CN116879406B - 一种隧道围岩稳定性评价方法及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种隧道围岩稳定性评价方法及控制方法，涉及隧道支护技术领域。本发明的隧道围岩稳定性评价方法，基于现场各测试区布置测试孔并同步钻取岩芯试样制作标准试样，基于室内试验获得岩石损伤程度‑波速比演化曲线，再与现场各测试区围岩沿着隧道径向多个波速比进行对比，获取不同测试区及不同深度岩石损伤程度，进一步依据岩石损伤程度对围岩稳定性进行评价及划分，有效提高了围岩稳定性评价的准确性。本发明的隧道围岩稳定性控制方法，根据围岩稳定性进行区域划分，对围岩进行分级分区注浆支护控制治理，避免了注浆及支护材料等的资源浪费，有效控制了治理成本，对提高隧道施工的安全性及高效性具有重要的工程指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及隧道支护技术领域，具体地说是涉及一种隧道围岩稳定性评价方法及控制方法。
背景技术
随着我国城市轨道交通的快速发展建设，隧道建设规模急剧扩增，其穿越的跨度及地层条件复杂程度逐渐增加。在隧道开挖过程中，由于围岩失稳导致隧道垮塌等灾害时有发生，严重影响隧道建设的整体安全性及稳定性。因此对于隧道围岩稳定性进行准确评价及控制是提升隧道建设安全性的关键。
目前，对于围岩稳定性的评价与控制主要采用数值模拟法、工程经验法、现场实测法。其中数值模拟法基于力学模型计算围岩稳定性指标，计算过程长且计算难度大，无法快速指导现场安全生产；工程经验法基于现场地质参数，依据评价指标进行对比分析，但一定程度上混淆了围岩分级与围岩稳定性评价；现场实测法基于现场实际监测数据进行评价，但监测数据较为单一，因此亟需一种针对现有技术不足的隧道围岩稳定性评价及控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种隧道围岩稳定性评价方法及控制方法，以对隧道围岩稳定性进行准确评价并对围岩分区域注浆支护控制治理。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术解决方案如下：
一种隧道围岩稳定性评价方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1、通过地质勘探方式获取隧道施工地层结构及隧道损伤分布特征数据，确定测试区域范围；
步骤2、在隧道掌子面前方设置五个测试区，分别位于隧道开挖断面的拱顶、左拱腰、右拱腰、左拱脚及右拱脚，选取各测试区岩体完整的部位布置测试孔，各测试孔沿着隧道径向布置，测试孔的钻孔深度应贯穿损伤围岩层，在钻孔部位定向钻取岩芯试样；
步骤3、将各测试区钻取的岩芯试样加工制成标准试样，对标准试样进行循环加卸载试验，并利用声波测试装置，确定岩石波速比与损伤程度的关系，形成岩石损伤程度-波速比演化曲线；
步骤4、在各测试孔内部分别布置声波探测装置，启动声波探测装置并使声波探测装置沿着测试孔的轴向进行多点探测，获得各测试区围岩沿着隧道径向多个波速比；
步骤5、将步骤4中各测试区围岩沿着隧道径向多个波速比代入步骤3中相同测试区的岩石损伤程度-波速比演化曲线，得到各测试区围岩沿着隧道径向多个岩石损伤程度，由各测试区围岩沿着隧道径向多个岩石损伤程度判定隧道围岩稳定性；
其中，由各测试区围岩沿着隧道径向多个岩石损伤程度判定隧道围岩稳定性的标准为：
岩石损伤程度≤35%，围岩稳定性为良好；
