深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法

本申请涉及隧道施工，尤其涉及一种深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法。

背景技术：

1、深埋硬岩隧洞tbm掘进打破岩体原始应力平衡，导致洞周围岩一定深度范围内大量弹性应变能集聚，对该能量集聚区实施超前应力释放孔进行卸压常被作为控制强烈应变型岩爆的重要手段之一。然而，由于tbm刀盘结构限定应力释放孔仅能在刀盘后有限空间内实施，使得该类应力释放孔卸压的有效性存有质疑，缺乏科学设计方法也导致对其“卸压消能机理”认知匮乏，严重制约了tbm隧洞超前应力释放孔技术的科学运用。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法，解决了工程实际中超前应力释放孔参数选取方法多依靠经验取值，缺乏可靠分析手段的难题，所述技术方案如下：

2、本申请提供一种深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法，包括以下步骤：s1，深埋硬岩tbm隧洞岩爆等级划分，统计隧洞沿线信息，开展tbm隧洞沿线的岩爆评估工作，确定隧洞沿线的各岩爆等级区段；s2，深埋硬岩tbm隧洞潜在岩爆震源区识别，在步骤s1所得中等及以上岩爆风险区段内，根据现场监测及室内模拟结果，准确识别围岩岩体中可能出现的高地应力及高弹性能集中区域；s3，超前应力释放孔参数方案设计与效果评价方法，依据步骤s2中所得潜在岩爆源区，初步确定超前应力释放孔布设方案，合理选择试验分析方法并建立相匹配的试验设计方案与卸压消能效果评定指标；s4，超前应力释放孔参数规律分析与设计优化，数值模拟获取并分析步骤s3中所得试验方案的模拟结果，量化应力释放孔设计参数对卸压消能效果的影响程度和参数间的相关性；s5，确定符合工程实际的最优应力释放孔布设方案，依据步骤s4中所得规律与分析结果，确定符合工程实际的最优应力释放孔布设方案并验证。

3、例如，在一个实施例提供的深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法中，在步骤s1中，隧洞沿线统计信息包括沿线工程区域的工程地质条件、地应力条件及隧洞埋深、开挖直径在内的施工设计参数。

4、例如，在一个实施例提供的深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法中，在步骤s2中，现场监测手段包括水压致裂或扰动应力测试在内的应力监测、微震监测及声发射监测。

5、例如，在一个实施例提供的深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法中，在步骤s3中，试验分析方法包括全面试验方法，单一变量试验方法和正交试验方法，分析过程中采用的数值模拟方法为有限差分法，模拟单元的本构为弹塑性本构；试验设计方案包括参数设计与方案设计；卸压消能效果评定指标从应力、弹性应变能的角度提出，并根据超前应力释放孔施作前后试验指标的变化情况，直接或间接地显示超前应力释放孔的卸压消能效果。

6、例如，在一个实施例提供的深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法中，所述参数设计分为孔自身几何参数和孔间距离参数，其中，孔间距离参数在tbm施工隧洞中根据释放区域及预期释放效果合理设计，选择平行式或发散式布设方法布设应力释放孔。

7、例如，在一个实施例提供的深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法中，所述方案设计包括各孔参数的变化范围设计以及孔参数组合方案设计。

8、例如，在一个实施例提供的深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法中，从应力角度提出所述卸压消能效果评定指标时，从最大主应力的角度进行，按下述式一和式二计算应力释放孔卸压关键点位置的平均最大主应力释放率，其中，关键点位于各个监测断面上一侧相邻两钻孔所连弧线上的中点位置：

9、

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11、式一和式二中，φi为单个测点位置处的最大主应力释放率，φ为全部测点位置处的平均最大主应力释放率，为钻孔前第i个监测点的最大主应力值，pa，为钻孔后第i个监测点的最大主应力值，pa，n为监测点个数。

12、例如，在一个实施例提供的深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法中，从弹性应变能的角度提出所述卸压消能效果评定指标时，按下述式三和式四计算应力释放孔卸压关键区域的平均体积释放能，关键区域依靠内侧与外侧应力释放孔轴线位置来确定，同时仅延展至距超前应力释放孔孔壁一倍孔径的位置：

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15、式三和式四中，πi为第i个单元平均体积下的弹性应变能大小，j/m3，π为能量计算区域内的平均体积释放能，j/m3，σ1、σ2、σ3分别为单元质心处的最大主应力、中间主应力和最小主应力，pa，v和e分别为单元的泊松比与弹性模量，pa，为钻孔后的第i个单元弹性应变能密度，j/m3，为钻孔前的第i个单元的弹性应变能密度，j/m3，vi为第i个单元的体积，m3，n为参与计算的单元数目，v为参与计算的单元体积之和，m3。

