m范围内,发生岩爆等高地应力破坏的风险大;
(5)高地应力集中带分布一般与大型软弱结构面近平行,当隧洞或竖井开挖至距离大型软弱结构面20~50m时,围岩会出现岩爆、片帮、破裂破坏等现象,可根据软弱结构面的规模、产状及性状,预测破坏在隧洞、竖井内分布范围;
(6)通过编录、绘制已开挖隧洞、竖井剖面图,亦可得出大型软弱结构面下盘高应力集中带分布范围、延伸方向,最大主应力倾向、倾角、量值等主要参数,如图2~图5所示。
(7)通过上述参数,可修正前期地应力成果,结合已出现的围岩破坏情况,进一步有效预测未开挖隧洞、竖井内围岩破坏出现的范围、位置、特征等,采取相应的支护或有针对性处理措施,指导工程设计与施工。
在采用以上技术方案的基础上,本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案:
作为本发明的优选技术方案,步骤(5)中:岩爆、片帮、破裂破坏在隧洞内发育位置与大型软弱结构面相对位置及产状直接相关,其在隧洞内的延伸方向与最大主应力作用方向基本一致,在隧洞内发生岩爆等破坏的位置可通过隧洞横剖面用图解法得出。
作为本发明的优选技术方案,步骤(5)中:岩爆、片帮、破裂破坏在竖井内发育的位置与大型软弱结构面相对位置及产状直接相关,其在竖井平切图内出现方位与最大主应力作用方向近垂直,并总是在最大主应力作用方向两侧对称出现,在竖井内发生岩爆等破坏的位置可由竖井平切图用图解法得出。
本发明提供一种大型缓倾角软弱结构面下部围岩高地应力集中带破坏模式的预测方法,具有如下有益效果:要求低、速度快、使用方便、效率高;对工程施工无干扰,不影响工程进度;判别结果和开挖响应可及时验证,可靠性高、适用性强;有效规避了常规试验方法要求高、成本大、时间长、技术难度大、不能全区覆盖等不利因素,是对常规试验方法的一个有效补充。通过地下洞室与大型软弱结构面的位置关系,快速、准确预测洞室围岩的破坏位置、破坏形式及破坏程度,提前采取有针对性的支护措施,确保洞室稳定及施工人员的安全。
附图说明
图1为某水电站水压致裂法实测最大、最小水平主应力与层间错动带C2的关系图;
图2为本发明的隧洞轴线剖面;
图3为本发明的竖井轴线剖面;
图4为本发明的隧洞横剖面;
图5为本发明的竖井平切面;
图中:101-隧洞纵向轮廓线;102-隧洞横向轮廓线;201-竖井竖向轮廓线;202-竖井平切轮廓线;3-错动带;4-片帮、岩爆位置;5-高应力集中区推测边界;6-最大主应力作用方向指示线;σ1-最大主应力;α-最大主应力与水平面的夹角;θ-最大主应力方位。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
一种大型缓倾角软弱结构面下部围岩高地应力集中带破坏模式的预测方法,适用于高应力条件下坚硬完整岩体,包括以下实施步骤:
一种大型缓倾角软弱结构面下部围岩高地应力集中带破坏模式的预测方法,所述大型缓倾角软弱结构面下部围岩高地应力集中带破坏模式的预测方法包括如下步骤:
(1)对工程区地下洞室进行工程地质调查,特别是要查明大型缓倾角软弱结构面的规模、性状、与建筑物的位置关系、岩体强度以及其完整性;软弱结构面的规模越大、性状越差,可能引起的应力集中程度越高。岩体越完整、脆性越大,越容易发生高地应力破坏。钻孔岩芯若出现饼化现象,在洞室开挖过程中,发生高地应力破坏概率大。
(2)进行现场地应力测试,或者采取间接法判别地应力的大小和方向;当最大主应力σ1量级大于20MPa时,或岩石强度应力比Rb/σ1小于4时,有发生岩爆等高地应力破坏的潜在风险,其中:Rb为岩石饱和抗压强度;
(3)根据地应力测试成果及工程实践经验,在大型缓倾角软弱结构面下盘20~50m范围内存在一个高地应力集中带,地应力集中带最大主应力σ1与平均最大主应力σAVG存在以下关系:
σ1=1.5~1.8σAVG
当大型缓倾角软弱结构面的规模大、性状差时取高值;反之,则取低值;
(4)在存在大型软弱结构面的情况下,当现场实测或间接法判别地下洞室区最大主应力σ1达到15MPa,或岩石强度应力Rb/σ1比小于6时,在大型软弱结构面下盘20~50m范围内,发生岩爆等高地应力破坏的风险大;
(5)高地应力集中带分布一般与大型软弱结构面近平行,当隧洞或竖井开挖至距离大型软弱结构面20~50m时,围岩会出现岩爆、片帮、破裂破坏等现象,可根据软弱结构面的规模、产状及性状,预测破坏在隧洞、竖井内分布范围,如图2、图3所示;
图2中:101-隧洞纵向轮廓线;3-错动带;4-片帮、岩爆位置;5-高应力集中区推测边界;
