CN116522692B - 地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，涉及岩土工程勘察技术领域，包括：建立岩体抗压强度随钻反演模型，得到岩体抗压强度以及岩体抗压强度与钻进深度变化曲线；根据岩体抗压强度随钻进深度变化曲线的响应特征，建立岩体结构面参数随钻反演模型；基于岩体结构面参数随钻识别模型得到岩体结构面参数，并确定岩体完整性系数；根据岩体完整性系数与岩体抗压强度，建立围岩原位随钻分级模型，得到岩体基本质量指标，以对围岩进行原位随钻分级。本发明能够实现地下工程围岩结构特征原位探测与分级，提高测试精度。

Description

地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法
技术领域
本发明涉及岩土工程勘察技术领域，尤其涉及地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法。
背景技术
随着矿山巷道、交通隧道、水利隧洞等地下工程迅速发展，建设规模不断扩大，深度不断增加，地下工程岩体稳定性控制要求不断提高。岩体强度与结构面参数是反映工程岩体质量的基本参数，自然条件下岩体中存在多尺度、不规则的结构面，结构面的发育破坏了岩体的完整性，使岩体整体强度降低。工程建设过程中，岩体受开挖扰动影响，原有结构面进一步扩展贯通，导致围岩强度劣化严重，原有支护设计难以满足劣化后围岩的控制要求，易造成围岩大变形、顶板冒落和塌方等工程灾害。岩体强度与结构面参数的准确实时获取是进行地下工程围岩分级的前提，围岩分级是支护合理设计的基础，对围岩稳定性控制至关重要。
现有技术中，围岩分级的关键步骤包括岩体结构面参数与强度参数测试，围岩结构面参数获取通常通过钻孔窥视或声波测试法，难以对结构面宽度与角度等参数准确测试，围岩强度参数通常是对围岩进行取芯，将岩芯运送到实验室进行压缩试验，由于取芯和运送的过程中易造成岩芯破裂、破坏，导致测试结果误差较大。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，能够实现地下工程围岩结构特征原位探测与分级，提高测试精度。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的实施例提供了地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，包括：
建立岩体抗压强度随钻反演模型，得到岩体抗压强度以及岩体抗压强度与钻进深度变化曲线；
根据岩体抗压强度随钻进深度变化曲线的响应特征，建立岩体结构面参数随钻反演模型；
基于岩体结构面参数随钻识别模型得到岩体结构面参数，并确定岩体完整性系数；
根据岩体完整性系数与岩体抗压强度，建立围岩原位随钻分级模型，得到岩体基本质量指标，以对围岩进行原位随钻分级。
作为进一步的实现方式，建立岩体钻进过程中的随钻参数与岩体抗压强度的关系式，得到岩体抗压强度随钻反演模型：
；
其中，σ c为岩体抗压强度，N为钻头转速，V为钻进速度，M为钻进扭矩，F为钻进压力，R为钻头半径，κ为钻头倾角，β为切削刃与水平方向夹角，γ为切削角，δ为摩擦角，μ为摩擦系数，L u为各列切削刃长度，x为钻头切削刃列数。
作为进一步的实现方式，利用数字钻探测试系统开展地下工程围岩数字钻探试验，获取岩体随钻参数、岩体抗压强度与完整性系数。
作为进一步的实现方式，所述岩体结构面参数随钻反演模型为：
；
其中，h为结构面位置，α为结构面角度，w为结构面宽度，H a为岩体抗压强度曲线开始下降时的钻进深度，D def为结构面偏转距离，S dri为钻孔间距，L为抗压强度曲线降低宽度。
作为进一步的实现方式，岩体抗压强度随钻进深度变化曲线的响应特征为：
对岩体进行多孔钻进测试，钻孔编号为i，i=2, 3, … ,m，m为整数，钻孔间距为S dri，当钻孔i的钻头遇到结构面前端面时，抗压强度曲线开始下降，此时钻进深度为H ai；当钻头穿过结构面遇到结构面后端面时，抗压强度曲线下降至最低点H bi，当钻头再次进入岩石时，抗压强度曲线开始上升并最终恢复平稳；当钻孔i+1的钻头遇到结构面前端面时，抗压强度曲线开始下降，此时钻进深度为H ai+1。
