專利名稱：一種適用于深埋圓形隧洞的圍巖應力快速測算方法
技術領域：
本發明涉及巖土工程技術領域，具體的說是一種適用于深埋圓形隧洞的圍巖應力快速測算方法。
背景技術：
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。
發明內容
本發明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。本發明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，因此本發明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。本發明一種適用于深埋圓形隧洞的圍巖應力快速測算方法，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。本發明一種適用于深埋圓形隧洞的圍巖應力快速測算方法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。
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，對本發明進行進一步說明根據圖1-8所示，一種適用于深埋圓形隧洞的圍巖應力快速測算方法，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、掌子面上最小主應力3大小及方向未知。在圓形隧洞全斷面爆破過程中，炮孔的布置由爆破規模、爆破效果以及爆破安全確定。本實施例是在開挖掌子面I上由圓心向圓周依次布置2圈掏槽炮孔、3圈崩落炮孔、I圈緩沖炮孔和I圈周邊光面爆破炮孔，孔深3. 0m，炮孔7布置如圖3所示。傳統的起爆方式是首先中部掏槽，然后掌子面上的炮孔一圈圈由圓心向圓周順序起爆，各圈炮孔均一段起爆。本發明在已有的爆破設計基礎上對起爆順序稍作改進，根據爆破振動監測數據確定地應力，具體如下I.起爆方式設計在巖體較完整的爆破循環10中，掏槽炮孔一段起爆，其余各圈炮孔均分為兩段起爆，采用的起爆雷管段別為 MSI、MS3、MS5、MS7、MS9、MS10、MS11、MS12、MS13、MS14、MS15 和MS16，且MS5、MS9、MS11、MS13和MS15段起爆的炮孔由圓心向圓周連續分布在0-180°范圍內，如圖3所示，這5段起爆對應的隧洞徑向方位(用卸載面中垂線與X軸夾角Θ表示)分別是 45°、77。,108° ,138° 和 166。。2.爆破振動量測在已開挖隧洞12洞壁不同測點13布置若干振動傳感器，如圖4，記錄爆破地震波沿隧洞軸向、垂直于隧洞軸向和豎直向的振動速度時程曲線。3.振動速度分析I)在1#測點記錄的垂直于隧洞軸向和豎直向的振動速度時程曲線中，選取MS5、MS9、MS11、MS13和MS15起爆時的單段振動速度時程曲線，并根據各段對應的隧洞徑向方位
Θ，計算得到5條徑向和5條環向振動速度時程曲線，以其中某一條曲線為例，如圖5所示。2)對以上10條單段振動速度時程曲線進行幅值譜分析，針對地應力瞬態釋放激發振動的頻帶低于爆炸荷載，采用數字信號濾波對二者激發的振動進行分離，分離的曲線見圖6和圖7。3)地應力瞬態釋放激發的5條隧洞環向振動速度時程曲線中，最大振動幅值為Semax，最小振動幅值為Semin，SemajJP Semin所在段別對應的方位即是掌子面上最大主應力2、最小主應力3的方向。在兩個主應力方向上，地應力瞬態釋放激發的隧洞徑向振動幅值為Srl和Sri，爆炸荷載激發的徑向振動幅值分別為Brt和Bri，對比地應力瞬態釋放和爆炸荷載激發的振動幅值，并根據彈性振動邊界15上的爆炸荷載壓力，確定彈性振動邊界上的徑向應力大小σ'-=^Ρ ⑵
_3]心,11(3)式中:0 ' 和σ ' r3為主應力方向上彈性振動邊界上的徑向應力；Pb為彈性振動邊界上的爆炸荷載壓力；多個炮孔同時起爆時，彈性振動邊界為各炮孔破裂圈外邊界14的包絡線，以某一段起爆的炮孔為例，彈性振動邊界如圖8所示，破裂圈半徑約為炮孔半徑的10 20倍。彈性振動邊界上爆炸荷載壓力約等于巖體動態抗壓強度Pb = σ c(4)假定巖體是均質、連續、完全彈性體，將(2) (4)式計算得到ο丨σ ' ^代
入深埋圓形隧洞二次應力狀態彈性分布的表達式中，估算掌子面上最大、最小主應力式中σ /為掌子面內任一點的徑向應力；r為掌子面內任一點到隧洞中心的距離；ra為各圈炮孔起爆前的臨時空腔半徑;φ為與σ I的夾角，如圖I所示，ο ' rl, σ i r3與σ I的夾角分別為0°和90° ;4)在下一個爆破循環11中改變炮孔深度，如圖4所示，孔深等于掌子面內最大主應力方向對應段別的抵抗線，約I. Om,即隧洞軸向應力8和掌子面內最大主應力2的卸載邊界大小相等；在該爆破循環中，重復以上工作，隧洞軸向應力釋放激發的沿隧洞軸向振動幅值為Sp比較和Sn，確定隧洞軸向應力σ L大小 A 令丨(6)5)為提高地應力測量結果的可靠性和準確性，對2#、3#、4#、5#和6#測點記錄的數據進行以上同樣的分析，地應力測量結果取六個測點的平均值；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。 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益結果進行了進一步的詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之類，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一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。
2.如權利要求I所述的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。
全文摘要
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。
文檔編號G01L1/00GK102829899SQ20121030085
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月22日 優先權日2012年8月22日
發明者盧文波, 楊建華, 嚴鵬, 陳明, 胡英國 申請人:武漢大學