一种深埋软岩隧洞的原位测试结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种深埋软岩隧洞的原位测试结构，包括前期探洞、模拟试验洞和观测支洞，模拟试验洞布置在前期探洞后方，模拟试验洞的轴线方向垂直于软岩的最大主应力方向，前期探洞与模拟试验洞之间具有尺寸效应过渡段，模拟试验洞的洞壁外埋设有监测仪器，观测支洞与模拟试验洞之间具有用于埋设监测仪器的预埋钻孔。本实用新型的原位测试结构能够真实再现软岩的各向异性特征和尺寸效应，可以更准确地把握原型洞所处的地应力环境、岩性条件等，通过预埋的监测仪器全过程捕捉围岩的开挖效应，获得实测数据和围岩性态的测试信息，有效避免了现有监测方法和试验的不足，为隧洞稳定分析提供了可靠的数据。
【专利说明】一种深埋软岩隧洞的原位测试结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及软岩隧洞工程领域，尤其涉及一种用于测试深埋软岩尺寸效应和各向异性特征的原位测试结构。
【背景技术】
[0002]目前，隧洞工程己经向长大、深埋方向发展。各行各业越来越多的隧洞工程出现了因深埋地应力高、围岩软弱、节理裂隙发育等原因，局部洞段产生了持续大变形、塌方等现象。特别是水工、交通隧洞工程一般开挖断面较大，断面尺寸效应使得上述现象更加明显，给隧洞设计与施工造成了很大的困难。高地应力一旦和软弱围岩相结合，开挖后洞周围岩就会受到高地应力作用，岩体被挤压就可能产生松驰、蠕变，在断面尺寸效应下，往往断面越大越容易产生塌方、大变形。加之由于深埋软岩具有强度低、遇水软化的突出特征，在高埋深洞段的成洞问题突出，成为深埋软岩隧洞建设的关键问题之一。
[0003]国内外目前针对高埋深、大断面的软岩隧洞工程的研究仍主要集中在室内试验，但由于软岩通常各向异性特征比较明显，且由于本身强度较低，在取样、制样过程中容易受外界环境的影响造成损伤，因此软岩在现场实际所表现出来的响应特征和室内试验相比具有很大的区别，有必要开展原位试验，来掌握深埋软岩隧洞围岩的变形规律和破坏机制，但开挖与原隧洞尺寸相同的模拟试验洞，不仅造价昂贵，也难以满足工程的时间要求，而如果尺寸较小，则高应力条件下的围岩破坏现象不能充分暴露出来，无法有力支撑软岩成洞问题的研究。
【发明内容】
[0004]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种深埋软岩隧洞的原位测试结构，通过该原位测试结构能够真实再现软岩的尺寸效应，充分展现软岩的各向异性特征。
[0005]本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是:一种深埋软岩隧洞的原位测试结构，所述原位测试结构包括前期探洞、模拟试验洞和观测支洞，所述模拟试验洞布置在所述前期探洞后方，所述模拟试验洞的轴线方向垂直于软岩的最大主应力方向，所述前期探洞与所述模拟试验洞之间具有尺寸效应过渡段，所述模拟试验洞的洞壁外埋设有监测仪器，所述观测支洞与所述模拟试验洞之间具有用于埋设所述监测仪器的预埋钻孔。
[0006]在采用上述技术方案的同时，本实用新型还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案:
[0007]所述尺寸效应过渡段的长度大于所述前期探洞洞径的3倍。
[0008]所述监测仪器至少包括两个，所述监测仪器中最前端的一个与所述尺寸效应过渡段之间的距离大于所述模拟试验洞洞径的I倍，所述监测仪器中最后端的一个与所述模拟试验洞洞底的距离大于所述模拟试验洞洞径的2倍。
[0009]所述观测支洞与所述前期探洞之间具有辅助洞，所述观测支洞与所述模拟试验洞平行，所述观测支洞与所述模拟试验洞之间的距离为所述观测支洞洞径的3倍。
[0010]所述监测仪器沿所述模拟试验洞的洞长方向之间的间距不小于lm。