作为进一步的实现方式，抗压强度曲线降低宽度L=H bi-H ai；结构面偏转距离D def=H ai+1-H ai。
作为进一步的实现方式，根据岩体结构面参数确定岩体完整性系数，首先根据相邻钻孔识别的岩体结构面数量n确定岩体体积结构面数J v，然后确定岩体完整性系数K v；
J v =n/(S dri×H j×D r)，K v=f(J v)；
其中，S dri为钻孔间距，D r为钻孔排距，H j为钻孔深度，K v为J v的函数。
作为进一步的实现方式，所述围岩原位随钻分级模型为：
BQ=a+bσ c+cK v；
其中，BQ为岩体基本质量指标，K v为岩体完整性系数，σ c为岩体抗压强度,a、b、c为常数。
作为进一步的实现方式，设置多个阈值，根据岩体基本质量指标与对应阈值的关系将待评价岩体分为多个等级。
作为进一步的实现方式，当岩体基本质量指标大于第一阈值时，待评价岩体等级为Ⅰ级；当岩体基本质量指标大于第二阈值，且小于等于第一阈值时，待评价岩体等级为Ⅱ级；
当岩体基本质量指标大于第三阈值，且小于等于第二阈值时，待评价岩体等级为Ⅲ级；当岩体基本质量指标大于第四阈值，且小于等于第三阈值时，待评价岩体等级为Ⅳ级；当岩体基本质量指标大于第五阈值，且小于等于第四阈值时，待评价岩体等级为Ⅴ级；当岩体基本质量指标小于等于第五阈值时，待评价岩体等级为Ⅵ级；
其中，第一阈值至第五阈值依次减小。
本发明的有益效果如下：
本发明提出的地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，构建了岩体抗压强度随钻反演模型，建立了岩体结构面参数随钻识别模型，可实时获取岩体抗压强度与结构特征，与传统的岩石强度室内试验测试方法相比，避免了取芯、运输、切割打磨等操作步骤，提高了测试效率，降低了成本。
本发明通过现场原位获取随钻参数，基于建立的岩体抗压强度随钻反演模型和结构面参数随钻识别模型，对现场真实环境下的岩体进行原位测试，解决了现有的钻孔窥视、声波测试等方法难以对岩体结构面宽度与角度等围岩分级关键参数准确测试的难题，提高了围岩分级的准确性。
本发明利用数字钻探测试系统开展地下工程围岩数字钻探试验，获取所述岩体随钻参数、抗压强度与岩体完整性系数，得到岩体基本质量指标，对围岩进行原位随钻分级，避免了传统测试方法获取岩石强度与结构特征参数的滞后性，可为围岩支护合理设计与优化提供实时的参数依据，对围岩稳定性控制至关重要。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书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。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的流程图；
图2是本发明根据一个或多个实施方式的围岩原位分级的纵断面可视化示意图；
图3是本发明根据一个或多个实施方式的围岩原位分级的横断面可视化示意图。
其中，1、Ⅰ级围岩，2、Ⅱ级围岩，3、Ⅲ级围岩，4、数字钻探测试系统。
具体实施方式
实施例一：
本实施例提供了地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，如图1所示，包括：建立岩体抗压强度随钻反演模型，得到岩体抗压强度以及岩体抗压强度与钻进深度变化曲线；根据岩体抗压强度随钻进深度变化曲线的响应特征，建立岩体结构面参数随钻反演模型；基于岩体结构面参数随钻识别模型得到岩体结构面参数，并确定岩体完整性系数；根据岩体完整性系数与岩体抗压强度，建立围岩原位随钻分级模型，得到岩体基本质量指标，以对围岩进行原位随钻分级。
具体的，建立岩体钻进过程中的随钻参数与抗压强度的关系式，得到岩体抗压强度随钻反演模型：
；
