一种深埋软岩隧洞的原位测试方法和原位测试结构的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种深埋软岩隧洞的原位测试方法，包括：对前期探洞取样，获得地应力场分布特征；计算并确定模拟试验洞参数；扩挖尺寸效应过渡段；计算并确定监测断面位置；布置观测支洞并预埋监测仪器；开挖模拟试验；利用监测仪器定期观测。本发明还提供一种根据上述方法建立的深埋软岩隧洞的原位测试结构，包括模拟试验洞、前期探洞和观测支洞。本发明真实再现了软岩的各向异性和尺寸效应，能获得大量的实测数据和围岩性态的测试信息，克服了深埋软岩强度低、遇水易软化、高深埋洞段存在成洞问题等不确定因素，有效避免了现有监测方法和试验的不足，为隧洞稳定性分析提供了可靠的数据支持。
【专利说明】一种深埋软岩隧洞的原位测试方法和原位测试结构
【技术领域】
[0001] 本发明涉及深埋软岩隧洞的测试技术，尤其涉及深埋软岩隧洞的尺寸效应和各向 异性特征的原位测试技术。
【背景技术】
[0002] 目前，隧洞工程己经向长大、深埋方向发展。各行各业越来越多的隧洞工程出现了 因深埋地应力高、围岩软弱、节理裂隙发育等原因，局部洞段产生了持续大变形、塌方等现 象。特别是水工、交通隧洞工程一般开挖断面较大，断面尺寸效应使得上述现象更加明显， 给隧洞设计与施工造成了很大的困难。高地应力一旦和软弱围岩相结合，开挖后洞周围岩 就会受到高地应力作用，岩体被挤压就可能产生松驰、蠕变，在断面尺寸效应下，往往断面 越大越容易产生塌方、大变形。加之由于深埋软岩具有强度低、遇水软化的突出特征，在高 埋深洞段的成洞问题突出，成为深埋软岩隧洞建设的关键问题之一。
[0003] 国内外目前针对高埋深、大断面的软岩隧洞工程的研究仍主要集中在室内试验， 但由于软岩通常各向异性特征比较明显，且由于本身强度较低，在取样、制样过程中容易受 外界环境的影响造成损伤，因此软岩在现场实际所表现出来的响应特征和室内试验相比具 有很大的区别，有必要开展原位试验，来掌握深埋软岩隧洞围岩的变形规律和破坏机制，但 开挖与原隧洞尺寸相同的模拟试验洞，不仅造价昂贵，也难以满足工程的时间要求，而如果 尺寸较小，则高应力条件下的围岩破坏现象不能充分暴露出来，无法有力支撑软岩成洞问 题的研究。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种深埋软岩隧洞的原位测试方法，该方法能 够兼顾深埋软岩尺寸效应和各向异性特征。
[0005] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种深埋软岩隧洞的原位测试方 法，其特征在于：所述方法包括以下步骤： 1) 对前期探洞取样，进行室内岩石力学试验和地应力测试，获得地应力场分布特征； 2) 计算并确定模拟试验洞参数，所述参数包括埋深、轴线方向、洞径、断面形状和洞 长； 3) 从前期探洞扩挖尺寸效应过渡段达到模拟试验洞的洞径尺寸； 4) 计算并确定监测断面位置，所述监测断面至少选取两个； 5) 布置观测支洞并利用观测支洞在监测断面上预埋监测仪器； 6) 开挖模拟试验洞至设定洞长； 7) 利用监测仪器定期进行观测。
[0006] 在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术 方案： 根据隧洞围岩的强度应力比确定模拟试验洞的埋深。
[0007] 模拟试验洞的轴线方向米用垂直于最大主应力方向。
[0008] 当软岩隧洞原始洞径大于8m时，模拟试验洞采用8m洞径，当软岩隧洞原始洞径小 于8m时，模拟试验洞的采用与软岩隧洞相同的洞径。
[0009] 模拟试验洞的断面形状与软岩隧洞的原始断面形状相同。
[0010] 模拟试验洞的长度为监测断面之间的距离与3倍洞径之和。
[0011] 所述步骤2)中的尺寸效应过渡段的挖掘深度为大于前期探洞洞径的3倍。
[0012] 所述步骤3)中的监测断面布置在模拟试验洞的掘进方向上，所述监测断面至少包 括1个起始断面和1个终止断面，所述起始断面与尺寸效应过渡段的距离大于模拟试验洞 洞径的1倍，相邻两个监测断面之间的距离不小于lm。
