应用于地下工程围岩注浆方案的确定方法

摘要

本发明公开了应用于地下工程围岩注浆方案的确定方法，通过建立在大量的注浆方案与岩体物理力学参数和围岩稳定性试验的基础上，数据详实可靠，解决了传统方法由于地下工程场地有限，不能为注浆方案确定试验提供足够的试验段，而带来的现场数据代表性有限的问题；免去现场注浆试验，节省了在前期的注浆方案确定试验中耗费的大量时间和现场试验费用，节约了时间成本并使得试验费用大大降低。

说明书

技术领域

本发明属于地下工程中安全技术领域，特别涉及应用于地下工程围岩注浆方案的确定方 法。

背景技术

目前，在地下洞室掘进施工过程对软弱围岩通常采用注浆加固的方式以增加围岩强度， 经实践证明通过对软弱围岩进行注浆对改变围岩强度、发挥围岩自身承载力、保障地下洞室 安全具有良好的效果。在注浆方案设计时，通常根据工程经验先拟定一种或者几种注浆方案， 然后在与拟建工程地质状况大致相同的地段，选定几组实验段，进行注浆实验，并测定注浆 前后的地下工程围岩物理力学参数的变化。将所测得注浆前后围岩物理力学参数作为已知条 件在数值模拟软件中进行模拟，并对不同注浆方案进行大量数值模拟试验，根据模拟实验的 结果最终注浆方案。但传统做法存在以下问题：

1.地下工程场地有限，不能为注浆方案确定试验提供足够的试验段，使得在试验段中所 测得的现场数据代表性有限；

2.地下工程工期紧张，在前期的注浆方案确定试验中将耗费大量的时间，使得工程时间 成本大大增加；

3.所做的注浆方案确定的现场实验费用较高，做足够的现场实验使工程总成本大大增加。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

应用于地下工程围岩注浆方案的确定方法，具体步骤如下：

1)通过室内试验和现场试验，得出相同初始条件下不同注浆方案对地下工程围岩的物理 力学参数和围岩稳定性的影响，将试验数据存入数据库中；

2)在分析软件中模拟步骤1)中试验条件，得出不同注浆方案得到的加固后围岩参数对 围岩稳定性的影响，并将其结果与步骤1)中的试验数据进行对比验证，若数值模拟结果与 试验测试结果不相符，则对加固后围岩的物理力学参数进行修正后再输入，直至两者结果在 不影响正常施工的允许误差范围之内，将修正后的物理力学参数存入数据库中；

3)通过建立在设定围岩初始条件下，注浆方案与围岩加固后物理力学参数的关联关系来 开发接口软件；

4)改变围岩的初始条件，重复步骤1)-步骤3)，得到不同围岩初始条件下注浆方案与 围岩性质变化的数据库；

5)将接口软件与软件连接，根据选择的方案和得到的围岩物理力学参数值在软件中模拟 所选注浆方案引起的围岩稳定性的变化，以对不同的注浆方案进行评价和比选，最终确定注 浆方案。

进一步地，所述步骤1)的具体步骤如下：

1-1)对开挖后的围岩试验段进行初期支护，测得试验段的围岩原始条件，根据所测得的 原始围岩的状态，结合工程经验和专家数据库确定注浆方案中各参数的范围；

1-2)在原始围岩条件相同的试验段中，固定注浆方案中各参数中的其中两个，来研究第 三个参数的变化引起的地下工程围岩的物理力学参数和围岩稳定及受力的变化，记录所测得 的围岩注浆加固后物理力学参数和围岩稳定数据；

围岩稳定及受力为围岩和初期支护的竖向位移、塑性变形区范围和初期支护受力。

1-3)分析不同的注浆方案及注浆后物理力学参数变化的关系，并得出耦合的回归曲线关 系；并利用数据和得到的耦合的回归曲线关系建立注浆方案与围岩性质变化数据库。

进一步地，所述步骤2)的具体步骤如下：

2-1)将地下工程试验段在软件中建立合理的分析模型，得到未注浆加固时的围岩和初期 支护的竖向位移、塑性变化区、支护受力情况；其中合理的分析模型是根据试验段的原型几 何特征和物理性质，建立符合工程实际的几何形状、计算范围、边界条件、初始状态、模型 离散化、初期支护和岩体物理力学性质；

2-2)将加固后围岩的物理力学参数输入软件中，得到加固后的围岩和初期支护的竖向位 移、塑性变化区和支护受力情况；

2-3)将得到的数值模拟加固后的计算结果与步骤1)中的实际测试结果相对比。

进一步地，所述围岩原始条件为围岩分级的级别。

进一步地，所述围岩的物理力学参数为围岩的强度、粘聚力、内摩擦角、弹性模量、变 形模量、泊松比和密度。

进一步地，所述围岩的物理力学参数由钻取岩芯的试样经三轴压缩实验获得。

进一步地，所述分析软件为ABAQUS软件。

进一步地，所述步骤5)的具体步骤如下：根据拟建工程的实际情况在ABAQUS中建立 合理的计算分析模型，利用接口软件，先匹配地下工程原始围岩条件，每选择一种注浆方案， 软件将根据修正后的注浆方案与围岩性质变化的数据库得到拟定注浆方案，并由此得到加固 后的围岩物理力学参数值，并自动将参数值带入到ABAQUS软件，模拟该注浆方案引起的围 岩稳定性的变化，以对不同的注浆方案进行评价和比选。