35%<岩石损伤程度≤55%，围岩稳定性为一般；
55%<岩石损伤程度<75%，围岩稳定性为较差；
岩石损伤程度≥75%，围岩稳定性为极差。
优选的，步骤3的具体步骤如下：
步骤31、将各测试区钻取的岩芯试样加工制成标准试样；
步骤32、将标准试样置于静载加载试验机上，将标准试样的相对两侧布置声波发射器和声波接收器，声波发射器和声波接收器连接声波检测仪，由声波检测仪获取各测试区对应的标准试样非损伤岩石纵波波速Vs0；
启动静载加载试验机对标准试样施加轴压，采用位移控制方式，首先将轴压加载再卸载，由声波检测仪同步监测各测试区对应的标准试样波速演化特征；继续循环加载再卸载，直至标准试样发生破坏；
步骤33、根据每次循环加卸载的输入能、弹性能和耗散能密度，获得岩石损伤程度D，同步监测得到的标准试样不同循环次数下岩石波速；
步骤34、以岩石损伤程度D作为自变量，波速比VS作为因变量，建立岩石损伤程度-波速比演化关系曲线；
波速比VS的计算公式为：VS=Vsi/Vs0，其中：Vsi为标准试样第i次循环下岩石纵波波速；Vs0为标准试样非损伤岩石纵波波速。
优选的，岩石损伤程度D由如下公式得到：
；
其中，
为循环加载至第i次产生的总耗散能；
为加载至最终次循环产生的总耗散能；
；
u i 为第i次循环加载的总输入能，u ie 为第i次循环加载的弹性能，u i 和u ie 依据循环加卸载过程的应力-应变曲线围成的面积获得。
优选的，步骤4的具体步骤如下：
步骤41、将声波发射器和声波接收器布置在测试孔底部，声波发射器和声波接收器连接声波检测仪，并将耦合剂注入测试孔，在测试孔孔口安装密封器；
步骤42、由声波检测仪获取孔底部原岩波速，作为各测试区原岩波速，记为Vx-0；
步骤43、将声波发射器和声波接收器沿测试孔轴向自底部至顶部移动，由声波检测仪获取并记录各测试区围岩沿着隧道径向不同深度波速，记为Vx-h；
步骤44、各测试区围岩沿着隧道径向不同深度的波速比Vx=Vx-h/Vx-0。
优选的，步骤5中，将步骤4中各测试区围岩沿着隧道径向不同深度的波速比代入步骤3中相同测试区的岩石损伤程度-波速比演化曲线，得到相同设定深度下各测试区围岩的岩石损伤程度分别为D拱顶、D左拱腰、D右拱腰、D左拱脚及D右拱脚；
其中，D拱顶为相同设定深度下隧道开挖断面的拱顶测试区围岩的岩石损伤程度，D左拱腰为相同设定深度下隧道开挖断面的左拱腰测试区围岩的岩石损伤程度，D右拱腰为相同设定深度下隧道开挖断面的右拱腰测试区围岩的岩石损伤程度，D左拱脚为相同设定深度下隧道开挖断面的左拱脚测试区围岩的岩石损伤程度，D右拱脚为相同设定深度下隧道开挖断面的右拱脚测试区围岩的岩石损伤程度。
一种隧道围岩稳定性控制方法，在完成上述的隧道围岩稳定性评价方法后，进行如下步骤：
步骤6、将相邻测试区隧道围岩稳定性相同的区域连接为一体，形成不同稳定性区域，不同稳定性区域包括稳定性极差区域、稳定性较差区域、稳定性一般区域及稳定性良好区域；
步骤7、采用室内试验或数值仿真技术对步骤6中的不同稳定性区域进行注浆效果模拟，确定各区域围岩稳定性强化所需注浆支护施工最优技术参数；
步骤8、对各区域采用最优技术参数进行分级分区注浆支护施工；
步骤9、待注浆支护施工完成后，在隧道各测试区布置监测设备，待监测设备监测围岩稳定性符合设定标准，则对隧道围岩表面进行喷浆形成衬砌。
优选的，步骤8的具体步骤如下：
步骤81、注浆前在隧道表面喷射混凝土形成止浆层，防止注浆过程中注浆材料流失，止浆层厚度为30-40mm，混凝土强度为C25-C30，待止浆层形成设定时间后，在不同稳定性区域布置注浆钻孔；
