CN114233393A - 一种地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于地下工程设计技术领域，尤其是涉及一种地下工程围岩‑应力双目标互馈联合调控方法。本发明所提供的地下工程围岩‑应力双目标互馈联合调控方法通过在地下工程断面原位钻孔电视摄像、岩石应力计和声波测试技术，计算获得围岩的局部开裂失稳区裂化系数CDI、应力集中扰动区均压系数PEI和应力平衡原岩区承载系数BCI，确定地下工程开挖分层高度以及浅支固表、扩圈强本和联合承载三个关键环节的支护类型、支护时机和支护长度，主动控制浅层围岩的完整程度和深层围岩的偏应力增高程度，充分发挥浅层围岩和深层围岩的整体承载能力。

Description

一种地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法
技术领域
本发明属于地下工程设计技术领域，尤其是涉及一种地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法。
背景技术
我国地下工程洞室广泛采用新奥法和新意法进行开挖支护设计，目前已有地下工程设计方法强调洞室开挖后及时支护，最大程度上保持围岩的完整性，发挥围岩的自承载能力。
然而，研究表明地下工程围岩失稳主要是由于高应力下岩体脆性破裂造成的，而围岩破裂是一个损伤不断累积的渐变过程，围岩破裂是岩体内部裂纹萌生、扩展、相互作用和贯通的结果，且岩体内部裂纹不同孕育阶段均与不同特征应力对应，地下工程稳定是围岩和应力互馈作用平衡的结果。另外，高应力下围岩的峰后强度和残余强度依然较大，浅层围岩在破裂以后依然具备一定的承载能力。
以往地下工程设计方法仅关注围岩完整性，而忽视围岩应力特征，是以围岩完整性为出发点的单目标调控方法。因此，以往地下工程设计方法倾向于低估围岩的自承载能力，不能充分调动深层围岩的承载潜能。
发明内容
本发明的目的在于，基于现有技术中对地下工程围岩应力转移特征得不到充分量化以及深层围岩自承载能力得不到充分调动的问题，提供一种地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法。
为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
一种地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法，包括如下步骤：
S1、在地下工程洞室断面均匀布置钻孔，通过钻孔电视摄像技术，采集围岩新生裂隙发育特征，计算获得浅层围岩的局部开裂失稳区裂化系数CDI，确定洞室开挖分层高度以及浅层围岩的支护类型、支护时机和支护长度，此过程简述为浅支固表环节，即通过设计浅层支护措施实现加固表层围岩的目的；
S2、通过岩石应力计或空心苞体应变计设备，监测围岩应力变化特征，计算获得深层围岩的应力集中扰动区均压系数PEI，确定深层围岩的支护类型、支护时机和支护长度，此过程简述为扩圈强本环节，即通过设计深层支护措施实现高偏应力显著区往深层围岩转移且增强深层围岩的目的；
S3、通过钻孔声波测试技术，获取围岩波速变化特征，计算获得整个围岩的应力平衡原岩区承载系数BCI，确定整个围岩的支护类型、支护时机和支护长度，此过程简述为联合承载环节，即通过补充深层支护措施实现浅层围岩和深层围岩联合承载的目的。
在采用上述技术方案的同时，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：所述裂化系数CDI的计算公式为：
Figure BDA0003352197130000021
式中：
Z为采用的钻孔区域，取距离洞壁0.5～2.5m的区间长度；
N为原位钻孔Z区间的新生裂隙条数。
作为本发明的优选技术方案：所述均压系数PEI的计算公式为：
Figure BDA0003352197130000022
式中：
σ1-σ3为岩体偏应力，即岩体最大主应力σ1与最小主应力σ3的差值；
max{σ1-σ3}为岩体偏应力的最大值；
min{σ1-σ3}为岩体偏应力的最小值。
作为本发明的优选技术方案：所述承载系数BCI的计算公式为：
Figure BDA0003352197130000031
式中：
vr为围岩声波波速；
mean{vr}为钻孔整个区间监测的围岩声波波速的平均值；
vi为完整岩块的声波波速。
作为本发明的优选技术方案：
所述步骤S1中浅层围岩的安全裂化系数CDI为5；
所述步骤S2中深层围岩的安全均压系数PEI为1.5；
所述步骤S3中整个围岩的安全承载系数BCI为0.8。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S2中岩石应力计或空心苞体应变计设备布置2组共14个，分别位于围岩距离洞壁0.5倍和1倍的洞室开挖有效直径D处。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S1中电视摄像钻孔和步骤S3中声波测试钻孔相同，均为洞室断面均匀布置的7个钻孔。
作为本发明的优选技术方案：地下工程洞室每开挖掘进一次，就对步骤S1-S3的围岩新生裂隙、围岩应力和围岩波速进行测量一次，同步计算获得步骤S1-S3的裂化系数CDI、均压系数PEI和承载系数BCI。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S1中洞室开挖分层高度H的确定进一步包括：
CDI小于1时，开挖分层高度H最大为0.5倍的洞室开挖有效直径D；
