CN112127909B - 一种隧道破碎围岩精确注浆修复加固方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种隧道破碎围岩精确注浆修复加固方法,涉及隧道围岩稳定性控制领域。该修复加固方法包括该钻孔分别为现场隧道的不同位置的探测钻孔,利用每个探测断面中的钻孔,采用钻孔窥视仪、双层岩芯管具、地质雷达及CT扫描对围岩断面内部破裂信息进行采集;并确定出围岩松动圈范围;基于划分的严重破碎区、较严重破碎区、裂隙区及完整区的等级,计算得到隧道围岩中不同破碎区裂隙体积及其相应破碎区注浆量形成统一的注浆区;本发明采用了钻孔窥视、双层取岩芯、地质雷达探测与CT扫描相结合的联合物探技术,对围岩内部破裂规律及其特征进行全方位探测,有效避免单一技术探测裂隙的局限性,从而为围岩内部破裂程度划分提供科学支撑。
Description
技术领域
本发明提供的一种隧道破碎围岩精确注浆修复加固方法,涉及隧道围岩稳定性控制领域。
背景技术
随着国家基础建设的深入推进,在城市建设、水利水电、交通运输等工程领域的投入显著增加,以及我国煤矿矿井开采已相继进入深部开采阶段,大断面、长及深埋隧道(巷道)越来越多,且地质构造复杂、施工场地狭小及不可预见性因素增多等,为保障隧道工程安全施工及其稳定性运行提出了新的挑战。目前,维护隧道安全施工及其稳定性的主要方法是锚杆(索)支护加固方法、注浆加固方法及其辅助加固方法(钢筋网、混凝土喷浆等),其中锚杆(索)支护加固方法是保障隧道围岩稳定性的基础支护措施,而注浆加固方法可有效充填隧道围岩内部裂隙,增强围岩强度及其力学状态,以达到改良隧道围岩力学性能的目的,现已得到普遍推广。然而,现场注浆主要依据经验法和工程类比法进行注浆参数设计,往往存在注浆量、注浆压力及注浆效果不合理的问题,甚至引起隧道围岩的二次破坏及失稳等情况,且隧道围岩注浆作为一种封闭性注浆工艺,围岩裂隙充填程度、浆液扩散范围及浆液注浆量等注浆效果均难以确定,从而使得注浆工艺存在注浆参数设计不合理、注浆效率低及注浆效果差等缺点。
由现场工程实践表明,钻孔探测技术、岩体取芯技术及地质雷达探测技术分别具有可视化、直观性及全方位性强等优点,均已成为探测隧道围岩稳定性的有效手段。然而,对于隧道围岩注浆而言,综合采用以上三种探测技术作为隧道围岩定量注浆研究的手段鲜有报道。因此,本发明提出了一种隧道破碎围岩精确注浆修复加固方法。通过采用此方法,可对隧道围岩的精确化探测和可视化探测,掌握隧道围岩浅部和深部裂隙扩展规律以及相应给定围岩体积内裂隙占比等,准确划分围岩内部破碎程度及其注浆参数,从而达到精确注浆和改善注浆效果的目的。
发明内容
本发明采用针对上述不足提供一种隧道破碎围岩精确注浆修复加固方法。
本发明采用如下技术方案:
本发明所述的隧道破碎围岩精确注浆修复加固方法,步骤如下:
步骤一:隧道围岩注浆区及探测点位置确定
基于现场地质条件及工程技术特征,沿隧道延伸方向,选取可代表整个隧道地质条件及围岩破裂区间,该区间即为隧道围岩注浆区域。同时,在该隧道区间内,沿隧道轴向,每2m布置一个测区,一个测区即一个隧道工程断面。
依据隧道断面形状,每个隧道探测断面布置具有代表性的钻孔,钻孔位置分别为:顶板中央位置、底板中央位置、隧道左帮肩角及基角位置、隧道右帮肩角及基角位置、隧道左帮及右帮中央位置。
步骤二:隧道围岩注浆前,采用钻孔窥视仪、双层岩芯管具、地质雷达及CT扫描等技术对围岩内部破裂信息进行采集。
采用钻孔窥视仪对隧道围岩内部进行破裂特征探测,录制视频资料,并统计分析裂隙形态及其条数、裂缝间距及隐伏裂隙。
