CN117890477B - 一种基于tsp数据对岩石抗压强度的推算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于TSP数据对岩石抗压强度的推算方法，属于地质工程技术领域。本发明公开一种基于TSP数据对岩石抗压强度的推算方法，包括：获取目标隧道的岩性、泊松比、纵波速度和横波速度；根据纵波速度和横波速度分别计算动态杨氏模量和静态杨氏模量；采用拟合算法求得函数在所有上的值平方和最小的最优参数；分别通过计算得到的静态杨氏模量和动态杨氏模量再分别计算岩体的第一抗压强度、第二抗压强度；求取第一抗压强度、第二抗压强度的平均值为岩体的抗压强度。本发明具有经济成本较低、处理速度较快、适用范围广、操作简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于TSP数据对岩石抗压强度的推算方法，属于地质工程技术领域。
背景技术
隧道施工中经常遇到软岩大变形、涌水(泥、砂) 、塌方、岩爆、瓦斯突出等地质灾害，导致人员伤亡，设备损毁，工期延误，给施工造成很大的危害。近年来，隧道施工技术有了很大的发展，为了保证施工的安全和高效，采用各种技术、手段和方法对掌子面前方岩石强度等地质条件进行及时准确的探测和预报，可以大大减少隧道施工的盲目性，提前采取预防措施，避免在施工过程中诱发不良地质灾害，或将地质灾害影响降到最低。此外，还可以根据现场地质预报结果，及时调整或修正围岩级别，优化设计参数及施工方法，正确指导施工。要对隧道前方尚未开挖段进行地质预报，岩体强度是需要预报的重要参数之一，它直接影响着隧道围岩的稳定性。
目前，获取隧道尚未开挖段的岩石强度的方法主要是通过钻探法刻取并取出岩芯，再通过试验室对岩芯进行加工制作成岩石样本后，经过力学试验得到其准确的岩石强度。目前通过钻探法取出岩芯并通过试验室对其做抗压强度测试的方法需要采用专业取样设备，在隧道掌子面前方进行钻孔取样，耽误施工进度的同时，难以及时获取隧道前方尚未开挖段的岩石强度，从而难以对前方围岩稳定性进行判断。因此现有方法存在成本高，耗时长等问题。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明旨在提供一种基于TSP数据对岩石抗压强度的推算方法。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种基于TSP数据对岩石抗压强度的推算方法，包括以下步骤：
S10、获取目标隧道的岩性、泊松比、纵波速度和横波速度；
S20、根据纵波速度和横波速度分别计算动态杨氏模量和静态杨氏模量；
S30、采用拟合算法求得函数在所有/>上的值平方和最小的最优参数/>、/>、/>、/>、/>、/>；
式中：为静态杨氏模量；/>为动态杨氏模量；/>、/>、/>、/>、/>、/>均为系数；
S40、分别通过计算得到的静态杨氏模量和动态杨氏模量再分别计算岩体的第一抗压强度、第二抗压强度；
式中：为静态杨氏模量；/>为动态杨氏模量；/>为第一抗压强度；/>为第二抗压强度；/>、/>、/>、/>、/>、/>均为系数；
S50、求取第一抗压强度、第二抗压强度的平均值为岩体的抗压强度。
进一步的技术方案是，所述S10中获得纵波速度和横波速度的具体过程为：
S11、向隧道掌子面激发地震波，并采集经隧道围岩反馈的地震波；
S12、根据隧道围岩反馈的地震波求得地震波对应的纵波速度和横波速度。
进一步的技术方案是，所述步骤S11中在隧道掌子面内布置激发孔，通过在激发孔中人工激发地震波。
进一步的技术方案是，所述步骤S11中通过高精度的接收器接收反馈的地震波。
进一步的技术方案是，所述步骤S12中横波波速的计算公式是：纵波波速/泊松比=横波波速。
进一步的技术方案是，所述步骤S30中静态杨氏模量的计算公式为：
式中：为静态杨氏模量；/>为切变模量；/>为拉梅参数。
进一步的技术方案是，所述步骤S30中动态杨氏模量的计算公式为：
式中：为动态杨氏模量；/>为岩体密度；/>为纵波波速；/>为横波波速。
进一步的技术方案是，所述步骤S30中根据岩性来选择拟合算法。
本发明具有以下有益效果：
1、经济成本较低。通过本方法对岩石抗压强度进行推算，可以仅用岩体的纵波波速与横波波速值将隧道掌子面前方120米的岩石抗压强度控制在一个合理的区间范围。
2、处理速度较快。本方法相较于钻探等方法具有探测速度快的优势，无需从钻孔取样到试验室加工并进行力学测试试验的繁琐流程。
3、适用范围广。本方法在推算岩石的种类上覆盖了TSP可用于操作的绝大多数种类的岩石，例如花岗岩，砂岩，板岩等；本方法在探测岩体抗压强度空间范围上，可适用于除隧道进口120米外的隧道开挖全段。
4、操作简单。本方法仅利用同一种岩石抗压强度具有唯一性原理，利用简单的数学计算和推导即可得到，无需专业软件和设备辅助。
附图说明
图1为本发明的流程框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一种基于TSP数据对岩石抗压强度的推算方法，包括以下步骤：