CDI为1～3时，开挖分层高度H最大为0.3倍的洞室开挖有效直径D；
CDI大于3时，开挖分层高度H最大为0.1倍的洞室开挖有效直径D。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S1中浅层围岩支护参数的确定进一步包括：CDI大于5时，开始进行浅层支护措施，支护类型为喷射混凝土和砂浆锚杆，锚杆支护长度为2～4m。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S2中深层围岩支护参数的确定进一步包括：PEI大于1.5时，开始进行深层支护措施，支护类型为预应力锚杆，支护长度为4～8m。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S3中整个围岩支护参数的确定进一步包括：BCI小于0.8时，开始进行深层支护措施，支护类型为长锚索，支护长度为8～10m，并对浅层围岩破裂区进行注浆加固。
本发明提供一种地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法，通过局部开裂失稳区裂化系数CDI、应力集中扰动区均压系数PEI和应力平衡原岩区承载系数BCI，通过实施浅支固表、扩圈强本和联合承载三个关键环节，用于确定地下工程开挖支护的基本设计参数，可以广泛地应用于各领域地下工程设计。本发明的技术方案是：通过安装针对浅层围岩和深层围岩的破裂、应力、声波监测仪器，计算获得围岩的局部开裂失稳区裂化系数CDI、应力集中扰动区均压系数PEI和应力平衡原岩区承载系数BCI，确定地下工程开挖分层高度以及浅支固表、扩圈强本和联合承载三个关键环节的支护类型、支护时机和支护长度，主动控制浅层围岩的完整程度和深层围岩的偏应力增高程度，充分发挥浅层围岩和深层围岩的整体承载能力。
本发明提供一种地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法，具有如下有益效果：通过在地下工程断面原位钻孔电视摄像、岩石应力计和声波测试技术，监测围岩破裂、应力和波速信息，计算浅层围岩和深层围岩的完整性和承载能力，通过设计合理的开挖分层高度、支护时机、支护类型和支护参数，有效地调动表层围岩和深层围岩的整体自承载能力。
附图说明
图1为本发明所提供的地下工程洞室断面的钻孔布置图。
图2为本发明所提供的地下工程围岩浅层支护和应力集中区分布图。
图3为本发明所提供的地下工程围岩整体支护和应力转移效果图。
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。
一种地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法，具体骤如下：
步骤S1，在地下工程洞室断面均匀布置钻孔，如图1所示，通过钻孔电视摄像技术，采集围岩新生裂隙发育特征，计算获得浅层围岩的局部开裂失稳区裂化系数CDI，确定洞室开挖分层高度以及浅层围岩的支护类型、支护时机和支护长度，此过程简述为浅支固表环节，即通过设计浅层支护措施实现加固表层围岩的目的；
步骤S2，通过岩石应力计或空心苞体应变计设备，监测围岩应力变化特征，计算获得深层围岩的应力集中扰动区均压系数PEI，确定深层围岩的支护类型、支护时机和支护长度，此过程简述为扩圈强本环节，即通过设计深层支护措施实现高偏应力显著区往深层围岩转移且增强深层围岩的目的；
步骤S3，通过钻孔声波测试技术，获取围岩波速变化特征，计算获得整个围岩的应力平衡原岩区承载系数BCI，确定整个围岩的支护类型、支护时机和支护长度，此过程简述为联合承载环节，即通过补充深层支护措施实现浅层围岩和深层围岩联合承载的目的。
裂化系数CDI的计算公式为：
Figure BDA0003352197130000051
式中：
Z为采用的钻孔区域，取距离洞壁0.5～2.5m的区间长度；
N为原位钻孔Z区间的新生裂隙条数；
均压系数PEI的计算公式为：
Figure BDA0003352197130000052
式中：
σ1-σ3为岩体偏应力，即岩体最大主应力σ1与最小主应力σ3的差值；
max{σ1-σ3}为岩体偏应力的最大值；
min{σ1-σ3}为岩体偏应力的最小值；
承载系数BCI的计算公式为：
Figure BDA0003352197130000061
式中：
vr为围岩声波波速；
mean{vr}为钻孔整个区间监测的围岩声波波速的平均值；
vi为完整岩块的声波波速。
步骤S1中浅层围岩的安全裂化系数CDI为5；步骤S2中深层围岩的安全均压系数PEI为1.5；步骤S3中整个围岩的安全承载系数BCI为0.8。
步骤S2中岩石应力计或空心苞体应变计设备布置2组共14个，分别位于围岩距离洞壁0.5倍和1倍的洞室开挖有效直径D处。
步骤S1中电视摄像钻孔和步骤S3中声波测试钻孔相同，均为洞室断面均匀布置的7个钻孔，如图1所示。
地下工程洞室每开挖掘进一次，就对步骤S1-S3的围岩新生裂隙、围岩应力和围岩波速进行测量一次，同步计算获得步骤S1-S3的裂化系数CDI、均压系数PEI和承载系数BCI。
步骤S1中洞室开挖分层高度H的确定进一步包括：
CDI小于1时，开挖分层高度H最大为0.5倍的洞室开挖有效直径D；
CDI为1～3时，开挖分层高度H最大为0.3倍的洞室开挖有效直径D；
CDI大于3时，开挖分层高度H最大为0.1倍的洞室开挖有效直径D。
步骤S1中浅层围岩支护参数的确定进一步包括：CDI大于5时，开始进行浅层支护措施，支护类型为喷射混凝土和砂浆锚杆，锚杆支护长度为2～4m。
图2为地下工程围岩浅层支护和应力集中区分布图。