步骤82、先对稳定性极差区域的注浆钻孔进行注浆支护施工，采用高黏度注浆材料，配合0-3MPa注浆压力进行注浆，形成阻隔注浆液流失的承压区；
步骤83、待稳定性极差区域注浆完成设定时间后，对稳定性较差区域的注浆钻孔进行注浆支护施工，采用高渗透性、低黏度注浆材料，配合4-10MPa注浆压力进行注浆，形成高强度的承压区；
步骤84、待稳定性较差区域注浆完成设定时间后，对稳定性一般区域进行注浆支护施工，采用高渗透性、低黏度注浆材料，配合10-15MPa注浆压力进行注浆，形成稳定的固结区。
优选的，步骤81中，不同稳定性区域布置注浆钻孔的布置参数为：
在稳定性极差区域布置的注浆钻孔，钻孔直径为35-50mm，钻孔间距在800-1000mm；在稳定性较差区域布置的注浆钻孔，钻孔直径为35-60mm，钻孔间距在1000-1300mm；在稳定性一般区域布置的注浆钻孔，钻孔直径为35-75mm，钻孔间距在1300-1600mm。
优选的，步骤82至步骤84中，注浆支护施工采用注浆锚索进行施工，在注浆过程中，以相邻注浆钻孔作为注浆效果观测孔，采用钻孔电视监测注浆材料在围岩中的扩散情况及是否存在浆液流失现象，并与步骤7模拟的注浆效果进行对比，以动态调整施工技术参数。
优选的，步骤9中，待监测设备监测围岩稳定性符合设定标准，则对隧道围岩表面进行喷浆形成初次衬砌，待初次衬砌的混凝土达到设定强度后，在初次衬砌表面敷设金属网，对金属网表面进行喷浆，形成二次衬砌。
本发明的有益技术效果是：
本发明的隧道围岩稳定性评价方法，基于现场各测试区布置测试孔并同步钻取岩芯试样制作标准试样，基于室内试验获得岩石损伤程度-波速比演化曲线，再与现场各测试区围岩沿着隧道径向多个波速比进行对比，获取不同测试区及不同深度岩石损伤程度，进一步依据岩石损伤程度对围岩稳定性进行评价及划分，有效提高了围岩稳定性评价的准确性。
本发明的隧道围岩稳定性评价方法，通过现场围岩声波测试即可实现围岩稳定性评价，当隧道岩性发生改变时，只需采集对应区域的完整试样并获取损伤波速比演化关系，即可对该区域稳定性进行判定，现场测试操作简便且适用范围广，有效提高了围岩稳定性评价效率。
本发明的隧道围岩稳定性控制方法，根据围岩稳定性进行区域划分，对围岩进行分级分区注浆支护控制治理，避免了注浆及支护材料等的资源浪费，有效控制了治理成本，对提高隧道施工的安全性及高效性具有重要的工程指导意义。
附图说明
图1为本发明实施例隧道围岩稳定性评价方法及控制方法的流程图；
图2为本发明实施例隧道测试区测试孔的布置示意图；
图3为本发明实施例室内加卸载及声波测试布置示意图；
图4为本发明实施例岩石损伤程度计算示意图；
图5为本发明实施例岩石损伤程度-波速比演化曲线示意图；
图6为本发明实施例现场声波测试装置结构示意图；
图7为本发明实施例密封器部分的侧视图；
图8为本发明实施例现场声波测试装置进行声波测试布置图；
图9为本发明实施例现场声波测试方向示意图；
图10为本发明实施例隧道围岩分级分区注浆控制治理示意图；
其中，