步骤A、在隧道掌子面附近边墙一定范围内布置激发孔，通过在孔中人工激发地震波，所产生的地震波以球面波的形式在隧道围岩中传播，当围岩波阻抗发生变化时，一部分地震波将 会被反射回来，另一部分地震波将会继续向前传播；反射的地震波由高精度的接收器所接收并传递到主机形成地震波记录；
步骤B、通过步骤A接收到的地震波记录，可将其导出并能得到地震波通过前方120m范围内岩体的纵波速度和横波速度；其中纵波波速/泊松比=横波波速；
步骤C、根据纵波速度和横波速度分别计算动态杨氏模量和静态杨氏模量，其计算数据如表1所示；
式中：为静态杨氏模量；/>为切变模量；/>为拉梅参数；/>为岩体密度；/>为纵波波速；/>为横波波速；
式中：为动态杨氏模量；/>为岩体密度；/>为纵波波速；/>为横波波速；
表1动态杨氏模量和静态杨氏模量的数据表
表1中花岗岩计算得到杨氏模量对应的数据是1-3组，砂岩计算得到杨氏模量对应的数据是4-6组；板岩计算得到杨氏模量对应的数据是7-9组；
步骤D、根据动态杨氏弹性模量和静态杨氏弹性模量，由一种材料其杨氏弹性模量与其抗压强度应为二次曲线变化关系，故由动态杨氏弹性模量和静态杨氏弹性模量可得到第一岩体抗压强度和第二岩体抗压强度；
步骤E、根据步骤D可列出（1）；（2）/>；其中/>、/>为二次项系数，/>、/>为一次项系数，/>、/>为常系数。根据同一种岩性其抗压强度具有唯一性的原理，故/>，且/>均大于0；
步骤F、由步骤E中的条件可知，存在一组最优参数、/>、/>、/>、/>、/>，使得函数/>在所有/>上的值平方和最小；
式中：为静态杨氏模量；/>为动态杨氏模量；/>、/>、/>、/>、/>、/>均为系数；
步骤G、采用Powell、COBYLA、Nelder-Mead等拟合算法（其中根据各个岩性对应的抗压强度范围值来确定选择相应的拟合算法，具体的是花岗岩选择Powell拟合算法、砂岩选择COBYLA拟合算法、板岩选择Nelder-Mead拟合算法），可解出一组最优参数；
表2最优参数数据表
表2中花岗岩、砂岩、板岩分别采用Powell算法、COBYLA算法、Nelder-Mead算法解出一组最优参数对应数据为横向一组数据；
步骤H、分别通过计算得到的静态杨氏模量和动态杨氏模量再分别计算岩体的第一抗压强度、第二抗压强度；
式中：为静态杨氏模量；/>为动态杨氏模量；/>为第一抗压强度；/>为第二抗压强度；/>、/>、/>、/>、/>、/>均为系数；
表3杨氏模量拟合公式数据表
表3中花岗岩、砂岩、板岩采用的第一抗压强度、第二抗压强度计算公式均为横向对应的两个计算公式；
步骤I、求取第一抗压强度、第二抗压强度的平均值为岩体的抗压强度；
表4实施例数据表
表4中花岗岩计算得到对应的数据是1-3组，砂岩计算得到对应的数据是4-6组；板岩计算得到对应的数据是7-9组。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种基于TSP数据对岩石抗压强度的推算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、获取目标隧道的岩性、泊松比、纵波速度和横波速度；
S20、根据纵波速度和横波速度分别计算动态杨氏模量和静态杨氏模量；
式中：E1为静态杨氏模量；μ为切变模量；λ为拉梅参数；
式中：E2为动态杨氏模量；ρ为岩体密度；Vp为纵波波速；Vs为横波波速；
S30、采用拟合算法求得函数f（E 1，E 2）= p 1 E 1²+q 1 E 1+m 1-p 2 E 2²-q 2 E 2-m 2在所有（E 1，E 2）上的值平方和最小的最优参数p 1、q 1、m 1、p 2、q 2、m 2；
S40、分别通过计算得到的静态杨氏模量和动态杨氏模量再分别计算岩体的第一抗压强度、第二抗压强度；
式中：E1为静态杨氏模量；E2为动态杨氏模量；Rc1为第一抗压强度；Rc2为第二抗压强度；p1、q1、m1、p2、q2、m2均为系数；
S50、求取第一抗压强度、第二抗压强度的平均值为岩体的抗压强度。
2.根据权利要求1所述的一种基于TSP数据对岩石抗压强度的推算方法，其特征在于，所述S10中获得纵波速度和横波速度的具体过程为：
S11、向隧道掌子面激发地震波，并采集经隧道围岩反馈的地震波；
S12、根据隧道围岩反馈的地震波求得地震波对应的纵波速度和横波速度。
3.根据权利要求2所述的一种基于TSP数据对岩石抗压强度的推算方法，其特征在于，所述步骤S11中在隧道掌子面内布置激发孔，通过在激发孔中人工激发地震波。
4.根据权利要求2所述的一种基于TSP数据对岩石抗压强度的推算方法，其特征在于，所述步骤S11中通过高精度的接收器接收反馈的地震波。
5.根据权利要求2所述的一种基于TSP数据对岩石抗压强度的推算方法，其特征在于，所述步骤S12中横波波速的计算公式是：纵波波速/泊松比=横波波速。
6.根据权利要求1所述的一种基于TSP数据对岩石抗压强度的推算方法，其特征在于，所述步骤S30中根据岩性来选择拟合算法。
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