[0013] 所述步骤4)中观测支洞与模拟试验洞的距离大于观测支洞洞径的3倍。
[0014] 本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种深埋软岩隧洞的原位测试结构，能 够模拟出软岩隧洞的应力和尺寸条件，准确测试出软岩的各向异性和尺寸效应。
[0015] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种深埋软岩隧洞的原位测试结 构，所述原位测试结构包括模拟试验洞、前期探洞和观测支洞，模拟试验洞的参数可以通过 上述原位测试方法计算得到，所述模拟试验洞的轴线方向垂直于深埋软岩的最大主应力方 向，所述前期探洞与所述模拟试验洞之间具有尺寸效应过渡段，所述模拟试验洞的洞壁外 设有至少两个监测仪器，所述两个监测仪器中靠前的一个与所述尺寸效应过渡段之间的距 离大于模拟试验洞洞径的1倍，所述两个监测仪器中靠后的一个与模拟试验洞洞底之间的 距离大于模拟试验洞洞径的2倍，所述前期探洞与所述观测支洞之间设有辅助洞，所述观 测支洞与所述模拟试验洞平行，所述观测支洞与所述模拟试验洞之间的距离大于所述观测 支洞洞径的3倍，所述观测支洞与所述模拟试验洞之间具有与所述监测仪器对应的预埋钻 孔。
[0016] 本发明的有益效果是：本发明通过利用软岩隧洞的前期探洞进行岩石力学试验和 地应力测试，得到地应力场分布特征，并根据地应力场分布特征进行前期计算和分析，精心 设计出能够模拟深埋软岩隧洞的应力和尺寸条件的模拟试验洞，真实再现了软岩的各向异 性和尺寸效应，可以更准确地把握原型洞所处的地应力环境和岩性条件等；通过预埋监测 仪器全过程捕捉围岩的开挖效应，可以获得大量的实测数据和围岩性态的测试信息，在开 挖过程中所揭示的变形破坏模式对原型洞具有很高的参考价值，这些数据可以较为全面地 反映模拟洞的整体受力、变形情况及工作性态，克服了深埋软岩强度低、遇水易软化、高深 埋洞段存在成洞问题等不确定因素，有效避免了现有监测方法和试验的不足，为隧洞稳定 性分析提供了可靠的数据支持，并且，本发明的原位测试方法充分考虑了开挖模拟试验洞 的经济性以及模拟试验洞的可利用性，降低了施工难度，节省了施工时间。
[0017] 本发明对于揭示深埋软岩的力学特性具有重要作用，不仅可以为计算分析提供可 靠的监测数据，提高研究成果的深度和可信度，而且能够直观地认识软岩的尺寸效应，充分 展现软岩的各向异性特征，为经济洞径的设计和隧洞轴线的选择提供参考依据，能够为原 型洞变形稳定分析提供地质概化模型以及反映岩体实际的本构模型和参数等，验证数值模 拟分析方法的适用性，检验支护措施的有效性，修正和完善相关理论、模型和参数，为进一 步的反向分析研究和有关控制标准的制定提供依据。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1为本发明的原位测试方法的流程图。
[0019] 图2为不同埋深洞段软岩挤压变形的示意图。
[0020] 图3为石英云母片岩不同埋深洞段围岩开挖响判断应表。 图4为洞径为8m的遍布节理模型预测的800m埋深变形和松动圈示意图。
[0021] 图5为洞径为13m的遍布节理模型预测的800m埋深变形和松动圈示意图。
[0022] 图6为预埋的位移计变形时程曲线图。
[0023] 图7为本发明的原位测试结构的平面图。
[0024] 图8为图1的A-A剖视图。
【具体实施方式】
[0025] 实施例1，深埋软岩隧洞的原位测试方法。
[0026] 参照附图1-7。
[0027] 本发明的深埋软岩隧洞的原位测试方法包括以下步骤： S1，对前期探洞1进行取样，进行室内岩石力学试验，并进行地应力测试，获得地应力 场分布特征，为后面的分析提供基础数据。
[0028] S2,计算并确定模拟试验洞2的参数，该参数包括埋深、轴线方向、洞径D、断面形 状和洞长H。
