一種適用于深埋圓形隧洞的圍巖應力快速測算方法技術

一種適用于深埋圓形隧洞的圍巖應力快速測算方法，設置各圈崩落炮孔、緩沖炮孔和光爆炮孔分兩段起爆，引爆后根據振動監測儀器量測到的各圈崩落炮孔、緩沖炮孔和光爆炮孔第一段起爆時的單段振動速度時程曲線，確定掌子面上主應力，繼而根據掌子面上最大主應力確定隧洞軸向應力。其優點是：利用常規的爆破作業和振動監測，無需額外設備，操作方便，能夠在爆破施工過程中實時動態地估算掌子面附近的圍巖應力。主要適用于水電、交通、礦山等領域深埋地下工程的圍巖地應力快速測量。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及巖土工程
，具體的說是。
技術介紹
隨著我國西南地區水電開發的進一步深入以及礦產資源開采深度的日益增加，深埋隧洞開挖過程中高地應力誘發的工程地質災害越來越普遍和嚴重。為預報巖體失穩破壞和巖爆的發生以及為巖體支護加固提供依據，在洞室施工過程中需要實時動態地掌握掌子面附近圍巖的應力大小和方向。已有的地應力測量方法根據其測量原理大致可歸納為三類第一類是以測定巖體中的應變、變形為依據的力學法，如應力解除法、水壓致裂法及應力恢復法等；第二類是以測量巖體中聲發射、聲波傳播規律、電阻率或其他物理量的變化為依據的地球物理方法；第三類是根據地質構造或巖體破壞狀況提供的信息確定應力方向。 其中以應力解除法與水壓致裂法應用最為廣泛。應力解除法需要鉆孔、套取巖芯、安裝精密的電子儀器等操作，測量周期長，在洞室掌子面附近采用時影響施工進度，不能滿足實時動態的需求；而且由于深部巖體的高地應力，鉆孔變形嚴重、巖芯破裂，導致取芯困難，測量成功率較低，測量結果的可信度受到明顯影響。水壓致裂法所用設備龐大，鉆孔直徑大，鉆孔時間長，測量儀器昂貴，測試費用高，無法適用于深埋隧洞圍巖的地應力快速測量。
技術實現思路
本專利技術的目的就是針對現有的技術狀況，以深埋隧洞爆破開挖過程中地應力瞬態釋放激發的圍巖振動為依據，提供一種可適用于深埋圓形隧洞的圍巖應力快速測算方法。本專利技術的理論依據是深埋隧洞爆破開挖過程中，地應力瞬態釋放會在周圍巖體中激發地震波，按照彈性卸載理論，峰值質點振動速度與波陣面上應力存在如下關系PPV 士⑴式中PPV為峰值質點振動速度；σ為卸載邊界上的地應力(開挖荷載)；P、Cp分別為巖體的密度和彈性縱波速度。圓形隧洞全斷面爆破開挖時開挖邊界垂直或平行于掌子面，因此本專利技術的核心在于測算圓形隧洞掌子面上最大主應力O1、掌子面上最小主應力O 3及隧洞軸向應力Oy如圖I和圖4所示。(I)式表明相同卸載邊界尺寸條件下，振動強度與卸載邊界上的地應力大小成正比，地應力瞬態釋放激發的振動幅值分布反映了掌子面內的應力分布。極坐標下，圓形隧洞全斷面爆破開挖過程中掏槽區形成后，卸載邊界上的地應力分布如圖2所示(O / O 3=2. O)，在掌子面兩個主應力方向上，環向應力出現最大、最小值；當σ 3小于4· (Γ5. O時，環向應力遠大于剪應力，而在世界大部分地區Oi與03的比值為2·(Γ3·0，剪應力釋放激發的環向振動可以忽略不計。因此可以通過控制圓形隧洞全斷面開挖過程毫秒爆破起爆順序，獲得與不同段別(不同方向)對應的圍巖振動速度時程曲線，基于應力釋放激發的環向振動幅值大小判別掌子面上主應力方向，環向振動最大和最小的段別所在的方位即是掌子面上主應力方向。