一种极高应力条件下岩体地应力的测量方法

摘要

本发明涉及一种岩体地应力的测量方法，更具体涉及一种极高地应力条件下岩体地应力的测量方法，测量方法采用对岩体地应力的二次释放实现，即在工作隧洞内选取圆形测量区域，通过在测量区域边界钻设一组周边应力释放孔实现岩体地应力的第一次释放，然后再在测量区域中心钻设中心应力释放孔实现岩体地应力的第二次释放，最后将两次应力释放过程中传感器测量获得的测量小孔的变形相加并代入弹性力学的相关公式，可计算出垂直中心应力释放孔轴线平面上的地应力值。该方法改变了现有应力解除设备无法进行极高地应力条件下岩体地应力量测的局限，用于深部或极高地应力地下工程中采用应力解除设备测量岩体地应力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩体地应力的测量方法，更具体涉及一种极高地应力条件下 岩体地应力的测量方法，它适用于深部或极高地应力地下工程中采用应力解除设 备测量岩体地应力。

背景技术

目前，我国西部水电开发、南水北调工程、石油/天然气开采、战略能源储 存、放射性废料与CO₂的地下封存、地下军工掩体工程等，都涉及深部岩体的 极高地应力问题(据我国《工程岩体分级标准》，当岩石的饱和单轴抗压强度与 岩体地应力值小于4时即为极高地应力)，如位于四川的锦屏二级水电站引水隧 洞2500m埋深处最大初始地应力约60～70MPa；正在开采的金川镍矿深部采场 地应力达50MPa；拟建的南水北调西线工程中埋深约1700m的巴彦格拉山隧洞 最大初始地应力估计达到50MPa。这种深部地下工程岩体中极高地应力导致的 工程灾害也是十分突出的，如二滩水电站地下厂房修建过程中就因高地应力卸荷 导致多根岩体锚索突然断裂；锦屏二级水电站排水隧洞因极高地应力诱发强烈岩 爆不仅导致了多次机械设备的损毁，还致使价值过亿的TBM掘进机被掩埋。为 避免和减小极高地应力下岩体破坏灾害，准确地获得深部工程岩体极高初始地应 力的数值是这些地下工程安全设计中最基础和最重要的工作。

然而，目前国际岩石力学学会建议的两种岩体地应力测量设备都无法进行极 高地应力条件下的岩体地应力测量。这是因为：

(1)方法之一的应力解除设备在解除应力作业时，其极高的地应力导致其解 除的空心岩筒环状开裂或龟裂破坏，因而应力测量设备的传感器无法准确地量测 到空心岩筒在应力卸载过程中的径向变形，从而无法有效地获得岩体的地应力。

(2)方法之二的水压致裂设备在岩体地应力测量时，由于钻孔测量段密封堵 头在高压力下防渗困难，无法在钻孔内形成大于岩体的初始最小主应力的稳定钻 孔水压(数百个大气压)，从而因无法劈裂孔壁岩体或因堵头渗水严重导致不能 有效地测量岩体地应力。

此外，其它一些探索性的地应力测量设备或方法，如孔壁破裂特征分析法、 岩芯饼化反分析法、变形恢复设备与方法等，仅能对岩体的地应力量级进行大体 估计，无法确切地测量到岩体的真实应力值，从而未能被广大研究者和工程师采 纳。

可见，借助现有成熟的岩体应力测量设备，开发出一种可实现极高岩体条件 下工程岩体地应力的测量方法，具有显著的现实意义和工程需求。

发明内容

针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种在极高应力条件下岩体地应 力测量方法，旨在克服当前应力解除设备不能应用于极高应力条件的局限性，确 保应力解除设备可以在极高应力条件下准确地量测岩体地应力。

为了上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种极高应力条件下岩体地应 力的测量方法，所述测量方法的具体步骤包括，

A在已经开挖用于岩体地应力测量的工作隧洞内选取测量区域，所选取的 测量区域边界线为圆形，测量区域边界线的直径D₁为1.0～1.5m；

B在测量区域的中心位置垂直测量区域表面钻设测量小孔，在测量小孔内 放置岩体地应力测量的变形传感器并通过数据线与变形记录仪连接，沿测量区域 边界线钻设一组垂直测量区域表面的周边应力释放孔，周边应力释放孔的孔径 D₂为50～130mm，周边应力释放孔的长度比测量小孔的长度长1.0～1.5m，周 边应力释放孔的数量N按公式(a)计算，

$N=\mathrm{Int}(\frac{3.14·D_1}{D_2}·\eta )---\left(a\right)$

公式(a)中，Int为取整符号，η为经验系数，取0.8～0.9，周边应力释放孔钻设完 成后读取变形记录仪测量到的变形传感器每个触头的实际数值然后将变形记 录仪的测量值归零；

