CN116861704A - 一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法，涉及隧道大变形预测领域，包括：首先基于获取的地质资料，构建三维地质模型；再基于三维地质模型和地应力实测结果进行地应力反演分析，确定隧道轴线范围内的地应力大小和方向；然后对试验岩样开展点荷载强度测试，计算获得待预测段的岩石单轴抗压强度；再根据待预测段的岩石单轴抗压强度进行岩体抗压强度估算；最后基于地应力反演分析结果中的最大地应力和估算的岩体抗压强度进行隧道大变形等级判定，并基于该判定结果制定相应施工方法及支护参数；本发明能够考虑不同预测区段的地应力特征和围岩性状，能够实现高地应力软岩隧道大变形的动态快速预测。

Description

一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法

技术领域

本发明涉及隧道大变形预测领域，具体涉及一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法。

背景技术

本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

由于艰险山区高地应力和软弱围岩环境的同时影响作用，隧道开挖卸荷过程极易引起围岩持续向净空的挤压变形，长期作用后造成支护钢架扭压变形，喷射混凝土和衬砌混凝土结构开裂，随之产生大变形问题。而随着长大深埋隧道工程建设的日趋增多，高地应力软岩隧道的大变形问题已经成为尤为突显的工程灾害之一。高效准确地预测评估高地应力软岩隧道大变形段落分布及变形等级，能够针对性的制定相应的变形防控措施，为隧道大变形安全施工及运营提供保障。

目前关于高地应力软岩隧道大变形的预测一般是基于勘察设计阶段的地质资料分析，但地质资料获取往往是基于某些特定数据信息实现以点覆面的预测推理，其预测结果的准确性必将受地质勘察资料的局限程度影响，准确性往往较低。例如高地应力分布情况受地质构造影响，存在应力方向的偏转和应力大小的改变，单个测点难以反映实际地应力分布规律。又如围岩强度受区域未探明构造影响，存在局部软弱夹层，裂隙发育的可能。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术中存在的问题，提供了一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法，能够基于隧道范围内少量地应力测试结果，获得区域范围地应力分布规律，结合施工过程揭示围岩情况，动态快速预测高地应力软岩隧道拟施工段的大变形等级，从而解决了上述问题。

本发明的技术方案如下：

一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法，包括：

步骤S1：基于获取的地质资料，构建三维地质模型；所述三维地质模型能够表现地势的高低起伏、隧道大变形预测段轴线走向、断层破碎带范围、不同岩层分布情况；

步骤S2：基于三维地质模型和地应力实测结果进行地应力反演分析，确定隧道轴线范围内的地应力大小和方向；

步骤S3：对试验岩样开展点荷载强度测试，计算获得待预测段的岩石单轴抗压强度；

步骤S4：根据待预测段的岩石单轴抗压强度进行岩体抗压强度估算；

步骤S5：基于地应力反演分析结果中的最大地应力和估算的岩体抗压强度进行隧道大变形等级判定，并基于该判定结果制定相应施工方法及支护参数。

进一步地，所述步骤S1，包括：

获取高地应力软岩隧道轴线范围内的地形等高线分布数据、断层破碎带相关参数、地层岩性基本物理力学参数及分布情况、临近隧道轴线范围内的地应力测点信息及测试结果，并以此建立三维地质模型。

进一步地，所述断层破碎带相关参数，包括：每条断层破碎带的宽度、走向、倾向、倾角；

所述地层岩性基本物理力学参数，包括：容重γ、弹性模量E、泊松比λ、粘聚力c、内摩擦角φ。

进一步地，所述步骤S2中的地应力反演分析采用多元线性回归方法。

进一步地，所述地应力反演分析，包括：

步骤A：通过改变模型边界条件确定多元线性回归方程的不同自变量因素；

步骤B：根据不同自变量因素建立多元线性回归方程；

步骤C：建立三维地质模型坐标系与大地坐标系的转换关系，通过坐标转换得到每个地应力测点在三维地质模型坐标系下的应力分量，分别对应相应地应力实测值；

步骤D：通过最小二乘法计算求解地应力实测值与当地应力回归值平方和最小时的回归系数，得到能够表达三维地质模型地应力大小的多元线性回归方程；

步骤E：对多元线性回归方程进行显著性检验；当不满足检验标准时，对三维地质模型进行修正，直至满足要求；

步骤F：在多元线性回归方程的显著性能够满足检验标准后，进行单个回归系数的显著性检验，对于不满足检验标准的单个自变量进行剔除或修正；最终获得与实际地应力相符的模拟地应力场环境模型；