1、拱顶，2、左拱腰，3、右拱腰，4、左拱脚，5、右拱脚，6、室内声波发射器，7、室内声波接收器，8、标准试样，9、静载加载试验机，10、声波检测仪，11、密封器，12、管线，13、耦合剂，14、声波发射器，15、声波接收器，16、孔洞，171、隧道洞室，172、围岩，18、稳定性极差区域注浆钻孔，19、稳定性一般区域注浆钻孔，20、稳定性较差区域注浆钻孔，21、稳定性极差区域，22、稳定性较差区域，23、稳定性一般区域，24、稳定性良好区域，25、初次衬砌，26、金属网，27、二次衬砌，28、注浆锚索。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例中，提供一种隧道围岩稳定性评价方法及控制方法，请参考图1至图10所示。
一种隧道围岩稳定性评价方法，包括如下步骤：
步骤1、通过地质勘探方式获取隧道施工地层结构及隧道损伤分布特征数据，确定测试区域范围。
步骤2、在隧道掌子面前方设置五个测试区，分别位于隧道开挖断面的拱顶1、左拱腰2、右拱腰3、左拱脚4及右拱脚5，选取各测试区岩体完整的部位布置测试孔，各测试孔沿着隧道径向布置，测试孔的钻孔深度应贯穿损伤围岩层，在钻孔部位定向钻取岩芯试样。
步骤3、将各测试区钻取的岩芯试样加工制成标准试样8，对标准试样8进行循环加卸载试验，并利用声波测试装置，确定岩石波速比与损伤程度的关系，形成岩石损伤程度-波速比演化曲线。
步骤3的具体步骤如下：
步骤31、将各测试区钻取的岩芯试样加工制成尺寸为Φ50mm×100mm的标准试样8；
步骤32、将标准试样8置于静载加载试验机9上，将标准试样8的相对两侧布置室内声波发射器6和室内声波接收器7，室内声波发射器6和室内声波接收器7连接声波检测仪10，由声波检测仪10获取各测试区对应的标准试样8非损伤岩石纵波波速Vs0；
启动静载加载试验机9对标准试样8施加轴压，采用位移控制方式，首先将轴压加载再卸载（加载至3KN之后卸载至0.3KN），由声波检测仪10同步监测各测试区对应的标准试样8波速演化特征；继续循环加载再卸载，每次加载增加1KN，然后卸载至0.3KN，直至标准试样8发生破坏；
步骤33、根据每次循环加卸载的输入能、弹性能和耗散能密度，获得岩石损伤程度D，同步监测得到的标准试样8不同循环次数下岩石波速；
步骤34、以岩石损伤程度D作为自变量，波速比VS作为因变量，建立岩石损伤程度-波速比演化关系曲线；
波速比VS的计算公式为：VS=Vsi/Vs0，其中：Vsi为标准试样第i次循环下岩石纵波波速；Vs0为标准试样非损伤岩石纵波波速。
其中，
岩石损伤程度D由如下公式得到：
；
其中，
为循环加载至第i次产生的总耗散能；
为加载至最终次循环产生的总耗散能；
；
u i 为第i次循环加载的总输入能，u ie 为第i次循环加载的弹性能，u i 和u ie 依据循环加卸载过程的应力-应变曲线围成的面积获得。
步骤4、在各测试孔内部分别布置声波探测装置，启动声波探测装置并使声波探测装置沿着测试孔的轴向进行多点探测，获得各测试区围岩172沿着隧道径向多个波速比。
步骤4的具体步骤如下：
步骤41、将声波发射器14和声波接收器15布置在测试孔底部，声波发射器14和声波接收器15经管线12连接位于隧道洞室171的声波检测仪10，并将耦合剂13注入测试孔，在测试孔孔口安装密封器11，管线12穿过密封器11的孔洞16；
步骤42、由声波检测仪10获取孔底部原岩波速，作为各测试区原岩波速，记为Vx-0，其中，各测试区原岩波速分别记为Vx-0拱顶、Vx-0左拱腰、Vx-0右拱腰、Vx-0左拱脚及Vx-0右拱脚，其中，Vx-0拱顶为隧道开挖断面的拱顶测试区原岩波速，Vx-0左拱腰为隧道开挖断面的左拱腰测试区原岩波速，Vx-0右拱腰为隧道开挖断面的右拱腰测试区原岩波速，Vx-0左拱脚为隧道开挖断面的左拱脚测试区原岩波速，Vx-0右拱脚为隧道开挖断面的右拱脚测试区原岩波速；