图3中:201-竖井竖向轮廓线;3-错动带;4-片帮、岩爆位置;5-高应力集中区推测边界;
(6)通过编录、绘制已开挖隧洞、竖井剖面图,亦可得出大型软弱结构面下盘高应力集中带分布范围、延伸方向,最大主应力倾向、倾角、量值等主要参数,如图2~图5所示。
(7)通过上述参数,可修正前期地应力成果,结合已出现的围岩破坏情况,进一步有效预测未开挖隧洞、竖井内围岩破坏出现的范围、位置、特征等,采取相应的支护或有针对性处理措施,指导工程设计与施工。
步骤(5)中:岩爆、片帮、破裂破坏在隧洞内发育位置与大型软弱结构面相对位置及产状直接相关,其在隧洞内的延伸方向与最大主应力作用方向基本一致,在隧洞内发生岩爆等破坏的位置可通过隧洞横剖面用图解法得出,如图4所示;
图4中:102-隧洞横向轮廓线;3-错动带;4-片帮、岩爆位置;6-最大主应力作用方向指示线;σ1-最大主应力;α-最大主应力与水平面的夹角。
步骤(5)中:岩爆、片帮、破裂破坏在竖井内发育的位置与大型软弱结构面相对位置及产状直接相关,其在竖井平切图内出现方位与最大主应力作用方向近垂直,并总是在最大主应力作用方向两侧对称出现,在竖井内发生岩爆等破坏的位置可由竖井平切图用图解法得出,如图5所示;孔径较小的钻孔内也会出现类似破裂现象;
图5中:202-竖井平切轮廓线;4-片帮、岩爆位置;6-最大主应力作用方向指示线;σ1- 最大主应力;θ-最大主应力方位。
上述具体实施方式用来解释说明本发明,仅为本发明的优选实施例,而不是对本发明进行限制,在本发明的精神和权利要求的保护范围内,对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等,都落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种大型缓倾角软弱结构面下部围岩高地应力集中带破坏模式的预测方法,其特征在于,所述大型缓倾角软弱结构面下部围岩高地应力集中带破坏模式的预测方法包括如下步骤:
(1)对工程区地下洞室进行工程地质调查,特别是要查明大型缓倾角软弱结构面的规模、性状、与建筑物的位置关系、岩体强度以及其完整性;
(2)进行现场地应力测试,或者采取间接法判别地应力的大小和方向;当最大主应力σ1量级大于20 MPa时,或岩石强度应力比Rb/σ1小于4时,有发生岩爆等高地应力破坏的潜在风险,其中:Rb为岩石饱和抗压强度;
(3)根据地应力测试成果及工程实践经验,在大型缓倾角软弱结构面下盘20~50m范围内存在一个高地应力集中带,地应力集中带最大主应力σ1与平均最大主应力σAVG存在以下关系:
σ1=1.5~1.8σAVG
当大型缓倾角软弱结构面的规模大、性状差时取高值;反之,则取低值;
(4)在存在大型软弱结构面的情况下,当现场实测或间接法判别地下洞室区最大主应力σ1达到15 MPa,或岩石强度应力Rb/σ1比小于6时,在大型软弱结构面下盘20~50m范围内,发生岩爆等高地应力破坏的风险大;
(5)高地应力集中带分布一般与大型软弱结构面近平行,当隧洞或竖井开挖至距离大型软弱结构面20~50m时,围岩会出现岩爆、片帮、破裂破坏等现象,可根据软弱结构面的规模、产状及性状,预测破坏在隧洞、竖井内分布范围;
(6)通过编录、绘制已开挖隧洞、竖井剖面图,亦可得出大型软弱结构面下盘高应力集中带分布范围、延伸方向,最大主应力倾向、倾角、量值等主要参数。
(7)通过上述参数,可修正前期地应力成果,结合已出现的围岩破坏情况,进一步有效预测未开挖隧洞、竖井内围岩破坏出现的范围、位置、特征等,采取相应的支护或有针对性处理措施,指导工程设计与施工。
2.根据权利要求1所述的大型缓倾角软弱结构面下部围岩高地应力集中带破坏模式的预测方法,其特征在于,步骤(5)中:岩爆、片帮、破裂破坏在隧洞内发育位置与大型软弱结构面相对位置及产状直接相关,其在隧洞内的延伸方向与最大主应力作用方向基本一致,在隧洞内发生岩爆等破坏的位置可通过隧洞横剖面用图解法得出。
3.根据权利要求1所述的大型缓倾角软弱结构面下部围岩高地应力集中带破坏模式的预测方法,其特征在于,步骤(5)中:岩爆、片帮、破裂破坏在竖井内发育的位置与大型软弱结构面相对位置及产状直接相关,其在竖井平切图内出现方位与最大主应力作用方向近垂直,并总是在最大主应力作用方向两侧对称出现,在竖井内发生岩爆等破坏的位置可由竖井平切图用图解法得出。
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