對比主應力方向上應力瞬態釋放和爆炸荷載分別激發的徑向振動幅值，并根據彈性振動邊界上的爆炸荷載壓力估算掌子面上主應力大小。在隧洞軸向應力和掌子面上最大主應力卸載邊界大小相等的條件下，比較隧洞軸向應力釋放激發的隧洞軸向振動幅值和掌子面上最大主應力釋放激發的隧洞徑向振動幅值，確定隧洞軸向應力大小。不利結構面的存在會改變巖體局部的應力分布，因此基于地應力瞬態釋放激發振動的圍巖應力估算需在較完整的巖體中進行。爆炸應力波向外傳播過程中造成炮孔周圍巖體破碎破裂，其能量不斷衰減，在破裂圈外邊界，即彈性振動邊界上已不能再引起巖體的破壞，只能引起彈性振動，爆炸荷載壓力約等于巖體動態抗壓強度。彈性振動邊界以內的巖體徑向應力因裂紋的擴展貫通、巖體碎塊的拋擲而全部釋放，彈性振動邊界也是地應力瞬態釋放激發振動的卸載邊界。本專利技術，其步驟如下 ⑴按照隧洞開挖爆破設計，在完整巖體的開挖掌子面上由圓心向圓周依次布置一圈或多圈掏槽炮孔、崩落炮孔、緩沖炮孔和光爆炮孔，所述各圈崩落炮孔、緩沖炮孔和光爆炮孔分兩段起爆；⑵在已開挖隧洞圍巖不同爆心距處布置多個振動監測儀器，量測隧洞軸向、垂直于隧洞軸向和豎直向的爆破振動速度時程曲線；⑶引爆后，根據振動監測儀器量測到的各圈崩落炮孔、緩沖炮孔和光爆炮孔第一段起爆時的單段振動速度時程曲線，確定掌子面上主應力，具體包括如下子步驟①根據所述崩落炮孔、緩沖炮孔和光爆炮孔各圈第一段炮孔連線的隧洞徑向方位，由量測的振動速度時程曲線計算各圈崩落炮孔、緩沖炮孔和光爆炮孔第一段起爆時的隧洞徑向和環向振動速度時程曲線，對隧洞軸向、徑向和環向的單段振動速度時程曲線進行幅值譜分析，采用數字信號濾波方法對爆炸荷載和地應力瞬態釋放激發的振動速度時程曲線進行分離；②比較各圈崩落炮孔、緩沖炮孔和光爆炮孔第一段起爆時地應力釋放激發的隧洞環向振動幅值大小，將振動幅值最大和最小的段別所在的方位確定為掌子面上主應力方向；③在掌子面主應力方向上，比較地應力瞬態釋放和爆炸荷載引起的隧洞徑向振動幅值，按照振動幅值與彈性振動邊界上的荷載大小成正比的關系，根據彈性振動邊界上爆炸荷載壓力確定彈性振動邊界上的地應力，利用深埋圓形隧洞彈性分布的二次應力狀態公式，估算掌子面上最大、最小主應力；⑷在不同的爆破循環中改變炮孔深度，使隧洞軸向應力和掌子面上最大主應力的卸載邊界相接近，比較軸向應力釋放激發的隧洞軸向振動幅值和掌子面上最大主應力釋放激發的隧洞徑向振動幅值，按照振動幅值與應力大小的正比關系，根據步驟(3)計算得到的掌子面上最大主應力確定隧洞軸向應力。所述崩落炮孔、緩沖炮孔和光爆炮孔各圈第一段爆破的炮孔連成的圓弧為劣弧，所述劣弧對應的角度均等或相接近，所述劣弧的隧洞徑向方位由圓心向圓周連續地覆蓋0-180。范圍。對不同測點記錄的數據按上述方法進行分析，地應力測量結果取多個測點的平均值；可進一步采用數值分析方法修正巖體線彈性和平面應變假定的影響。本專利技術的優點是利用常規的爆破作業和振動監測，無需額外設備，操作方便，能夠在爆破施工過程中實時動態地估算掌子面附近的圍巖應力。主要適用于水電、交通、礦山等領域深埋地下工程的圍巖地應力快速測量。附圖說明圖I是開挖隧洞掌子面及坐標示意圖。圖2是圓形隧洞全斷面爆破開挖時卸載邊界上地應力分布示意圖。 圖3是炮孔分布及起爆順序示意圖。圖4是爆破振動監測儀器分布示意圖。