CN111412885B - 大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，对隧洞大埋深洞段所在的地层，开展现场地应力测试和现场岩石力学试验，获得的该地层的地应力和岩体力学参数，并采用围岩变形预测公式，对围岩大变形进行预测，从而根据围岩变形水平，采用针对性的大变形支护措施，为大埋深隧洞围岩大变形的支护设计优化提供依据。

Description

大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法
技术领域
本发明公开了一种大埋深隧洞挤压型围岩大变形的预测方法，具体涉及一种基于勘探平硐现场测试和试验以及围岩变形预测公式的大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，在施工期借助勘探平硐对隧洞区域的地应力进行测试，对岩体力学参数进行现场岩石力学试验，并根据围岩变形预测公式，开展大埋深隧洞挤压型围岩大变形的变形量值预测工作。
背景技术
对于长距离线路工程，例如公路、铁路和调水工程，隧洞(道)被广泛采用。长距离隧洞具有线路长和穿越多种地层，面临埋深变化大、地层岩性频繁改变、经常遭遇突发性地质条件(如断层、软弱夹层)等特点。因此，长距离隧洞的修建，经常要穿越岩性差或岩体软弱破碎的大埋深地层，从而诱发挤压型围岩大变形灾害，导致围岩开挖面变形侵占净空、支护结构受力超限破坏等施工期围岩安全问题，为处理这些问题，需要进行围岩二次扩挖、失效支护更换、采用更强支护结构等措施，大大增加工期和施工成本。因此，根据隧洞开挖揭示的实际地质条件，开展大埋深洞段的围岩变形预测，可为预警隧洞施工过程中的围岩大变形灾害发生洞段，有利于在大变形发生之前做好针对性的风险管控，避免因围岩变形侵限和支护结构破坏带来的灾害处置时间成本和施工费用，具有重要工程意义。
关于隧洞的围岩变形预测方法，目前已有较多思路，可在一定程度上对大埋深隧洞的围岩变形量值进行预测，为施工期围岩安全提供保障。但是，这些方法用于大埋深隧洞条件下的围岩大变形灾害预测还存在较多不足。例如，以芬纳公式为代表的围岩变形预测公式，基于小变形假定和理想弹塑性理论推导而得，用于一般条件下围岩的变形预测具有较好的适应性，但大埋深条件下的围岩变形具有变形量值大、围岩峰后强度弱化的特点，这类围岩变形预测公式的预测结果一般要小于实际围岩变形，故不再适用。另一类围岩变形预测公式，则是Hoek提出的系列公式为代表，其突出特点是以建立岩石(体)单轴抗压强度与初始地应力的比值为核心判别指标(简称强度应力比)，但在实际工程应用时，只能对围岩大变形量值做粗略估计，预测结果具有较大的经验性。因此，对于大埋深隧洞的围岩大变形预测，目前还缺乏一套相对完整的预测方法和实施技术作为指导依据。长距离隧洞工程遭遇大埋深且岩性较差的地层条件时，一般只能根据勘察设计阶段获得的地应力和岩体力学参数，采用现有的围岩变形预测方法，对围岩变形量值范围进行粗略估计，并根据其他工程的经验进行加固支护措施设计，难以做到基于围岩实际条件的定量化成果，对围岩大变形进行更为准确的定量化评价与大变形支护和防治措施的选型。
发明内容
本发明针对上述存在的问题，提出一种基于勘探平硐现场测试和试验以及围岩变形预测公式的大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，在施工期，对隧洞大埋深洞段所在的地层，开展现场地应力测试和现场岩石力学试验，获得的该地层的地应力和岩体力学参数，并采用围岩变形预测公式，对围岩大变形进行预测，从而根据围岩变形水平，采用针对性的大变形支护措施，为大埋深隧洞围岩大变形的支护设计优化提供依据。
为实现上述目的，本发明所设计的大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，其特殊之处在于，所述方法包括：
步骤1：在隧洞施工现场，利用勘探平硐进行原位地应力测试，获得测试部位的初始地应力场最大主应力σ0；
步骤2：在勘探平硐内进行岩石变形试验，获得测试部位隧洞岩体的变形模量Emass；
步骤3：在勘探平硐内进行岩体直剪强度试验，获得测试部位隧洞岩体的抗剪强度参数，即粘聚力c和摩擦系数
Figure BDA0002464250890000032