[0029] 如【背景技术】中所述，开挖与原隧洞尺寸相同的模拟试验洞，不仅造价昂贵，也难以 满足工程的时间要求，而且如果尺寸过小，则高应力条件下的围岩破坏现象不能充分暴露， 无法有力支持软岩成洞问题的研究，因此模拟试验洞的设计至关重要。
[0030] (1)确定模拟试验洞2的埋深。
[0031] 不同的埋深条件意味着不同的地应力状态甚至水平，导致围岩的变形破坏特征表 现出一定的差异，由于模拟试验洞不可能布置在软岩隧洞的最大埋深处，因此，为了保证模 拟试验洞达到预期的效果，埋深必须满足一定的要求才有可能使围岩表现出足够的塑性变 形，出现预想中的破坏现象，得到需要监测的数据。
[0032] 图2为软岩收敛应变与断面强度应力比之间的关系，其中纵坐标为软岩收敛应 变ε，ε <1，表示稳定，ε =1-2. 5%，表示轻微挤压变形，ε =2. 5-5%，表示严重挤压变形， ε =5-10%，表示非常严重的挤压变形，ε >10%，表示极其严重的挤压变形，横坐标为强度 应力比，图中的1200m、1000m、800m、600m和400m表示埋深，图中的曲线是大量工程实践总 结得到的曲线，该曲线可以用来推测软岩在不同埋深条件下的变形特征，在软岩中地应力 状态接近静水压力状态，围岩的强度应力比< 〇. 25,根据图2的曲线，要获得软岩收敛应变 特性的数据，模拟试验洞的埋深需要超过700m，不同的围岩其强度应力比不同，所需模拟试 验洞的埋深也不同，如图3所示为石英云母片岩在不同埋深洞段的围岩开挖响应的经验判 断表(根据工程实践总结而来)，从图中可以看出如果需要测试的软岩隧洞为石英云母片岩 洞，则模拟试验洞的埋深须在800m以上，本实施例中，将模拟试验洞的埋深设定为800m，实 践中可根据不同的软岩材质，选定不同的模拟试验洞埋深值。
[0033] (2)确定模拟试验洞2的轴线方向。
[0034] 通常在深埋隧洞中为了保证围岩稳定，隧洞轴线应当尽量选择与最大主应力方向 一致，但在本发明中由于模拟试验洞的埋深受到限制，因此采用垂直最大主应力方向布置 模拟试验洞来放大围岩的开挖响应，确保围岩的各向异性和尺寸效应能够体现出来，图7 中箭头表不最大主应力方向。
[0035] (3)确定模拟试验洞2的断面形状。
[0036] 模拟试验洞的断面尺寸应当尽量与软岩隧洞的原始形状相同，确保最大程度地模 拟原型洞。
[0037] (4)确定模拟试验洞2的洞径D。
[0038] 理论上模拟试验洞的最佳洞径尺寸应当与原型洞相同，但考虑到开挖经济性和施 工条件限制等因素，模拟试验洞很难也没有必要做到1 :1的比例，因此对模拟试验洞的洞 径的选择也需要经过理论分析。
[0039] 经过理论分析，洞径8m是能够揭示软岩各向异性和变形特性的较佳位置，采用能 够反应各向异性特征的遍布节理模型计算洞径8m和13m的试验洞在800m埋深的位移和塑 形区特征特征，其结果如图4和图5所示，从图4和图5的对比可以看出，8m的洞径已经能 够揭示软岩的大变形和破坏机制，其效果与13m洞径的差距并不大，但造价和工期远远优 于13m的开挖洞径，由此确定模拟试验洞的洞径尺寸为：当软岩隧洞(原型洞）的原始洞径 大于8m时，模拟试验洞采用8m洞径，当软岩隧洞(原型洞)的原始洞径小于8m时，为了更好 地模拟原型洞，则模拟试验洞采用原型洞的洞径尺寸。
[0040] (5)确定模拟试验洞2的洞长H。
[0041] 围岩变形的空间效应沿隧洞轴线方向约为洞径的2~3倍，在距离掌子面前一倍左 右洞径和后两倍左右洞径内时，围岩变形剧烈，而两倍洞径之后位移变形趋缓，这表明洞周 围岩的开挖瞬时位移主要是在监测断面埋设位置的前一倍洞径和后两倍洞径内完成，因此 模拟试验洞的洞长要考虑到掌子面效应。
[0042] 根据上述理论，起始监测断面应当与模拟试验洞的实际起始处(不包括尺寸效应 过渡段)间距1倍以上洞径D，而终止监测断面应当与模拟试验洞的洞底间距2倍以上洞径 D，以确保完全消除掌子面效应，因此，模拟试验洞的实际洞长Η (不包括尺寸效应过渡段） =D+监测断面总间距+2D。