采用双层岩芯管具对隧道顶底板和两帮围岩浅部及深部进行取芯,统计不同取芯位置处取芯率,并计算宏观裂隙体积占比。
采用地质雷达设备对隧道围岩进行探测,存储数据图像,分析波速波形、峰值及裂隙与围岩表面距离。
取隧道内部不同深度处的围岩,制备成给定体积内标准件,采用CT扫描技术,统计分析不同深度围岩裂隙扩展特征、裂隙条数、裂隙成因及相邻裂隙位置关系等。
步骤三:隧道围岩浅部及深部破裂等级划分;
基于步骤二采集到隧道围岩不同深度岩体抗压强度、岩石质量指标、裂隙间距及条数、裂隙状态及其方向和地下水含量等数据,将围岩由浅部至深部依次划分为严重破碎区、较严重破碎区、裂隙区及完整区,并确定出围岩松动圈范围。
步骤四:隧道围岩注浆参数设计
基于步骤三划分的隧道不同深度围岩破裂等级,计算围岩不同破碎区裂隙体积及其相应破碎区注浆量,并依据围岩浆液球形扩散理论及围岩裂隙贯通性规律,对不同深度围岩注浆孔间排距及注浆压力分别进行合理的设计,使得相邻注浆孔间相互连接,形成统一的注浆区,从而避免出现“注浆盲区”及注浆效果差的缺点。
步骤五:隧道围岩浅部与深部注浆施工
基于步骤四隧道不同深度围岩注浆孔间排距与注浆压力设计参数,首先对隧道围岩浅部进行注浆,注浆3-4h后,浆液凝固与浅部围岩形成统一的承载体,同时成为深部围岩注浆的封堵区,最后按照设计要求对围岩深部进行注浆。
本发明所述的隧道破碎围岩精确注浆修复加固方法
所述钻孔窥视仪用于录制围岩内部裂隙视频信息,为了确保录制信息的完整性及可靠性,每个钻孔进行至少3次钻孔窥视仪录制,统计信息分别为:裂隙条数、裂隙宽度、裂隙扩展方向与隧道走向关系及每条裂隙与围岩表面距离等。裂隙发育程度计算公式为
其中Aij为裂隙对隧道稳定性影响的相关系数,(i=1,2,3,4,i=1代表隧道顶板,i=2代表隧道左帮,i=3代表隧道底板,i=4代表隧道右帮;k代表裂隙距围岩表面距离,≤L钻孔窥视孔);j为隧道围岩探测钻孔编号;Bij为裂隙不同间距对隧道围岩影响的评分值;Cij为相应间距裂隙的总长度;Dij为相应间距裂隙条数。
本发明所述的隧道破碎围岩精确注浆修复加固方法,在采用双层岩芯管具进行围岩连续取芯,分析不同位置处围岩取芯率,并计算相应取芯孔裂隙体积占比,其中取芯率(RQD)i为:
其中l为岩芯单节长,≥10cm;L为同一岩芯钻孔长度;钻孔岩芯裂隙体积占比(i=1,2,3,4,V1代表隧道顶板钻孔体积,V2代表隧道左帮钻孔体积,V3代表隧道底板钻孔体积,V4代表隧道右帮钻孔体积)。
本发明所述的隧道破碎围岩精确注浆修复加固方法,所述采用地质雷达探测围岩中波的传播规律,为保证时间剖面上各测点的位置与实际检测里程位置相对应,在巷道断面上每1m作一个标记,标注里程以供核对。
本发明所述的隧道破碎围岩精确注浆修复加固方法,所述采用CT扫描技术对围岩不同深度岩体标准件进行扫描,为确保扫描效果的清晰及全方位性,应至少进行3次扫描,并做好不同深度裂隙发育特征统计。
(i=1、2、3、4,i=1代表隧道顶板,i=2代表隧道左帮,i=3代表隧道底板,i=4代表隧道右帮)其中表示围岩深度为k时,隧道围岩i内部破碎等级,X1、X2、X3、X4分别表示不同深度岩体强度、岩芯、地下水及裂隙发育程度对隧道围岩稳定性影响的权重因子,表示围岩深度为k时隧道围岩i内部岩体抗压强度;Wi k表示围岩深度为k时隧道围岩i内部地下水含量,均可由现场测试及室内试验测得。
本发明所述的隧道破碎围岩精确注浆修复加固方法,所述的隧道围岩松动圈范围为:Z=max{Z1,Z2,Z3};