进一步地，所述注浆方案中各参数为注浆压力、注浆加固圈的厚度和注浆材料的水灰比。

本发明的工作原理是：本发明提供了确定方法，利用该方法可以开发出对围岩注浆加固 进行数值模拟的软件，利用此软件可以直接对拟建地下工程注浆加固方案进行数值模拟，对 不同的注浆加固方案进行评价和比选，免去在地下工程中做大量现场试验来确定注浆加固方 案。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)通过建立在大量的注浆方案与岩体物理力学参数和围岩稳定性试验的基础上，数据详 实可靠，解决了传统方法由于地下工程场地有限，不能为注浆方案确定试验提供足够的试验 段，而带来的现场数据代表性有限的问题。

2)免去现场注浆试验，节省了在前期的注浆方案确定试验中耗费的大量时间和现场试验 费用，节约了时间成本并使得试验费用大大降低。

附图说明

图1是本发明的确定流程图；

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明根据大量的室内试验和现场试验，得到一定的围岩初始条件下，注浆方案引起岩 体物理力学参数和围岩稳定性的变化，建立注浆方案与围岩性质变化数据库，并开发ABAQUS 接口软件，将注浆方案与围岩性质变化数据库包含其中，以使在实际工程中，无需做现场注 浆试验，就可利用该ABAQUS接口软件，对注浆方案进行模拟评价和比选。其具体实施步骤 如下：

第一步：实施大量的室内试验和现场试验，得出相同围岩初始条件下注浆方案对地下工 程围岩的物理力学参数和围岩稳定性的影响，该阶段包括以下步骤：

A.对开挖后的试验段进行初期支护，选取钻孔试验点，测定围岩饱和单轴抗压强度和岩 体完整性系数K_v，进行围岩分级，做为围岩初始条件。

根据此试验段的围岩原始条件，结合工程经验和专家数据库确定注浆方案中各参数的范 围，其中注浆方案各参数为注浆压力、注浆加固圈的厚度和注浆材料的水灰比；

B.在原始围岩条件大致相同的试验段中进行固定注浆压力、注浆加固圈的厚度和注浆材 料的水灰比三参数其中的两个，来研究第三个参数的变化引起的地下工程围岩的物理力学参 数和围岩稳定及受力情况的变化，记录所测得的围岩注浆加固后物理力学参数和围岩稳定及 受力数据；其中围岩稳定及受力为围岩初期支护的竖向位移、塑性变形区范围和初期支护受 力。

C.利用数据分析软件来分析不同的注浆方案与注浆后物理力学参数变化的关系，并得出 其耦合的回归曲线关系；并利用其数据和得到的耦合的回归曲线关系建立注浆方案与围岩性 质变化数据库。

第二步：利用ABAQUS软件模拟与上述第一步中对于的试验段的围岩初始条件下，不同 的注浆加固方案得到的加固后围岩参数对围岩稳定性的影响，并与试验数据对比验证，该阶 段包括以下步骤：

A.将地下工程试验段在ABAQUS中建立合理的分析模型，得到未注浆加固时的围岩和初 期支护的竖向位移、塑性变化区和支护受力情况；其中合理的分析模型是根据试验段的原型 几何特征和物理性质，建立符合工程实际的几何形状、计算范围、边界条件、初始状态、模 型离散化、初期支护和岩体物理力学性质；

B.将加固后围岩的物理力学参数输入ABAQUS，得到加固后的围岩和初期支护的竖向位 移、塑性变化区和支护受力情况；

C.将得到的数值模拟加固后的计算结果与第一步中的实际测试结果相对比，验证数值模 拟的正确性和与实际的符合性，若数值模拟结果与试验段测试结果不符合，则修正输入的加 固后围岩的物理力学参数，直到两者结果在不影响正常施工的允许误差之内，并根据修改后 的加固后围岩的物理力学参数，对注浆方案与围岩性质变化数据库进行调整。

第三步：开发ABAQUS的接口软件，接口软件的原理为利用第一步中C步骤得到的修正 后注浆方案与围岩性质变化数据库，建立起一定围岩初始条件下，注浆方案与加固后的围岩 物理力学参数的关联关系；

第四步：改变围岩的初始条件，重新选择试验段，重复第一到第三步，得到不同围岩原 始条件下注浆方案与围岩性质变化数据库，以扩充数据库，并验证数值模拟与试验结果的一 致性；

第五步：在实际工程中，根据拟建工程的实际情况在ABAQUS中建立合理的计算分析模 型，利用接口软件，先匹配地下工程原始围岩条件，每选择一种注浆方案，软件将根据修正 后的注浆方案与围岩性质变化数据库得到拟定注浆方案带来的加固后围岩物理力学参数值， 并自动将参数值带入到ABAQUS软件，模拟该注浆方案引起的围岩稳定性的变化。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。