CN108519284B - 地下工程围岩数字钻探实时分级方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了地下工程围岩数字钻探实时分级方法,包括:在地下工程现场利用现场钻进试验获得随钻参数,通过随钻参数与岩体单轴抗压强度关系模型获得岩体单轴抗压强度,基于随钻参数与岩体破碎系数关系模型获得岩体破碎系数,利用单轴抗压强度修正公式由岩体单轴抗压强度和岩体破碎系数获得等效单轴抗压强度,利用等效单轴抗压强度与围岩位移关系模型得到围岩位移,根据围岩位移进而对围岩实时划分等级。本发明具有实时准确预测的特点,根据现场得到的随钻参数反推出围岩位移,从而利用围岩稳定性实时对围岩进行准确分级,为地下工程的设计施工提供依据。避免了岩样样本送往实验室过程中的扰动,同时极大程度上缩短测试时间,节约大量人力物力。
Description
技术领域
本发明涉及地下工程中安全技术领域,特别是涉及地下工程围岩数字钻探实时分级方法。
背景技术
目前,围岩分级是地下工程设计施工的基础性工作。目前常用的围岩分级方法有BQ分类法,RMR分类法等,但具有以下缺陷:
(1)BQ分类法需要现场取芯运到室内进行单轴试验,耗费大量时间和人力。同时运用BQ分类法分类需要大量参数,计算复杂。围岩按照BQ分类法只能分成六级,较为笼统,无法准确反映围岩真实状况。
(2)RMR分类法的分类指标比较笼统,无法对围岩进行精确分类。
综上所述,现有技术中对于地下工程围岩的实时分级问题,尚缺乏有效的解决方案。
发明内容
为了解决现有技术的不足,本发明提供了地下工程围岩数字钻探实时分级方法,具有直观、效率高、现场实时判定等优点。
地下工程围岩数字钻探实时分级方法,包括:
建立模型,具体建立随钻参数与岩体单轴抗压强度关系模型,随钻参数与岩体破碎系数关系模型,等效单轴抗压强度与围岩位移关系模型;
在地下工程现场利用现场钻进试验获得随钻参数,通过随钻参数与岩体单轴抗压强度关系模型获得岩体单轴抗压强度,基于随钻参数与岩体破碎系数关系模型获得岩体破碎系数,利用单轴抗压强度修正公式由岩体单轴抗压强度和岩体破碎系数获得等效单轴抗压强度,利用等效单轴抗压强度与围岩位移关系模型得到围岩位移,根据围岩位移进而对围岩实时划分等级。
进一步的,所述随钻参数与岩体单轴抗压强度关系模型在建立时,对岩体试样进行钻进试验获得随钻参数,建立随钻参数与岩体切削破碎能即钻头切削单位体积岩体所消耗的能量间的关系模型;
获取岩体相应单轴抗压强度,将实测单轴抗压强度与岩体切削破碎能进行拟合分析,建立单轴抗压强度与岩体切削破碎能的模型;
随钻参数与岩体切削破碎能间的关系模型及单轴抗压强度与岩体切削破碎能的模型得到随钻参数与岩体单轴抗压强度之间关系模型。
进一步的,所述随钻参数包括钻进过程中的钻进压力、钻进扭矩、钻进速率和钻进转速。
进一步的,所述随钻参数与岩体切削破碎能间的关系模型建立时采用能量分析法但不限于该方法。
进一步的,所述随钻参数与岩体单轴抗压强度关系模型在建立时时,获取岩体相应单轴抗压强度时通过室内单轴压缩试验或现场点荷载试验获得。
进一步的,所述随钻参数与岩体破碎系数关系模型在建立时,针对不同破碎分布岩体进行钻进试验,获取钻进过程中的随钻参数,建立随钻参数与岩体破碎系数的响应关系,建立随钻参数与岩体破碎系数的关系模型。
进一步的,根据建立的随钻参数与岩体破碎系数的响应关系,利用无监督型聚类分析统计方法建立随钻参数与岩体破碎系数的关系模型。
进一步的,所述利用单轴抗压强度修正公式由岩体单轴抗压强度和岩体破碎系数获得等效单轴抗压强度时,单轴抗压强度修正公式为:K=σ×m,其中σ为通过随钻参数与单轴抗压强度关系模型得到的单轴抗压强度,m为通过随钻参数与岩体破碎系数关系模型得到的岩体破碎系数,K为以单轴抗压强度为基础,考虑破碎程度对强度弱化作用的等效单轴抗压强度。
进一步的,所述等效单轴抗压强度与围岩位移关系模型在建立时,利用现场钻进试验获得的随钻参数反推出每种岩体的等效单轴抗压强度;
对不同岩性类别,不同强度等级,不同岩层组合的围岩进行数值模拟试验获得不同条件下围岩变形量;
将等效单轴抗压强度与数值模拟得到的围岩变形量和现场测量得到的围岩变形量进行函数拟合,建立不同岩性类别,不同强度等级,不同岩层组合下等效单轴抗压强度和围岩位移的关系模型。
进一步的,所述将等效单轴抗压强度与数值模拟得到的围岩变形量和现场测量得到的围岩变形量进行函数拟合时采用多项式拟合、线性拟合、支持向量机或最小二乘法但不限于上述方法。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本发明在地下洞室掘进施工过程中对岩体的等效单轴抗压强度和围岩变形进行预测,适用于地下工程中对围岩进行快速、准确分级。