步骤G：根据得到的模拟地应力场环境模型计算得到相应预测段的最大地应力。

进一步地，所述步骤S4，包括：

岩体抗压强度估算依据Hoek-Brown屈服准则的岩石单轴抗压强度与岩体抗压强度/>关系公式。

进一步地，所述岩石单轴抗压强度与岩体抗压强度/>关系公式为：

式中：

、S、a为岩体力学参数；

为岩体破坏时的最小主应力。

进一步地，岩体力学参数通过如下公式计算：

岩体力学参数S通过如下公式计算：

岩体力学参数a通过如下公式计算：

式中：

为完整岩石岩性系数；

GSI为地质强度指标；

为施工扰动因子；

exp为自然指数函数。

进一步地，所述步骤S5，包括：

依据待预测段地应力反演分析结果的最大地应力和岩体抗压强度/>，计算围岩强度应力比/>，根据围岩强度应力比与大变形等级关系进行动态预判，相应的预测段大变形等级根据50m内最高大变形等级作为判定结果，并制定相应支护参数。

进一步地，所述动态预判的判定标准为：

当围岩强度应力比大于0.5时，判定大变形等级为无变形；

当围岩强度应力比在0.25~0.5之间时，判定大变形等级为轻微；

当围岩强度应力比在0.15~0.25之间时，判定大变形等级为中等；

当围岩强度应力比在0.05~0.15之间时，判定大变形等级为严重；

当围岩强度应力比小于等于0.05时，判定大变形等级为极严重。

与现有的技术相比本发明的有益效果是：

一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法，相比以往隧道设计勘察过程大变形以点覆面的预测方法，该发明能够考虑不同预测区段的地应力特征和围岩性状，能够实现高地应力软岩隧道大变形的动态快速预测。

附图说明

图1为一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法的流程图；

图2为三维地质模型示例图；

图3为地应力反演分析流程图；

图4为GSI的取值标准。

具体实施方式

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

请参阅图1，一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法，具体包括如下步骤：

步骤S1：基于获取的地质资料（包括地形条件和地应力条件），构建三维地质模型；所述三维地质模型能够表现地势的高低起伏、隧道大变形预测段轴线走向、断层破碎带范围、不同岩层分布情况；所述三维地质模型如图2示例；

步骤S2：基于三维地质模型和地应力实测结果进行地应力反演分析，确定隧道轴线范围内的地应力大小和方向；

步骤S3：对试验岩样开展点荷载强度测试，计算获得待预测段的岩石单轴抗压强度；

步骤S4：根据待预测段的岩石单轴抗压强度进行岩体抗压强度估算；

步骤S5：基于地应力反演分析结果中的最大地应力和估算的岩体抗压强度进行隧道大变形等级判定，并基于该判定结果制定相应施工方法及支护参数。

在本实施例中，具体的，所述步骤S1，包括：

获取高地应力软岩隧道轴线范围内的地形等高线分布数据、断层破碎带相关参数、地层岩性基本物理力学参数及分布情况、临近隧道轴线范围内的地应力测点信息及测试结果，并以此建立三维地质模型；

在本实施例中，优选地，为降低三维地质模型的边界效应影响，获取的相关地质资料信息应保证在适当范围，单侧纵向范围应控制在隧道轴线纵向投影长度500~1000m，单侧横向范围应控制在隧道轴线横向投影长度500~1000m；所述断层破碎带相关参数，包括：每条断层破碎带的宽度、走向、倾向、倾角；

所述地层岩性基本物理力学参数，包括：容重γ、弹性模量E、泊松比λ、粘聚力c、内摩擦角φ；地应力测试方法建议采用水压致裂法，测点数量不应小于1个，单个地应力测点应包含不同深度的测试结果，且应包含隧道大变形预测段的埋深范围，此外测点应能够代表隧区地应力的整体特征；三维地质模型应能够表现地势的高低起伏，隧道大变形预测段轴线走向，断层破碎带范围，不同岩层分布情况，地应力测点同时也应包含在三维地质模型中。

在本实施例中，优选地，所述步骤S2中的地应力反演分析采用多元线性回归方法；但不唯一。

在本实施例中，具体的，请参阅图3，所述地应力反演分析，包括：

步骤A：通过改变模型边界条件确定多元线性回归方程的不同自变量因素；优选地，一般情况考虑岩体自重、水平构造应力作用、剪切应力作用；当地温或地下水影响严重时，应同时考虑岩体温度场和渗流场；