[0043] S3,从前期探洞1扩挖尺寸效应过渡段3到达模拟试验洞2的洞径尺寸。
[0044] 该步骤正式开挖模拟试验洞，利用前期探洞1掘进至布置模拟试验洞2的位置，通 过扩挖达到模拟试验洞2的洞径尺寸D，扩挖的这一段称为尺寸效应过渡段3,尺寸效应过 渡段3的长度大约为3倍的前期探洞直径d，以减小尺寸效应和掌子面效应的影响。
[0045] S4,计算并确定监测断面4的位置。
[0046] 监测断面4的数量根据实际需要确定，但是不得少于两个，以方便相互验证和补 充。如S2中所述，起始监测断面的位置应当距离尺寸效应过渡段3的末端大于1倍模拟试 验洞洞径D。为防止监测断面4之间开挖的相互影响，并确保监测断面4的数据能够相互印 证，相邻监测断面4之间的间距不应小于lm，此处设定相邻监测断面4之间的间距为lm。
[0047] S5,布置观测支洞5并利用观测支洞5在监测断面4上预埋监测仪器。
[0048] 从前期探洞1的一侧开挖辅助洞6,沿辅助洞6继续开挖观测支洞5,观测支洞5 与模拟试验洞2平行开挖，为了避免观测支洞5对模拟试验洞2的开挖响应产生影响，观测 支洞5与模拟试验洞2之间的距离应大于观测支洞5的洞径L的3倍，同时考虑到要从观 测支洞5向模拟试验洞2的掘进方向上布置监测仪器，观测支洞5也不宜距离模拟试验洞 2太远，本实施例中选择最佳距离3L。观测支洞5开挖完毕后，从观测支洞5向模拟试验 洞2的方向设置预埋钻孔7,监测仪器通过预埋钻孔7设置在模拟试验洞2的掘进方向上。 只有预埋了监测仪器，才能够对模拟试验洞2开挖的全过程进行数据检测和捕捉，当然，为 了弥补初始变形捕捉缺失和取得质量可靠的监测数据，在需要通过多个监测断面相互验证 (不少于3个）时，可以在开挖模拟试验洞2的时候将监测仪器紧跟掌子面安装。
[0049] S6,根据步骤S2计算得出的模拟试验洞2的数据进行模拟试验洞开挖，直至设定 的洞长。
[0050] S7,由于软岩变形具有明显的时间效应，因此在掘进终止后，每周需要对监测仪器 进行至少两次观测，具体观测周期和观测频率可视施工开挖及观测数据变化情况适当增加 或减少。
[0051] 以位移计作为监测仪器，其所采集断面的数据如图6所示，从图6中可以看出，通 过扩挖可以极大地激发围岩的变形特性，并通过预埋的位移计捕捉到了变形的整个过程， 为后期的力学参数反向分析和原型洞的稳定性分析提供了可靠的基础数据。
[0052] 实施例2,原位测试结构。
[0053] 参照附图7-8。
[0054] 本发明的原位测试结构可以根据实施例1的原位测试方法开挖得到。该原位测试 结构包括模拟试验洞2、前期探洞1和观测支洞5。
[0055] 模拟试验洞2布置在软岩隧洞的前期探洞1的后方，模拟试验洞2的埋深、轴线方 向、洞径、断面形状和洞长等参数可以通过实施例1的原位测试方法预先计算得到。
[0056] 模拟试验洞2的轴线方向垂直于深埋软岩的最大主应力方向，通常在深埋隧洞中 为了保证围岩稳定，隧洞轴线应当尽量选择与最大主应力方向一致，但在本发明中由于模 拟试验洞的埋深受到限制，因此采用垂直最大主应力方向布置模拟试验洞来放大围岩的开 挖响应，确保围岩的各向异性和尺寸效应能够体现出来，图7中箭头表示最大主应力方向。
[0057] 模拟试验洞2与前期探洞1之间具有尺寸效应过渡段3,尺寸效应过渡段3的长度 大约为3倍的前期探洞直径d，以减小尺寸效应和掌子面效应的影响。
[0058] 模拟试验洞2的洞壁外设有至少两个监测仪器(例如位移计)，监测仪器所对应的 模拟试验洞2的截断面称为监测断面4,监测断面4的数量可以根据实际需要确定，但是不 得少于两个，以方便相互验证和补充，两个监测仪器所对应的监测断面4中靠前的一个与 尺寸效应过渡段3之间的距离大于模拟试验洞2洞径D的1倍，两个监测仪器所对应的监 测断面4中靠后的一个与模拟试验洞2的洞底之间的距离大于模拟试验洞洞径D的2倍， 这里所说的靠前和靠后是相对于模拟试验洞2的掘进深度方向而言，这样布置的理由是为 了避开掌子面效应，如实施例1的S2中（5)的表述，此处不再赘述。
