CN111581785A - 高驼峰应力围岩分级方法 - Google Patents

Abstract

高驼峰应力围岩分级方法，在综合考虑影响深切河谷地区围岩等级的主要因素的基础上归纳总结出计算公式与分级标准，适用于所有具有河谷特点的围岩分级，对河谷隧道工程有很强的指导作用。包括以下步骤：①获取深切河谷地层的岩石单轴饱和抗压强度R_c及完整系数K_v；②通过现场试验以及查阅资料获得深切河谷卸荷区与坡表的间距B₁、应力增高区的宽度B₂以及河谷深度h；③计算围岩分级指标CSR值；④确定深切河谷斜坡坡度影响修正系数η₁、地下水水位变化影响半径修正系数η₂、初始地应力状态影响修正系数η₃，对CSR值进行修正得到[CSR]值，根据[CSR]值的范围对高驼峰应力围岩进行分级。

Description

高驼峰应力围岩分级方法

技术领域

本发明涉及隧道与地下工程领域，具体涉及一种高驼峰应力围岩分级方法。

背景技术

地应力是指天然状态下岩体内蕴藏的内力，是岩体在未受到开挖扰动之前，原始赋存在岩体内的应力，现今的地应力是在漫长的地质年代中逐渐形成的，随着时间经历了各种地质构造，其本质实际上是时间和空间的函数，是一种相对稳定的非稳定场；河谷地区则是经历了上百万年的地质构造作用，具有其独特的地质特征和地形特征，河谷斜坡内部的地应力场不仅受构造应力的影响，还受河谷特殊的地形、河谷下切速度、斜坡坡度的影响，在河谷地区进行地下工程的开挖，必然会打破原有的地应力场的平衡状态，在开挖出周围的地应力场进行重新分布，这会导致局部地区的应力集中或应力松弛，引起开挖处周围岩体破坏甚至影响围岩的稳定性；驼峰型分布是河谷岸坡地应力分布的一种基本形式，包括应力释放区、应力增高区和应力稳定区，在各种影响条件相互作用下会得到不同的驼峰应力曲线，对隧道开挖和围岩分级有严重影响。

已有研究表明，隧道围岩分级方法主要是根据岩体坚硬程度、岩体完整系数、开挖隧道断面大小等各种影响因素确定，如BQ法、中国专利201710383639.6《一种基于超大断面隧道的围岩分级方法》以及中国专利201910970871.9《基于隧道埋深及风化层厚度的围岩分级修正方法及装置》等，显示超大断面隧道围岩分级是根据施工阶段掌子面的截面大小以及岩体结构而定，而基于隧道埋深及风化层厚度围岩分级又是在其他分级的方法基础上再考虑隧道埋深和风化层厚度的影响。从以上的方法可以得出，在不同的工程地质条件和施工要求，需要制定不一样的围岩分级方法，所以在未来几十年需要在深切河谷地区开挖隧道就一定要有与之相适应的围岩分级方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题提供一种高驼峰应力围岩分级方法，在综合考虑影响深切河谷地区围岩等级的主要因素的基础上归纳总结出计算公式与分级标准，适用于所有具有河谷特点的围岩分级，对河谷隧道工程有很强的指导作用。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的高驼峰应力围岩分级方法，其特征在于，包括以下步骤：

①获取深切河谷地层的岩石单轴饱和抗压强度R_c及完整系数K_v；

②通过现场试验以及查阅资料获得深切河谷卸荷区与坡表的间距B₁、应力增高区的宽度B₂以及河谷深度h；

③根据步骤①和步骤②获得的岩石单轴饱和抗压强度R_c、完整系数K_v、深切河谷卸荷区与坡表的间距B₁、应力增高区的宽度B₂以及最大初始地应力σ_max五个值，计算围岩分级指标CSR值；

④确定深切河谷斜坡坡度影响修正系数η₁、地下水水位变化影响半径修正系数η₂、初始地应力状态影响修正系数η₃，对CSR值进行修正得到[CSR]值，根据[CSR]值的范围对高驼峰应力围岩进行分级。

本发明的优点主要体现在如下三个方面：

1.本发明高驼峰应力围岩分级方法，将影响河谷地应力的主要因素整合确定计算公式，初步确定围岩的CSR值，再在此基础上通过查本专利制定的规范表获取河谷斜坡坡度、地下水水位变化范围和下切速率三个影响围岩分级的系数，修正CSR值最终获得围岩分级的标准公式，根据这个标准公式可以准确的计算河谷斜坡内部地应力情况，对隧道开挖提供可靠依据。该方法是基于影响深切河谷地应力的因素条件而形成，适用于所有河谷特点的围岩分级，适用对象明确，完全可以适用于各种河谷隧道工程。