结合变形模量Emass判定测试部位岩体的岩体类别；
步骤4：当岩体类别判定结果为IV类或V类时，根据岩体的粘聚力c和摩擦系数
Figure BDA0002464250890000033
计算得到测试部位隧洞岩体的单轴抗压强度σmass；
步骤5：利用步骤1～4得到的参数和岩体类别，采用与IV类岩体和V类类岩体相对应的围岩变形预测公式
Figure BDA0002464250890000031
计算得到围岩相对变形ε，其中α、β、γ为一组系数，E0为变形模量基准值；
步骤6：根据围岩相对变形预测值ε，划分围岩大变形等级，并给出与每一大变形等级对应的支护类型。
优选地，所述步骤5中，确定系数α、β、γ的值的方法为：根据规范和经验确定力学参数和初始地应力分布、正交试验设计获得参数样本、数值分析获得对应围岩变形、幂函数拟合结果优选。
优选地，所述根据规范和经验确定力学参数和初始地应力分布的实施方法为：对IV类岩体或V类岩体的变形模量指标，按照其取值范围进行n等分，得到1组共n+1个数据点；按照同样方法，对粘聚力指标和摩擦系数指标也分别n等分，分别得到2组，每组共n+1个数据点；另外拟定1组隧洞初始地应力量值一般分布范围，为4～24MPa，将其n等分，亦得到n+1个数据点。
优选地，所述正交试验设计获得参数样本的实施方法为：将变形模量、粘聚力和摩擦系数3组共3(n+1)个数据点与初始地应力n+1个数据点汇总，相当于4因素(n+1)水平，采用正交试验设计方法，生成(n+1)4组样本。
优选地，所述数值分析获得对应围岩变形的实施方法为：建立计算网格，假定地应力场为静水压力场，采用FLAC3D软件开启大变形计算模式，将(n+1)4组样本，输入计算网格进行洞室开挖计算，获得围岩变形量后，将其除以其半径，得到相对变形值ε；每个围岩相对变形值与1组样本对应，共计(n+1)4个；建立以
Figure BDA0002464250890000041
为横轴，相对变形值ε为纵轴的坐标系，θ为变形模量影响系数；对于每组样本，计算其
Figure BDA0002464250890000042
值，并将根据每组样本计算得到的相对变形值ε，视为坐标点
Figure BDA0002464250890000043
在坐标系中绘出，(n+1)4组样本共绘出(n+1)4个点。
优选地，所述幂函数拟合结果优选的实施方法为：采用幂函数y＝αxβ进行数据拟合，即：
Figure BDA0002464250890000044
式中γ＝βθ，每取1个θ值，即得到一组α、β、γ系数，以及评价幂函数y＝αxβ拟合接近程度的R平方值；在-1～0之间取若干个θ值，得到对应数量的R平方值，绘制“θ-R平方值”的关系曲线；根据该曲线，确定当R平方值取最大，即拟合接近程度最高时的θ值，作为采用值，进而将与θ采用值对应的α和β作为采用值，再计算得到γ采用值。
优选地，所述步骤1中，所述原位地应力测试采用水压致裂法实现。
优选地，所述步骤2中，所述岩石变形试验采用刚性承压板试验方法实现，勘探平硐内的承压面积不小于2000cm2。
优选地，所述步骤3中，岩体直剪强度试验采用平推法实现。
优选地，所述步骤4中，采用式
Figure BDA0002464250890000051
计算岩体的单轴抗压强度σmass。
采用了以上技术方案，本发明的积极效果和优点在于：
(1)借助勘探平硐，在隧洞现场开展原位地应力测试和岩石力学试验，获得的测试结果和试验数据直接反映隧洞工程实际条件，为围岩大变形预测提供准确参数。
(2)根据勘探平硐的现场岩石力学试验所获得的岩体力学参数，可判定隧洞的岩体类别，从而将围岩大变形预测限定在易发此类灾害的IV类和V类岩体，这样就使得围岩变形预测的适用对象更具针对性。本发明分别针对IV类岩体和V类岩体的力学参数取值范围，分别确定围岩变形预测公式中α、β、γ系数的采用值，可反映不同岩体类别条件下的围岩变形水平，提高围岩大变形预测结果的针对性和准确性。
(3)本发明提出的围岩变形预测公式，采用强度应力比
Figure BDA0002464250890000052
和变形模量比
Figure BDA0002464250890000053
两个指标进行围岩变形预测，不仅体现了围岩体强度不足是孕育围岩大变形灾变的内因，进而采用强度应力比为指标，而且考虑到了围岩变形参数是决定围岩变形量值的重要指标，可使得围岩大变形预测结果更为接近实际情况。