2、本发明通过数字钻探技术利用钻机钻进过程随钻参数(钻机轴压、扭矩、转速、位移、钻进速率)反演得到岩体力学参数(单轴抗压强度)、岩体特征(岩体破碎系数)和围岩收敛变形,从而根据围岩稳定进行围岩分级,该方法因钻进过程中不取岩芯、无需进行单轴试验、分类指标简洁明确、直接利用钻机随钻参数实时进行围岩分级,具有直观、效率高、现场实时判定等优点。
3、本发明具有实时准确预测的特点,可在现场直接钻探,根据现场得到的随钻参数反推出围岩位移,从而利用围岩稳定性实时对围岩进行准确分级,为地下工程的设计施工提供依据。避免了岩样样本送往实验室过程中的扰动,同时极大程度上缩短测试时间,节约大量人力物力。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的具体实施例子流程图。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的,现有技术中存在地下工程围岩分级不精确不实时的不足,为了解决如上的技术问题,本申请提出了地下工程围岩数字钻探实时分级方法。
本申请的一种典型的实施方式中,如图1所示,提供了地下工程围岩数字钻探实时分级方法,该地下工程围岩数字钻探实时分级方法中包括:
建立随钻参数与岩体单轴抗压强度关系模型,随钻参数与岩体破碎系数关系模型,等效单轴抗压强度与围岩位移关系模型。
通过数字钻探测试技术可以得到随钻参数,结合上述关系模型可以获得单轴抗压强度、破碎系数、等效单轴抗压强度和围岩位移,从而实现围岩快速准确分级。
其中,为获得随钻参数与岩体单轴抗压强度关系模型和随钻参数与岩体破碎系数关系模型,需要进行室内试验和现场试验。为获得等效单轴抗压强度和围岩位移的关系模型,需要进行数值模拟和现场试验。
具体的:
在实验室内开展岩体试样钻进试验,通过配合PDC钻头以及安装在钻机上的钻压传感器、扭矩传感器、位移传感器和转速传感器测得钻进过程中的钻进压力、钻进扭矩、钻进速率和钻进转速等随钻参数。用能量分析法建立随钻参数与岩体切削破碎能(钻头切削单位体积岩体所消耗的能量)间的关系模型,计算岩体切削破碎能。
进一步开展室内单轴压缩试验或现场点荷载试验,获取岩体相应单轴抗压强度。并通过拟合函数法,将实测单轴抗压强度与岩体切削破碎能进行拟合分析,建立函数关系,进一步获得岩体切削破碎能与岩体单轴抗压强度之间关系模型。从而可以获得随钻参数和岩体单轴抗压强度的关系模型。通过随钻参数与岩体单轴抗压强度之间关系模型,可以通过随钻参数反推出岩体单轴抗压强度。
开展不同破碎程度岩体的室内和现场钻进试验,利用数字钻探测试技术,获取钻进过程中的随钻参数。通过大量试验数据,建立随钻参数与岩体破碎系数的响应关系,并利用无监督型聚类分析统计方法建立随钻参数与岩体破碎系数的关系模型。通过开展现场测试试验,获取相应岩体随钻参数,结合关系模型,可以反推获得岩体破碎系数。
开展现场钻进试验,利用数字钻探测试技术实时监测并采集钻进扭矩、钻进压力、钻进速率和钻进转速,计算得出岩体的切削破碎能,代入所建立的随钻参数与岩体单轴抗压强度的关系模型,预测岩体单轴抗压强度。同时将随钻参数代入所建立的随钻参数与岩体破碎系数的关系模型,预测岩体的破碎系数。
鉴于岩体单轴抗压强度没有考虑岩体破碎程度对岩体强度的弱化效用,不能很好地反映工程实际。本发明以岩体单轴抗压强度为基础,结合岩体破碎系数,对岩体单轴抗压强度进行修正,获得等效单轴抗压强度,从而准确评价岩体强度特性。
将计算得到的岩体单轴抗压强度和岩体破碎系数代入公式:K=σ×m。对岩体单轴抗压强度进行修正,得到岩体等效单轴抗压强度。
其中σ为通过随钻参数与单轴抗压强度关系模型得到的单轴抗压强度,m为通过随钻参数与岩体破碎系数关系模型得到的岩体破碎系数,K为以单轴抗压强度为基础,考虑破碎程度对强度弱化作用的等效单轴抗压强度。
通过实验室试验测出每种岩体的粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比并利用现场钻进试验获得的随钻参数反推出每种岩体的等效单轴抗压强度。同时对不同岩性类别,不同强度等级,不同岩层组合的围岩进行大量数值模拟试验获得不同条件下围岩的变形量。将等效单轴抗压强度与数值模拟得到的围岩变形量和现场测量得到的围岩变形量进行函数拟合,建立不同岩性类别,不同强度等级,不同岩层组合下等效单轴抗压强度和围岩位移的关系模型,从而可以根据等效单轴抗压强度得到相应的围岩位移。所述拟合方法包括多项式拟合、线性拟合、支持向量机和最小二乘法,但不局限于上述所列举的方法。利用上述模型,可以通过钻进过程中的随钻参数获得围岩位移。根据围岩位移进而对围岩划分等级,从而为地下工程的设计施工提出依据。