2.该方法计算河谷地区围岩分级，从多因素考虑影响斜坡地应力的情况，不但使本发明更具有准确性，而且对现实隧道等工程有很强的指导作用，打破了之前学者没有重视的领域，找到了一个新的研究方向，丰富了地下与隧道工程围岩分级方法。

3.该方法针对具有驼峰应力的深切河谷地区，由于地下工程在驼峰应力区开挖会引起很多事故，所以本发明正好可以指导开挖位置，而且该方法计算简单，结果可靠，为科研便利。

为了使本发明的目的，技术方案更加清楚，本发明提供如下附图说明：

附图说明

本说明书包括如下两幅附图：

图1是本发明高驼峰应力围岩分级方法流程图；

图2是本发明高驼峰应力分布图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明高驼峰围岩分级方法，是基于深切河谷斜坡岩体坚硬程度、完整系数、卸荷区与坡表间距、应力增高区宽度以及河谷深度五个为主要影响因素，在计算出围岩分级指标CSR值后，再考虑河谷下切速率、斜坡坡度和地下水水位变化范围三个影响因素，对围岩分级指标CSR值进行修正得到[CSR]值，根据[CSR]值对高驼峰应力围岩进行分级。

如图1所示，本发明高驼峰应力围岩分级方法，其特征在于，包括以下步骤：

①获取深切河谷地层的岩石单轴饱和抗压强度R_c及完整系数K_v；

②通过现场试验以及查阅资料获得深切河谷卸荷区与坡表的间距B₁、应力增高区的宽度B₂以及河谷深度h；

③根据步骤①和步骤②获得的岩石单轴饱和抗压强度R_c、完整系数K_v、深切河谷卸荷区与坡表的间距B₁、应力增高区的宽度B₂以及最大初始地应力σ_max五个值，计算围岩分级指标CSR值；

④确定深切河谷斜坡坡度影响修正系数η₁、地下水水位变化影响半径修正系数η₂、初始地应力状态影响修正系数η₃，对CSR值进行修正得到[CSR]值，根据[CSR]值的范围对高驼峰应力围岩进行分级。

所述步骤③中，最大初始地应力σ_max按如下公式计算：

式中：μ为岩石泊松比，ω为抗弯模γ为围岩岩体的天然容重，c为围岩体的内聚力，i为惯性半径；

所述步骤③中围岩分级指标CSR值按下式计算：

式中：R_c为岩石饱和单轴抗压强度；K_v为岩石完整系数；B₁为坡表到卸荷带的深度；B₂为驼峰应力增高区的宽度；

使用上述公式时必须符合下列规定：

当R_c＞90K_v+30时，应以R_c＝90K_v+30和K_v、B₁、B₂计算CSR；

当K_v＞0.04R_c+0.4时，应以K_v＝0.04R_c+0.4和R_c、B₁、B₂计算CSR；

当

时，应以

和K_v、R_c、B₂计算CSR。

所述步骤④中通过查阅如下表1、表2和表3分别得到深切河谷斜坡坡度影响修正系数η₁、地下水水位变化影响半径修正系数η₂、初始地应力状态影响修正系数η₃：

表1深切河谷斜坡坡度影响修正系数η₁

表2地下水水位变化影响半径修正系数η₂

表3初始地应力状态影响修正系数η₃

5.如权利要求4所述的高驼峰应力围岩分级方法，其特征是：将深切河谷斜坡坡度影响修正系数η₁、地下水水位变化影响半径修正系数η₂、初始地应力状态影响修正系数η₃代入下式中得到修正后的[CSR]值：

且通过如下表4对驼峰应力围岩进行分级：

表4高驼峰应力围岩分级

下面结合具体实例对本方案的效果作进一步说明，选取赶羊沟公路隧道，该隧道位于邛崃山脉梦笔山支脉北侧，梭磨河右岸山坡之中，隧址区地形主要为高山以及梭磨河谷，梭磨河右岸山坡坡度在45°至59°之间，局部几乎直立，隧道出口位于梭磨河河谷右岸。隧道围岩主要为变质砂岩和板岩，局部地区为千枚岩、碳质板岩以及炭质千枚岩。场地内地下水主要为：松散堆积层孔隙水、基岩裂隙孔隙水和岩溶裂隙水三种类型：隧道修建区域水力坡度大，水交替活动强烈。