其中，σ c为岩体抗压强度，N为钻头转速，V为钻进速度，M为钻进扭矩，F为钻进压力，R为钻头半径，κ为钻头倾角，β为切削刃与水平方向夹角，γ为切削角，δ为摩擦角，μ为摩擦系数，L u为各列切削刃长度，x为钻头切削刃列数。
根据岩体抗压强度随钻进深度变化曲线的响应特征，建立的岩体结构面参数随钻反演模型：
；
其中，h为结构面位置，α为结构面角度，w为结构面宽度，H a为岩体抗压强度曲线开始下降时的钻进深度，D def为结构面偏转距离，S dri为钻孔间距，L为抗压强度曲线降低宽度。
岩体抗压强度随钻进深度变化曲线的响应特征：对岩体进行多孔钻进测试，钻孔编号为i（i=2, 3, … ,m），其中，m为整数；根据断面尺寸合理布置钻孔数量，使得钻孔间距合理；钻孔间距为S dri，当钻孔i的钻头遇到结构面前端面时，抗压强度曲线开始下降，此时钻进深度为H ai；当钻头穿过结构面遇到结构面后端面时，抗压强度曲线下降至最低点H bi，当钻头再次进入岩石时，抗压强度曲线开始上升并最终恢复平稳；当钻孔i+1的钻头遇到结构面前端面时，抗压强度曲线开始下降，此时钻进深度为H ai+1。
抗压强度曲线降低宽度L=H bi-H ai，
结构面偏转距离D def=H ai+1-H ai。
进一步的，岩体结构面参数包括岩体结构面位置h、岩体结构面角度α、岩体结构面宽度w和岩体结构面数量n；根据岩体结构面参数确定岩体完整性系数，首先根据相邻钻孔识别的岩体结构面数量n，确定岩体体积结构面数J v，然后确定岩体完整性系数K v，公式为：
J v =n/(S dri×H j×D r)，K v=f(J v)；
式中，S dri为钻孔间距，D r为钻孔排距，H j为钻孔深度(j=1, 2, 3, …,z)，z为整数；K v是J v的函数，具体根据J v与K v对照表取值；该对照表为现有技术，此处不再赘述。其中，j为钻孔深度编号，将钻进深度H划分为多段，为计算方便，可将每段划分为1米，那么通过钻进深度H可以确定j的取值。
利用数字钻探测试系统4开展地下工程围岩数字钻探试验，获取所述岩体随钻参数、岩体抗压强度与完整性系数。如图2和图3所示，数字钻探测试系统4包括导向钻进系统、液压伺服系统、监测控制系统和智能计算系统，能够对地下工程围岩钻探过程中的随钻参数精确控制和实时监测，实现岩体完整性系数、抗压强度和岩体基本质量指标的实时获取。
围岩原位随钻分级模型为：
BQ=a+bσ c+cK v；
其中，BQ为岩体基本质量指标，K v为岩体完整性系数，σ c为岩体抗压强度,a、b、c为常数。
根据最新的《公路隧道设计规范JTGD70-2004》中对围岩基本质量指标的规定，a=100，b=3，c=250。
通过设置多个阈值，根据岩体基本质量指标与对应阈值的关系将待评价岩体分为多个等级。在本实施例中，设置五个阈值，即，第一阈值、第二阈值、第三阈值、第四阈值和第五阈值，其中第一阈值~第五阈值依次减小；第一阈值~第五阈值根据《公路隧道设计规范JTGD70-2004》确定。
根据BQ将岩体分为6个等级，当BQ大于第一阈值时，所述待评价岩体等级为Ⅰ级围岩1；当BQ大于第二阈值，且小于等于第一阈值时，所述待评价岩体等级为Ⅱ级围岩2；当BQ大于第三阈值，且小于等于第二阈值时，所述待评价岩体等级为Ⅲ级围岩3；当BQ大于第四阈值，且小于等于第三阈值时，所述待评价岩体等级为Ⅳ级围岩；当BQ大于第五阈值，且小于等于第四阈值时，所述待评价岩体等级为Ⅴ级围岩；当BQ小于等于第五阈值时，所述待评价岩体等级为Ⅵ级围岩。
本实施例能够实现地下工程围岩结构特征原位探测与分级，提高测试精度。
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 (8)

1.地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，其特征在于，包括：
建立岩体抗压强度随钻反演模型，得到岩体抗压强度以及岩体抗压强度与钻进深度变化曲线；
根据岩体抗压强度随钻进深度变化曲线的响应特征，建立岩体结构面参数随钻反演模型；