在实际现场实施时,在地下工程现场对围岩进行分级,首先要在地下工程现场利用现场钻进试验获得随钻参数,通过随钻参数与岩体单轴抗压强度关系模型获得岩体单轴抗压强度,基于随钻参数与岩体破碎系数关系模型获得岩体破碎系数,利用单轴抗压强度修正公式由岩体单轴抗压强度和岩体破碎系数获得等效单轴抗压强度,利用等效单轴抗压强度与围岩位移关系模型得到围岩位移,进而可以通过随钻参数快速准确地进行围岩分级。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已,并不用于限制本申请,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.地下工程围岩数字钻探实时分级方法,其特征是,包括:
建立模型,具体建立随钻参数与岩体单轴抗压强度关系模型,随钻参数与岩体破碎系数关系模型,等效单轴抗压强度与围岩位移关系模型;
在地下工程现场利用现场钻进试验获得随钻参数,通过随钻参数与岩体单轴抗压强度关系模型获得岩体单轴抗压强度,基于随钻参数与岩体破碎系数关系模型获得岩体破碎系数,利用单轴抗压强度修正公式由岩体单轴抗压强度和岩体破碎系数获得等效单轴抗压强度,利用等效单轴抗压强度与围岩位移关系模型得到围岩位移,根据围岩位移进而对围岩实时划分等级;
所述利用单轴抗压强度修正公式由岩体单轴抗压强度和岩体破碎系数获得等效单轴抗压强度时,单轴抗压强度修正公式为:K=σ×m,其中σ为通过随钻参数与单轴抗压强度关系模型得到的单轴抗压强度,m为通过随钻参数与岩体破碎系数关系模型得到的岩体破碎系数,K为以单轴抗压强度为基础,考虑破碎程度对强度弱化作用的等效单轴抗压强度;
所述等效单轴抗压强度与围岩位移关系模型在建立时,利用现场钻进试验获得的随钻参数反推出每种岩体的等效单轴抗压强度;
对不同岩性类别,不同强度等级,不同岩层组合的围岩进行数值模拟试验获得不同条件下围岩变形量;
将等效单轴抗压强度与数值模拟得到的围岩变形量和现场测量得到的围岩变形量进行函数拟合,建立不同岩性类别,不同强度等级,不同岩层组合下等效单轴抗压强度和围岩位移的关系模型。
2.如权利要求1所述的地下工程围岩数字钻探实时分级方法,其特征是,所述随钻参数与岩体单轴抗压强度关系模型在建立时,对岩体试样进行钻进试验获得随钻参数,建立随钻参数与岩体切削破碎能即钻头切削单位体积岩体所消耗的能量间的关系模型;
获取岩体相应单轴抗压强度,将实测单轴抗压强度与岩体切削破碎能进行拟合分析,建立单轴抗压强度与岩体切削破碎能的模型;
随钻参数与岩体切削破碎能间的关系模型及单轴抗压强度与岩体切削破碎能的模型得到随钻参数与岩体单轴抗压强度之间关系模型。
3.如权利要求1或2所述的地下工程围岩数字钻探实时分级方法,其特征是,所述随钻参数包括钻进过程中的钻进压力、钻进扭矩、钻进速率和钻进转速。
4.如权利要求2所述的地下工程围岩数字钻探实时分级方法,其特征是,所述随钻参数与岩体切削破碎能间的关系模型建立时采用能量分析法但不限于该方法。
5.如权利要求2所述的地下工程围岩数字钻探实时分级方法,其特征是,所述随钻参数与岩体单轴抗压强度关系模型在建立时,获取岩体相应单轴抗压强度时通过室内单轴压缩试验或现场点荷载试验获得。
6.如权利要求1所述的地下工程围岩数字钻探实时分级方法,其特征是,所述随钻参数与岩体破碎系数关系模型在建立时,针对不同破碎分布岩体进行钻进试验,获取钻进过程中的随钻参数,建立随钻参数与岩体破碎系数的响应关系,建立随钻参数与岩体破碎系数的关系模型。
7.如权利要求6所述的地下工程围岩数字钻探实时分级方法,其特征是,根据建立的随钻参数与岩体破碎系数的响应关系,利用无监督型聚类分析统计方法建立随钻参数与岩体破碎系数的关系模型。
8.如权利要求1所述的地下工程围岩数字钻探实时分级方法,其特征是,所述将等效单轴抗压强度与数值模拟得到的围岩变形量和现场测量得到的围岩变形量进行函数拟合时采用多项式拟合、线性拟合、支持向量机或最小二乘法但不限于上述方法。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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