CN112345647A

CN112345647A - 一种围岩松动圈测试方法

Info

Publication number: CN112345647A
Application number: CN202110005083.3A
Authority: CN
Inventors: 贾朝军; 赵晨阳; 雷明锋; 施成华; 龚琛杰; 张逆进; 曾贤平
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2021-01-05
Filing date: 2021-01-05
Publication date: 2021-02-09
Anticipated expiration: 2041-01-05
Also published as: CN112345647B

Abstract

本发明公开了一种围岩松动圈测试方法，采用现场测试与室内试验的方法，分析隧道施工扰动对围岩的影响，定量确定围岩松动圈的大小及损伤程度。采用声波仪现场测量围岩波速，通过室内循环加卸载试验表征不同损伤程度围岩的波速演化规律。现场波速测试方案采用单孔测试法，测量不同深度处岩体的声波传递速度。采用岩石刚度的折减来描述岩石损伤，进而明确不同损伤程度下岩石的波速和围岩参数的演化规律。将现场测试得到的岩体波速与室内试验确定的波速随损伤演化曲线相比照，为围岩支护设计提供参考依据。本发明实用性好，不仅能够给出围岩开挖松动圈范围，并且能够对松动圈岩体质量进行定量评价。

Description

一种围岩松动圈测试方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种隧道开挖时的围岩松动圈测试方法。

背景技术

近年来，随着高速铁路、公路和地下轨道交通工程的发展，隧道工程呈现出逐年增加的趋势。隧道开挖施工期间，围岩原始状态受到扰动，导致原本致密的围岩产生松动，由松动区域组成的区域即为围岩松动域，围岩松动域的外轮廓即为围岩松动圈。与松动圈外的岩体相比，松动圈内部岩体的自稳能力产生了大幅度降低，需要施做支护结构来避免松动圈内部的岩体产生失稳。

隧道施工期间，一般以围岩松动圈的大小评价隧道围岩损伤的程度，并根据松动圈的大小进行隧道初期支护结构的设计。从安全性和经济性的角度考虑，支护结构强度应和松动圈的大小相匹配。若支护结构强度小，而松动圈大，则施工存在较大的风险；若支护结构强度大，而松动圈小，则会引起材料浪费。因此，准确测量围岩的松动圈具有重要的理论和工程实践指导意义。

目前松动圈测试方法很多，大体可分为两大类：一类是直接观察比较法，另一类是物理方法。直接观察比较法常用的包括：钻孔潜望镜法、钻孔电视法、钻孔取芯法、多点位移计法等。物理方法常用的包括形变电阻率法、声波法和地质雷达等测试方法。

其中，声波法利用各类岩石中声波速度不同，且同种岩石随破裂程度增加声波降低原理来判定松动圈范围。声波的波速随介质裂隙发育、密度降低、声阻抗增加而降低，随应力增大、密度增大而增加。因此测得的声波波速高则说明围岩完整性好，波速低说明围岩存在裂缝，围岩有破坏发生。该方法测试技术成熟可靠，原理简单，仪器重复可以重复使用，因而近年来成为使用最广泛的松动圈测试方法。

但是，该方法只能给出松动圈松动范围的测量，无法给出松动圈内松动开挖损伤岩体质量的定量评价。例如，对于完整性较好的硬岩（Ⅰ、Ⅱ），尽管围岩开挖后由于松动效应导致损伤，其依然具有较高的承载能力。而对于完整性较差的Ⅴ围岩，松动圈内岩体的损伤程度根本无法光凭一个波速测试结果给出合理的评价。

另外，由于围岩赋存环境的差异，更是导致同一类围岩松动圈松动范围差异很大，仅仅采用现场波速测试方法需要在隧道纵断面进行多测测量，以确定整个隧道的整体松动圈，工作量巨大，并且周期长。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够准确计算出围岩松动圈及损伤程度，指导隧道施工的一种围岩松动圈测试方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种围岩松动圈测试方法，包括以下具体步骤：

1）在隧道的横断面和纵断面上开设若干个测试孔，每个测试孔均贯穿围岩层至原岩层；

2）在每个测试孔的孔底布设一个超声波探测装置的探头，并将探头上的气囊内灌入气体对测试孔进行封孔，然后将耦合剂注满测试孔孔底与气囊之间的空间；

3）在每个测试孔的孔底布设一个超声波探测装置的换能器；

4）对每个测试孔采用从孔底至孔口的方式进行波速测试，得围岩波速曲线；

5）在隧道上选取一岩石做为试样，采用岩石声波、声发射同步测量装置对岩石进行循环施加轴压-卸载施压的方式进行室内试验，得围岩波速损伤-演化曲线和应力-应变曲线；

6）将应力-应变曲线与波速损伤-演化曲线相比较，得到隧道岩体不同损伤阶段的波速，并结合与围岩波速曲线的相比较，得到隧道围岩松动圈范围。

优选的，所述测试孔在横断面上设有6个，且分别设置于拱肩、拱腰和拱脚处；在纵断面上设置有3个，且分别设置于上、中、下的中间位置。

优选的，所述探头采用一发双收式结构。

优选的，所述换能器采用一发双收式结构。

作为本发明的进一步方案：所述得到围岩波速曲线的具体方法为：将每个测试孔内的探头采用从孔底至孔口、且每次往孔口方向位移0.2米的方式对每个测试孔不同位置的波速进行测试并记录，得到围岩波速曲线。

