隧道施工过程中围岩扰动应力场的动态测试方法技术

本发明专利技术涉及隧道施工过程中围岩扰动应力场的动态测试方法，包括以下步骤：施工与待监测隧道相临近的前设开挖体，前设开挖体存在至少一处监测空间，监测空间位于待监测隧道掌子面的前方；在前设开挖体内，向待监测隧道的掌子面前方打设至少一条监测钻孔；监测钻孔与掌子面大致平行；向监测钻孔内的测点处，布设应变块，应变块上设有若干用以测量该测点处三维应变状态的应变传感器；向钻孔内灌浆，使应变块与围岩紧密贴合；隧道开挖过程中，围岩产生扰动变形，应变传感器将监测的位移数据信号传输至监测仪，监测仪根据应变块的弹性模量和泊松比，将位移数据换算为应力数据，进而得到该测点处的三维应力状态。

【技术实现步骤摘要】
隧道施工过程中围岩扰动应力场的动态测试方法
本专利技术涉及围岩扰动应力场测试领域，尤其涉及一种隧道施工过程中围岩扰动应力场的动态测试方法。
技术介绍
岩体地应力也称为岩体初始应力、绝对应力或原岩应力，在工程界又称原地应力，是在天然状态下，存在于地层岩体内部中未受工程扰动的天然应力。岩体地应力是三维应力状态，一般为压应力。在地下工程施工过程中，工程开挖会导致岩体中的原应力场产生变化，即发生应力扰动。而隧道尤其是软岩隧道开挖过程中必然会产生一定的应力扰动区，其分布特征及其演化规律是隧道支护参数优化及其长期安全性评价的重要依据。因工程开挖而导致岩体中应力的变化，即产生的扰动应力，是岩石工程稳定性评价和预测的重要内容。在传统的围岩扰动应力场测试方法中，为获得隧道开挖过程中应力场的变化规律，所采用的测试方法是：从隧道掌子面向前方岩体内打孔，在钻孔内提前布置应力或应变传感器，以获得隧道开挖过程中围岩应力场的变化情况。这种方法存在以下缺点：1、以往的测试方法，采用向掌子面前方岩体打设钻孔的方式，往往不能得到隧道开挖过程中，围岩扰动应力随洞壁距离的变化规律。2、在测量隧道围岩的三维应力状态的变化量时，传统的测量方法是将测得的应变结合围岩的弹性模量和泊松比来确定围岩的应力变化情况。这存在以下问题：a、实际测量的是应变片载体的应变值，虽然应变片载体赋存在围岩中，但是应变片载体的应变值与围岩真实的应变值之间有差别，即：所测量的应变值并不是围岩真实的应变值，用这一应变值结合围岩自身的弹性模量和泊松比无法获得真实的围岩应力的变化情况；b、围岩的弹性模量和泊松比的精确确定比较困难，进一步导致最终的测量结果不准确。此外，另一类的三维应力测试元件则侧重于如何直接测量围岩应力，这类测试元件的结构复杂，具有成本较高、施工不便、容易损坏、而且测量结果不够准确等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种布设测点更科学，可以准确测量待测掌子面前方地质状况，而且能够准确测量围岩三维应力变化量的隧道施工过程中围岩扰动应力场的动态测试方法。为了达成上述目的，本专利技术采用如下技术方案：隧道施工过程中围岩扰动应力场的动态测试方法，包括以下步骤：步骤1：施工与待监测隧道相临近的前设开挖体，所述前设开挖体存在至少一处监测空间，所述监测空间位于所述待监测隧道掌子面的前方；步骤2：在所述前设开挖体内，向所述待监测隧道的掌子面前方打设至少一条监测钻孔；所述监测钻孔与所述掌子面大致平行；步骤3：向所述监测钻孔内的测点处，布设应变块，所述应变块上设有若干用以测量该测点处三维应变状态的应变传感器；步骤4：向所述钻孔内灌浆，使所述应变块与围岩紧密贴合；步骤5：隧道开挖过程中，围岩产生扰动变形，所述应变传感器将监测的位移数据信号传输至监测仪，所述监测仪根据所述应变块的弹性模量和泊松比，将所述位移数据换算为应力数据，进而得到该测点处的三维应力状态。步骤1中，所述监测空间与所述待监测隧道处于同一水平面上；所述前设开挖体为超前导洞、或双向双隧道中超前开挖的另一条隧道。所述前设开挖体的轴线与所述待监测隧道轴线间的间距大于所述待监测隧道的5倍洞径，小于50m。步骤2中，所述大致平行为所述监测钻孔与所述掌子面的夹角不大于30゜。