其中Z1、Z2、Z3分别表示由钻孔窥视仪、双层岩芯具及地质雷达确定的围岩松动圈范围。
本发明所述的隧道破碎围岩精确注浆修复加固方法,所述的隧道围岩注浆量是依据围岩破碎程度不同而不同,注浆量计算如下:
i=1、2、3、4,i=1代表隧道顶板,i=2代表隧道左帮,i=3代表隧道底板,i=4代表隧道右帮,其中Yi k分别表示围岩深度k时,围岩i注浆量和浆液扩散半径;同时,由柱形注浆理论,推出注浆压力、注浆时间与注浆扩散半径之间的关系为:
其中Pi k表示围岩深度k时,围岩i注浆压力,kw表示浆液扩散系数,t表示注浆时间,r0表示注浆钻孔半径。
有益效果
本发明提供的本发明针对隧道围岩内部破裂特征,采用了钻孔窥视、双层取岩芯、地质雷达探测与CT扫描相结合的联合物探技术,对围岩内部破裂规律及其特征进行全方位探测,有效避免单一技术探测裂隙的局限性,从而为围岩内部破裂程度划分提供科学支撑。
发明基于隧道围岩顶底板及两帮围岩内部探测结果,分别进行了不同围岩深度及不同围岩位置的破裂程度进行了定量划分,与传统单因素围岩破裂等级划分相比更具合理性及科学性。
本发明依据定量划分的不同深度及不同位置围岩破裂等级,定量设计了不同深度围岩注浆量及其注浆参数,克服了传统经验注浆方法的注浆参数设计不合理及注浆效果差等缺点。以本方案为例,采用该发明提供的隧道破碎围岩精确注浆修复加固方法,进行合理的注浆参数设计,注浆结束后,对不同注浆区段进行取芯率检查,取芯率由注浆前的65%提升到了注浆后的92.7%,且注浆区浅部围岩抗压强度与深部围岩抗压强度分别提升了25.1%和19.8%,显著提高了隧道围岩的整体强度和注浆效果,抑制了隧道围岩的变形,从而确保了隧道围岩的稳定性。因此,本方法可为类似隧道破碎围岩注浆修复加固施工提供强有力的技术支撑。
附图说明
图1为本发明隧道围岩支护断面示意图;
图2为本发明隧道围岩钻孔窥视孔布置示意图;
图3为本发明隧道围岩岩芯示意图;
图4为本发明隧道围岩地质雷达扫描顺序示意图;
图5为本发明隧道围岩破碎程度示意图;
图6为本发明隧道围岩浅部注浆孔布置示意图;
图7为本发明隧道围岩深部注浆孔布置示意图;
图8是本发明隧道围岩区域设定示意图。
图中,1是锚索;2是锚杆。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚,下面将结合本发明实施例的附图,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示:本发明采用现场地质探测技术、钻孔窥视仪、围岩钻孔取芯技术、地质雷达探测技术与CT扫描技术相结合,获得注浆修复前围岩力学特性(单轴抗压强度、单轴抗拉强度、内聚力及内摩擦角等)、围岩钻孔取芯率、围岩浅部及深部裂隙成因及其分布规律,分别统计给定体积内围岩裂隙条数及其开裂体积占比,并确定注浆材料配比及给定体积内围岩浅部和深部浆液量,从而达到破碎围岩精确注浆修复的目的。
本发明隧道破碎围岩精确注浆修复加固方法,改善了围岩注浆的效果及注浆效率,其步骤如下:
步骤一:隧道围岩注浆区及探测点位置确定
如图1所示:隧道围岩支护断面示意图。
(1)基于现场地质条件及工程技术特征,沿隧道延伸方向,选取可代表整个隧道地质条件及围岩破裂区间,该区间即为隧道围岩注浆区域。同时,在该隧道区间内,沿隧道轴向,每2m布置一个测区,一个测区即一个隧道工程断面。
(2)依据隧道断面形状,每个隧道探测断面布置具有代表性的钻孔,钻孔位置分别为:顶板中央位置、底板中央位置、隧道左帮肩角及基角位置、隧道右帮肩角及基角位置、隧道左帮及右帮中央位置,探测钻孔布置如图2所示。
