大埋深隧洞擠壓型圍巖大變形預測方法技術

本發明專利技術公開了一種大埋深隧洞擠壓型圍巖大變形預測方法，對隧洞大埋深洞段所在的地層，開展現場地應力測試和現場巖石力學試驗，獲得的該地層的地應力和巖體力學參數，并采用圍巖變形預測公式，對圍巖大變形進行預測，從而根據圍巖變形水平，采用針對性的大變形支護措施，為大埋深隧洞圍巖大變形的支護設計優化提供依據。

【技術實現步驟摘要】
大埋深隧洞擠壓型圍巖大變形預測方法
本專利技術公開了一種大埋深隧洞擠壓型圍巖大變形的預測方法，具體涉及一種基于勘探平硐現場測試和試驗以及圍巖變形預測公式的大埋深隧洞擠壓型圍巖大變形預測方法，在施工期借助勘探平硐對隧洞區域的地應力進行測試，對巖體力學參數進行現場巖石力學試驗，并根據圍巖變形預測公式，開展大埋深隧洞擠壓型圍巖大變形的變形量值預測工作。
技術介紹
對于長距離線路工程，例如公路、鐵路和調水工程，隧洞(道)被廣泛采用。長距離隧洞具有線路長和穿越多種地層，面臨埋深變化大、地層巖性頻繁改變、經常遭遇突發性地質條件(如斷層、軟弱夾層)等特點。因此，長距離隧洞的修建，經常要穿越巖性差或巖體軟弱破碎的大埋深地層，從而誘發擠壓型圍巖大變形災害，導致圍巖開挖面變形侵占凈空、支護結構受力超限破壞等施工期圍巖安全問題，為處理這些問題，需要進行圍巖二次擴挖、失效支護更換、采用更強支護結構等措施，大大增加工期和施工成本。因此，根據隧洞開挖揭示的實際地質條件，開展大埋深洞段的圍巖變形預測，可為預警隧洞施工過程中的圍巖大變形災害發生洞段，有利于在大變形發生之前做好針對性的風險管控，避免因圍巖變形侵限和支護結構破壞帶來的災害處置時間成本和施工費用，具有重要工程意義。關于隧洞的圍巖變形預測方法，目前已有較多思路，可在一定程度上對大埋深隧洞的圍巖變形量值進行預測，為施工期圍巖安全提供保障。但是，這些方法用于大埋深隧洞條件下的圍巖大變形災害預測還存在較多不足。例如，以芬納公式為代表的圍巖變形預測公式，基于小變形假定和理想彈塑性理論推導而得，用于一般條件下圍巖的變形預測具有較好的適應性，但大埋深條件下的圍巖變形具有變形量值大、圍巖峰后強度弱化的特點，這類圍巖變形預測公式的預測結果一般要小于實際圍巖變形，故不再適用。另一類圍巖變形預測公式，則是Hoek提出的系列公式為代表，其突出特點是以建立巖石(體)單軸抗壓強度與初始地應力的比值為核心判別指標(簡稱強度應力比)，但在實際工程應用時，只能對圍巖大變形量值做粗略估計，預測結果具有較大的經驗性。因此，對于大埋深隧洞的圍巖大變形預測，目前還缺乏一套相對完整的預測方法和實施技術作為指導依據。長距離隧洞工程遭遇大埋深且巖性較差的地層條件時，一般只能根據勘察設計階段獲得的地應力和巖體力學參數，采用現有的圍巖變形預測方法，對圍巖變形量值范圍進行粗略估計，并根據其他工程的經驗進行加固支護措施設計，難以做到基于圍巖實際條件的定量化成果，對圍巖大變形進行更為準確的定量化評價與大變形支護和防治措施的選型。
技術實現思路
本專利技術針對上述存在的問題，提出一種基于勘探平硐現場測試和試驗以及圍巖變形預測公式的大埋深隧洞擠壓型圍巖大變形預測方法，在施工期，對隧洞大埋深洞段所在的地層，開展現場地應力測試和現場巖石力學試驗，獲得的該地層的地應力和巖體力學參數，并采用圍巖變形預測公式，對圍巖大變形進行預測，從而根據圍巖變形水平，采用針對性的大變形支護措施，為大埋深隧洞圍巖大變形的支護設計優化提供依據。