地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法技术

本发明专利技术公开了地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，涉及岩土工程勘察技术领域，包括：建立岩体抗压强度随钻反演模型，得到岩体抗压强度以及岩体抗压强度与钻进深度变化曲线；根据岩体抗压强度随钻进深度变化曲线的响应特征，建立岩体结构面参数随钻反演模型；基于岩体结构面参数随钻识别模型得到岩体结构面参数，并确定岩体完整性系数；根据岩体完整性系数与岩体抗压强度，建立围岩原位随钻分级模型，得到岩体基本质量指标，以对围岩进行原位随钻分级。本发明专利技术能够实现地下工程围岩结构特征原位探测与分级，提高测试精度。提高测试精度。提高测试精度。

【技术实现步骤摘要】
地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法


[0001]本专利技术涉及岩土工程勘察
，尤其涉及地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法。

技术介绍

[0002]随着矿山巷道、交通隧道、水利隧洞等地下工程迅速发展，建设规模不断扩大，深度不断增加，地下工程岩体稳定性控制要求不断提高。岩体强度与结构面参数是反映工程岩体质量的基本参数，自然条件下岩体中存在多尺度、不规则的结构面，结构面的发育破坏了岩体的完整性，使岩体整体强度降低。工程建设过程中，岩体受开挖扰动影响，原有结构面进一步扩展贯通，导致围岩强度劣化严重，原有支护设计难以满足劣化后围岩的控制要求，易造成围岩大变形、顶板冒落和塌方等工程灾害。岩体强度与结构面参数的准确实时获取是进行地下工程围岩分级的前提，围岩分级是支护合理设计的基础，对围岩稳定性控制至关重要。
[0003]现有技术中，围岩分级的关键步骤包括岩体结构面参数与强度参数测试，围岩结构面参数获取通常通过钻孔窥视或声波测试法，难以对结构面宽度与角度等参数准确测试，围岩强度参数通常是对围岩进行取芯，将岩芯运送到实验室进行压缩试验，由于取芯和运送的过程中易造成岩芯破裂、破坏，导致测试结果误差较大。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，能够实现地下工程围岩结构特征原位探测与分级，提高测试精度。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：本专利技术的实施例提供了地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，包括：建立岩体抗压强度随钻反演模型，得到岩体抗压强度以及岩体抗压强度与钻进深度变化曲线；根据岩体抗压强度随钻进深度变化曲线的响应特征，建立岩体结构面参数随钻反演模型；基于岩体结构面参数随钻识别模型得到岩体结构面参数，并确定岩体完整性系数；根据岩体完整性系数与岩体抗压强度，建立围岩原位随钻分级模型，得到岩体基本质量指标，以对围岩进行原位随钻分级。
[0006]作为进一步的实现方式，建立岩体钻进过程中的随钻参数与岩体抗压强度的关系式，得到岩体抗压强度随钻反演模型：；
其中，σ
c
为岩体抗压强度，N为钻头转速，V为钻进速度，M为钻进扭矩，F为钻进压力，R为钻头半径，κ为钻头倾角，β为切削刃与水平方向夹角，γ为切削角，δ为摩擦角，μ为摩擦系数，L
u
为各列切削刃长度，x为钻头切削刃列数。
[0007]作为进一步的实现方式，利用数字钻探测试系统开展地下工程围岩数字钻探试验，获取岩体随钻参数、岩体抗压强度与完整性系数。
[0008]作为进一步的实现方式，所述岩体结构面参数随钻反演模型为：；其中，h为结构面位置，α为结构面角度，w为结构面宽度，H
a
为岩体抗压强度曲线开始下降时的钻进深度，D
def
为结构面偏转距离，S
dri
为钻孔间距，L为抗压强度曲线降低宽度。
[0009]作为进一步的实现方式，岩体抗压强度随钻进深度变化曲线的响应特征为：对岩体进行多孔钻进测试，钻孔编号为i，i=2, 3,
ꢀ…ꢀ
,m，m为整数，钻孔间距为S
dri
，当钻孔i的钻头遇到结构面前端面时，抗压强度曲线开始下降，此时钻进深度为H
ai
；当钻头穿过结构面遇到结构面后端面时，抗压强度曲线下降至最低点H
bi
，当钻头再次进入岩石时，抗压强度曲线开始上升并最终恢复平稳；当钻孔i+1的钻头遇到结构面前端面时，抗压强度曲线开始下降，此时钻进深度为H
ai+1
。
[0010]作为进一步的实现方式，抗压强度曲线降低宽度L=H
bi
‑
H
ai
；结构面偏转距离D
def
=H
ai+1
‑
H
ai
。
[0011]作为进一步的实现方式，根据岩体结构面参数确定岩体完整性系数，首先根据相邻钻孔识别的岩体结构面数量n确定岩体体积结构面数J
v
，然后确定岩体完整性系数K
v
；J
v
=n/(S
dri
×
H
j
×
D
r
)，K
v
=f(J
v
)；其中，S
dri
为钻孔间距，D