采用本发明的高驼峰围岩分级方法进行围岩分级：

在施工现场进行原位试验测得围岩单轴饱和抗压强度R_C＝12MPa；岩石泊松比μ＝0.25；抗弯模量ω＝3.2cm³；天然容重γ＝23/KN·m^-3；惯性半径i＝4.3cm⁴；内聚力c＝8MPa；

根据地质勘测资料，岩体较完整，结构面较发育并且组数为3，主要结构面结合程度一般，可以得出岩体完整性指数K_v＝0.6；测得的卸荷区宽度B₁＝50m；应力增高区宽度B₂＝80m；河谷深度h＝16.8m；斜坡坡度为45°至59°之间；地下水水位变化影响半径在0.5km-1.0km之间；河谷剥蚀下切速率在0.5mm/a-1.0(mm/a)之间；

整合原位试验数据和地质勘测资料结果，将所得数据代入公式1中确定最大初始地应力σ_max＝8MPa；根据公式2初步确定围岩分级指数CSR＝4.6；再根据表1当河谷斜坡坡度为45°至60°之间时，取修正系数η₁＝0.42；根据表2当地下水位变化影响半径为0.5km-1.0km之间时，取修正系数η₂＝0.68；根据表3当河谷剥蚀下切速率在0.5(mm/a)-1.0(mm/a)之间时，取修正系数η₃＝0.12；将以上数据代入公式3计算得到最终围岩分级指数[CSR]＝4.2,查表4可知，该处属于III级围岩，隧道开挖时应采取相对应的支护措施。

综上所述，本发明的高驼峰围岩分级方法方法是基于影响深切河谷地应力的多因素条件而形成，适用于多数河谷特点的围岩分级，适用对象明确，完全可以适用于各种河谷隧道工程。

Claims (5)

1.高驼峰应力围岩分级方法，其特征在于，包括以下步骤：

①获取深切河谷地层的岩石单轴饱和抗压强度R_c及完整系数K_v；

②通过现场试验以及查阅资料获得深切河谷卸荷区与坡表的间距B₁、应力增高区的宽度B₂以及河谷深度h；

③根据步骤①和步骤②获得的岩石单轴饱和抗压强度R_c、完整系数K_v、深切河谷卸荷区与坡表的间距B₁、应力增高区的宽度B₂以及最大初始地应力σ_max五个值，计算围岩分级指标CSR值；

④确定深切河谷斜坡坡度影响修正系数η₁、地下水水位变化影响半径修正系数η₂、初始地应力状态影响修正系数η₃，对CSR值进行修正得到[CSR]值，根据[CSR]值的范围对高驼峰应力围岩进行分级。

2.如权利要求1所述的高驼峰应力围岩分级方法，其特征是：所述步骤③中，最大初始地应力σ_max按如下公式计算：

式中：μ为岩石泊松比，ω为抗弯模γ为围岩岩体的天然容重，c为围岩体的内聚力，i为惯性半径。

3.如权利要求1所述的高驼峰应力围岩分级方法，其特征是：所述步骤③中围岩分级指标CSR值按下式计算：

式中：R_c为岩石饱和单轴抗压强度；K_v为岩石完整系数；B₁为坡表到卸荷带的深度；B₂为驼峰应力增高区的宽度；

使用上述公式时必须符合下列规定：

当R_c＞90K_v+30时，应以R_c＝90K_v+30和K_v、B₁、B₂计算CSR；

当K_v＞0.04R_c+0.4时，应以K_v＝0.04R_c+0.4和R_c、B₁、B₂计算CSR；

当

时，应以

和K_v、R_c、B₂计算CSR。

4.如权利要求1所述的高驼峰应力围岩分级方法，其特征是：所述步骤④中通过查阅如下表1、表2和表3分别得到深切河谷斜坡坡度影响修正系数η₁、地下水水位变化影响半径修正系数η₂、河谷剥蚀下切速率修正系数η₃：

表1 深切河谷斜坡坡度影响修正系数η₁

表2 地下水水位变化影响半径修正系数η₂

表3 河谷剥蚀下切速率修正系数η₃

5.如权利要求4所述的高驼峰应力围岩分级方法，其特征是：将深切河谷斜坡坡度影响修正系数η₁、地下水水位变化影响半径修正系数η₂、初始地应力状态影响修正系数η₃代入下式中得到修正后的[CSR]值：

且通过如下表4对驼峰应力围岩进行分级：

表4 高驼峰应力围岩分级

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