步骤43、将声波发射器14和声波接收器15沿测试孔轴向自底部至顶部匀速移动，由声波检测仪10获取并记录各测试区围岩172沿着隧道径向不同深度波速，记为Vx-h，其中，各测试区围岩172沿着隧道径向不同深度波速分别记为Vx-h拱顶、Vx-h左拱腰、Vx-h右拱腰、Vx-h左拱脚及Vx-h右拱脚，其中，Vx-h拱顶为隧道开挖断面的拱顶测试区围岩沿着隧道径向不同深度波速，Vx-h左拱腰为隧道开挖断面的左拱腰测试区围岩沿着隧道径向不同深度波速，Vx-h右拱腰为隧道开挖断面的右拱腰测试区围岩沿着隧道径向不同深度波速，Vx-h左拱脚为隧道开挖断面的左拱脚测试区围岩沿着隧道径向不同深度波速，Vx-h右拱脚为隧道开挖断面的右拱脚测试区围岩沿着隧道径向不同深度波速；
步骤44、各测试区围岩172沿着隧道径向不同深度的波速比Vx=Vx-h/Vx-0，其中，各测试区围岩172沿着隧道径向不同深度的波速比分别记为Vx-拱顶、Vx-左拱腰、Vx-右拱腰、Vx-左拱脚及Vx-右拱脚；其中，Vx-拱顶为隧道开挖断面的拱顶测试区围岩沿着隧道径向不同深度的波速比，Vx-左拱腰为隧道开挖断面的左拱腰测试区围岩沿着隧道径向不同深度的波速比，Vx-右拱腰为隧道开挖断面的右拱腰测试区围岩沿着隧道径向不同深度的波速比，Vx-左拱脚为隧道开挖断面的左拱脚测试区围岩沿着隧道径向不同深度的波速比，Vx-右拱脚为隧道开挖断面的右拱脚测试区围岩沿着隧道径向不同深度的波速比。
步骤5、将步骤4中各测试区围岩172沿着隧道径向多个波速比代入步骤3中相同测试区的岩石损伤程度-波速比演化曲线，得到各测试区围岩172沿着隧道径向多个岩石损伤程度，由各测试区围岩172沿着隧道径向多个岩石损伤程度判定隧道围岩稳定性；
其中，由各测试区围岩172沿着隧道径向多个岩石损伤程度判定隧道围岩稳定性的标准为：
岩石损伤程度≤35%，围岩稳定性为良好；
35%<岩石损伤程度≤55%，围岩稳定性为一般；
55%<岩石损伤程度<75%，围岩稳定性为较差；
岩石损伤程度≥75%，围岩稳定性为极差。
具体的，步骤5中，将步骤4中各测试区围岩172沿着隧道径向不同深度的波速比代入步骤3中相同测试区的岩石损伤程度-波速比演化曲线，得到相同设定深度下各测试区围岩172的岩石损伤程度分别为D拱顶、D左拱腰、D右拱腰、D左拱脚及D右拱脚；
其中，D拱顶为相同设定深度下隧道开挖断面的拱顶测试区围岩的岩石损伤程度，D左拱腰为相同设定深度下隧道开挖断面的左拱腰测试区围岩的岩石损伤程度，D右拱腰为相同设定深度下隧道开挖断面的右拱腰测试区围岩的岩石损伤程度，D左拱脚为相同设定深度下隧道开挖断面的左拱脚测试区围岩的岩石损伤程度，D右拱脚为相同设定深度下隧道开挖断面的右拱脚测试区围岩的岩石损伤程度。
一种隧道围岩稳定性控制方法，在完成上述的隧道围岩稳定性评价方法后，进行如下步骤：
步骤6、将相邻测试区隧道围岩172稳定性相同的区域连接为一体，形成不同稳定性区域，不同稳定性区域包括稳定性极差区域21、稳定性较差区域22、稳定性一般区域23及稳定性良好区域24。
步骤7、采用室内试验或数值仿真技术对步骤6中的不同稳定性区域进行注浆效果模拟，确定各区域围岩172稳定性强化所需注浆支护施工最优技术参数（钻孔施工参数、注浆配比参数及支护施工参数）。
步骤8、对各区域采用最优技术参数进行分级分区注浆支护施工。
步骤8的具体步骤如下：