16、例如，在一个实施例提供的深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法中，在步骤s4中，超前应力释放孔参数规律分析内容包括相关性分析与敏感性分析。

17、例如，在一个实施例提供的深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法中，在步骤s5中，验证内容为使用步骤s4中的数值模拟方法预计释放孔最优布置情况下的应力释放效果，与步骤s3中试验方案设计过程中各试验设计方案的应力释放效果进行比较从而对最优应力释放孔布设方案进行校验以及对规律分析所得结论进行验证。

18、本申请一些实施例提供的一种深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法带来的有益效果为：本申请的设计方法以释放tbm隧洞岩爆源区岩体内的高应力与高弹性应变能为优化目标，建立超前应力释放孔设计方案，分析出超前应力释放孔参数与释放效果间的规律，从而获取最优超前应力释放孔布设参数，以解决工程实际中超前应力释放孔参数选取方法多依靠经验取值，缺乏可靠分析手段的难题。

技术特征：

1.一种深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法，其特征在于，在步骤s1中，隧洞沿线统计信息包括沿线工程区域的工程地质条件、地应力条件及隧洞埋深、开挖直径在内的施工设计参数。

3.根据权利要求1所述深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法，其特征在于，在步骤s2中，现场监测手段包括水压致裂或扰动应力测试在内的应力监测、微震监测及声发射监测。

4.根据权利要求1所述深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法，其特征在于，在步骤s3中，试验分析方法包括全面试验方法，单一变量试验方法和正交试验方法，分析过程中采用的数值模拟方法为有限差分法，模拟单元的本构为弹塑性本构；试验设计方案包括参数设计与方案设计；卸压消能效果评定指标从应力、弹性应变能的角度提出，并根据超前应力释放孔施作前后试验指标的变化情况，直接或间接地显示超前应力释放孔的卸压消能效果。

5.根据权利要求4所述深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法，其特征在于，所述参数设计分为孔自身几何参数和孔间距离参数，其中，孔间距离参数在tbm施工隧洞中根据释放区域及预期释放效果合理设计，选择平行式或发散式布设方法布设应力释放孔。

6.根据权利要求4所述深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法，其特征在于，所述方案设计包括各孔参数的变化范围设计以及孔参数组合方案设计。

7.根据权利要求4所述深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法，其特征在于，从应力角度提出所述卸压消能效果评定指标时，从最大主应力的角度进行，按下述式一和式二计算应力释放孔卸压关键点位置的平均最大主应力释放率，其中，关键点位于各个监测断面上一侧相邻两钻孔所连弧线上的中点位置：

8.根据权利要求4所述深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法，其特征在于，从弹性应变能的角度提出所述卸压消能效果评定指标时，按下述式三和式四计算应力释放孔卸压关键区域的平均体积释放能，关键区域依靠内侧与外侧应力释放孔轴线位置来确定，同时仅延展至距超前应力释放孔孔壁一倍孔径的位置：

9.根据权利要求1所述深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法，其特征在于，在步骤s4中，超前应力释放孔参数规律分析内容包括相关性分析与敏感性分析。

10.根据权利要求1所述深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法，其特征在于，在步骤s5中，验证内容为使用步骤s4中的数值模拟方法预计释放孔最优布置情况下的应力释放效果，与步骤s3中试验方案设计过程中各试验设计方案的应力释放效果进行比较从而对最优应力释放孔布设方案进行校验以及对规律分析所得结论进行验证。

技术总结
本申请公开了一种深埋硬岩施工隧洞岩爆源区超前应力释放孔参数设计方法，包括以下步骤：S1，深埋硬岩TBM隧洞岩爆等级划分；S2，深埋硬岩TBM隧洞潜在岩爆震源区识别；S3，超前应力释放孔参数方案设计与效果评价方法；S4，超前应力释放孔参数规律分析与设计优化；S5，确定符合工程实际的最优应力释放孔布设方案；本申请以释放TBM隧洞岩爆源区岩体内的高应力与高弹性应变能为优化目标，建立超前应力释放孔设计方案，分析出超前应力释放孔参数与释放效果间的规律，从而获取最优超前应力释放孔布设参数，以解决工程实际中超前应力释放孔参数选取方法多依靠经验取值，缺乏可靠分析手段的难题。

技术研发人员：邱士利,谢振坤,李邵军,江权,徐鼎平,郑虹
受保护的技术使用者：中国科学院武汉岩土力学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14