(4)本发明采用的FLAC3D软件，在计算正交试验设计产生的14641组样本时，开启了大变形计算模式，该模式允许网格节点在计算过程中，根据位移值实时动态更新节点位置，计算所得的围岩变形量值可以达到米级，即接近或超过1m，使计算结果可达到围岩大变形水平。以这些计算结果拟合得到的围岩变形预测公式就更加符合“变形量大”这一围岩大变形的关键属性。
附图说明
图1为本发明基于勘探平硐现场测试和试验以及围岩变形预测公式的挤压型围岩大变形预测方法的流程图。
图2为本发明确定围岩预测公式中的α、β、γ系数的流程图(以IV类岩体为例)。
图3为本发明在确定围岩预测公式的α、β、γ系数时(以IV类岩体为例)，所依据的(n+1)4个样本在以ε为纵轴、以
Figure BDA0002464250890000061
为横轴的坐标系中的分布，以及基于幂函数的拟合曲线(n＝10，θ取初值-0.25)。
图4为变形模量影响系数θ与R的平方值的关系曲线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明提出的大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法的实施步骤如下：
步骤1：在隧洞施工现场，利用勘探平硐进行原位地应力测试，获得测试部位的初始地应力场最大主应力σ0，本例中的地应力测试采用水压致裂法。
步骤2：在勘探平硐内进行岩石变形试验，获得测试部位隧洞岩体的变形模量Emass，本例中的岩石变形试验采用刚性承压板试验方法，每次力学试验的岩体承压面积不小于2000cm2。
步骤3：在勘探平硐内进行岩体直剪强度试验，获得测试部位隧洞岩体的抗剪强度参数，即粘聚力c和摩擦系数
Figure BDA0002464250890000072
本例中的岩体直剪强度试验采用平推法，每次力学试验的岩体试样受剪截面为正反面，边长不小于50cm，岩体受剪面有效面积不小于2500cm2。结合步骤2的试验结果，可以获得洞室岩体的变形模量Emass、粘聚力c和摩擦系数参数
Figure BDA0002464250890000073
根据水利水电工程地质勘察规范(GB50487)的岩体力学参数取值范围，判定隧洞测试部位的岩体类别，见表1。因为围岩大变形的易发洞段为IV类和V类岩体，所以如果岩体类别判定结果为I类、II类或III类，则认为隧洞测试部位不会发生围岩大变形，不再进行围岩大变形预测。例如，若试验结果为Emass＝3.5GPa，c＝0.34MPa，
Figure BDA0002464250890000074
根据表1，判定为IV类岩体，进入下一步骤；若试验结果为Emass＝6.0GPa，c＝0.8MPa，
Figure BDA0002464250890000075
根部表1，判定为III类围岩，认为隧洞测试部位不会发生围岩大变形，不再进行围岩大变形预测。
表1岩体力学参数取值范围
Figure BDA0002464250890000071
步骤4：当岩体类别判定结果为IV类或V类时，根据岩体的粘聚力c和摩擦系数
Figure BDA0002464250890000081
采用式
Figure BDA0002464250890000082
计算隧洞测试部位岩体的单轴抗压强度σmass，承步骤3的c＝0.34MPa，
Figure BDA0002464250890000083
试验结果实例，算得σmass＝1.39MPa。
步骤5：利用步骤1～4得到的参数和岩体类别，采用与IV类岩体和V类类岩体相对应的围岩变形预测公式
Figure BDA0002464250890000084
计算得到围岩相对变形ε，其中α、β、γ为系数，与岩体围岩分类相关，E0为变形模量基准值，取为1.0GPa。
采用“根据规范和经验确定力学参数和初始地应力分布——正交试验设计获得参数样本——数值分析获得对应围岩变形——幂函数拟合结果优选”的方法确定系数α、β、γ的值，如图2所示，其具体过程为：
根据规范和经验确定力学参数和初始地应力分布：根据表1，对IV类岩体的变形模量指标，按照其取值范围进行n等分(以下以n＝10为例说明，则为10等分)，得到1组共(n+1)个，即11个数据点，即2.0，2.3，2.6，…，5.0。按照同样方法，对粘聚力指标和摩擦系数指标也分别10等分，得到2组，每组共11个数据点。另外，依据工程经验，拟定1组隧洞初始地应力量值一般分布范围，为4～24MPa，将其10等分，得到11个数据点(单位MPa)，即4.0，6.0，8.0，…，24.0。
