CN117574024A - 一种破碎岩体的隧道围岩径深介质场计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种破碎岩体的隧道围岩径深介质场计算方法，包括如下：步骤一、测得隧道周向围岩内某点处岩体单元局部坐标系下，沿三个正交方向的岩石介质尺寸分别为：l_x′r、l_y′r、l_z′r；计算岩体单元局部坐标系下的岩石介质特征长度比：步骤二、所述岩石介质特征长度比是否满足下式，如果满足，则进行步骤三。步骤三、计算岩体单元点处的介质场量值：步骤四、计算岩体单元局部坐标系下的等效岩石特征长度比；步骤五、计算隧道整体坐标系下围岩径深介质场Me(x)。该计算方法为隧道周边围岩一维径深介质场的计算方法，具有简便实用的优点。

Description

一种破碎岩体的隧道围岩径深介质场计算方法

技术领域

本发明属于隧道监测技术领域，具体涉及一种破碎岩体的隧道围岩径深介质场计算方法。

背景技术

隧道工程修建过程中，开挖隧道轮廓内岩体后，周边围岩因改变了原先的赋存状态而产生应力状态调整，从而产生净空内变形，甚至失稳；支护结构用于控制周边围岩变形，确保隧道安全稳定；隧道大变形或者塌方则是由于周边围岩失稳。因此，隧道周边围岩的物理力学参数及所处的环境(围岩强度、变形参数、破碎程度、地质构造、应力环境、地下水赋存等)是隧道工程重点研究和控制的对象。

隧道周边围岩岩体，具有宏观区域性或场属性，其范围一般为3～5倍隧道跨度，高地应力软岩隧道该范围更大。围岩岩体主要由岩石介质组成，充填气相或液相的空隙介质占比较少，因此隧道围岩介质场的意义重大。

关于隧道围岩介质场，目前还没有明确的定义方法，以往研究更多是表征岩体破碎状态，或者完整岩石内部损伤裂纹发展演化等；破碎岩体岩石介质场的理论方法或物理模型研究现状还是空白，更多停留在反映岩体破碎程度的经验方法层面，尚未上升到介质场理论层面，如完整性系数、节理密度、岩体最小特征长度概念等。隧道围岩介质场的计算方法也是空白，亟需对隧道围岩介质场态进行科学合理的定义，并提出简便实用的计算方法，为隧道工程建设提供技术储备。

发明内容

本发明的目的是提供一种破碎岩体的隧道围岩径深介质场计算方法，为隧道周边围岩一维径深介质场的计算方法，具有简便实用的优点。

本发明采用以下技术方案：一种破碎岩体的隧道围岩径深介质场计算方法，该计算方法包括如下：

步骤一、测得隧道周向围岩内某点处岩体单元局部坐标系下，沿三个正交方向的岩石介质尺寸分别为：l_x′r、l_y′r、l_z′r；

计算岩体单元局部坐标系下的岩石介质特征长度比：

其中：(x′，y′，z′)为该点处岩体单元的局部坐标系，原点O′在该岩体单元的中心；l为岩体单元的长度；

某点处指的从隧道洞周向围岩内部径深x处；

步骤二、所述岩石介质特征长度比是否满足下式：

如果不满足，则结束；如果满足，则进行步骤三；

步骤三、计算岩体单元点处的介质场量值：

其中：V_r′为岩石介质体积；V为岩体单元体积；

步骤四、计算岩体单元局部坐标系下的等效岩石特征长度比：

其中：m_er′为该点处岩体单元内岩石介质体积的等效平均尺寸；

步骤五、计算隧道整体坐标系下围岩径深介质场Me(x)：

进一步地，在步骤五中，计算隧道整体坐标系下围岩径深介质场前，建立隧道原点随动整体坐标系，具体为：过岩体单元的原点O′作隧道轮廓的法线，其与隧道轮廓交点为随动整体坐标系的原点O，为坐标轴x轴正向，/>为x的坐标值。

进一步地，该岩体单元为正方体，边长为l，l取值为0.2～2m。

进一步地，该岩体单元为岩-气二相组成。

本发明的有益效果是：1.明确定义了隧道围岩介质场的定义，对隧道围岩介质场的量化计算奠定了理论基础。2.隧道围岩径深介质场的计算方法具有明确的物理意义，采用径深坐标系，等效岩石介质长度比，隧道围岩介质场的分量个数减少，物理意义明确，同时避免了计算介质场时，坐标系旋转导致的复杂验算，工程实用性强。3.提出了科学的计算方法，避免了人工经验的不确定性。

附图说明

图1为岩体单元立方体的平面示意图；

图2为明隧道原点随动坐标系图；

其中：1.岩体单元；2.隧道轮廓；3.周边围岩；4.岩石介质。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种破碎岩体的隧道围岩径深介质场计算方法适用于地下水不发育或少量地下水，岩体介质可视为或基本视为岩-气二相组成。

该一种破碎岩体的隧道围岩径深介质场计算方法包括如下步骤：

步骤一、测得隧道周边围岩3内某点处岩体单元1局部坐标系下，沿三个正交方向的岩石介质4尺寸分别为：l_x′r、l_y′r、I_z′r；岩体单元1可采用波速测试，或者现场取芯波速测试，或电法测试。

岩体单元1为正方体，边长l，l取值为0.2～2m；岩体单元1为：围岩内选定的某点，选择该点微小邻域范围，即该点处的微元体。

其中(x′，y′，z′)为该点处岩体单元1的局部坐标系，原点O′在该岩体单元1的中心，三个坐标轴方向分别平行于岩体单元1的六个面。某点处指的从隧道洞向周边围岩内部径深x处。

