一种深埋长隧洞软质岩大变形超前量化预报方法与流程

本发明涉及一种隧洞软质围岩大变形的量化预报方法，具体涉及一种深埋长隧洞软质岩大变形超前量化预报方法，在施工期对隧洞掌子面前方的可能出现的软质岩体地层，开展围岩大变形的超前量化预报工作。

背景技术：

对于穿山越岭的交通隧道、引调水隧洞等线路工程，线路长，埋深大，通常要穿越岩性和地质条件复杂多变的地层，特别是当隧(道)洞遭遇泥质岩、蚀变岩、断层挤压带等软弱岩体时，时常面临施工期软岩大变形、支护结构破坏、围岩加固难度大等工程难题。通常，线路工程施工前有限的地勘工作尚不能完全覆盖隧(道)洞穿越的地层信息，因此，在施工期对隧(道)洞掌子面前方的地层，开展软质岩的超前量化预报工作是非常必要的，具有重要的工程意义。

隧(道)洞围岩变形的量化预报一直是地下工程的一项重要课题。开展掌子面前方不良地质体的探测是隧(洞)道工程建设施工过程中必要的环节。一般而言，中远距离(掌子面前方100m)探测多基于地震法或电磁法的超前地质预报原理，需要具有地球物理专业背景的工程师对探测结果进行解读，从而给出掌子面前方是否存在不良地质体的大致判断；近距离(掌子面前方60m内)探测多采用超前钻孔方法，通过钻孔取芯直观获得掌子面前方地质体的直观描述。然而，采用通过中远距离和近距离探测获得的上述前方地质体信息，仅能为工程师提供掌子面前方不良地质体的位置和性状等定性描述，难以用于围岩变形的定量预测预报，也就无法为支护措施的动态调整提供量化依据。因此，建立一种深埋长隧洞软质岩大变形超前量化预报方法，对于隧(道)洞工程保障施工期围岩稳定性具有重要意义。

技术实现要素：

本发明针对上述存在的问题，提供一种深埋长隧洞软质岩大变形超前量化预报方法，在施工期对隧洞掌子面前方的地层，开展软质岩的超前预测预报工作。

为实现上述目的，本发明所设计的一种深埋长隧洞软质岩大变形超前量化预报方法，其特殊之处在于，所述方法包括：

步骤一：中远距离超前地层信息预报技术：采用隧洞超前地质预报系统，对掌子面前方设定距离的地层信息进行探测并获得三维空间数据，利用集面向软岩不同尺度变形质构造体的隧洞反射波正演模拟技术、波场分离和偏移成像的数据处理技术、地震数据保幅成像方法、基于深度学习的非线性智能反演方法于一体的信号解译技术，解译并预报隧洞掌子面前方地层的性质、位置及规模大小；

步骤二：近距离超前地质钻探预报技术：在步骤一工作的基础上，当隧洞开挖至软质岩30～60m范围时，在掌子面打超前钻孔；

步骤三：在步骤二钻孔部位进行原位地应力测试，获取该处三维初始应力分布状态、最大水平侧压力系数λ及初始最大主应力值σ0max参数；

步骤四：在步骤二钻孔部位进行岩石取样，开展室内物理力学试验，准确掌握掌子面前方软质岩石物理力学特性；

步骤五：在步骤二钻孔部位进行钻孔电视工作，获得软岩裂隙的埋深、倾向、倾角、宽度、裂隙面的粗糙度、充填物的性质，在步骤四岩石声波测试取样部位进行现场声波测试工作，获得岩体弹性纵波速度vpm，结合步骤四室内试验获得的岩石弹性纵波速度vpr，计算岩体完整性系数

步骤六：根据室内试验和现场试验，确定岩体基本质量分级，进一步确定掌子面前方软质岩体的物理力学参数：岩体基本质量分级，根据岩体基本质量的定性特征和岩体基本质量指标bq两者相结合确定，根据岩体的基本质量级别确定岩体黏聚力c，岩体内摩擦角φ和岩体变形模量e；

步骤七：隧洞围岩大变形预测预报技术：计算自重应力场或者构造应力场下软质岩的强度应力比，利用围岩大变形判别方法，对围岩是否会发生挤压大变形进行判断和预测；

步骤八：在步骤七的基础上，若判别为发生围岩大变形，利用考虑支护效应修正的围岩变形和相对变形量化预报公式，通过最速下降法，快速量化预报围岩变形量级和相对变形，给出大变形等级，为软质岩支护优化设计和施工方案提供依据。