[0011]本实用新型的有益效果是:本实用新型构建了一种软岩隧洞的原位测试结构，通过在软岩隧洞的前期探洞后方扩挖模拟试验洞，达到模拟软岩原型洞的目的，并通过埋设在模拟试验洞洞壁外的监测仪器全过程获取模拟试验洞开挖过程中以及开挖后的应力和尺寸条件，真实再现了软岩的各向异性特征和尺寸效应，可以更准确地把握原型洞所处的地应力环境、岩性条件等，通过预埋的监测仪器全过程捕捉围岩的开挖效应，可以获得大量的实测数据和围岩性态的测试信息，这些数据一方面可以较全面反映模拟洞的整体受力、变形情况及工作性态，另外，还可以为进一步的反分析研究、有关控制标准的制定提供依据，有效避免了现有监测方法和试验的不足，为隧洞稳定分析提供了可靠的数据。同时，充分考虑到了模拟试验洞的经济性和可利用性，节省了施工难度和时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型的整体结构示意图。
[0013]图2为图1的A-A剖视图。
[0014]图3为不同埋深洞段软岩挤压变形的示意图。
[0015]图4为石英云母片岩不同埋深洞段围岩开挖响判断应表。
[0016]图5为洞径为8m的遍布节理模型预测的800m埋深变形和松动圈示意图。
[0017]图6为洞径为13m的遍布节理模型预测的800m埋深变形和松动圈示意图。
[0018]图7为预埋的位移计变形时程曲线图。
【具体实施方式】
[0019]参照附图1。
[0020]本实用新型的原位测试结构包括前期探洞1、模拟试验洞2和观测支洞5，模拟试验洞2布置在前期探洞I的后方。
[0021]模拟试验洞2的轴线方向应当垂直于软岩的最大主应力方向，通常在深埋隧洞中为了保证围岩稳定，隧洞轴线应当尽量选择与最大主应力方向一致，但在本实用新型中由于模拟试验洞2的埋深受到限制，因此采用垂直最大主应力方向布置模拟试验洞来放大围岩的开挖响应，确保围岩的各向异性和尺寸效应能够体现出来，图1中箭头表示最大主应力方向。
[0022]前期探洞I与模拟试验洞2之间具有尺寸效应过渡段3，尺寸效应过渡段3的长度大约为3倍的前期探洞直径d，以减小尺寸效应和掌子面效应的影响。
[0023]模拟试验洞2的洞壁外埋设有监测仪器，监测仪器至少有两个，监测仪器所对应的模拟试验洞2的截断面称为监测断面4，监测断面4的数量可以根据实际需要确定，但是不得少于两个，以便于相互验证和补充，监测仪器中最前端的一个与尺寸效应过渡段3之间的距离大于模拟试验洞2的洞径D的I倍，监测仪器中最后端的一个与模拟试验洞2的洞底的距离大于模拟试验洞2的洞径D的2倍，由于围岩变形的空间效应沿隧洞轴线方向约为洞径的2?3倍，在距离掌子面前一倍左右洞径和后两倍左右洞径内时，围岩变形剧烈，而两倍洞径之后位移变形趋缓，因此在超过前I倍洞径和后2倍洞径处设置监测仪器，能够完全消除掌子面效应带来的影响；监测仪器沿所述模拟试验洞的洞长方向之间的间距设定为lm，即监测断面4之间的间距为lm，既可以消除两个监测断面之间钻孔的相互扰动，也可以保证两个断面之间监测成果的可对比性和完成性。
[0024]观测支洞5与前期探洞I之间具有辅助洞6，在前期探洞I的一侧通过辅助洞6开挖形成观测支洞5，观测支洞5与模拟试验洞2平行，便于通过观测支洞5向模拟试验洞2的洞壁外埋设监测仪器，为了避免观测支洞5对模拟试验洞2的开挖响应产生影响，同时又不要距离太远，观测支洞5与模拟试验洞2之间的距离为观测支洞5的洞径L的3倍，观测支洞5与模拟试验洞2之间具有与监测断面4对应的预埋钻孔7，用于监测仪器的放置。
[0025]本实用新型的模拟试验洞2的其他参数根据以下理论来确定:
[0026]( I)确定模拟试验洞2的埋深。
[0027]不同的埋深条件意味着不同的地应力状态甚至水平，导致围岩的变形破坏特征表现出一定的差异，由于模拟试验洞不可能布置在软岩隧洞的最大埋深处，因此，为了保证模拟试验洞达到预期的效果，埋深必须满足一定的要求才有可能使围岩表现出足够的塑性变形，出现预想中的破坏现象，得到需要监测的数据。