当钻孔的方向与掌子面的方向大致平行时，可以通过钻孔内的测点更好的获得围岩应力随隧道开挖的变化规律。步骤2中，所述监测钻孔至少为两条，一条在拱顶，一条在拱腰，在两条以上的钻孔内距离洞壁不同距离设若干测点，通过对距离洞壁不同距离处围岩应力场的监测，得到扰动应力区的范围,进而得到围岩扰动应力随洞壁距离的变化规律。至少有一条所述监测钻孔延伸至所述待监测隧道开挖轮廓的上方，即为在拱顶的监测钻孔。在开挖轮廓的上方布设测点，可以为计算隧道围岩的塌落拱高度提供计算依据。至少有一条所述监测钻孔呈水平布置，且高度位于所述待监测隧道的拱腰处，即为在拱腰的监测钻孔，这可以方便的获得隧道侧壁处应力释放的变化情况，为优化支护结构的设计参数提供依据。步骤3中，每个所述监测钻孔内布设多个测点，相邻所述测点的间距为0.5-2.0m。在每个钻孔内布设多个测点，提高钻孔监测的利用率。测点布置的过密，会产生不必要的浪费；测点布置的过疏，不能充分反映围岩应力的变化情况。按照这种方式布置测点，能达到技术效果与经济的最优。步骤3中，所述应变块包括相互垂直相交的三个平面，在三个所述平面上，设有至少六个应变传感器，所述应变传感器包括至少三个棱边传感器和至少三个平面传感器；三个所述棱边传感器沿三个所述平面之间的三个交线的方向布置；三个所述平面传感器分别布置在不同的三个所述平面上，且均不与任一所述棱边传感器平行。利用一个应变块，即可得到该点的6个应力分量，进而获得主应力分布的大小和方向。所述应变传感器为光纤光栅传感器。光纤光栅传感器具有如下优点：(1)抗电磁干扰:一般电磁辐射的频率比光波低许多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。(2)电绝缘性能好，安全可靠：光纤本身是由电介质构成的，而且无需电源驱动，因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。(3)耐腐蚀，化学性能稳定：由于制作光纤的材料——石英具有极高的化学稳定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。(4)体积小、重量轻，几何形状可塑。(5)传输损耗小：可实现远距离遥控监测。(6)传输容量大：可实现多点分布式测量。所述应变块的弹性模量，为1-40GPa，应变块的选材只要满足弹性模量与围岩的弹性模量相差不大，就可以准确的测量围岩应力值。所述应变块可采用混凝土制成，其中，水泥、石英砂和水的质量比为1:1.5:1。混凝土的弹性模量与围岩的弹性模量相近，且成本低廉，制造简单方便。所述应变块可为正方体。应变块采用规则的正方体形状，更加符合应力单元体的形状，所测得的结果与真实结果更加接近。所述平面传感器与相邻的所述棱边传感器的交角为45゜，更有利于对监测数据的分析处理，测量结果更加准确。在每个所述平面上，均设有两个相互垂直的所述棱边传感器。应变块测量的9个应变值，可以通过这9个分量的分析，剔除不合理数据，最大限度的消除测量误差。所述监测仪包括显示屏。步骤5中，所述应变块的弹性模量和泊松比在使用前进行标定，比如在实验室或工厂中进行标定，可以更准确的获得应变块的相关力学参数。本专利技术的有益效果是：利用动态测试方法来布设测点，可以在钻孔数量很少的情况下，就能布设多个位于掌子面前方不同方位处的测点，施工成本低，而且测点的布置也更具代表性。通过获取与掌子面大致平行的前方断面处的围岩应力场的变化情况，可以明确围岩应力场随隧道开挖的变化规律：随着开挖过程中掌子面的不断逼近，可以获得所测量的断面处的围岩扰动应力随洞壁距离的变化规律，进而获得整个开挖过程中应力的变化分布情况，为支撑设计、工程开挖设计和决策科学化提供科学依据，对确定工程最优支护参数、实现结构的安全施工与运营具有重要意义。应变块的表面与围岩紧密贴合，当围岩发生变形时，会挤压应变块也发生变形，而导致应变块发生变形的力的大小，就等于围岩对应变块施加的力的大小，亦即该点处的围岩应力。利用设置于应变块上的应变传感器，得到应变块的应变值，根据应变块本身的弹性模量和泊松比，得到应变块的应力值，本文档来自技高网...