优选地，所述步骤三中原位地应力测试，测试仪器采用三向应变计，测试方法采用应力解除法，并向孔内添加水泥砂浆作为耦合介质。

优选地，所述步骤四中岩石室内试验包括：进行岩石饱和单轴压缩试验，获得岩石饱和单轴抗压强度rc和泊松比μ；进行岩石饱和三轴压缩试验，获得扩容梯度η；进行室内岩石声波测试，获得岩石弹性纵波速度vpr。

优选地，所述步骤六中岩体基本质量指标bq的计算公式为bq＝100+3rc+250kv，使用该式时，遵循以下限制条件：(1)当rc＞90kv+30时，以rc＝90kv+30和kv带入计算bq值；(2)当kv＞0.04rc+0.4时，以kv＝0.04rc+0.4和rc代入计算bq值；式中rc为岩石单轴饱和抗压强度；kv为岩体完整性系数。

优选地，所述步骤七中自重应力场(λ≤1)或者构造应力场(λ＞1)下的岩石强度应力比值公式分别为式中，rc为岩石饱和单轴抗压强度；σ0max为初始最大主应力值。

优选地，所述步骤八中隧洞软质岩洞周变形量化预报，由公式量化计算获得；式中，r′为塑性半径，计算公式为r0为隧洞半径；σc为岩体单轴抗压强度，计算公式为c为岩体的黏聚力，为岩体的内摩擦角；其中p为铅直向初始地应力；λ为最大水平侧压力系数；η为扩容梯度；反映围岩不同位置的θ角；e为岩体的变形模量；μ为泊松比；pi为支护抗力。

优选地，所述步骤八中考虑多种支护形式时，支护抗力pi由公式量化确定；其中ec是混凝土的弹性模量；r是支护的最外侧半径；s1为钢拱架沿隧洞轴线分布的间距；s2为钢筋沿隧洞轴线分布的间距；sc为锚杆沿隧洞圆周分布的间距；sl为锚杆沿隧洞轴线分布的间距；as1为钢拱架的截面面积；as2为隧洞断面中钢筋的截面面积；es1为钢的弹性模量；es2为锚杆锚索的弹性模量；vc是混凝土的泊松比；tc是混凝土的厚度；tb为支护钢拱架圈的厚度；b为槽钢或角钢的翼缘宽度；is为隧洞截面的惯性矩；θ为两个阻块节点夹角的一半弧度；eb为阻块材料的弹性模量；d为超挖区填充混凝土的平均厚度；其中db为锚杆、锚索的直径；l为锚杆、锚索的自由长度；q为锚杆端部和头部的变形荷载常量。

优选地，所述步骤七中围岩大变形判别方法为对相对变形ε量化计算获得，当相对变形2.5％＜ε＜5％时，为i级围岩大变形，变形程度为中等；当相对变形5％＜ε＜10％时，为ii级围岩大变形，变形程度为严重；当相对变形ε＞10％时，为iii级围岩大变形，变形程度为极严重。

由于采用了以上技术方案，本发明同时考虑隧洞掌子面前方远、中、近距离处的量化预报工作，是一种深埋长隧洞软质岩大变形超前预测预报方法；通过对围岩大变形判别、围岩变形预测，获得直观的判断和预测数据，定量化预报深埋长隧(洞)道软质岩的变形量级和等级，有效开展软质岩的超前预测预报工作。

附图说明

图1为本发明一种深埋长隧洞软质岩大变形超前量化预报方法的流程图。

图2为本发明的混凝土支护衬砌示意图。

图3为采用本发明获得的不同埋深条件下初始铅直地应力为4～30mpa时隧洞围岩变形量级和相对变形以及相对应的大变形等级示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提出的一种深埋长隧洞软质岩大变形超前量化预报方法，包括以下步骤：