步骤81、注浆前在隧道表面喷射混凝土形成止浆层，防止注浆过程中注浆材料流失，止浆层厚度为30-40mm，混凝土强度为C25-C30，待止浆层形成设定时间（约7天）后，在不同稳定性区域布置注浆钻孔。其中，在稳定性极差区域21布置稳定性极差区域注浆钻孔18，在稳定性较差区域22布置稳定性较差区域注浆钻孔20，在稳定性一般区域23布置稳定性一般区域注浆钻孔19。
步骤81中，不同稳定性区域布置注浆钻孔的布置参数为：
在稳定性极差区域布置的注浆钻孔，钻孔直径为35-50mm，钻孔间距在800-1000mm；在稳定性较差区域布置的注浆钻孔，钻孔直径为35-60mm，钻孔间距在1000-1300mm；在稳定性一般区域布置的注浆钻孔，钻孔直径为35-75mm，钻孔间距在1300-1600mm。
步骤82、先对稳定性极差区域的注浆钻孔进行注浆支护施工，稳定性极差区域分布有较多贯通型裂隙，易导致注浆材料流失，因此采用高黏度注浆材料（水泥浆液注浆材料），配合低压注浆压力（0-3MPa）进行注浆，形成阻隔注浆液流失的承压区。
步骤83、待稳定性极差区域注浆完成设定时间（约7至14天）后，对稳定性较差区域的注浆钻孔进行注浆支护施工，稳定性较差区域分布部分次生裂隙，裂隙间连通性较低，位于高渗性向低渗透性的过渡区，因此采用高渗透性、低黏度注浆材料（化学浆液注浆材料），配合中高压注浆压力（4-10MPa）进行注浆，形成高强度的承压区。
步骤84、待稳定性较差区域注浆完成设定时间（约7至14天）后，对稳定性一般区域进行注浆支护施工，稳定性一般的区域分布有少量微裂隙，因此采用高渗透性、低黏度注浆材料（聚合物注浆材料），配合高压注浆压力（10-15MPa）进行注浆，形成稳定的固结区。
步骤82至步骤84中，注浆支护施工采用注浆锚索28进行施工，在注浆过程中，以相邻注浆钻孔作为注浆效果观测孔，采用钻孔电视监测注浆材料在围岩172中的扩散情况及是否存在浆液流失现象，并与步骤7模拟的注浆效果进行对比，以动态调整施工技术参数。
步骤9、待注浆支护施工完成后，在隧道各测试区布置监测设备，通过监测设备监测围岩172表面位移、锚索受力，待监测设备监测围岩172稳定性符合设定标准，则对隧道围岩172表面进行喷浆形成衬砌。
步骤9中，待监测设备监测围岩172稳定性符合设定标准，则对隧道围岩172表面进行喷浆形成初次衬砌25，初次衬砌25厚度为400mm，待初次衬砌25的混凝土达到设定强度后，在初次衬砌25表面敷设金属网26，对金属网26表面进行喷浆，形成二次衬砌27，二次衬砌厚度为300mm。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明隧道围岩稳定性评价方法有了清楚的认识。本发明的隧道围岩稳定性评价方法，基于现场各测试区布置测试孔并同步钻取岩芯试样制作标准试样，基于室内试验获得岩石损伤程度-波速比演化曲线，再与现场各测试区围岩沿着隧道径向多个波速比进行对比，获取不同测试区及不同深度岩石损伤程度，进一步依据岩石损伤程度对围岩稳定性进行评价及划分，有效提高了围岩稳定性评价的准确性。本发明的隧道围岩稳定性评价方法，通过现场围岩声波测试即可实现围岩稳定性评价，当隧道岩性发生改变时，只需采集对应区域的完整试样并获取损伤波速比演化关系，即可对该区域稳定性进行判定，现场测试操作简便且适用范围广，有效提高了围岩稳定性评价效率。本发明的隧道围岩稳定性控制方法，根据围岩稳定性进行区域划分，对围岩进行分级分区注浆支护控制治理，避免了注浆及支护材料等的资源浪费，有效控制了治理成本，对提高隧道施工的安全性及高效性具有重要的工程指导意义。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种隧道围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1、通过地质勘探方式获取隧道施工地层结构及隧道损伤分布特征数据，确定测试区域范围；