為實現上述目的，本專利技術所設計的大埋深隧洞擠壓型圍巖大變形預測方法，其特殊之處在于，所述方法包括：步驟1：在隧洞施工現場，利用勘探平硐進行原位地應力測試，獲得測試部位的初始地應力場最大主應力σ0；步驟2：在勘探平硐內進行巖石變形試驗，獲得測試部位隧洞巖體的變形模量Emass；步驟3：在勘探平硐內進行巖體直剪強度試驗，獲得測試部位隧洞巖體的抗剪強度參數，即粘聚力c和摩擦系數結合變形模量Emass判定測試部位巖體的巖體類別；步驟4：當巖體類別判定結果為IV類或V類時，根據巖體的粘聚力c和摩擦系數計算得到測試部位隧洞巖體的單軸抗壓強度σmass；步驟5：利用步驟1～4得到的參數和巖體類別，采用與IV類巖體和V類類巖體相對應的圍巖變形預測公式計算得到圍巖相對變形ε，其中α、β、γ為一組系數，E0為變形模量基準值；步驟6：根據圍巖相對變形預測值ε，劃分圍巖大變形等級，并給出與每一大變形等級對應的支護類型。優選地，所述步驟5中，確定系數α、β、γ的值的方法為：根據規范和經驗確定力學參數和初始地應力分布、正交試驗設計獲得參數樣本、數值分析獲得對應圍巖變形、冪函數擬合結果優選。優選地，所述根據規范和經驗確定力學參數和初始地應力分布的實施方法為：對IV類巖體或V類巖體的變形模量指標，按照其取值范圍進行n等分，得到1組共n+1個數據點；按照同樣方法，對粘聚力指標和摩擦系數指標也分別n等分，分別得到2組，每組共n+1個數據點；另外擬定1組隧洞初始地應力量值一般分布范圍，為4～24MPa，將其n等分，亦得到n+1個數據點。優選地，所述正交試驗設計獲得參數樣本的實施方法為：將變形模量、粘聚力和摩擦系數3組共3(n+1)個數據點與初始地應力n+1個數據點匯總，相當于4因素(n+1)水平，采用正交試驗設計方法，生成(n+1)4組樣本。優選地，所述數值分析獲得對應圍巖變形的實施方法為：建立計算網格，假定地應力場為靜水壓力場，采用FLAC3D軟件開啟大變形計算模式，將(n+1)4組樣本，輸入計算網格進行洞室開挖計算，獲得圍巖變形量后，將其除以其半徑，得到相對變形值ε；每個圍巖相對變形值與1組樣本對應，共計(n+1)4個；建立以為橫軸，相對變形值ε為縱軸的坐標系，θ為變形模量影響系數；對于每組樣本，計算其值，并將根據每組樣本計算得到的相對變形值ε，視為坐標點在坐標系中繪出，(n+1)4組樣本共繪出(n+1)4個點。優選地，所述冪函數擬合結果優選的實施方法為：采用冪函數y＝αxβ進行數據擬合，即：式中γ＝βθ，每取1個θ值，即得到一組α、β、γ系數，以及評價冪函數y＝αxβ擬合接近程度的R平方值；在-1～0之間取若干個θ值，得到對應數量的R平方值，繪制“θ-R平方值”的關系曲線；根據該曲線，確定當R平方值取最大，即擬合接近程度最高時的θ值，作為采用值，進而將與θ采用值對應的α和β作為采用值，再計算得到γ采用值。優選地，所述步驟1中，所述原位地應力測試采用水壓致裂法實現。優選地，所述步驟2中，所述巖石變形試驗采用剛性承壓板試驗方法實現，勘探平硐內的承壓面積不小于2000cm2。優選地，所述步驟3中，巖體直剪強度試驗采用平推法實現。優選地，所述步驟4中，采用式計算巖體的單軸抗壓強度σmass。采用了以上技術方案，本專利技術的積極效果和優點在于：(1)借助勘探平硐，在隧洞現場開展原位地應力測試和巖石力學試驗，獲得的測試結果和試驗數據直接反映隧洞工程實際條件，為圍巖大變形預測提供準確參數。(2)根據勘探平硐的現場巖石力學試驗所獲得的巖體力學參數，可判定隧洞的巖體類別，從而將圍巖大變形預測限定在易發此類災害的IV類和V類巖體，這樣就使得圍巖變形預測的適用對象更具針對性。本專利技術分別針對IV類巖體和V類巖體的力學參數取值范圍，分別確定圍巖變形預測公式中α、β、γ系數的采用值，可反映不同巖體類別條件下的圍巖變形水平，提高圍巖大變形預測結果的針本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.大埋深隧洞擠壓型圍巖大變形預測方法，其特征在于：所述方法包括：/n步驟1：在隧洞施工現場，利用勘探平硐進行原位地應力測試，獲得測試部位的初始地應力場最大主應力σ

