评价尺寸效应对隧洞开挖响应影响的试验方法

摘要

本发明涉及一种评价尺寸效应对隧洞开挖响应影响的试验方法。本发明的目的是提供评价尺寸效应对隧洞开挖响应影响的试验方法，克服室内试验对尺寸要求的局限性和数值模拟对技术要求的苛刻性。本发明的技术方案是：a、拟开挖隧洞一侧开挖与之平行的辅助洞，保证两洞之间距离大于三倍拟开挖隧洞洞径；b、辅助洞向拟开挖隧洞部位钻孔，孔内埋设监测仪器，形成至少三个监测断面；c、对拟开挖隧洞进行部分断面的开挖，并通过埋设的监测仪器捕捉此过程引起的围岩开挖响应，然后再扩挖至全断面，并通过埋设的监测仪器捕捉扩挖过程引起的围岩开挖响应，以评价不同开挖尺寸对开挖响应的影响。本发明适用于岩石地下工程。

说明书

技术领域

本发明涉及一种评价尺寸效应对隧洞开挖响应影响的试验方法，主要适用于岩石地下工程。

背景技术

在地下岩体中开挖隧洞时，会由于地应力场的改变导致隧洞围岩出现不同的开挖响应。由于岩体是由岩石和不同尺度的结构面组合而成，导致不同尺寸的隧洞开挖后出现不同的开挖响应，表现出尺寸效应。尺寸效应是岩石力学和岩体工程中的热点研究问题，也是难点问题，对该问题的研究一般从理论研究、试验研究和数值方法来入手。其中理论研究方法一直是过去几十年工作的重点方法，并且取得了一定的进展，但是其仍然无法准确再现现场实际岩体的裂隙网络分布和破裂的孕育发展过程。试验是研究尺寸效应的最直接的手段，可以通过加载不同尺寸的岩样来获得对应尺寸的岩体强度特征，但其受加载条件的限制，岩样的尺寸超过1m便很难完成，而现场岩体力学特性试验同样受岩体尺寸的限制，并且只能获得岩体的力学参数，很难直接用于评价尺寸效应的研究中。数值方法是近几年的新兴技术，但受限于数值方法本身对单元尺寸、裂纹扩展、裂隙网络生成、地质条件的精确描述等因素的影响，应用到工程实践中还存在相当长的时间。

岩体力学特性的尺寸效应，对于合理确定洞室开挖尺寸、评价围岩开挖响应甚至岩爆风险都有重要的应用价值。但是目前对于尺寸效应的研究缺少合适的研究方法，很难满足工程的实际需要，特别是现在地下工程的地质条件都极为复杂，单纯依靠理论、室内试验、数值模型等手段都无法准确再现现场的岩体特征，尺寸效应对于工程开挖的实际影响变得更加困难。

目前我国正在大力发展地下工程，地下工程的稳定性问题是必须要解决的，而稳定性问题和开挖洞室的尺寸是密切相关的，需要找到一种技术门槛较低、能够直接应用于工程、满足工程实际需要的试验方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种评价尺寸效应对隧洞开挖响应影响的试验方法，以克服室内试验对尺寸要求的局限性和数值模拟对技术要求的苛刻性，更加贴近工程的实际情况，可以为现场合理确定隧洞的开挖尺寸和施工方法提供参考。

本发明所采用的技术方案是：评价尺寸效应对隧洞开挖响应影响的试验方法，其特征在于步骤如下：

a、在拟开挖隧洞一侧开挖一条与之平行的辅助洞，并保证两洞之间的距离大于三倍的拟开挖隧洞洞径；

b、利用辅助洞向拟开挖隧洞部位钻孔，并在孔内埋设监测仪器，形成至少三个垂直于拟开挖隧洞轴线布置的监测断面，相邻两监测断面之间的间距大于一倍的拟开挖隧洞洞径，且各监测断面的监测内容包括位移监测、声发射监测、应力监测和声波监测；

c、对拟开挖隧洞进行部分断面的开挖，并通过埋设的监测仪器捕捉此过程引起的围岩开挖响应，然后再扩挖至全断面，并通过埋设的监测仪器捕捉扩挖过程引起的围岩开挖响应，以评价不同开挖尺寸对开挖响应的影响。