岩体单元1的尺寸的确定依据以下原则：根据隧道尺寸跨度，如果隧道跨度不大，如在5m内，则岩体单元1设定边长为0.2米；如果隧道跨度大，如在15米左右，则岩体单元1设定边长为2米。另外，还与周边围岩3相关，如果周边围岩3受到的影响范围交大，则I取较大值；一般l等于岩石芯样的长度，如果超过2米或小于0.2米，则不能真实反应岩体的介质场，因此将l取值限定在0.2～2m。

如图1所示，计算岩体单元1局部坐标系下的岩石介质4特征长度比：

上式表明，在隧道周边围岩的某点(x′，y′，z′)处，岩体单元1三个方向的岩石介质4特征长度比，是三维空间向量。

在图1中，与岩体单元1中的岩石介质4相邻的区域为空隙介质，即岩体单元1视为岩-气二相组成。

步骤二、各向同性条件验算，所述岩石介质(4)特征长度比是否满足下式：

如果三个方向的岩石介质4特征长度比不满足同性条件验算，则各向异性明显，则结束。如果三个方向的岩石介质4特征长度比满足同性条件验算，则进入步骤三。

各向同性条件验算式子中的数值选择，为采用宏观各向同性模型计算得到的结果，与采用各向异性模型计算得到的结果相比，其误差在10％以内，满足工程允许的误差要求。

步骤三、计算岩体单元1该点处的介质场量值：

该点处岩体单元1范围内，岩石介质4体积V_r′与该岩体单元体积V的比值，即单位体积范围内岩石介质4的占比，反映该点处岩体的破碎程度。根据的物理意义，表征该点处岩体单元1在局部坐标系下的介质标量值，不具有场量属性。

破碎岩体满足各向同性条件时，在同一点处，任意旋转岩体单元1的局部坐标系，岩体的破碎程度和岩石介质4占比均不变，即不随坐标系旋转而改变。

步骤四、计算岩体单元1局部坐标系下的等效岩石特征长度比m_er′：

该式将岩石介质4特征长度比(m_x′r，m_y′r，m_x′r)这一空间三维向量等效为一个与岩体单元1局部坐标系无关的等效特征长度比m_er′，从原先的三分量减少为单一量，同时m_er′不受岩体单元1局部坐标系旋转的影响，便于计算。m_er′的等效原则是：该点处岩体单元的岩石介质体积不变。等效前提条件：破碎岩体具有宏观各向同性。m_er′物理意义：该点处岩体单元1内岩石介质体积的等效平均尺寸。

要计算隧道周边围岩4内部的介质场，需建立隧道原点随动整体坐标系，如图2所示，方法是：

过岩体单元1的原点O′作隧道轮廓2的法线，其与隧道轮廓2交点为随动整体坐标系的原点O，为坐标轴x轴正向，/>为x的坐标值，为一维整体坐标系。该坐标系的原点O随岩体单元1在隧道周边围岩4的环向位置不同而变动，即随岩体单元1的位置而动。坐标值x表征从隧道洞周至岩体单元1的径深。

从岩体单元1局部坐标系的(m′_xr，m′_yr，m′_xr)到隧道原点随动整体坐标系的m_xr(x)，存在两个困难：其一是分量个数不同，物理意义不一致；其二是局部坐标系(O′，x′，y′，z′)到整体坐标系(O，x)的旋转分量计算困难。为此，根据介质场物理意义，引入等效岩石介质4长度比，将m_er′赋予整体坐标系的径深坐标x，即可得到隧道原点随动整体坐标系的m_er(x)＝m_er′，且m_er(x)＝m_xr(x)。

步骤五、计算隧道整体坐标系下围岩径深介质场Me(x)：

Claims (4)

1.一种破碎岩体的隧道围岩径深介质场计算方法，其特征在于，该计算方法包括如下：

步骤一、测得隧道周边围岩(3)内某点处岩体单元(1)局部坐标系下，沿三个正交方向的岩石介质(4)尺寸分别为：l_x′r、l_y′r、l_z′r；

计算岩体单元(1)局部坐标系下的岩石介质(4)特征长度比：

其中：(x′，y′z′)为该点处岩体单元(1)的局部坐标系，原点O′在该岩体单元(1)的中心；l为岩体单元(1)的长度；

某点处指的从隧道洞向周边围岩内部径深x处；

步骤二、所述岩石介质(4)特征长度比是否满足下式：

如果不满足，则结束；如果满足，则进行步骤三。

上式子中，

步骤三、计算岩体单元(1)点处的介质场量值：

其中：V_r′为岩石介质(4)体积；V为岩体单元(1)体积；

步骤四、计算岩体单元(1)局部坐标系下的等效岩石特征长度比：

其中：m_er′为该点处岩体单元(1)内岩石介质(4)体积的等效平均尺寸；

步骤五、计算隧道整体坐标系下围岩径深介质场Me(x)：

2.如权利要求1所述的一种破碎岩体的隧道围岩径深介质场计算方法，其特征在于，在所述步骤五中，计算隧道整体坐标系下围岩径深介质场前，建立隧道原点随动整体坐标系，具体为：过岩体单元(1)的原点O′作隧道轮廓(2)的法线，其与隧道轮廓(2)交点为随动整体坐标系的原点O，为坐标轴x轴正向，/>为x的坐标值。

3.如权利要求2所述的一种破碎岩体的隧道围岩径深介质场计算方法，其特征在于，所述岩体单元(1)为正方体，边长为l，l取值为0.2～2m。

4.如权利要求3所述的一种破碎岩体的隧道围岩径深介质场计算方法，其特征在于，所述岩体单元(1)为岩-气二相组成。