C以测量小孔的圆点为中心钻设中心应力释放孔，中心应力释放孔的长度 不小于测量小孔的长度，钻设完成后读取变形记录仪的测量到的变形传感器每个 触头的实际数值

D将钻设周边应力释放孔后变形记录仪测量的变形传感器第i个触头的变 形值和钻设中心应力释放孔后变形记录仪测量的变形传感器第i个触头的相加，作为变形传感器第i个触头测量的测量小孔卸载释放的总变形ε_i，然后代 入弹性力学中有关薄壁圆筒的应力-变形公式，计算出测量部位垂直测量小孔轴 线平面上的岩体最大主应力值、最小主应力值和最大主应力倾角。

所述周边应力释放孔等间距分布在测量区域边界线上且周边应力释放孔的 轴线相互平行，并且周边应力释放孔的轴线与测量小孔的轴线平行。

所述周边应力释放孔钻设顺序是按测量区域中心点对称均匀进行。

由于采用了上述技术方案，本发明采用对岩体地应力的二次释放方法改变了 现有应力解除设备无法进行极高地应力条件下岩体地应力量测的局限，具有如下 优点：

(1)避免中心应力释放孔钻设时空心岩筒破裂：由于首先在测量区域边界线 上钻设了一组周边应力释放孔，则测量区域内岩体的地应力得到了相当程度的释 放。然后再钻设中心应力释放孔时，则放置变形传感器的空心岩筒区域的应力集 中将减小，从而有效地避免了空心岩筒在钻设中心应力释放孔时发生破裂。

(2)确保变形记录仪工作在量程范围内：通过第一阶段在测量区域边界线上 钻设周边应力释放孔时变形传感器的触头测量到测量小孔的一部分卸载变形，再 通过第二阶段在测量区域钻设中心应力释放孔时变形传感器的触头测量到测量 小孔的另一部分卸载变形，可有效避免因极高地应力卸载下测量小孔的卸载变形 过大导致测量小孔的卸载变形值超出变形记录仪量程。

(3)实现极高应力下岩体地应力的准确测量：通过分阶段的应力释放确保放 置变形传感器的空心岩筒不破裂和变形记录仪工作在正常量程内，从而可实现极 高地应力下岩体地应力的准确测量。

附图说明：

图1为一种极高应力条件下岩体地应力的测量方法的平面设计图；

图2为图1的A-A剖面。

具体实施方式：

下面结合附图1和附图2，对本发明一种极高应力条件下岩体地应力的测量 方法作进一步详细描述：

见附图1和附图2，本发明的岩体地应力测量方法包括测量区域边界线1、 位于测量区域边界线1上布设的周边应力释放孔2、测量区域中心的中心应力释 放孔3、与中心应力释放孔3同圆心的空心岩筒4、测量区域中心位置的测量小 孔5、测量空心岩筒4卸载变形的含四个触头的变形传感器6、记录卸载变形的 变形记录仪7和连接变形传感器6和变形记录仪7的数据线8。

本发明具体实施方式为：

(1)在已经开挖且用于岩体地应力测量的工作隧洞内选取测量区域，所选取 的测量区域为圆形，鉴于到地应力测量的中心应力释放孔3的外径为130mm左 右，为避免钻设的周边应力释放孔2的岩体应力集中导致中心应力释放孔3区域 的岩体应力升高，测量区域的边界线1的直径D₁为1.0～1.5m，为避免工作隧 洞轮廓形态导致的岩体应力集中，测量区域的工作隧道高度应不小于3.0m。

(2)采用金刚石钻头在圆形测量区域中心位置垂直测量区域钻设一个测量小 孔5，测量小孔5的直径稍大于变形传感器6的直径，使得应力传感器6正好能 放置在测量小孔5内，为确保测量到的是岩体原始应力而不是工作隧洞浅部岩体 应力集中区的应力，测量小孔5的深度大于二倍工作隧洞的高度。

(3)将测量空心岩筒4卸载变形的变形传感器6放置在测量小孔5的底部， 并确认变形传感器6的触头与空心岩筒4的内壁接触良好，通过水平定向器将变 形传感器6的第1个触头竖直朝上，变形传感器6通过数据线8与测量小孔5外 面的变形记录仪7连接，调节变形记录仪7使得其测量初始变形值归零。

(4)采用金刚石钻头沿测量区域边界线1垂直测量区域表面钻设一组周边应 力释放孔2，为避免钻设的周边应力释放孔2的直径过大导致钻孔效率偏低，为 避免钻设的周边应力释放孔2的直径过小导致钻设的周边应力释放孔2数量过多 而致使钻孔时间过长，也为方便直接采用工业通用钻头钻设周边应力释放孔2， 周边应力释放孔2的孔径D2为50～130mm，周边应力释放孔等间距地分布在 边界线1上，周边应力释放孔2的轴线相互平行，周边应力释放孔2的轴线与测 量小孔5的轴线平行，为实现测量小孔底部区域岩体应力得到有效释放，周边应 力释放孔2的长度比测量小孔5的长度大1.0～1.5m，周边应力释放孔2的数量 N按下经验公式(a)计算，