步骤2、在隧道掌子面前方设置五个测试区，分别位于隧道开挖断面的拱顶、左拱腰、右拱腰、左拱脚及右拱脚，选取各测试区岩体完整的部位布置测试孔，各测试孔沿着隧道径向布置，测试孔的钻孔深度应贯穿损伤围岩层，在钻孔部位定向钻取岩芯试样；
步骤3、将各测试区钻取的岩芯试样加工制成标准试样，对标准试样进行循环加卸载试验，并利用声波测试装置，确定岩石波速比与损伤程度的关系，形成各测试区对应的岩石损伤程度-波速比演化曲线；
步骤4、在各测试孔内部分别布置声波探测装置，启动声波探测装置并使声波探测装置沿着测试孔的轴向进行多点探测，获得各测试区围岩沿着隧道径向多个波速比；
步骤4的具体步骤如下：
步骤41、将声波发射器和声波接收器布置在测试孔底部，声波发射器和声波接收器连接声波检测仪，并将耦合剂注入测试孔，在测试孔孔口安装密封器；
步骤42、由声波检测仪获取孔底部原岩波速，作为各测试区原岩波速，记为Vx-0；
步骤43、将声波发射器和声波接收器沿测试孔轴向自底部至顶部移动，由声波检测仪获取并记录各测试区围岩沿着隧道径向不同深度波速，记为Vx-h；
步骤44、各测试区围岩沿着隧道径向不同深度的波速比Vx=Vx-h/Vx-0；
步骤5、将步骤4中各测试区围岩沿着隧道径向多个波速比代入步骤3中相同测试区的岩石损伤程度-波速比演化曲线，得到各测试区围岩沿着隧道径向多个岩石损伤程度，由各测试区围岩沿着隧道径向多个岩石损伤程度判定隧道围岩稳定性；
其中，由各测试区围岩沿着隧道径向多个岩石损伤程度判定隧道围岩稳定性的标准为：
岩石损伤程度≤35%，围岩稳定性为良好；
35%<岩石损伤程度≤55%，围岩稳定性为一般；
55%<岩石损伤程度<75%，围岩稳定性为较差；
岩石损伤程度≥75%，围岩稳定性为极差；
步骤5中，将步骤4中各测试区围岩沿着隧道径向不同深度的波速比代入步骤3中相同测试区的岩石损伤程度-波速比演化曲线，得到相同设定深度下各测试区围岩的岩石损伤程度分别为D拱顶、D左拱腰、D右拱腰、D左拱脚及D右拱脚；
其中，D拱顶为相同设定深度下隧道开挖断面的拱顶测试区围岩的岩石损伤程度，D左拱腰为相同设定深度下隧道开挖断面的左拱腰测试区围岩的岩石损伤程度，D右拱腰为相同设定深度下隧道开挖断面的右拱腰测试区围岩的岩石损伤程度，D左拱脚为相同设定深度下隧道开挖断面的左拱脚测试区围岩的岩石损伤程度，D右拱脚为相同设定深度下隧道开挖断面的右拱脚测试区围岩的岩石损伤程度。
2.根据权利要求1所述的一种隧道围岩稳定性评价方法，其特征在于，
步骤3的具体步骤如下：
步骤31、将各测试区钻取的岩芯试样加工制成标准试样；
步骤32、将标准试样置于静载加载试验机上，将标准试样的相对两侧布置声波发射器和声波接收器，声波发射器和声波接收器连接声波检测仪，由声波检测仪获取各测试区对应的标准试样非损伤岩石纵波波速Vs0；
启动静载加载试验机对标准试样施加轴压，采用位移控制方式，首先将轴压加载再卸载，由声波检测仪同步监测各测试区对应的标准试样波速演化特征；继续循环加载再卸载，直至标准试样发生破坏；
步骤33、根据每次循环加卸载的输入能、弹性能和耗散能密度，获得岩石损伤程度D，同步监测得到的标准试样不同循环次数下岩石波速；