所述辅助洞的横截面为直径3m的圆形或边长3m的正方形。

所述步骤c中，先对拟开挖隧洞上部断面进行开挖，然后进行下部断面的开挖。

所述步骤c中，先对拟开挖隧洞中心部位进行开挖，然后以该中心部位为中心向四周扩挖。

本发明的有益效果是：本发明通过在开挖隧洞周围直接布置监测仪器，系统捕捉不同尺寸隧洞开挖引起的围岩响应，避免了室内试验对于尺寸大小的限制，也克服了数值分析方法对于裂隙特征描述的困难；同时，本方法更加贴近工程实际情况，也更容易在现场开展，不仅可以直接用于现场隧洞开挖洞径和施工方法的确定，而且可以为数值分析提供校核的数据；此外，本方法试验花费和技术难度都比较低，可以为尺寸效应的评价提供一种新的工作方法。

附图说明

图1是实施例1的平面图。

图2是实施例1的剖面图。

图3是实施例2的剖面图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，本实施例通过在开挖隧洞周围直接布置监测仪器，通过捕捉不同断面尺寸的隧洞开挖响应，获得对尺寸效应的认识；其具体步骤如下：

a、在拟开挖隧洞1一侧开挖一条与之平行的辅助洞2，并保证两洞（拟开挖隧洞和辅助洞）之间的距离大于三倍的拟开挖隧洞1洞径，以避开应力扰动区；辅助洞2尺寸以能够满足仪器安装和数据采集为底限，3m×3m基本能够满足要求，本例中，辅助洞2的横截面为直径3m的圆形（其横截面也可以是边长为3m的正方形）；

b、利用辅助洞2向拟开挖隧洞1部位钻孔，并在孔内埋设监测仪器，包括多点位移计、空心包体应力计、声发射传感器等，形成至少三个监测断面，起到相互验证校核的作用；各监测断面均垂直于拟开挖隧洞1轴线布置，相邻两监测断面之间的间距大于一倍的拟开挖隧洞1洞径，且各监测断面的监测内容包括位移监测、声发射监测、应力监测和声波监测；其中位移监测用于直接了解不同尺寸隧洞引起的位移大小差别，声发射监测用于了解围岩破裂及破裂发展状态的差别，判断围岩高应力转移情况，应力监测用于直接监测不同开挖尺寸隧洞围岩应力的变化和差别，声波检测用于了解松弛深度随尺寸的变化情况；所述位移监测、声发射监测、应力监测和声波监测方法均与现有技术相同，在此不作赘述。

c、如图2所示，先对拟开挖隧洞1上部断面进行开挖，开挖断面的形状或尺寸根据工程需要评价的内容来确定，此过程中，通过埋设的监测仪器捕捉围岩开挖响应；然后进行下部断面的开挖，并通过埋设的监测仪器捕捉扩挖过程引起的围岩开挖响应，包括变形、应力、损伤区深度、声发射事件等，将两次不同尺寸隧洞开挖引起的围岩响应作为基础数据校验岩体力学参数随尺寸的变化趋势，获得代表性的岩体力学参数，为后续的分析计算提供必要的支撑数据，同时也可以论证尺寸效应和确定合理的隧洞开挖尺寸。本步骤中，也可以根据具体的需要来确定开挖步数。

实施例2：如图3所示，本实施例施工步骤与实施例1基本相同，其区别在于，步骤c中，先对拟开挖隧洞1中心部位进行开挖，然后以该中心部位为中心向四周扩挖，且两次开挖断面的形状相同。