正交试验设计获得参数样本：将变形模量、粘聚力和摩擦系数3组共33个数据点与初始地应力11个数据点汇总为表2，相当于4因素11水平，采用同样方法，获得V类岩体力学参数和初始地应力数据点汇总，见表3。对含有4因素11水平的表2采用正交试验设计方法，生成114＝14641组样本。
表2IV类岩体力学参数和初始地应力数据点正交表
Figure BDA0002464250890000091
表3V类岩体力学参数和初始地应力数据点正交表
Figure BDA0002464250890000092
数值分析获得对应围岩变形：建立洞径为6m的计算网格，假定地应力场为静水压力场，采用FLAC3D软件(开启大变形计算模式)，将上述14641组样本逐一作为初始计算条件，输入计算网格进行洞室开挖计算，获得围岩变形量后，将其除以半径3m，得到相对变形值ε。每个围岩相对变形值与1组样本对应，共计14641个。建立以
Figure BDA0002464250890000101
为横轴，相对变形值ε为纵轴的直角坐标系，θ为变形模量影响系数，初值取为-0.5。对于每组样本，计算
Figure BDA0002464250890000102
值，并将根据每组样本计算得到的相对变形值ε，视为坐标点
Figure BDA0002464250890000103
在建立的坐标系中绘出，14641组样本共可绘出14641个点，见图3。
幂函数拟合结果优选：采用幂函数y＝αxβ进行数据拟合，即：
Figure BDA0002464250890000104
式中γ＝βθ，每取1个θ值，可以得到一组α、β、γ系数，以及评价幂函数y＝αxβ拟合接近程度的R平方值。在-1～0之间取多个θ值，得到多个R平方值，绘制“θ-R平方值”的关系曲线。根据该曲线，确定当R平方值取最大，即拟合接近程度最高时的θ值，作为采用值，进而将与θ采用值对应的α和β作为采用值，再计算得到γ采用值。采用相同方法，可得到与表3的V类岩体力学参数对应的另一组α、β、γ系数。本例中，见图3，当θ＝0.25时，幂函数y＝αxβ拟合公式为y＝0.1867x-1.59，反映拟合接近程度的R平方值为0.9422。在-1～0之间取多个θ值，得到多个R平方值，绘制“θ-R平方值”的关系曲线，见图4，可知当θ＝-0.39时，R平方值达到最大，对应的拟合公式为y＝0.3x-1.6，即α＝0.3、β＝-1.6、γ＝βθ＝0.65，代入式(1)，即得IV类岩体围岩大变形预测公式：
Figure BDA0002464250890000111
承步骤3的Emass＝3.5GPa，c＝0.34MPa，
Figure BDA0002464250890000112
试验结果实例，以及步骤4的岩体单轴抗压强度σmass计算值1.39MPa，取隧洞初始地应力σ0为12MPa，可以算得围岩相对变形值ε＝1.414％。
步骤6：根据围岩相对变形预测值ε，划分围岩大变形等级，并给出与每一大变形等级对应的支护类型。承步骤5的围岩相对变形值预测实例，当ε＝1.414％时，根据表4，可划分围岩变形分级为“轻微挤压变形”，对应的支护类型为“一般可用锚杆和喷混凝土处理；为提高安全储备，可视情况采用少量钢支架或格构梁”，从而实现对隧洞围岩大变形预测、分析，并得到对应的支护类型。
表4围岩大变形分级及对应的支护类型
Figure BDA0002464250890000113
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，其特征在于：所述方法包括：
步骤1：在隧洞施工现场，利用勘探平硐进行原位地应力测试，获得测试部位的初始地应力场最大主应力σ0；
步骤2：在勘探平硐内进行岩石变形试验，获得测试部位隧洞岩体的变形模量Emass；
步骤3：在勘探平硐内进行岩体直剪强度试验，获得测试部位隧洞岩体的抗剪强度参数，即粘聚力c和摩擦系数
Figure FDA0003114231940000013
结合变形模量Emass判定测试部位岩体的岩体类别；
步骤4：当岩体类别判定结果为IV类或V类时，根据岩体的粘聚力c和摩擦系数