步骤二:隧道围岩注浆前,采用钻孔窥视仪、双层岩芯管具、地质雷达及CT扫描等对围岩内部破裂信息进行采集。
(1)采用钻孔窥视仪对隧道围岩内部进行破裂特征探测,录制视频资料,并统计分析裂隙形态及其条数、裂缝间距及隐伏裂隙。
钻孔窥视仪用于录制围岩内部裂隙视频信息,为了确保录制信息的完整性及清晰,每个钻孔进行至少3次钻孔窥视仪录制,统计信息分别为:裂隙条数、裂隙宽度、裂隙扩展方向与隧道走向关系及每条裂隙与围岩表面距离等。裂隙发育程度计算公式为:
其中Aij为裂隙对隧道稳定性影响的相关系数,(i=1,2,3,4,i=1代表隧道顶板,i=2代表隧道左帮,i=3代表隧道底板,i=4代表隧道右帮;j为隧道围岩探测钻孔编号;k代表裂隙距围岩表面距离,≤L钻孔窥视孔);Bij为裂隙不同间距对隧道围岩影响的评分值,如表1所示;Cij为相应间距裂隙的总长度;Dij为相应间距裂隙条数。
表1裂隙间距对隧道围岩影响的评分值
(2)采用双层岩芯管具对隧道顶底板和两帮围岩浅部及深部进行取芯,统计不同取芯位置处取芯率,并计算宏观裂隙体积占比。
采用双层岩芯管具进行围岩连续取芯,分析不同位置处围岩取芯率,并计算相应取芯孔裂隙体积占比,其中取芯率(RQD)i为:
其中l为岩芯单节长,≥10cm;L为同一岩芯钻孔长度;钻孔岩芯裂隙体积占比(i=1,2,3,4,Vi=1代表隧道顶板钻孔体积,Vi=2代表隧道左帮钻孔体积,Vi=3代表隧道底板钻孔体积,Vi=4代表隧道右帮钻孔体积),隧道围岩岩芯示意图如图3所示。
(3)采用地质雷达设备对隧道围岩进行探测,存储数据图像,分析波速波形、峰值及裂隙与围岩表面距离。
采用地质雷达探测围岩中波的传播规律,为保证时间剖面上各测点的位置与实际检测里程位置相对应,在巷道断面上每1m作一个标记,标注里程以供核对,并沿围岩由A-E进行扫描,如图4所示。
(4)取隧道内部不同深度处的围岩,制备成给定体积内标准件,采用CT扫描技术,统计分析不同深度围岩裂隙扩展特征、裂隙条数、裂隙成因及相邻裂隙位置关系等。
采用CT扫描技术对围岩不同深度岩体标准件进行扫描,为确保扫描效果的清晰及全方位性,应至少进行3次扫描,并做好不同深度裂隙发育特征统计。
步骤三:隧道围岩浅部及深部破裂等级划分
基于步骤二采集到隧道围岩不同深度岩体抗压强度、岩石质量指标、裂隙间距及条数、裂隙状态及其方向和地下水含量等数据,将围岩由浅部至深部依次划分为严重破碎区、较严重破碎区、裂隙区及完整区,围岩破裂等级如图5所示,其中红色范围表示严重破碎区,洋红范围表示较严重破碎区,黄色范围表示裂隙区,黄色以外的范围是完整区。
(i=1、2、3、4,i=1代表隧道顶板,i=2代表隧道左帮,i=3代表隧道底板,i=4代表隧道右帮)其中表示围岩深度为k时,隧道围岩i内部破碎等级,X1、X2、X3、X4分别表示不同深度岩体强度、岩芯、地下水及裂隙发育程度对隧道围岩稳定性影响的权重因子,表示围岩深度为k时隧道围岩i内部岩体抗压强度;Wi k表示围岩深度为k时隧道围岩i内部地下水含量,均可由现场测试及室内试验测得。
隧道围岩松动圈范围为:Z=max{Z1,Z2,Z3},其中Z1、Z2、Z3分别表示由钻孔窥视仪、双层岩芯具及地质雷达确定的围岩松动圈范围。
步骤四:隧道围岩注浆参数设计及注浆施工
基于步骤三划分的不同深度围岩破裂等级,计算围岩不同破碎区裂隙体积及其相应破碎区注浆量,并依据围岩浆液球形扩散理论和围岩裂隙贯通性,设计合理的注浆孔间排距,从而减少钻孔数量,避免出现“注浆盲区”。