作为本发明的进一步方案：所述得到围岩波速损伤-演化曲线的具体方法为：

1）将岩石装入含有岩石声波、声发射同步测量装置的压力机三轴室内，并将岩石声波同步测量装置的压头与岩石接触设置，对压力机三轴室进行密封并填充液压油；

2）将围压加载至设定值并始终保持围压的恒定；

3）待试样体积变形恒定后，开始施加轴压，施加轴压时同步采用声波仪进行声波测试，施加轴压时采用应力控制方式，首先施加轴压到单轴抗压强度的

后卸载到轴压为0MPa；

4）继续施加轴压，每次施加轴压的增加幅度为

，然后卸载至轴压为0MPa；

5）重复步骤4），直到岩石发生破坏；

6）峰后继续进行循环加载与卸载，每次施加轴压较前一个循环降低

，卸荷最低点为0MPa；

7）重复步骤6），直到岩石发生残余变形，试验停止；

8）对试验结果进行处理，获取每一次循环加载与卸载的杨氏模量，以损伤变量Ɗ为自变量，绘制围岩波速损伤-演化曲线，建立围岩力学参数-损伤演化方程。

作为本发明的进一步方案：所述损伤变量Ɗ的计算公式为：Ɗ=1-E'/E₀，其中：E'为损伤后的岩石杨氏模量，E₀为未发生损伤的岩石杨氏模量。

作为本发明的进一步方案：所述得到应力-应变曲线的具体方法为：对岩石进行多次循环加载与卸载过程的试验，且在试验过程中通过对峰前应力逐级增加、对峰后应力则逐级降低，直到岩石发生残余变形，循环加卸载的外包络线即为应力-应变曲线，而根据每一次循环加卸载过程可得对应损伤状态下的围岩力学参数。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

（1）本发明所提供的方法以现场测试和室内试验为基础，通过分析隧道不同区域处岩体的波速、岩石应力-应变曲线、以及岩石损伤曲线与岩石波速之间的关系，开展反分析得到围岩松动圈大小。

（2）本发明所提供的方法，与现有技术相比，取得的有益效果如下：本发明的现场测试方法简单易行，采用单孔测试法可以得到隧道周边不同深度处围岩的波速，采用室内试验的方法得到波速随损伤的变化关系，将现场测试得到的围岩波速曲线与波速-损伤演化曲线相比较，从而更精确地判定隧道围岩松动圈范围，从而科学指导围岩的加固措施和初期支护设计，具有重要的工程指导意义。

（3）采用本发明所提供的方法，当隧道埋深或岩性发生改变，只需要采集对应岩性的完整试样开展对应埋深（围压）下的室内三轴循环加卸载试验和波速测试试验，采用数值方法或经验法便可得到松动圈厚度。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明中隧道横断面测试孔布置示意图；

图3是本发明中隧道纵断面测试孔布置示意图；

图4是本发明中应力应变曲线示意图；

图5是本发明中波速-损伤演化曲线示意图。

其中：

A—I分别表示为测试孔，L表示为测试孔的深度，d表示为测试孔的孔径，

表示为应力，E表示为应变，v表示为波速，Ɗ表示为损伤量。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

为使本发明的上述目的、特征和优点等能够更加明确易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精确比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施；本发明中所提及的若干，并非限于附图实例中具体数量；本发明中所提及的‘前’‘中’‘后’‘左’‘右’‘上’‘下’‘顶部’‘底部’‘中部’等指示的方位或位置关系，均基于本发明附图所示的方位或位置关系，而不指示或暗示所指的装置或零部件必须具有特定的方位，亦不能理解为对本发明的限制。

实施例一：

参见图1所示，本发明提供的一种围岩松动圈测试方法，包括以下具体步骤：

1）当现场围岩波速测试为深埋围岩时，在隧道的横断面的拱肩、拱腰和拱脚处分别钻取2个测试孔，编号分别为A—F（参见图2所示），在隧道的纵断面的上中下位置中间分别钻取1个测试孔，编号分别为G—I（参见图2和图3所示），且每个测试孔的深度L超过围岩损伤范围，并延伸至原岩中；

2）将超声波探测装置的探头布设于测试孔A—I的孔底，并将探头上的气囊内灌入气体对测试孔A—I进行封孔，然后将水作为耦合剂注满测试孔A—I孔底与气囊之间的空间；

3）测试孔A—I的孔底布设一个超声波探测装置的换能器，对测试孔A—I采用从孔底至孔口的方式进行波速测试，若遇到波速异常的段落，进行多次复检，并取最终的波速值做为最终值，得围岩波速曲线；