[0059] 前期探洞1与观测支洞5之间设有辅助洞6,在前期探洞1的一侧开挖辅助洞6， 从而继续开挖观测支洞5,观测支洞5与模拟试验洞2平行，便于通过观测支洞5向模拟试 验洞2钻孔进行监测仪器的埋设，观测支洞5与模拟试验洞2之间具有与监测断面4对应 的预埋钻孔7,用于监测仪器的埋设，为了避免观测支洞5对模拟试验洞2的开挖响应产生 影响，同时又不要距离太远，观测支洞5与模拟试验洞2之间的距离设置为观测支洞5的洞 径L的3倍。
[0060] 本实施例建立了一种原位测试结构，通过该测试结构可以对模拟试验洞2的各向 异性和变形情况进行长期的定期监测，其监测数据能够为后期软岩隧洞的力学参数分析和 原型洞的稳定性分析提供可靠的数据支持。
【权利要求】
1. 一种深埋软岩隧洞的原位测试方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤： 1) 对前期探洞取样，进行室内岩石力学试验和地应力测试，获得地应力场分布特征； 2) 计算并确定模拟试验洞参数，所述参数包括埋深、轴线方向、洞径、断面形状和洞 长； 3) 从前期探洞扩挖尺寸效应过渡段达到模拟试验洞的洞径尺寸； 4) 计算并确定监测断面位置，所述监测断面至少选取两个； 5) 布置观测支洞并利用观测支洞在监测断面上预埋监测仪器； 6) 开挖模拟试验洞至设定洞长； 7) 利用监测仪器定期进行观测。
2. 如权利要求1所述的一种深埋软岩隧洞的原位测试方法，其特征在于：根据隧洞围 岩的强度应力比确定模拟试验洞的埋深。
3. 如权利要求1所述的一种深埋软岩隧洞的原位测试方法，其特征在于：模拟试验洞 的轴线方向米用垂直于最大主应力方向。
4. 如权利要求1所述的一种深埋软岩隧洞的原位测试方法，其特征在于：当软岩隧洞 原始洞径大于8m时，模拟试验洞采用8m洞径，当软岩隧洞原始洞径小于8m时，模拟试验洞 的采用与软岩隧洞相同的洞径。
5. 如权利要求1所述的一种深埋软岩隧洞的原位测试方法，其特征在于：模拟试验洞 的断面形状与软岩隧洞的原始断面形状相同。
6. 如权利要求1所述的一种深埋软岩隧洞的原位测试方法，其特征在于：模拟试验洞 的长度为监测断面之间的距离与3倍洞径之和。
7. 如权利要求1所述的一种深埋软岩隧洞的原位测试方法，其特征在于：所述步骤3) 中的尺寸效应过渡段的挖掘深度大于前期探洞洞径的3倍。
8. 如权利要求1所述的一种深埋软岩隧洞的原位测试方法，其特征在于：所述步骤4) 中的监测断面布置在模拟试验洞的掘进方向上，所述监测断面至少包括1个起始断面和1 个终止断面，所述起始断面与尺寸效应过渡段的距离大于模拟试验洞洞径的1倍，相邻两 个监测断面之间的距离不小于lm。
9. 如权利要求1所述的一种深埋软岩隧洞的原位测试方法，其特征在于：所述步骤5) 中观测支洞与模拟试验洞之间的距离大于观测支洞洞径的3倍。
10. -种深埋软岩隧洞的原位测试结构，其特征在于：所述原位测试结构根据权利要 求1所述的方法建立，所述原位测试结构包括模拟试验洞、前期探洞和观测支洞，所述模拟 试验洞的轴线方向垂直于软岩的最大主应力方向，所述前期探洞与所述模拟试验洞之间具 有尺寸效应过渡段，所述模拟试验洞的洞壁外设有至少两个监测仪器，所述两个监测仪器 中靠前的一个与所述尺寸效应过渡段之间的距离大于模拟试验洞洞径的1倍，所述两个监 测仪器中靠后的一个与模拟试验洞洞底之间的距离大于模拟试验洞洞径的2倍，所述前期 探洞与所述观测支洞之间设有辅助洞，所述观测支洞与所述模拟试验洞平行，所述观测支 洞与所述模拟试验洞之间的距离大于所述观测支洞洞径的3倍，所述观测支洞与所述模拟 试验洞之间具有与所述监测仪器对应的预埋钻孔。
【文档编号】E21F17/00GK104088666SQ201410325215
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】刘宁, 张伟, 张洋, 褚卫江 申请人:中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司