步骤B：根据不同自变量因素建立多元线性回归方程：

其中：表示地应力回归值，/>表示多元线性回归方程的回归系数，/>表示模型考虑不同自变量因素的地应力计算值；

步骤C：建立三维地质模型坐标系与大地坐标系的转换关系，通过坐标转换得到每个地应力测点在三维地质模型坐标系下的应力分量，分别对应相应地应力实测值，定义表示为；

步骤D：通过最小二乘法计算求解地应力实测值与当地应力回归值平方和最小时的回归系数，得到能够表达三维地质模型地应力大小的多元线性回归方程；

步骤E：对多元线性回归方程进行显著性检验；当不满足检验标准时，对三维地质模型进行修正，直至满足要求；优选地，常用检验方法，包括：F检验法、t检验法、r检验法；

步骤F：在多元线性回归方程的显著性能够满足检验标准后，进行单个回归系数的显著性检验，对于不满足检验标准的单个自变量进行剔除或修正；最终获得与实际地应力相符的模拟地应力场环境模型；

步骤G：根据得到的模拟地应力场环境模型计算得到相应预测段的最大地应力。

隧道施工临近待预测段后开展超前地质预报，通过超前钻芯取样获得预测段试验岩样，对试验岩样开展点荷载强度测试，计算获得相应预测段的岩石单轴抗压强度。

超前地质预报长度50m，钻芯取样点位置尽量靠近开挖轮廓线的边侧，便于充分表现洞周围岩情况，取样点数量应不小于3处，分别布置在掌子面左侧边墙，右侧边墙和上部拱顶。

在本实施例中，优选地，所述步骤S3，包括：

钻芯取样过程获得的试验岩样以钻孔每10m岩样为1组，每组试验岩样数量宜15~20个，采用非规则岩样进行点荷载强度测试；依据规范“工程岩体试验方法标准（GB/T50266-2013）”的相关内容，非规则岩样尺寸控制在50mm±35mm，两加载点间距与加载位置平均宽度之比为0.3~10。通过计算非规则岩样的未经修正点荷载强度/>，，再根据/>计算修正点荷载强度/>；计算每组岩样的平均修正点荷载强度作为相应测试段的岩石修正点荷载强度值；依据规范“工程岩体分级标准（GB/T50218-2014）”中的相关规定，通过/>将测试段的修正点荷载强度换算为相应的单轴抗压强度，据此便可得到超前地质预报段每间隔10m的岩石单轴抗压强度。

在本实施例中，具体的，所述步骤S4，包括：

岩体抗压强度估算依据Hoek-Brown屈服准则的岩石单轴抗压强度与岩体抗压强度/>关系公式。

进一步地，所述岩石单轴抗压强度与岩体抗压强度/>关系公式为：

式中：

、S、a为岩体力学参数；

为岩体破坏时的最小主应力。

进一步地，岩体力学参数通过如下公式计算：

岩体力学参数S通过如下公式计算：

岩体力学参数a通过如下公式计算：

式中：

为完整岩石岩性系数；

GSI为地质强度指标；具体的，GSI的取值标准见图4；

为施工扰动因子；根据隧道开挖方法/>取值为0~1之间；

exp为自然指数函数。

在本实施例中，具体的，所述步骤S5，包括：

依据待预测段地应力反演分析结果的最大地应力和岩体抗压强度/>，计算围岩强度应力比/>，根据围岩强度应力比与大变形等级关系进行动态预判，相应的预测段大变形等级根据50m内最高大变形等级作为判定结果，并制定相应支护参数。

在本实施例中，具体的，所述动态预判的判定标准为：

当围岩强度应力比大于0.5时，判定大变形等级为无变形；

当围岩强度应力比在0.25~0.5之间时，判定大变形等级为轻微；

当围岩强度应力比在0.15~0.25之间时，判定大变形等级为中等；

当围岩强度应力比在0.05~0.15之间时，判定大变形等级为严重；

当围岩强度应力比小于等于0.05时，判定大变形等级为极严重；

即所述动态预判的判定标准如表1所示。

表1 动态预判的判定标准表

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

提供本背景技术部分是为了大体上呈现本发明的上下文，当前所署名的发明人的工作、在本背景技术部分中所描述的程度上的工作以及本部分描述在申请时尚不构成现有技术的方面，既非明示地也非暗示地被承认是本发明的现有技术。