圖5是崩落炮孔、緩沖炮孔和光爆炮孔第一段爆破時單段振動速度時程曲線示意圖。圖6是地應力瞬態釋放激發的振動速度時程曲線示意圖。圖7是爆炸荷載激發的振動速度時程曲線示意圖。圖8是彈性振動邊界示意圖。圖中標記I為掌子面，2為掌子面上最大主應力，3為掌子面上最小主應力，4為環向正應力，5為徑向正應力，6為剪應力，7為炮孔，701為掏槽炮孔圈，702為崩落炮孔圈，703為緩沖炮孔圈，704為光爆炮孔圈，8為隧洞軸向應力，9為水平橫向地應力，10為第一個爆破循環，11為第二個爆破循環，12為已開挖隧洞，13為測點，14為破裂圈外邊界，15為彈性振動邊界(卸載邊界)，Θ為極角，φ為掌子面內任一點與O1的夾角，MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS10、MS11、MS12、MS13、MS14、MS15 和 MS16 為起爆雷管的段別編號，1#、2#、3#、4#、5#和6#為振動測點編號。具體實施例方式下面結合附圖，對本專利技術進行進一步說明根據圖1-8所示，，其步驟如下某無限山體中開挖一個直徑為IOm的深埋圓形隧洞，如圖I所示，掌子面上最大主應力2、掌子面上最小本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種適用于深埋圓形隧洞的圍巖應力快速測算方法，其特征在于包括如下步驟：⑴按照隧洞開挖爆破設計，在完整巖體的開挖掌子面上由圓心向圓周依次布置一圈或多圈掏槽炮孔、崩落炮孔、緩沖炮孔和光爆炮孔，所述各圈崩落炮孔、緩沖炮孔和光爆炮孔分兩段起爆；⑵在已開挖隧洞圍巖不同爆心距處布置多個振動監測儀器，量測隧洞軸向、垂直于隧洞軸向和豎直向的爆破振動速度時程曲線；⑶引爆后，根據振動監測儀器量測到的各圈崩落炮孔、緩沖炮孔和光爆炮孔第一段起爆時的單段振動速度時程曲線，確定掌子面上主應力，具體包括如下子步驟：①根據所述崩落炮孔、緩沖炮孔和光爆炮孔各圈第一段炮孔連線的隧洞徑向方位，由量測的振動速度時程曲線計算各圈崩落炮孔、緩沖炮孔和光爆炮孔第一段起爆時的隧洞徑向和環向振動速度時程曲線，對隧洞軸向、徑向和環向的單段振動速度時程曲線進行幅值譜分析，采用數字信號濾波方法對爆炸荷載和地應力瞬態釋放激發的振動速度時程曲線進行分離；②比較各圈崩落炮孔、緩沖炮孔和光爆炮孔第一段起爆時地應力釋放激發的隧洞環向振動幅值大小，將振動幅值最大和最小的段別所在的方位確定為掌子面上主應力方向；③在掌子面主應力方向上，比較地應力瞬態釋放和爆炸荷載引起的隧洞徑向振動幅值，按照振動幅值與彈性振動邊界上的荷載大小成正比的關系，根據彈性振動邊界上爆炸荷載壓力確定彈性振動邊界上的地應力，利用深埋圓形隧洞彈性分布的二次應力狀態公式，估算掌子面上最大、最小主應力；⑷在不同的爆破循環中改變炮孔深度，使隧洞軸向應力和掌子面上最大主應力的卸載邊界相接近，比較軸向應力釋放激發的隧洞軸向振動幅值和掌子面上最大主應力釋放激發的隧洞徑向振動幅值，按照振動幅值與應力大小的正比關系，根據步驟(3)計算得到的掌子面上最大主應力確定隧洞軸向應力。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：盧文波，楊建華，嚴鵬，陳明，胡英國，
申請(專利權)人：武漢大學，
類型：發明
國別省市：