【技术保护点】
隧道施工过程中围岩扰动应力场的动态测试方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：施工与待监测隧道相临近的前设开挖体，所述前设开挖体存在至少一处监测空间，所述监测空间位于所述待监测隧道掌子面的前方；步骤2：在所述前设开挖体内，向所述待监测隧道的掌子面前方打设至少一条监测钻孔；所述监测钻孔与所述掌子面大致平行；步骤3：向所述监测钻孔内的测点处，布设应变块，所述应变块上设有若干用以测量该测点处三维应变状态的应变传感器；步骤4：向所述钻孔内灌浆，使所述应变块与围岩紧密贴合；步骤5：隧道开挖过程中，围岩产生扰动变形，所述应变传感器将监测的位移数据信号传输至监测仪，所述监测仪根据所述应变块的弹性模量和泊松比，将所述位移数据换算为应力数据，进而得到该测点处的三维应力状态。

【技术特征摘要】
1.隧道施工过程中围岩扰动应力场的动态测试方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：施工与待监测隧道相临近的前设开挖体，所述前设开挖体存在至少一处监测空间，所述监测空间位于所述待监测隧道掌子面的前方；步骤2：在所述前设开挖体内，向所述待监测隧道的掌子面前方打设至少一条监测钻孔；所述监测钻孔与所述掌子面大致平行；步骤3：向所述监测钻孔内的测点处，布设应变块，所述应变块上设有若干用以测量该测点处三维应变状态的应变传感器；步骤4：向所述钻孔内灌浆，使所述应变块与围岩紧密贴合；步骤5：隧道开挖过程中，围岩产生扰动变形，所述应变传感器将监测的位移数据信号传输至监测仪，所述监测仪根据所述应变块的弹性模量和泊松比，将所述位移数据换算为应力数据，进而得到该测点处的三维应力状态。2.根据权利要求1所述的隧道施工过程中围岩扰动应力场的动态测试方法，其特征在于：步骤1中，所述监测空间与所述待监测隧道处于同一水平面上；所述前设开挖体为超前导洞、或双向双隧道中超前开挖的另一条隧道。3.根据权利要求1或2所述的隧道施工过程中围岩扰动应力场的动态测试方法，其特征在于：步骤1中，所述前设开挖体的轴线与所述待监测隧道轴线间的间距大于所述待监测隧道的5倍洞径，小于50m；步骤2中，所述大致平行为所述监测钻孔与所述掌子面的夹角不大于30゜。4.根据权利要求3所述的隧道施工过程中围岩扰动应力场的动态测试方法，其特征在于：所述监测钻孔至少为两条，至少有一条所述监测钻孔延伸至所述待监测隧道开挖轮廓...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈卫忠，田洪铭，伍国军，谭贤君，张宁，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42