$N=\mathrm{Int}(\frac{3.14·D_1}{D_2}·\eta )---\left(a\right)$

公式(a)中，Int为取整符号，η为经验系数，为避免钻设周边应力释放孔2过稠 密而导致边界线1内的岩体完全与边界线1外面的岩体脱离，也为避免钻设周边 应力释放孔2过稀疏而导致边界线1内的岩体应力得不到有效释放，根据数值仿 真模拟计算分析确定折减系数η取0.8～0.9较好。

(5)周边应力释放孔2的钻设顺序按测量区域中心对称方式均匀进行，即当 一个周边应力释放孔2钻设完成后，按测量区域圆心旋转180度后进行下一个周 边应力释放孔2的钻设，尽量使得钻设完成的周边应力释放孔2在测量区域边界 线1上均匀分布。

(6)当所有布设的周边应力释放孔2钻设完成后，读取并记录下变形记录仪 7所量测到的变形传感器6上每一个触头i的变形值然后对变形记录仪7的 测量变形再进行一次初始变形值归零调节。

(7)采用薄壁金刚石钻头以测量区域圆点为中心，在测量小孔5外钻设中心 应力释放孔3，为便于采用通用的工业钻头进行钻设和使得空心岩筒4的壁厚适 中，其中心释放率孔3的外径约为130mm，其中心释放孔3的内径约为90mm， 其中心释放孔3的长度应不小于测量小孔4的长度。

(8)当中心应力释放孔3钻设完成后，读取并记录下变形记录仪7所测量到 的变形传感器6上每一个触头i的变形值

(9)将变形记录仪7测量第一阶段变形和变形记录仪7测量第二阶段变形 相加，作为变形传感器6第i个触头的总变形ε_i。

(10)选取变形传感器6中任意三个触头的总变形ε₁、ε₂和ε₃，根据薄壁 圆筒弹性力学的应力-变形公式(b)，

$\left(\begin{array}{c}{\sigma }_1=\sqrt{({{\delta }_1}^2+{{\delta }_3}^2)+{({\delta }_1-{\delta }_2)}^2+{({\delta }_2-{\delta }_3)}^2}·\frac{E}{4D}\\ {\sigma }_2=\sqrt{({{\delta }_1}^2+{{\delta }_3}^2)-{({\delta }_1-{\delta }_2)}^2+{({\delta }_2-{\delta }_3)}^2}·\frac{E}{4D}\\ \alpha =\frac{1}{2}·a\tan \left(\frac{{2\delta }_2-({\delta }_1+{\delta }_3)}{{\delta }_1-{\delta }_3}\right)\\ {\delta }_1={ϵ}_1/K,{\delta }_2={ϵ}_2/K,{\delta }_3={ϵ}_3/K\end{array}\right)---\left(b\right)$

公式(b)中，atan为三角函数符合；K为传感器标定的变形刚度系数，为事先标定； E为测量区域岩体弹性模量，单位为GPa，可在实验室测量获得；D为测量小孔 5的直径，单位为m，α逆时针为正，计算获得测量区域内测量部位垂直测量小 孔5轴线的平面上两个主应力σ₁和σ₂，以及最大主应力σ₁与水平面的夹角α。

具体实施例1：

(1)在已经开挖的高度为3m、宽度为3m的工作隧洞掌子面上选取边界线1 的直径为1.0m的圆形区域。

(2)采用外径为36mm的金刚石钻头在圆形测量区域中心位置垂直测量区域 表面钻设一个测量小孔5，钻设的测量小孔5的长度为7m。

(3)将测量空心岩筒4卸载变形的变形传感器6放置在测量小孔5的底部， 并通过水平定向器确保变形传感器6的触头与空心岩筒4的内壁接触良好且变形 传感器6的第1个触头竖直朝上，变形传感器6通过数据线8与测量小孔5外面 的变形记录仪7连接，调节变形记录仪7使得其测量初始变形值归“0”。

(4)在已知测量区域为D₁＝1.0m并取折减系数η＝0.8的条件下，根据公式(c)

$N=\mathrm{Int}(\frac{3.14·D_1}{D_2}·\eta )=\mathrm{Int}(\frac{3.14·1.0}{0.05}·0.8)=50---\left(c\right)$