【技術特征摘要】
1.大埋深隧洞擠壓型圍巖大變形預測方法，其特征在于：所述方法包括：
步驟1：在隧洞施工現場，利用勘探平硐進行原位地應力測試，獲得測試部位的初始地應力場最大主應力σ0；
步驟2：在勘探平硐內進行巖石變形試驗，獲得測試部位隧洞巖體的變形模量Emass；
步驟3：在勘探平硐內進行巖體直剪強度試驗，獲得測試部位隧洞巖體的抗剪強度參數，即粘聚力c和摩擦系數結合變形模量Emass判定測試部位巖體的巖體類別；
步驟4：當巖體類別判定結果為IV類或V類時，根據巖體的粘聚力c和摩擦系數計算得到測試部位隧洞巖體的單軸抗壓強度σmass；
步驟5：利用步驟1～4得到的參數和巖體類別，采用與IV類巖體和V類類巖體相對應的圍巖變形預測公式計算得到圍巖相對變形ε，其中α、β、γ為一組系數，E0為變形模量基準值；
步驟6：根據圍巖相對變形預測值ε，劃分圍巖大變形等級，并給出與每一大變形等級對應的支護類型。


2.根據權利要求1所述的大埋深隧洞擠壓型圍巖大變形預測方法，其特征在于：所述步驟5中，確定系數α、β、γ的值的方法為：根據規范和經驗確定力學參數和初始地應力分布、正交試驗設計獲得參數樣本、數值分析獲得對應圍巖變形、冪函數擬合結果優選。


3.根據權利要求2所述的大埋深隧洞擠壓型圍巖大變形預測方法，其特征在于：所述根據規范和經驗確定力學參數和初始地應力分布的實施方法為：對IV類巖體或V類巖體的變形模量指標，按照其取值范圍進行n等分，得到1組共n+1個數據點；按照同樣方法，對粘聚力指標和摩擦系數指標也分別n等分，分別得到2組，每組共n+1個數據點；另外擬定1組隧洞初始地應力量值一般分布范圍，為4～24MPa，將其n等分，亦得到n+1個數據點。


4.根據權利要求2所述的大埋深隧洞擠壓型圍巖大變形預測方法，其特征在于：所述正交試驗設計獲得參數樣本的實施方法為：將變形模量、粘聚力和摩擦系數3組共3(n+1)個數據點與初始地應力n+1個數據點匯總，相當于4因素(n+1)水平，采用正...

【專利技術屬性】
技術研發人員：丁秀麗，張雨霆，黃書嶺，劉登學，何軍，董志宏，趙化蒙，劉通靈，
申請(專利權)人：長江水利委員會長江科學院，
類型：發明
國別省市：湖北;42