横观各向同性岩体钻进全过程模拟及软弱夹层识别方法

摘要

近年来，随着东部地区基础设施建设的逐渐完善，我国地下隧道工程逐渐向中西部地形陡峭、构造发育区转移，随之而来的是更高的施工难度和更大的灾害风险。为进行隧道灾害的超前判识，就要进行超前地质预报工作，在众多超前地质预报方法中，超前钻探是隧道工程探明前方地质情况，进行超前地质预报的重要手段。然而对于超前钻探获取的数据，往往不能进行完全的利用，造成数据浪费。因此急需建立一种基于钻进测试的不良地质快速识别方法。基于此，本文采用数值模拟与物理试验结合的方式，通过数据异常分析方法对横观各向同性岩体中的软弱夹层进行了有效识别，并取得了以下成果:　　(1)提出了基于PFC3D的横观各向同性岩体细观参数联合标定方法　　论证了横观各向同性岩体采用双模型建模的必要性，对双模型参数进行简化形成了横观各向同性岩体标定宏细观参数指标体系。采用控制变量法进行敏感性分析，得到了宏细观参数影响关系，获取了各宏观参数显著的影响细观参数。　　为解决双模型参数之间非独立的问题，以完整岩石的抗压强度与弹性模量为桥梁沟通双模型参数，形成了LPBM和SJM全参数标定优先级，构建了宏细观参数函数表征体系，通过建立考虑双模型联系的参数优先级解决了模型参数众多和两个模型参数间相互影响的难题。最后提出了一套针对于横观各向同性岩体的标准化细观参数标定方法（CM-LPBM&SJM),并基于室内试验验证了方法的正确性。　　(2)建立了横观各向同性岩体全过程钻进模型并进行物理试验验证　　以多层颗粒共同配置的形式建立了横观各向同性岩体钻进模型，基于单轴压缩试验标定了双模型细观参数。分别对完整岩石和嵌入节理的横观各向同性岩体进行了钻进测试，得到在同种岩性的岩石中钻进参数基本保持稳定，而对于含节理岩体，在钻进节理时，参数产生突变。　　自主研发了岩体数字超前钻探试验系统，进行了完整岩石（花岗岩）及两种软弱夹层试件（填充型软弱夹层、胶结型软弱夹层）的制备和钻进测试，对于完整岩石(花岗岩），钻进参数稳定;对于钻进软弱夹层，参数出现了突然下降，相比于胶结型，填充型软弱夹层参数下降幅度降低。物理试验得到规律与数值试验基本一致，验证了数值试验的正确性。　　(3)基于数据异常分析得到横观各向同性岩体软弱夹层识别方法　　基于横观各向同性岩体钻进全过程模拟方法，探究了钻进速度和转速对于钻进压力的影响，得到钻进速度、转速与压力的线性关系。同时改变软弱夹层的厚度、角度和间距，得到钻进曲线的不同突变形式。　　提出了基于Cook距离的钻进参数数据异常的定量识别方法，应用于钻进参数的异常分析，形成了基于钻进参数的横观各向同性岩体软弱夹层识别方法，并通过构建试件进行钻进试验验证了此方法的正确性。

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