[0028]图3为软岩收敛应变与断面强度应力比之间的关系，其中纵坐标为软岩收敛应变ε，ε <1，表示稳定，ε =1-2.5%，表示轻微挤压变形，ε =2.5_5%，表示严重挤压变形，ε =5-10%，表示非常严重的挤压变形，ε > 10%，表示极其严重的挤压变形，横坐标为强度应力比，图中的1200m、1000m、800m、600m和400m表示埋深，图中的曲线是大量工程实践总结得到的曲线，该曲线可以用来推测软岩在不同埋深条件下的变形特征，在软岩中地应力状态接近静水压力状态，围岩的强度应力比< 0.25，根据图3的曲线，要获得软岩收敛应变特性的数据，模拟试验洞的埋深需要超过700m，不同的围岩其强度应力比不同，所需模拟试验洞的埋深也不同，如图4所示为石英云母片岩在不同埋深洞段的围岩开挖响应的经验判断表(根据工程实践总结而来)，从图中可以看出如果需要测试的软岩隧洞为石英云母片岩洞，则模拟试验洞的埋深须在800m以上，根据不同软岩的特性选定不同的模拟试验洞埋深值。
[0029](2)确定模拟试验洞2的断面形状。
[0030]模拟试验洞的断面尺寸应当尽量与软岩隧洞的原始形状相同，确保最大程度地模拟原型洞。
[0031](3)确定模拟试验洞2的洞径D。
[0032]理论上模拟试验洞的最佳洞径尺寸应当与原型洞相同，但考虑到开挖经济性和施工条件限制等因素，模拟试验洞很难也没有必要做到1:1的比例，因此对模拟试验洞的洞径的选择也需要经过理论分析。
[0033]经过理论分析，洞径Sm是能够揭示软岩各向异性和变形特性的较佳位置，采用能够反应各向异性特征的遍布节理模型计算洞径8m和13m的试验洞在800m埋深的位移和塑形区特征特征，其结果如图5和图6所示，从图5和图6的对比可以看出，Sm的洞径已经能够揭示软岩的大变形和破坏机制，其效果与13m洞径的差距并不大，但造价和工期远远优于13m的开挖洞径，由此确定模拟试验洞的洞径尺寸为:当软岩隧洞(原型洞)的原始洞径大于Sm时，模拟试验洞采用Sm洞径，当软岩隧洞(原型洞)的原始洞径小于Sm时，为了更好地模拟原型洞，则模拟试验洞采用原型洞的洞径尺寸。
[0034]在本实用新型的原位测试结构建立后，由于软岩变形具有明显的时间效应，因此在掘进终止后，每周需要对监测仪器进行至少两次观测，具体观测周期和观测频率可视施工开挖及观测数据变化情况适当增加或减少。
[0035]以位移计作为监测仪器，其所采集断面的数据如图7所示，从图7中可以看出，通过扩挖可以极大地激发围岩的变形特性，并通过预埋的位移计捕捉到了变形的整个过程，为后期的力学参数反向分析和原型洞的稳定性分析提供了可靠的基础数据。
【权利要求】
1.一种深埋软岩隧洞的原位测试结构，其特征在于:所述原位测试结构包括前期探洞、模拟试验洞和观测支洞，所述模拟试验洞布置在所述前期探洞后方，所述模拟试验洞的轴线方向垂直于软岩的最大主应力方向，所述前期探洞与所述模拟试验洞之间具有尺寸效应过渡段，所述模拟试验洞的洞壁外埋设有监测仪器，所述观测支洞与所述模拟试验洞之间具有用于埋设所述监测仪器的预埋钻孔。
2.如权利要求1所述的一种深埋软岩隧洞的原位测试结构，其特征在于:所述尺寸效应过渡段的长度大于所述前期探洞洞径的3倍。
3.如权利要求1所述的一种深埋软岩隧洞的原位测试结构，其特征在于:所述监测仪器至少包括两个，所述监测仪器中最前端的一个与所述尺寸效应过渡段之间的距离大于所述模拟试验洞洞径的I倍，所述监测仪器中最后端的一个与所述模拟试验洞洞底的距离大于所述模拟试验洞洞径的2倍。
4.如权利要求1所述的一种深埋软岩隧洞的原位测试结构，其特征在于:所述观测支洞与所述前期探洞之间具有辅助洞，所述观测支洞与所述模拟试验洞平行，所述观测支洞与所述模拟试验洞之间的距离为所述观测支洞洞径的3倍。
5.如权利要求1所述的一种深埋软岩隧洞的原位测试结构，其特征在于:所述监测仪器沿所述模拟试验洞的洞长方向之间的间距不小于lm。
【文档编号】E21F17/00GK204002924SQ201420377740
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】刘宁, 张伟, 张洋, 褚卫江 申请人:中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司