一种高地温带围岩大变形灾害等级预测方法

1.本发明涉及地质勘察技术领域，具体涉及一种高地温带围岩大变形灾害等级预测方法。


背景技术：

2.灾害预测分级是大变形研究中的最重要内容，围岩大变形作为一种严重的地质灾害，对隧道工程建设产生严重的影响，尽管国内外学者已经做过不少的探索和研究工作，但由于大变形理论尚不成熟，加上现场地质岩体状况的复杂性，大变形灾害预测仍然是这个领域中最薄弱的环节。目前国内采用的是2016版《铁路隧道设计规范》中给出了高地应区隧道软岩大变形分级的判别方法，采用围岩强度应力比(围岩强度与最大地应力比值)和围岩变形特征。其中围岩强度是一项综合指标，跟围岩强度、岩体的粘聚力和内摩擦角，以及节理裂隙发育程度、地下水等都有关系，在现场要获得准确的围岩强度很难实现。
3.上述大变形的判别标准，一般只能围岩在一般条件下变形判断，但随着水利，交通等地下工程的大力发展，国内外兴建的隧洞埋深越来越大，随着埋深增加，地下岩体所处的地质环境也越复杂，往往伴随着高
4.地温，高渗透水压力等复杂地质条件，很明显，采用传统的判别方法，难以实现高地温环境下围岩的大变形预测。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种高地温带围岩大变形灾害等级预测方法，以能够解决现有围岩等级判断方法不能实现高地温带围岩等级预测的问题。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
7.本发明提供一种高地温带围岩大变形灾害等级预测方法，所述高地温带围岩大变形灾害等级预测方法包括：
8.s1：对高地温带围岩大变形处进行原位地应力测试，并获取最大水平主地应力和垂直应力；
9.s2：获取常温下围岩单轴饱和抗压强度、粘滞系数和蠕变时间；
10.s3：根据所述常温下围岩单轴饱和抗压强度、粘滞系数和蠕变时间，考虑高地温对围岩强度的影响，得到温度影响下折减抗压强度；
11.s4：根据所述常温下围岩单轴饱和抗压强度、围岩质量指标、单位体积岩体节理组数以及所述最大水平主地应力，得到围岩热害系数；
12.s5：根据所述最大水平主地应力和所述垂直应力，考虑高地温对围岩大变形的影响，得到高地温影响因子；
13.s6：根据所述最大水平主地应力、所述高地温影响因子和所述温度影响下折减抗压强度，得到变形系数；
14.s7：根据所述变形系数和所述围岩热害系数，确定高地温带围岩大变形的等级。
15.可选择地，所述步骤s3中，所述温度影响下折减抗压强度r
c1
为：
[0016][0017]
其中，rc为常温下围岩单轴饱和抗压强度，σs为围岩屈服强度，σ0为围岩蠕变应力，α为热膨胀系数，e1为粘弹性模量，e为弹性模量，t为地温，η为粘滞系数，t为蠕变时间。
[0018]
可选择地，所述步骤s4中，所述围岩热害系数γ为：
[0019][0020]
其中，rc为常温下围岩单轴饱和抗压强度，σ
max
为最大水平主地应力，jn为单位体积岩体节理组数，rqd为围岩质量指标。
[0021]
可选择地，所述步骤s5中，所述高地温影响因子s为：
[0022][0023]
其中，λ
20
为20度时的围岩导热系数，t为地温，κ为围岩线膨胀系数，e为围岩孔隙率；σ
max
为最大水平主应力；σv为垂直应力，α为热膨胀系数。
[0024]
可选择地，所述步骤s6中，所述变形系数d为：
[0025][0026]
其中，r
c1
为温度影响下折减抗压强度，s为高地温影响因子，σ
max
为最大水平主应力。
[0027]
可选择地，当地温大于28℃时，确定所述地温为高地温。
[0028]
本发明具有以下有益效果：
[0029]