Figure FDA0003114231940000014
计算得到测试部位隧洞岩体的单轴抗压强度σmass；
步骤5：利用步骤1～4得到的参数和岩体类别，采用与IV类岩体和V类类岩体相对应的围岩变形预测公式
Figure FDA0003114231940000011
计算得到围岩相对变形ε，其中α、β、γ为一组系数，E0为变形模量基准值；确定系数α、β、γ的值的方法为：根据规范和经验确定力学参数和初始地应力分布、正交试验设计获得参数样本、数值分析获得对应围岩变形、幂函数拟合结果；幂函数拟合结果的实施方法为：采用幂函数y＝axβ进行数据拟合，即：
Figure FDA0003114231940000012
式中γ＝βθ，每取1个θ值，即得到一组α、β、γ系数，以及评价幂函数y＝axβ拟合接近程度的R平方值；在-1～0之间取若干个θ值，得到对应数量的R平方值，绘制“θ-R平方值”的关系曲线；根据该曲线，确定当R平方值取最大，即拟合接近程度最高时的θ值，作为采用值，进而将与θ采用值对应的α和β作为采用值，再计算得到γ采用值；
步骤6：根据围岩相对变形预测值ε，划分围岩大变形等级，并给出与每一大变形等级对应的支护类型。
2.根据权利要求1所述的大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，其特征在于：所述根据规范和经验确定力学参数和初始地应力分布的实施方法为：对IV类岩体或V类岩体的变形模量指标，按照其取值范围进行n等分，得到1组共n+1个数据点；按照同样方法，对粘聚力指标和摩擦系数指标也分别n等分，分别得到2组，每组共n+1个数据点；另外拟定1组隧洞初始地应力量值一般分布范围，为4～24MPa，将其n等分，亦得到n+1个数据点。
3.根据权利要求2所述的大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，其特征在于：所述正交试验设计获得参数样本的实施方法为：将变形模量、粘聚力和摩擦系数3组共3(n+1)个数据点与初始地应力n+1个数据点汇总，相当于4因素(n+1)水平，采用正交试验设计方法，生成(n+1)4组样本。
4.根据权利要求3所述的大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，其特征在于：所述数值分析获得对应围岩变形的实施方法为：建立计算网格，假定地应力场为静水压力场，采用FLAC3D软件开启大变形计算模式，将(n+1)4组样本，输入计算网格进行洞室开挖计算，获得围岩变形量后，将其除以其半径，得到相对变形值ε；每个围岩相对变形值与1组样本对应，共计(n+1)4个；建立以
Figure FDA0003114231940000031
为横轴，相对变形值ε为纵轴的坐标系，θ为变形模量影响系数；对于每组样本，计算其
Figure FDA0003114231940000032
值，并将根据每组样本计算得到的相对变形值ε，视为坐标点
Figure FDA0003114231940000033
在坐标系中绘出，(n+1)4组样本共绘出(n+1)4个点。
5.根据权利要求1所述的大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，其特征在于：所述步骤1中，所述原位地应力测试采用水压致裂法实现。
6.根据权利要求1所述的大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，其特征在于：所述步骤2中，所述岩石变形试验采用刚性承压板试验方法实现，勘探平硐内的承压面积不小于2000cm2。
7.根据权利要求1所述的大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，其特征在于：所述步骤3中，岩体直剪强度试验采用平推法实现。
8.根据权利要求1所述的大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，其特征在于：所述步骤4中，采用式
Figure FDA0003114231940000034
计算岩体的单轴抗压强度σmass。
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