基于岩体结构面参数随钻识别模型得到岩体结构面参数，并确定岩体完整性系数；
根据岩体完整性系数与岩体抗压强度，建立围岩原位随钻分级模型，得到岩体基本质量指标，以对围岩进行原位随钻分级；
建立岩体钻进过程中的随钻参数与岩体抗压强度的关系式，得到岩体抗压强度随钻反演模型：
其中，σ c为岩体抗压强度，N为钻头转速，V为钻进速度，M为钻进扭矩，F为钻进压力，R为钻头半径，κ为钻头倾角，β为切削刃与水平方向夹角，γ为切削角，δ为摩擦角，μ为摩擦系数，L u为各列切削刃长度，x为钻头切削刃列数；
所述岩体结构面参数随钻反演模型为：
其中，h为结构面位置，α为结构面角度，w为结构面宽度，H a为岩体抗压强度曲线开始下降时的钻进深度，D def为结构面偏转距离，S dri为钻孔间距，L为抗压强度曲线降低宽度。
2.根据权利要求1所述的地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，其特征在于，利用数字钻探测试系统开展地下工程围岩数字钻探试验，获取岩体随钻参数、岩体抗压强度与完整性系数。
3.根据权利要求1所述的地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，其特征在于，岩体抗压强度随钻进深度变化曲线的响应特征为：
对岩体进行多孔钻进测试，钻孔编号为i，i=2, 3, … , m，m为整数，钻孔间距为S dri，当钻孔i的钻头遇到结构面前端面时，抗压强度曲线开始下降，此时钻进深度为H ai；当钻头穿过结构面遇到结构面后端面时，抗压强度曲线下降至最低点H bi，当钻头再次进入岩石时，抗压强度曲线开始上升并最终恢复平稳。
4.根据权利要求3所述的地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，其特征在于，抗压强度曲线降低宽度L=H bi-H ai；结构面偏转距离D def= H ai+1- H ai；
其中，H ai+1表示当钻孔i+1的钻头遇到结构面前端面，抗压强度曲线开始下降时的钻进深度。
5.根据权利要求1所述的地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，其特征在于，根据岩体结构面参数确定岩体完整性系数，首先根据相邻钻孔识别的岩体结构面数量n确定岩体体积结构面数J v，然后确定岩体完整性系数K v；
J v =n/(S dri×H j×D r)，K v=f(J v)；
其中，S dri为钻孔间距，D r为钻孔排距，H j为钻孔深度，K v为J v的函数。
6.根据权利要求1所述的地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，其特征在于，所述围岩原位随钻分级模型为：
BQ=a+bσ c+cK v；
其中，BQ为岩体基本质量指标，K v为岩体完整性系数，σ c为岩体抗压强度,a、b、c为常数。
7.根据权利要求1或6所述的地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，其特征在于，设置多个阈值，根据岩体基本质量指标与对应阈值的关系将待评价岩体分为多个等级。
8.根据权利要求7所述的地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，其特征在于，当岩体基本质量指标大于第一阈值时，待评价岩体等级为Ⅰ级；当岩体基本质量指标大于第二阈值，且小于等于第一阈值时，待评价岩体等级为Ⅱ级；
当岩体基本质量指标大于第三阈值，且小于等于第二阈值时，待评价岩体等级为Ⅲ级；当岩体基本质量指标大于第四阈值，且小于等于第三阈值时，待评价岩体等级为Ⅳ级；当岩体基本质量指标大于第五阈值，且小于等于第四阈值时，待评价岩体等级为Ⅴ级；当岩体基本质量指标小于等于第五阈值时，待评价岩体等级为Ⅵ级；
其中，第一阈值至第五阈值依次减小。
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