计算出应钻设的周边应力释放孔2的数量N＝50，选用直径D₂＝0.05m的常用金 刚石钻头垂直测量区域钻设周边应力释放孔2，钻设的周边应力释放孔2均匀等 间距分布在边界线1上，钻设的周边应力释放孔2的轴线与测量小孔5的轴线平 行，钻设的周边应力释放孔2的长度为8.0m。

(5)周边应力释放孔2的钻设顺序按测量区域中心对称方式均匀进行，即当 一个周边应力释放孔2钻设完成后，按测量区域圆心旋转180度后进行下一个周 边应力释放孔2的钻设，尽量使得钻设完成的周边应力释放孔2在测量区域边界 线1上均匀分布。

(6)当所有布设的周边应力释放孔2钻设完成后，读取并记录下变形记录仪 7所量测到的变形传感器6上四个触头变形值，分布是然后对变形记录仪7进行一次初始变形值归零调节。

(7)采用外径为130mm的薄壁金刚石钻头以测量区域圆点为中心，在测量 小孔外钻设中心应力释放孔3，其中心释放孔3的长度为7.1m。

(8)当中心应力释放孔钻设完成后，读取并记录下变形记录仪7所测量到的 变形传感器6上四个触头变形值，分别是

(9)将变形记录仪7测量第一阶段变形和变形记录仪7测量第二阶段变形 相加，作为变形传感器6上四个触头的总变形，，分别是ε₁＝42，ε₂＝30， ε₃＝49，ε₄＝65。

(10)选取变形传感器6中任意三个触头的总变形ε₁、ε₂和ε₄，并取K＝160， E＝25GPa，D＝0.036m，根据薄壁圆筒弹性力学的应力-变形关系公式(b)，计算 获得测量区域内垂直测量小孔5轴线的平面上两个主应力σ₁＝93.08MPa， σ₂＝73.75MPa，以及最大主应力与水平面的夹角α＝63.96°。

具体实施例2：

(1)在已经开挖的高度为5m宽度为5m的工作隧洞掌子面上选取边界线1 的直径为1.5m的圆形区域。

(2)采用外径为36mm的金刚石钻头在圆形测量区域中心位置垂直测量区域 表面钻设一个测量小孔5，钻设的测量小孔5的长度为11m。

(3)将测量空心岩筒4卸载变形的变形传感器6放置在测量小孔5的底部， 并通过水平定向器确保变形传感器6的触头与空心岩筒4的内壁接触良好且变形 传感器6的第1个触头竖直朝上，变形传感器6通过数据线8与测量小孔5外面 的变形记录仪7连接，调节变形记录仪7使得其测量初始变形值归“0”。

(4)在已知测量区域为D₁＝1.5m并取折减系数η＝0.9的条件下，根据公式(d)

$N=\mathrm{Int}(\frac{3.14·D_1}{D^2}·\eta )=\mathrm{Int}(\frac{3.14·1.5}{0.13}·0.9)=33---\left(d\right)$

计算出应钻设的周边应力释放孔2的数量N＝33，选用直径D₂＝0.13m的常用金 刚石钻头垂直测量区域钻设周边应力释放孔2，钻设的周边应力释放孔2均匀等 间距分布在边界线1上，钻设的周边应力释放孔2的轴线与测量小孔5的轴线平 行，钻设的周边应力释放孔2的长度为12.5m。

(5)周边应力释放孔2的钻设顺序按测量区域中心对称方式均匀进行，即当 一个周边应力释放孔2钻设完成后，按测量区域圆心旋转180度后进行下一个周 边应力释放孔2的钻设，尽量使得钻设完成的周边应力释放孔2在测量区域边界 线1上均匀分布。

(6)当所有布设的周边应力释放孔2钻设完成后，读取并记录下变形记录仪 7所量测到的变形传感器6上四个触头变形值，分布是然后对变形记录仪7进行一次初始变形值归零调节。

(7)采用外径为130mm的薄壁金刚石钻头以测量区域圆点为中心，在测量 小孔外钻设中心应力释放孔3，其中心释放孔3的长度为11.2m。

(8)当中心应力释放孔3钻设完成后，读取并记录下变形记录仪7所测量到 的变形传感器6上四个触头变形值，分别是

(9)将变形记录仪7测量第一阶段变形和变形记录仪7测量第二阶段变形 相加，作为变形传感器6上四个触头的总变形，，分别是ε₁＝29，ε₂＝40， ε₃＝27，ε₄＝12。

(10)选取变形传感器6中任意三个触头的总变形ε₁、ε₂和ε₃，并取K＝140， E＝30GPa，D＝0.036m，根据薄壁圆筒弹性力学的应力-变形关系公式(3)，计算 获得测量区域内垂直测量小孔5轴线的平面上两个主应力σ₁＝64.18MPa， σ₂＝53.24MPa，以及最大主应力与水平面的夹角α＝85.30°。