步骤S2中深层围岩支护参数的确定进一步包括：PEI大于1.5时，开始进行深层支护措施，支护类型为预应力锚杆，支护长度为4～8m。
步骤S3中整个围岩支护参数的确定进一步包括：BCI小于0.8时，开始进行深层支护措施，支护类型为长锚索，支护长度为8～10m，并对浅层围岩破裂区进行注浆加固。
图3为地下工程围岩整体支护和应力转移效果图。
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，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法，其特征在于：所述地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法包括如下步骤：
S1、在地下工程洞室断面均匀布置钻孔，通过钻孔电视摄像技术，采集围岩新生裂隙发育特征，计算获得浅层围岩的局部开裂失稳区裂化系数CDI，确定洞室开挖分层高度以及浅层围岩的支护类型、支护时机和支护长度，此过程简述为浅支固表环节，即通过设计浅层支护措施实现加固表层围岩的目的；
S2、通过岩石应力计或空心苞体应变计设备，监测围岩应力变化特征，计算获得深层围岩的应力集中扰动区均压系数PEI，确定深层围岩的支护类型、支护时机和支护长度，此过程简述为扩圈强本环节，即通过设计深层支护措施实现高偏应力显著区往深层围岩转移且增强深层围岩的目的；
S3、通过钻孔声波测试技术，获取围岩波速变化特征，计算获得整个围岩的应力平衡原岩区承载系数BCI，确定整个围岩的支护类型、支护时机和支护长度，此过程简述为联合承载环节，即通过补充深层支护措施实现浅层围岩和深层围岩联合承载的目的。
2.根据权利要求1所述的地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法，其特征在于：
所述裂化系数CDI的计算公式为：
Figure FDA0003352197120000011
式中：
Z为采用的钻孔区域，取距离洞壁0.5～2.5m的区间长度；
N为原位钻孔Z区间的新生裂隙条数；
所述均压系数PEI的计算公式为：
Figure FDA0003352197120000012
式中：
σ1-σ3为岩体偏应力，即岩体最大主应力σ1与最小主应力σ3的差值；
max{σ1-σ3}为岩体偏应力的最大值；
min{σ1-σ3}为岩体偏应力的最小值；
所述承载系数BCI的计算公式为：
Figure FDA0003352197120000021
式中：
vr为围岩声波波速；
mean{vr}为钻孔整个区间监测的围岩声波波速的平均值；
vi为完整岩块的声波波速。
3.根据权利要求1所述的地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法，其特征在于：
所述步骤S1中浅层围岩的安全裂化系数CDI为5；
所述步骤S2中深层围岩的安全均压系数PEI为1.5；
所述步骤S3中整个围岩的安全承载系数BCI为0.8。
4.根据权利要求1所述的地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法，其特征在于：
所述步骤S2中岩石应力计或空心苞体应变计设备布置2组共14个，分别位于围岩距离洞壁0.5倍和1倍的洞室开挖有效直径D处。
5.根据权利要求1所述的地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法，其特征在于：
所述步骤S1中电视摄像钻孔和步骤S3中声波测试钻孔相同，均为洞室断面均匀布置的7个钻孔。
6.根据权利要求1所述的地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法，其特征在于：
地下工程洞室每开挖掘进一次，就对步骤S1-S3的围岩新生裂隙、围岩应力和围岩波速进行测量一次，同步计算获得步骤S1-S3的裂化系数CDI、均压系数PEI和承载系数BCI。
7.根据权利要求1所述的地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法，其特征在于：
所述步骤S1中洞室开挖分层高度H的确定进一步包括：
CDI小于1时，开挖分层高度H最大为0.5倍的洞室开挖有效直径D；
CDI为1～3时，开挖分层高度H最大为0.3倍的洞室开挖有效直径D；
CDI大于3时，开挖分层高度H最大为0.1倍的洞室开挖有效直径D。
8.根据权利要求1所述的地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法，其特征在于：
所述步骤S1中浅层围岩支护参数的确定进一步包括：CDI大于5时，开始进行浅层支护措施，支护类型为喷射混凝土和砂浆锚杆，锚杆支护长度为2～4m。
9.根据权利要求1所述的地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法，其特征在于：
所述步骤S2中深层围岩支护参数的确定进一步包括：PEI大于1.5时，开始进行深层支护措施，支护类型为预应力锚杆，支护长度为4～8m。
10.根据权利要求1所述的地下工程围岩-应力双目标互馈联合调控方法，其特征在于：
所述步骤S3中整个围岩支护参数的确定进一步包括：BCI小于0.8时，开始进行深层支护措施，支护类型为长锚索，支护长度为8～10m，并对浅层围岩破裂区进行注浆加固。
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