(1)隧道围岩注浆量是依据围岩破碎程度不同而不同,注浆量为:
(i=1、2、3、4,i=1代表隧道顶板,i=2代表隧道左帮,i=3代表隧道底板,i=4代表隧道右帮)其中Yi k分别表示围岩深度k时,围岩i注浆量和浆液扩散半径。同时,由柱形注浆理论,推出注浆压力、注浆时间与注浆扩散半径之间的关系为:
其中Pi k表示围岩深度k时,围岩i注浆压力,kw表示浆液扩散系数,t表示注浆时间,r0表示注浆钻孔半径。
(2)隧道顶底板、左帮和右帮围岩注浆参数设计,依据浅部围岩浆液扩散半径、注浆量和裂隙贯通性,进行布置浅部注浆钻孔,注浆钻孔间排距为注浆管长度L浅部为围岩表面至围岩内部严重破碎区距离,注浆完毕后要进行封孔处理,隧道围岩浅部注浆孔布置示意图如图6所示。
(3)隧道浅部围岩注浆完毕6h后,按照隧道顶底板、左帮和右帮围岩注浆参数设计,依据深部围岩浆液扩散半径、注浆量和裂隙贯通性,进行布置深部注浆钻孔,注浆钻孔间排距为注浆管长度L深部,L深部>Z。注浆完毕后要进行封孔处理,隧道围岩深部注浆孔布置示意图如图7所示。
隧道围岩浅部与深部注浆完毕后,经现场取芯、室内力学实验及变形监测表明,围岩浅部与深部裂隙得到有效的修复,形成了统一的承载体,且围岩强度及抗变形能力较注浆前显著提高,围岩变形得到有效的控制,从而确保了隧道围岩的稳定性。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种隧道破碎围岩精确注浆修复加固方法,其特征在于:修复加固方法如下:
步骤一:基于现场隧道的地质构造特征,在现场隧道内设立多个测试区,每个测试区为一个现场隧道探测断面,每个隧道探测断面开设钻孔;该钻孔分别为位于顶板中央位置、底板中央位置、隧道左帮肩角及基角位置、隧道右帮肩角及基角位置、隧道左帮及右帮中央位置;
步骤二:利用每个探测断面中的钻孔,采用钻孔窥视仪、双层岩芯管具、地质雷达及CT扫描对围岩断面内部破裂信息进行采集;
其中Aij为裂隙对隧道稳定性影响的相关系数,(i=1,2,3,4,i=1代表隧道顶板,i=2代表隧道左帮,i=3代表隧道底板,i=4代表隧道右帮;k代表裂隙距围岩表面距离,≤L钻孔窥视孔);j为隧道围岩探测钻孔编号;Bij为裂隙不同间距对隧道围岩稳定性影响的评分值;Cij为相应间距裂隙的总长度;Dij为相应间距裂隙条数;
步骤三:通过上述步骤获得的隧道围岩不同深度岩体抗压强度、岩石质量指标、裂隙间距及条数、裂隙状态及其方向和地下水含量等数据,将围岩由浅部至深部依次划分为严重破碎区、较严重破碎区、裂隙区及完整区,并确定出围岩松动圈范围;
步骤四:基于划分的严重破碎区、较严重破碎区、裂隙区及完整区的等级,通过计算得到隧道围岩中不同破碎区裂隙体积及其相应破碎区注浆量,依据围岩浆液球形扩散理论及围岩裂隙贯通性规律,使得相邻注浆孔间相互连接,形成统一的注浆区;
步骤五:通过步骤四中得到隧道不同深度围岩注浆孔间排距与注浆压力参数,对隧道围岩浅部进行注浆,通过浆液凝固与浅部围岩形成统一的承载体,此时的浆液凝固区对深部围岩形成封堵区,随后对围岩深部继续进行注浆即可。
4.根据权利要求1所述的隧道破碎围岩精确注浆修复加固方法,其特征在于:所述步骤三中围岩松动圈范围如下式:
Z=max{Z1,Z2,Z3}
式中Z1、Z2、Z3分别表示由钻孔窥视仪、双层岩芯具及地质雷达确定的围岩松动圈范围。
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