4）在隧道上选取一岩石做为试样，采用岩石声波、声发射同步测量装置对岩石进行循环施加轴压-卸载施压的方式进行室内试验，得应力-应变曲线（参见图4所示）和围岩波速-损伤演化曲线（参见图5所示）；

5）将应力-应变曲线与波速损伤-演化曲线相比较，得到隧道岩体不同损伤阶段的波速，并结合与围岩波速曲线的相比较，得到隧道围岩松动圈范围。

优选的，所述测试孔A—I与掌子面的垂直距离大于5米，且测试孔A—I的直径d大于超声波探头直径的40-60mm。

优选的，室内试验的围压需根据现场地应力测量值确定，或根据隧道埋深和岩体物理性质近似得到。

作为本发明的进一步实施例：室内试验为岩石的循环加卸载试验，试验过程中在峰前应力逐级增加，而峰后应力则逐级降低，直至试样发生残余变形，且试验过程中采用声波波速仪实时记录波速变化，得应力应变曲线（参见图4所示）；

作为本发明的进一步实施例：所述得到围岩波速损伤-演化曲线的具体步骤如下：

S1、将岩石装入岩石声波、声发射同步测量装置的压力机三轴室内，并将岩石声波、声发射同步测量装置的压头与岩石接触设置，对压力机三轴室进行密封并填充液压油；

S2、将围压加载到设定值并始终保持围压恒定；

S3、待试样变形恒定后开始施加轴压，施加轴压时同步采用声波仪声进行波测试，施加轴压时采用应力控制方式，首先施加轴压到单轴抗压强度的

后卸载到轴压为0MPa；

S4、继续施加轴压，每次施加轴压的增加幅度为

，然后卸载到轴压为0Mpa；

S5、重复步骤S4，直至试样发生破坏；

S6、峰后继续进行循环加卸载，每次施加轴压都比前一个循环降低

，卸荷最低点也为0MPa；

S7：重复步骤S6，直至试样发生残余变形，试验停止；

S8：对试验结果进行处理，获取每一次循环加载与卸载的杨氏模量，以损伤变量Ɗ为自变量，绘制波速与损伤变量的关系曲线，建立波速随岩石损伤的演化规律。

优选的，所述损伤变量Ɗ的计算公式为：Ɗ=1-E'/E₀，其中：E'为损伤后的岩石杨氏模量，E₀为未发生损伤的岩石杨氏模量。

实施例二：

当现场围岩波速测试遇到浅埋围岩时，将测试孔设置于掌子面前方位置，其测试步骤与实施例一中的步骤相同。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种围岩松动圈测试方法，其特征在于：包括以下具体步骤：

3）在每个测试孔的孔底布设一个超声波探测装置的换能器；

2.根据权利要求1所述的围岩松动圈测试方法，其特征在于：所述得到围岩波速曲线的具体方法为：将每个测试孔内的探头采用从孔底至孔口、且每次往孔口方向位移0.2米的方式对每个测试孔不同位置的波速进行测试并记录，得到围岩波速曲线。

3.根据权利要求1所述的围岩松动圈测试方法，其特征在于：所述得到围岩波速损伤-演化曲线的具体方法为：

2）将围压加载至设定值并始终保持围压的恒定；

后卸载到轴压为0MPa；

4）继续施加轴压，每次施加轴压的增加幅度为

，然后卸载至轴压为0MPa；

5）重复步骤4），直到岩石发生破坏；

，卸荷最低点为0MPa；

7）重复步骤6），直到岩石发生残余变形，试验停止；

4.根据权利要求3所述的围岩松动圈测试方法，其特征在于：所述损伤变量Ɗ的计算公式为：Ɗ=1-E'/E₀，其中：E'为损伤后的岩石杨氏模量，E₀为未发生损伤的岩石杨氏模量。

5.根据权利要求1所述的围岩松动圈测试方法，其特征在于：所述得到应力-应变曲线的具体方法为：对岩石进行多次循环加载与卸载过程的试验，且在试验过程中通过对峰前应力逐级增加、对峰后应力则逐级降低，直到岩石发生残余变形，循环加卸载的外包络线即为应力-应变曲线，而根据每一次循环加卸载过程可得对应损伤状态下的围岩力学参数。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的围岩松动圈测试方法，其特征在于：所述测试孔在横断面上设有6个，且分别设置于拱肩、拱腰和拱脚处；在纵断面上设置有3个，且分别设置于上、中、下的中间位置。

7.根据权利要求6所述的围岩松动圈测试方法，其特征在于：所述探头采用一发双收式结构。

8.根据权利要求7所述的围岩松动圈测试方法，其特征在于：所述换能器采用一发双收式结构。