r
为钻孔排距，H
j
为钻孔深度，K
v
为J
v
的函数。
[0012]作为进一步的实现方式，所述围岩原位随钻分级模型为：BQ=a+bσ
c
+cK
v
；其中，BQ为岩体基本质量指标，K
v
为岩体完整性系数，σ
c
为岩体抗压强度,a、b、c为常数。
[0013]作为进一步的实现方式，设置多个阈值，根据岩体基本质量指标与对应阈值的关系将待评价岩体分为多个等级。
[0014]作为进一步的实现方式，当岩体基本质量指标大于第一阈值时，待评价岩体等级为Ⅰ级；当岩体基本质量指标大于第二阈值，且小于等于第一阈值时，待评价岩体等级为Ⅱ级；当岩体基本质量指标大于第三阈值，且小于等于第二阈值时，待评价岩体等级为Ⅲ级；当岩体基本质量指标大于第四阈值，且小于等于第三阈值时，待评价岩体等级为Ⅳ级；当岩体基本质量指标大于第五阈值，且小于等于第四阈值时，待评价岩体等级为
Ⅴ
级；当岩体基本质量指标小于等于第五阈值时，待评价岩体等级为
Ⅵ
级；其中，第一阈值至第五阈值依次减小。
[0015]本专利技术的有益效果如下：本专利技术提出的地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，构建了岩体抗压强度随钻反演模型，建立了岩体结构面参数随钻识别模型，可实时获取岩体抗压强度与结构特征，与传统的岩石强度室内试验测试方法相比，避免了取芯、运输、切割打磨等操作步骤，提高了测试效率，降低了成本。
[0016]本专利技术通过现场原位获取随钻参数，基于建立的岩体抗压强度随钻反演模型和结构面参数随钻识别模型，对现场真实环境下的岩体进行原位测试，解决了现有的钻孔窥视、声波测试等方法难以对岩体结构面宽度与角度等围岩分级关键参数准确测试的难题，提高了围岩分级的准确性。
[0017]本专利技术利用数字钻探测试系统开展地下工程围岩数字钻探试验，获取所述岩体随钻参数、抗压强度与岩体完整性系数，得到岩体基本质量指标，对围岩进行原位随钻分级，避免了传统测试方法获取岩石强度与结构特征参数的滞后性，可为围岩支护合理设计与优化提供实时的参数依据，对围岩稳定性控制至关重要。
附图说明
[0018]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0019]图1是本专利技术根据一个或多个实施方式的流程图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，其特征在于，包括：建立岩体抗压强度随钻反演模型，得到岩体抗压强度以及岩体抗压强度与钻进深度变化曲线；根据岩体抗压强度随钻进深度变化曲线的响应特征，建立岩体结构面参数随钻反演模型；基于岩体结构面参数随钻识别模型得到岩体结构面参数，并确定岩体完整性系数；根据岩体完整性系数与岩体抗压强度，建立围岩原位随钻分级模型，得到岩体基本质量指标，以对围岩进行原位随钻分级。2.根据权利要求1所述的地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，其特征在于，建立岩体钻进过程中的随钻参数与岩体抗压强度的关系式，得到岩体抗压强度随钻反演模型：；其中，σ
c
为岩体抗压强度，N为钻头转速，V为钻进速度，M为钻进扭矩，F为钻进压力，R为钻头半径，κ为钻头倾角，β为切削刃与水平方向夹角，γ为切削角，δ为摩擦角，μ为摩擦系数，L
u
为各列切削刃长度，x为钻头切削刃列数。3.根据权利要求1或2所述的地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，其特征在于，利用数字钻探测试系统开展地下工程围岩数字钻探试验，获取岩体随钻参数、岩体抗压强度与完整性系数。4.根据权利要求1所述的地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，其特征在于，所述岩体结构面参数随钻反演模型为：；其中，h为结构面位置，α为结构面角度，w为结构面宽度，H
a
为岩体抗压强度曲线开始下降时的钻进深度，D
def
为结构面偏转距离，S
dri
为钻孔间距，L为抗压强度曲线降低宽度。5.根据权利要求1或4所述的地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，其特征在于，岩体抗压强度随钻进深度变化曲线的响应特征为：对岩体进行多孔钻进测试，钻孔编号为i，i=2, 3,
ꢀ…ꢀ
, m，m为整数，钻孔间距为S
dri
，当钻孔i的钻头遇到结构面前端面时，抗压强度曲线开始下降，此时钻进深度为H
ai
；当钻头穿过结构面遇到结构面后端面时，抗压强度曲线下降至最低点H
bi
，当钻头再次进入岩石时，抗压强度曲线开始上升并最终恢复平稳。6.根据权利要求5所述的地下工程围岩结构特征原位探测与分级方法，其特征在于，抗压强度曲线降低宽度L=H
bi
‑
H
ai
；...

【专利技术属性】
技术研发人员：江贝，马凤林，高红科，黄玉兵，
申请(专利权)人：山东高速基础设施建设有限公司，
类型：发明
国别省市：