步骤34、以岩石损伤程度D作为自变量，波速比VS作为因变量，建立岩石损伤程度-波速比演化关系曲线；
波速比VS的计算公式为：VS=Vsi/Vs0，其中：Vsi为标准试样第i次循环下岩石纵波波速；Vs0为标准试样非损伤岩石纵波波速。
3.根据权利要求2所述的一种隧道围岩稳定性评价方法，其特征在于，
岩石损伤程度D由如下公式得到：
；
其中，
为循环加载至第i次产生的总耗散能；
为加载至最终次循环产生的总耗散能；
；
u i 为第i次循环加载的总输入能，u ie 为第i次循环加载的弹性能，u i 和u ie 依据循环加卸载过程的应力-应变曲线围成的面积获得。
4.一种隧道围岩稳定性控制方法，其特征在于，在完成权利要求1至3任一项所述的隧道围岩稳定性评价方法后，进行如下步骤：
步骤6、将相邻测试区隧道围岩稳定性相同的区域连接为一体，形成不同稳定性区域，不同稳定性区域包括稳定性极差区域、稳定性较差区域、稳定性一般区域及稳定性良好区域；
步骤7、采用室内试验或数值仿真技术对步骤6中的不同稳定性区域进行注浆效果模拟，确定各区域围岩稳定性强化所需注浆支护施工最优技术参数；
步骤8、对各区域采用最优技术参数进行分级分区注浆支护施工；
步骤9、待注浆支护施工完成后，在隧道各测试区布置监测设备，待监测设备监测围岩稳定性符合设定标准，则对隧道围岩表面进行喷浆形成衬砌。
5.根据权利要求4所述的一种隧道围岩稳定性控制方法，其特征在于，
步骤8的具体步骤如下：
步骤81、注浆前在隧道表面喷射混凝土形成止浆层，防止注浆过程中注浆材料流失，止浆层厚度为30-40mm，混凝土强度为C25-C30，待止浆层形成设定时间后，在不同稳定性区域布置注浆钻孔；
步骤82、先对稳定性极差区域的注浆钻孔进行注浆支护施工，采用高黏度注浆材料，配合0-3MPa注浆压力进行注浆，形成阻隔注浆液流失的承压区；
步骤83、待稳定性极差区域注浆完成设定时间后，对稳定性较差区域的注浆钻孔进行注浆支护施工，采用高渗透性、低黏度注浆材料，配合4-10MPa注浆压力进行注浆，形成高强度的承压区；
步骤84、待稳定性较差区域注浆完成设定时间后，对稳定性一般区域进行注浆支护施工，采用高渗透性、低黏度注浆材料，配合10-15MPa注浆压力进行注浆，形成稳定的固结区。
6.根据权利要求5所述的一种隧道围岩稳定性控制方法，其特征在于，
步骤81中，不同稳定性区域布置注浆钻孔的布置参数为：
在稳定性极差区域布置的注浆钻孔，钻孔直径为35-50mm，钻孔间距在800-1000mm；在稳定性较差区域布置的注浆钻孔，钻孔直径为35-60mm，钻孔间距在1000-1300mm；在稳定性一般区域布置的注浆钻孔，钻孔直径为35-75mm，钻孔间距在1300-1600mm。
7.根据权利要求5所述的一种隧道围岩稳定性控制方法，其特征在于，
步骤82至步骤84中，注浆支护施工采用注浆锚索进行施工，在注浆过程中，以相邻注浆钻孔作为注浆效果观测孔，采用钻孔电视监测注浆材料在围岩中的扩散情况及是否存在浆液流失现象，并与步骤7模拟的注浆效果进行对比，以动态调整施工技术参数。
8.根据权利要求4所述的一种隧道围岩稳定性控制方法，其特征在于，
步骤9中，待监测设备监测围岩稳定性符合设定标准，则对隧道围岩表面进行喷浆形成初次衬砌，待初次衬砌的混凝土达到设定强度后，在初次衬砌表面敷设金属网，对金属网表面进行喷浆，形成二次衬砌。
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