大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法技术

本发明专利技术公开了一种大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，对隧洞大埋深洞段所在的地层，开展现场地应力测试和现场岩石力学试验，获得的该地层的地应力和岩体力学参数，并采用围岩变形预测公式，对围岩大变形进行预测，从而根据围岩变形水平，采用针对性的大变形支护措施，为大埋深隧洞围岩大变形的支护设计优化提供依据。

【技术实现步骤摘要】
大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法
本专利技术公开了一种大埋深隧洞挤压型围岩大变形的预测方法，具体涉及一种基于勘探平硐现场测试和试验以及围岩变形预测公式的大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，在施工期借助勘探平硐对隧洞区域的地应力进行测试，对岩体力学参数进行现场岩石力学试验，并根据围岩变形预测公式，开展大埋深隧洞挤压型围岩大变形的变形量值预测工作。
技术介绍
对于长距离线路工程，例如公路、铁路和调水工程，隧洞(道)被广泛采用。长距离隧洞具有线路长和穿越多种地层，面临埋深变化大、地层岩性频繁改变、经常遭遇突发性地质条件(如断层、软弱夹层)等特点。因此，长距离隧洞的修建，经常要穿越岩性差或岩体软弱破碎的大埋深地层，从而诱发挤压型围岩大变形灾害，导致围岩开挖面变形侵占净空、支护结构受力超限破坏等施工期围岩安全问题，为处理这些问题，需要进行围岩二次扩挖、失效支护更换、采用更强支护结构等措施，大大增加工期和施工成本。因此，根据隧洞开挖揭示的实际地质条件，开展大埋深洞段的围岩变形预测，可为预警隧洞施工过程中的围岩大变形灾害发生洞段，有利于在大变形发生之前做好针对性的风险管控，避免因围岩变形侵限和支护结构破坏带来的灾害处置时间成本和施工费用，具有重要工程意义。关于隧洞的围岩变形预测方法，目前已有较多思路，可在一定程度上对大埋深隧洞的围岩变形量值进行预测，为施工期围岩安全提供保障。但是，这些方法用于大埋深隧洞条件下的围岩大变形灾害预测还存在较多不足。例如，以芬纳公式为代表的围岩变形预测公式，基于小变形假定和理想弹塑性理论推导而得，用于一般条件下围岩的变形预测具有较好的适应性，但大埋深条件下的围岩变形具有变形量值大、围岩峰后强度弱化的特点，这类围岩变形预测公式的预测结果一般要小于实际围岩变形，故不再适用。另一类围岩变形预测公式，则是Hoek提出的系列公式为代表，其突出特点是以建立岩石(体)单轴抗压强度与初始地应力的比值为核心判别指标(简称强度应力比)，但在实际工程应用时，只能对围岩大变形量值做粗略估计，预测结果具有较大的经验性。因此，对于大埋深隧洞的围岩大变形预测，目前还缺乏一套相对完整的预测方法和实施技术作为指导依据。长距离隧洞工程遭遇大埋深且岩性较差的地层条件时，一般只能根据勘察设计阶段获得的地应力和岩体力学参数，采用现有的围岩变形预测方法，对围岩变形量值范围进行粗略估计，并根据其他工程的经验进行加固支护措施设计，难以做到基于围岩实际条件的定量化成果，对围岩大变形进行更为准确的定量化评价与大变形支护和防治措施的选型。
技术实现思路
本专利技术针对上述存在的问题，提出一种基于勘探平硐现场测试和试验以及围岩变形预测公式的大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，在施工期，对隧洞大埋深洞段所在的地层，开展现场地应力测试和现场岩石力学试验，获得的该地层的地应力和岩体力学参数，并采用围岩变形预测公式，对围岩大变形进行预测，从而根据围岩变形水平，采用针对性的大变形支护措施，为大埋深隧洞围岩大变形的支护设计优化提供依据。为实现上述目的，本专利技术所设计的大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，其特殊之处在于，所述方法包括：步骤1：在隧洞施工现场，利用勘探平硐进行原位地应力测试，获得测试部位的初始地应力场最大主应力σ0；步骤2：在勘探平硐内进行岩石变形试验，获得测试部位隧洞岩体的变形模量Emass；步骤3：在勘探平硐内进行岩体直剪强度试验，获得测试部位隧洞岩体的抗剪强度参数，即粘聚力c和摩擦系数结合变形模量Emass判定测试部位岩体的岩体类别；步骤4：当岩体类别判定结果为IV类或V类时，根据岩体的粘聚力c和摩擦系数计算得到测试部位隧洞岩体的单轴抗压强度σmass；步骤5：利用步骤1～4得到的参数和岩体类别，采用与IV类岩体和V类类岩体相对应的围岩变形预测公式计算得到围岩相对变形ε，其中α、β、γ为一组系数，E0为变形模量基准值；步骤6：根据围岩相对变形预测值ε，划分围岩大变形等级，并给出与每一大变形等级对应的支护类型。优选地，所述步骤5中，确定系数α、β、γ的值的方法为：根据规范和经验确定力学参数和初始地应力分布、正交试验设计获得参数样本、数值分析获得对应围岩变形、幂函数拟合结果优选。优选地，所述根据规范和经验确定力学参数和初始地应力分布的实施方法为：对IV类岩体或V类岩体的变形模量指标，按照其取值范围进行n等分，得到1组共n+1个数据点；按照同样方法，对粘聚力指标和摩擦系数指标也分别n等分，分别得到2组，每组共n+1个数据点；另外拟定1组隧洞初始地应力量值一般分布范围，为4～24MPa，将其n等分，亦得到n+1个数据点。优选地，所述正交试验设计获得参数样本的实施方法为：将变形模量、粘聚力和摩擦系数3组共3(n+1)个数据点与初始地应力n+1个数据点汇总，相当于4因素(n+1)水平，采用正交试验设计方法，生成(n+1)4组样本。优选地，所述数值分析获得对应围岩变形的实施方法为：建立计算网格，假定地应力场为静水压力场，采用FLAC3D软件开启大变形计算模式，将(n+1)4组样本，输入计算网格进行洞室开挖计算，获得围岩变形量后，将其除以其半径，得到相对变形值ε；每个围岩相对变形值与1组样本对应，共计(n+1)4个；建立以为横轴，相对变形值ε为纵轴的坐标系，θ为变形模量影响系数；对于每组样本，计算其值，并将根据每组样本计算得到的相对变形值ε，视为坐标点在坐标系中绘出，(n+1)4组样本共绘出(n+1)4个点。优选地，所述幂函数拟合结果优选的实施方法为：采用幂函数y＝αxβ进行数据拟合，即：式中γ＝βθ，每取1个θ值，即得到一组α、β、γ系数，以及评价幂函数y＝αxβ拟合接近程度的R平方值；在-1～0之间取若干个θ值，得到对应数量的R平方值，绘制“θ-R平方值”的关系曲线；根据该曲线，确定当R平方值取最大，即拟合接近程度最高时的θ值，作为采用值，进而将与θ采用值对应的α和β作为采用值，再计算得到γ采用值。优选地，所述步骤1中，所述原位地应力测试采用水压致裂法实现。优选地，所述步骤2中，所述岩石变形试验采用刚性承压板试验方法实现，勘探平硐内的承压面积不小于2000cm2。优选地，所述步骤3中，岩体直剪强度试验采用平推法实现。优选地，所述步骤4中，采用式计算岩体的单轴抗压强度σmass。采用了以上技术方案，本专利技术的积极效果和优点在于：(1)借助勘探平硐，在隧洞现场开展原位地应力测试和岩石力学试验，获得的测试结果和试验数据直接反映隧洞工程实际条件，为围岩大变形预测提供准确参数。(2)根据勘探平硐的现场岩石力学试验所获得的岩体力学参数，可判定隧洞的岩体类别，从而将围岩大变形预测限定在易发此类灾害的IV类和V类岩体，这样就使得围岩变形预测的适用对象更具针对性。本专利技术分别针对IV类岩体和V类岩体的力学参数取值范围，分别确定围岩变形预测公式中α、β、γ系数的采用值，可反映不同岩体类别条件下的围岩变形水平，提高围岩大变形预测结果的针本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，其特征在于：所述方法包括：/n步骤1：在隧洞施工现场，利用勘探平硐进行原位地应力测试，获得测试部位的初始地应力场最大主应力σ