1.本方案获取的相关参数都是较易获得的，大大减少了工作量，对于复杂地质条件，相较现有的大变形灾害预测方式来说，本方案能更为快速的预测大变形，对于高地温带的条件下的大变形预测，适用性更强。
[0030]
2.本方案在进行围岩大变形等级预测时,综合考虑了高地温带围岩的复杂地质条件，从高温对围岩强度的影响，由围岩质量引发的高地温灾害，高地温对围岩变形影响三个方面对高地温带围岩大变形灾害进行有效的预测分级，本方案通过该种方式得到相对准确的变形等级，以保证后续在隧道围岩支护优化时采集准确的支护策略，更好地控制变形，提高施工安全和效率，同时保证隧道的稳定性。
附图说明
[0031]
图1为本发明高地温带围岩大变形灾害等级预测方法的流程图。
具体实施方式
[0032]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0033]
实施例
[0034]
本发明提供一种高地温带围岩大变形灾害等级预测方法，参考图1所示，所述高地温带围岩大变形灾害等级预测方法包括：
[0035]
s1：对高地温带围岩大变形处进行原位地应力测试，并获取最大水平主地应力和垂直应力；
[0036]
由于本发明是针对高地温带围岩的大变形，因此在执行本发明时，需要对预测的大变形处的围岩进行温度检测，即测得地温t，当t大于28摄氏度时，确定该大变形处为高地温带，进而展开下面的具体方法。
[0037]
且在本发明中，最大水平主地应力和垂直力是在施工现场进行原位地应力测试获得的。
[0038]
s2：获取常温下围岩单轴饱和抗压强度、粘滞系数和蠕变时间；
[0039]
这里，常温下围岩单轴饱和抗压强度、粘滞系数和蠕变时间等参数是根据室内试验测得的。
[0040]
s3：根据所述常温下围岩单轴饱和抗压强度、粘滞系数和蠕变时间，考虑高地温对围岩强度的影响，得到温度影响下折减抗压强度；
[0041]
具体地，温度影响下折减抗压强度r
c1
为：
[0042][0043]
其中，rc为常温下围岩单轴饱和抗压强度，σs为围岩屈服强度，σ0为围岩蠕变应力，α为热膨胀系数，e1为粘弹性模量，e为弹性模量，t为地温，η为粘滞系数，t为蠕变时间。
[0044]
本发明在预测了高温下对围岩的长期强度的影响，由于高地温带围岩的长期强度难以用人工方法获取，采用折减公式，从而降低了人工劳动强度，所取的长期强度也有较高精度。
[0045]
s4：根据所述常温下围岩单轴饱和抗压强度、围岩质量指标、单位体积岩体节理组数以及所述最大水平主地应力，得到围岩热害系数；
[0046]
具体地，所述围岩热害系数γ为：
[0047][0048]
其中，rc为常温下围岩单轴饱和抗压强度，σ
max
为最大水平主地应力，jn为单位体积
岩体节理组数，具体数值见如下表1，rqd为围岩质量指标。
[0049]
表1单位体积岩体节理组数jn[0050][0051]
在本发明中，为了保证围岩质量指标能够更准确地反应对高地温大变形灾害的影响，引入围岩质量热害因子，热害因子越大，围岩质量越差，引发高地温灾害严重。
[0052]
s5：根据所述最大水平主地应力和所述垂直应力，考虑高地温对围岩大变形的影响，得到高地温影响因子；
[0053]
具体地，所述高地温影响因子s为：
[0054][0055]
其中，λ
20
为20度时的围岩导热系数，t为地温，κ为围岩线膨胀系数，e为围岩孔隙率；σ
max
为最大水平主应力；σv为垂直应力，α为热膨胀系数。
[0056]
高地温影响因子s代表温度对围岩变形的影响，围岩温度越高，即高地温影响因子越大，变形越大。
[0057]
s6：根据所述最大水平主地应力、所述高地温影响因子和所述温度影响下折减抗压强度，得到变形系数；
[0058]
所述变形系数d为：
[0059][0060]
其中，r
c1
为温度影响下折减抗压强度，s为高地温影响因子，σ
