[发明专利]一种适用于深埋圆形隧洞的围岩应力快速测算方法

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体的说是一种适用于深埋圆形隧洞的围岩应力快速测算方法。

背景技术

随着我国西南地区水电开发的进一步深入以及矿产资源开采深度的日益增加，深埋隧洞开挖过程中高地应力诱发的工程地质灾害越来越普遍和严重。为预报岩体失稳破坏和岩爆的发生以及为岩体支护加固提供依据，在洞室施工过程中需要实时动态地掌握掌子面附近围岩的应力大小和方向。已有的地应力测量方法根据其测量原理大致可归纳为三类：第一类是以测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力解除法、水压致裂法及应力恢复法等；第二类是以测量岩体中声发射、声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理方法；第三类是根据地质构造或岩体破坏状况提供的信息确定应力方向。其中以应力解除法与水压致裂法应用最为广泛。应力解除法需要钻孔、套取岩芯、安装精密的电子仪器等操作，测量周期长，在洞室掌子面附近采用时影响施工进度，不能满足实时动态的需求；而且由于深部岩体的高地应力，钻孔变形严重、岩芯破裂，导致取芯困难，测量成功率较低，测量结果的可信度受到明显影响。水压致裂法所用设备庞大，钻孔直径大，钻孔时间长，测量仪器昂贵，测试费用高，无法适用于深埋隧洞围岩的地应力快速测量。

发明内容

本发明的目的就是针对现有的技术状况，以深埋隧洞爆破开挖过程中地应力瞬态释放激发的围岩振动为依据，提供一种可适用于深埋圆形隧洞的围岩应力快速测算方法。

本发明的理论依据是：深埋隧洞爆破开挖过程中，地应力瞬态释放会在周围岩体中激发地震波，按照弹性卸载理论，峰值质点振动速度与波阵面上应力存在如下关系：

PPV=σρCp---(1)]]>

式中：PPV为峰值质点振动速度；σ为卸载边界上的地应力(开挖荷载)；ρ、C_p分别为岩体的密度和弹性纵波速度。

圆形隧洞全断面爆破开挖时开挖边界垂直或平行于掌子面，因此本发明的核心在于测算圆形隧洞掌子面上最大主应力σ₁、掌子面上最小主应力σ₃及隧洞轴向应力σ_L，如图1和图4所示。

(1)式表明：相同卸载边界尺寸条件下，振动强度与卸载边界上的地应力大小成正比，地应力瞬态释放激发的振动幅值分布反映了掌子面内的应力分布。极坐标下，圆形隧洞全断面爆破开挖过程中掏槽区形成后，卸载边界上的地应力分布如图2所示(σ₁/σ₃=2.0)，在掌子面两个主应力方向上，环向应力出现最大、最小值；当σ₁/σ₃小于4.0~5.0时，环向应力远大于剪应力，而在世界大部分地区σ₁与σ₃的比值为2.0~3.0，剪应力释放激发的环向振动可以忽略不计。因此可以通过控制圆形隧洞全断面开挖过程毫秒爆破起爆顺序，获得与不同段别(不同方向)对应的围岩振动速度时程曲线，基于应力释放激发的环向振动幅值大小判别掌子面上主应力方向，环向振动最大和最小的段别所在的方位即是掌子面上主应力方向。对比主应力方向上应力瞬态释放和爆炸荷载分别激发的径向振动幅值，并根据弹性振动边界上的爆炸荷载压力估算掌子面上主应力大小。在隧洞轴向应力和掌子面上最大主应力卸载边界大小相等的条件下，比较隧洞轴向应力释放激发的隧洞轴向振动幅值和掌子面上最大主应力释放激发的隧洞径向振动幅值，确定隧洞轴向应力大小。不利结构面的存在会改变岩体局部的应力分布，因此基于地应力瞬态释放激发振动的围岩应力估算需在较完整的岩体中进行。

爆炸应力波向外传播过程中造成炮孔周围岩体破碎破裂，其能量不断衰减，在破裂圈外边界，即弹性振动边界上已不能再引起岩体的破坏，只能引起弹性振动，爆炸荷载压力约等于岩体动态抗压强度。弹性振动边界以内的岩体径向应力因裂纹的扩展贯通、岩体碎块的抛掷而全部释放，弹性振动边界也是地应力瞬态释放激发振动的卸载边界。

本发明一种适用于深埋圆形隧洞的围岩应力快速测算方法，其步骤如下：