Claims (10)

1.一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法，其特征在于，包括：

步骤S1：基于获取的地质资料，构建三维地质模型；所述三维地质模型能够表现地势的高低起伏、隧道大变形预测段轴线走向、断层破碎带范围、不同岩层分布情况；

步骤S2：基于三维地质模型和地应力实测结果进行地应力反演分析，确定隧道轴线范围内的地应力大小和方向；

步骤S3：对试验岩样开展点荷载强度测试，计算获得待预测段的岩石单轴抗压强度；

步骤S4：根据待预测段的岩石单轴抗压强度进行岩体抗压强度估算；

步骤S5：基于地应力反演分析结果中的最大地应力和估算的岩体抗压强度进行隧道大变形等级判定，并基于该判定结果制定相应施工方法及支护参数。

2.根据权利要求1所述的一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法，其特征在于，所述步骤S1，包括：

获取高地应力软岩隧道轴线范围内的地形等高线分布数据、断层破碎带相关参数、地层岩性基本物理力学参数及分布情况、临近隧道轴线范围内的地应力测点信息及测试结果，并以此建立三维地质模型。

3.根据权利要求2所述的一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法，其特征在于，所述断层破碎带相关参数，包括：每条断层破碎带的宽度、走向、倾向、倾角；

所述地层岩性基本物理力学参数，包括：容重γ、弹性模量E、泊松比λ、粘聚力c、内摩擦角φ。

4.根据权利要求1所述的一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法，其特征在于，所述步骤S2中的地应力反演分析采用多元线性回归方法。

5.根据权利要求4所述的一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法，其特征在于，所述地应力反演分析，包括：

步骤A：通过改变模型边界条件确定多元线性回归方程的不同自变量因素；

步骤B：根据不同自变量因素建立多元线性回归方程；

步骤C：建立三维地质模型坐标系与大地坐标系的转换关系，通过坐标转换得到每个地应力测点在三维地质模型坐标系下的应力分量，分别对应相应地应力实测值；

步骤D：通过最小二乘法计算求解地应力实测值与当地应力回归值平方和最小时的回归系数，得到能够表达三维地质模型地应力大小的多元线性回归方程；

步骤E：对多元线性回归方程进行显著性检验；当不满足检验标准时，对三维地质模型进行修正，直至满足要求；

步骤F：在多元线性回归方程的显著性能够满足检验标准后，进行单个回归系数的显著性检验，对于不满足检验标准的单个自变量进行剔除或修正；最终获得与实际地应力相符的模拟地应力场环境模型；

步骤G：根据得到的模拟地应力场环境模型计算得到相应预测段的最大地应力。

6.根据权利要求5所述的一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法，其特征在于，所述步骤S4，包括：

岩体抗压强度估算依据Hoek-Brown屈服准则的岩石单轴抗压强度与岩体抗压强度关系公式。

7.根据权利要求6所述的一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法，其特征在于，所述岩石单轴抗压强度与岩体抗压强度/>关系公式为：

式中：

、S、a为岩体力学参数；

为岩体破坏时的最小主应力。

8.根据权利要求7所述的一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法，其特征在于，岩体力学参数通过如下公式计算：

岩体力学参数S通过如下公式计算：

岩体力学参数a通过如下公式计算：

式中：

为完整岩石岩性系数；

GSI为地质强度指标；

为施工扰动因子；

exp为自然指数函数。

9.根据权利要求5所述的一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法，其特征在于，所述步骤S5，包括：

依据待预测段地应力反演分析结果的最大地应力和岩体抗压强度/>，计算围岩强度应力比/>，根据围岩强度应力比与大变形等级关系进行动态预判，相应的预测段大变形等级根据50m内最高大变形等级作为判定结果，并制定相应支护参数。

10.根据权利要求9所述的一种高地应力软岩隧道大变形等级动态快速预测方法，其特征在于，所述动态预判的判定标准为：

当围岩强度应力比大于0.5时，判定大变形等级为无变形；

当围岩强度应力比在0.25~0.5之间时，判定大变形等级为轻微；

当围岩强度应力比在0.15~0.25之间时，判定大变形等级为中等；

当围岩强度应力比在0.05~0.15之间时，判定大变形等级为严重；

当围岩强度应力比小于等于0.05时，判定大变形等级为极严重。