max
为最大水平主应力。
[0061]
s7：根据所述变形系数和所述围岩热害系数，确定高地温带围岩大变形的等级。具体参见表2：
[0062]
表2高地温带围岩大变形分级
[0063][0064][0065]
本发明具有以下有益效果：
[0066]
1.本方案获取的相关参数都是较易获得的，大大减少了工作量，对于复杂地质条件，相较现有的大变形灾害预测方式来说，本方案能更为快速的预测大变形，对于高地温带的条件下的大变形预测，适用性更强。
[0067]
2.本方案在进行围岩大变形等级预测时,综合考虑了高地温带围岩的复杂地质条件，从高温对围岩强度的影响，由围岩质量引发的高地温灾害，高地温对围岩变形影响三个方面对高地温带围岩大变形灾害进行有效的预测分级，本方案通过该种方式得到相对准确的变形等级，以保证后续在隧道围岩支护优化时采集准确的支护策略，更好地控制变形，提高施工安全和效率，同时保证隧道的稳定性。
[0068]
实施例2
[0069]
1.选取某地质条件复杂，受热害严重的高温带地区，对其预测有可能发生大变形处的围岩进行初判，测得地温t＝45℃，处于高地温带，可应用于本发明。
[0070]
2.进行原位地应力测试，并获取最大水平主应力σ
max
和垂直应力σv，根据实测资料可见具体参数如下：σ
max
＝10.3mpa，σv＝6.3mpa。
[0071]
3.选取高地温带预测大变形处围岩，进行室内试验，测出围岩单轴抗压强度rc＝10.1mpa，恒温蠕变试验得出的粘滞系数η，蠕变时间t等参数，根据高温下围岩的流变性能，对围岩长期强度进行折减，用如下公式：
[0072][0073]
根据勘察资料显示，该高地温带主要为软岩，故采用流变h-k模型，进行恒温蠕变试验，根据蠕变试验结果和蠕变模型及方程，得出各参数如下：单轴抗压强度rc＝10.1mpa,围岩屈服强度σs＝6.73mpa，蠕变应力σ0＝4mpa,，粘弹性模量e1＝3380mpa，弹性模量e＝2000mpa，粘滞系数η＝0.6
×
10
13
mpa,热膨胀系数α＝8.6e-6℃-1
,t
→
∞，可得出折减长期强度r
c1
＝5.90mpa。
[0074]
4.根据勘察资料，进一步结合单轴抗压强度强度rc＝10.1mpa，围岩质量指标rqd＝15，单位体积岩体节理组数jn＝20，最大水平主应力σ
max
＝10.3mpa，由此，确定围岩热害因子γ＝75.3，根据表2，初步判定为ⅰ级大变形。
[0075]
5.计算地温影响因子s，由上述步骤以及已知参数，围岩单轴抗压强度rc＝10.1mpa,小于15mpa，故计算高地温影响因子，各参数所得如下：λ
20
＝2.5w/(m
·
℃)，t＝45℃，围岩线膨胀系数κ＝7.1e-4，围岩孔隙率e＝0.55，最大水平主应力σ
max
＝10.3mpa,垂直应力σv＝6.3mpa，得出s＝1.158。
[0076]
6.根据获得围岩折减强度，最大水平主应力，高地温影响因子，结合公式对大变形进行预测分级，得出变形系数d＝0.49，
[0077]
7.根据表2，综合围岩热害系数和变形系数两个指标，得出该围岩属于ⅰ级大变形，相对变形程度为大于1％且小于等于2％，根据对高地温带大变形的量化预测分析，提出了大变形，并应采取相应的支护措施。
[0078]
综上所述，本案方案一种高地温带围岩大变形灾害等级预测方法，综合考虑了高地温带围岩的复杂地质条件，从高温对围岩强度的影响，由围岩质量引发的高地温灾害，高地温对围岩变形影响三个方面对高地温带围岩大变形灾害进行有效的预测分级，适用于多数高地温带围岩大变形的等级预测，适用对象明确，通过该种方式得到相对准确的变形等级。
[0079]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。