【技术特征摘要】
1.大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，其特征在于：所述方法包括：
步骤1：在隧洞施工现场，利用勘探平硐进行原位地应力测试，获得测试部位的初始地应力场最大主应力σ0；
步骤2：在勘探平硐内进行岩石变形试验，获得测试部位隧洞岩体的变形模量Emass；
步骤3：在勘探平硐内进行岩体直剪强度试验，获得测试部位隧洞岩体的抗剪强度参数，即粘聚力c和摩擦系数结合变形模量Emass判定测试部位岩体的岩体类别；
步骤4：当岩体类别判定结果为IV类或V类时，根据岩体的粘聚力c和摩擦系数计算得到测试部位隧洞岩体的单轴抗压强度σmass；
步骤5：利用步骤1～4得到的参数和岩体类别，采用与IV类岩体和V类类岩体相对应的围岩变形预测公式计算得到围岩相对变形ε，其中α、β、γ为一组系数，E0为变形模量基准值；
步骤6：根据围岩相对变形预测值ε，划分围岩大变形等级，并给出与每一大变形等级对应的支护类型。


2.根据权利要求1所述的大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，其特征在于：所述步骤5中，确定系数α、β、γ的值的方法为：根据规范和经验确定力学参数和初始地应力分布、正交试验设计获得参数样本、数值分析获得对应围岩变形、幂函数拟合结果优选。


3.根据权利要求2所述的大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，其特征在于：所述根据规范和经验确定力学参数和初始地应力分布的实施方法为：对IV类岩体或V类岩体的变形模量指标，按照其取值范围进行n等分，得到1组共n+1个数据点；按照同样方法，对粘聚力指标和摩擦系数指标也分别n等分，分别得到2组，每组共n+1个数据点；另外拟定1组隧洞初始地应力量值一般分布范围，为4～24MPa，将其n等分，亦得到n+1个数据点。


4.根据权利要求2所述的大埋深隧洞挤压型围岩大变形预测方法，其特征在于：所述正交试验设计获得参数样本的实施方法为：将变形模量、粘聚力和摩擦系数3组共3(n+1)个数据点与初始地应力n+1个数据点汇总，相当于4因素(n+1)水平，采用正...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁秀丽，张雨霆，黄书岭，刘登学，何军，董志宏，赵化蒙，刘通灵，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：湖北;42