步骤一：中远距离超前地层信息预报技术。选用trt7000隧洞超前地质预报系统或者长江科学院研发的tep隧洞超前地质预报系统，对掌子面前方中远距离(100m)的地层信息进行探测并获得三维空间数据，利用集面向软岩不同尺度变形质构造体的隧洞反射波正演模拟技术、波场分离和偏移成像的数据处理技术、地震数据保幅成像方法、基于深度学习的非线性智能反演方法于一体的信号解译技术，解译并预报隧洞掌子面前方地层的性质(如节理裂隙带、软弱带、断层破碎带等)、位置及规模大小。

步骤二：在tep系统反馈分析辅助下进行隧洞开挖，当隧洞开挖至掌子面距软质岩30～60m范围时，采用近距离超前地质钻探预报技术，在掌子面打超前钻孔，一般在掌子面上分散布设3～6个钻孔，沿隧洞洞轴线方向钻进。通过钻进揭露来判定掌子面前方的地质情况，具体地：通过钻孔是否出水和出水量可判断前方地下水赋存情况；钻进速度的高低可以反映前方软质岩的坚硬程度；岩芯采取率可反映前方裂隙发育情况等。

步骤三：在步骤二钻孔部位进行原位地应力测试。测试仪器可采用三向应变计，测试方法可采用应力解除法，并向孔内添加水泥砂浆作为耦合介质。获取该处三维初始应力分布状态、最大水平侧压力系数λ及初始最大主应力值σ0max，并判断当λ≤1时地下洞室的应力环境为自重应力场，λ＞1时地下洞室的应力环境为构造应力场。

步骤四：在步骤二钻孔部位进行岩石取样，开展室内物理力学试验，准确掌握掌子面前方软质岩石物理力学特性。现场取样后将岩芯加工成高径比为1∶2的圆柱形试件，取直径为50mm、高度为100mm。具体的，进行室内岩石声波测试，获得岩石弹性纵波速度vpr；饱和处理后进行岩石饱和单轴压缩试验，获得岩石饱和单轴抗压强度rc泊松比μ；饱和处理后进行岩石饱和三轴压缩试验，获得扩容梯度η。

步骤五：在步骤二钻孔部位进行钻孔电视和声波测试工作。先向孔内添加水作为耦合介质，利用钻孔电视自孔口至孔底获取钻孔壁360°图像，数字化处理后获得软岩裂隙的埋深、倾向、倾角、宽度、裂隙面的粗糙度、充填物等性质。声波测试采用单发单收的跨孔声波仪(或单发双收的单孔声波仪)，软岩中宜采用干孔换能器，在步骤四岩石声波测试取样部位进行现场声波测试工作，获得岩体弹性纵波速度vpm，结合步骤四室内试验获得的岩石弹性纵波速度vpr，计算岩体完整性系数

步骤六：根据室内试验和现场试验，确定岩体基本质量分级，进一步确定掌子面前方软质岩体的物理力学参数。

岩体基本质量分级应根据岩体基本质量的定性特征和岩体基本质量指标(bq)两者相结合确定。岩体基本质量的定性特征根据现场评价的岩石坚硬程度和岩体完整程度确定；岩体基本质量指标(bq)计算公式为bq＝100+3rc+250kv，使用该式时，应遵循以下限制条件：(1)当rc＞90kv+30时，应以rc＝90kv+30和kv带入计算bq值；(2)当kv＞0.04rc+0.4时，应以kv＝0.04rc+0.4和rc代入计算bq值。式中rc为岩石单轴饱和抗压强度即σc；kv为岩体完整性系数。

根据岩体的基本质量级别确定岩体黏聚力c，岩体内摩擦角和岩体变形模量e。

步骤七：隧洞围岩大变形量化预报技术。在步骤三取得原位最大主应力值σ0max和步骤四取得圆柱体岩样的岩石饱和单轴抗压强度rc后，可计算自重应力场或者构造应力场下软质岩的强度应力比。自重应力场(λ≤1)或者构造应力场(λ＞1)下的岩石强度应力比值然后采用判断大埋深洞室是否会发生围岩挤压大变形。当ssr大于1时，判别为不会发生围岩挤压大变形，否则判别为会发生围岩挤压大变形。判别为会发生围岩挤压大变形，则需预测预报围岩变形量级；判别为不会发生围岩挤压大变形，则优化支护设计、降低支护强度。

步骤八：在步骤七的基础上，若判别为发生围岩大变形，利用考虑支护效应修正的围岩变形和相对变形量化预报公式，通过最速下降法，快速量化预报围岩变形量级和相对变形，给出大变形等级，为软质岩支护优化设计和施工方案提供依据。

隧洞软质岩洞周变形预测，可由公式计算获得，该式推导过程如下：

假定塑性区中的应变呈轴对称分布，则塑性区几何方程：

考虑围岩屈服时的扩容效应，并假设扩容梯度η为定值。则根据流动法则ηεθp+εrp＝0，因此有：再利用弹塑性交界面处的位移连续条件urp|r＝r＝ure|r＝r，即可得解。对于有支护时，隧洞洞周位移求解过程如下：

弹性区应力分量：

弹塑性交界处径向应力：

塑性半径：

弹性区的弹性径向位移ur和环向位移uθ分别为：

弹塑性交界处弹性位移：

塑性区位移：

因此在隧洞洞周总的径向位移为：

式中，r0为隧洞半径；σc为岩体单轴抗压强度，计算公式为c为岩体黏聚力，为岩体的内摩擦角；p为铅直向初始地应力；λ为最大水平侧压力系数；η为扩容梯度；反映围岩不同位置的θ角；e为岩体的变形模量；μ为泊松比；pi为支护抗力。

考虑多种支护形式时，支护抗力pi由公式pi＝(ks1+ks2+ks3+ks4)ur确定，式中ks1为喷射混凝土的支护刚度系数；ks2为钢拱架的支护刚度系数；ks3为钢筋混凝土衬砌的支护刚度系数；ks4为无粘结锚杆的支护刚度系数。各支护形式的支护刚度系数计算公式如下：

对于喷射混凝土，可将其视为一个封闭的圆环，如图2所示，其支护刚度系数为：

其中ec是混凝土衬砌的弹性模量(mpa)；vc是混凝土的泊松比；r是支护的最外侧半径(m)，通常可采用隧洞半径替代；tc是混凝土的厚度(m)。

对于钢拱架支护，可假设其紧密作用于围岩，支护刚度系数为：

其中es1为钢(拱架)的弹性模量(mpa)；r是支护的最外侧半径(m)，通常可采用隧洞半径替代；tb为支护钢拱架圈的厚度(m)；b为槽钢或角钢的翼缘宽度(m)；as1为钢拱架的截面面积(m²)；is为隧洞截面的惯性矩(m⁴)；s1为钢拱架沿隧洞轴线分布的间距(m)；θ为两个阻块节点夹角的一半(弧度)；eb为阻块材料的弹性模量(mpa)。

对于钢筋混凝土衬砌，其类似于喷射混凝土，只不过在混凝土中放置一定的钢筋形成钢筋混凝土圈对隧洞围岩进行支护，其支护刚度系数为：

其中ec为混凝土的弹性模量(mpa)；d为超挖区填充混凝土的平均厚度(m)；es1为钢(筋)的弹性模量(mpa)；r是支护的最外侧半径(m)，通常可采用隧洞半径替代；as2为隧洞断面中钢筋的截面面积(m²)；s2为钢筋沿隧洞轴线分布的间距(m)。

对于无粘结锚杆，可假定锚杆沿圆周是均匀分布的，其支护刚度系数为：

其中db为锚杆、锚索的直径(m)；l为锚杆、锚索的自由长度(m)；q为锚杆端部和头部的变形荷载常量；es2为锚杆锚索的弹性模量(mpa)；sc为锚杆沿圆周分布的间距(m)；sl为锚杆沿隧洞轴线分布的间距(m)。

在上述基础上，相对变形ε可由计算获得。当相对变形2.5％＜ε＜5％时，为i级围岩大变形，变形程度为中等；当相对变形5％＜ε＜10％时，为ii级围岩大变形，变形程度为严重；当相对变形ε＞10％时，为iii级围岩大变形，变形程度为极严重。

以半径r0＝2.965m的深埋圆形隧洞为例，围岩力学参数的中变形模量e为5gpa，泊松比为0.3，岩体内摩擦角为30°，黏聚力为0.3mpa，扩容梯度为1，侧压系数为1.25，预报了不同埋深条件下初始铅直地应力为4～30mpa时隧洞围岩变形量级和相对变形，给出了相应初始铅直地应力时对应的大变形等级，见图3所示。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围内。