CN109856243A - 一种深部岩体三维地应力的估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深部岩体三维地应力的估算方法，首先选定隧洞断面进行宏观地应力方向分析，然后在隧洞开挖断面围岩上不同方向进行声波测试，根据现行规范确定岩石***开挖过程中损伤区大小，将损伤区依据损伤程度细分为内损伤区和外损伤区，依据不同成因分为***荷载损伤区、地应力瞬态、静态卸载损伤区；再基于损伤区的分布状态确定地应力方向和大小主应力的大小关系，根据最大主应力方向上不同成因的损伤深度确定最大主应力大小；在一定区域选定两个不平行平面，将主应力大小和方向反映在竖直和水平方向上，最终确定测试区域的三维地应力状态。本发明试验条件要求低，经济高效，能够在短时间内测得深部岩体的三维地应力。

Description

一种深部岩体三维地应力的估算方法

技术领域

本发明属于水利水电和岩土工程领域，具体涉及一种深部岩体三维地应力的估算方法，适用于水利水电工程、交通、露天矿山开采等领域隧洞开挖时地应力的估算。

背景技术

随着我国西南地区水电开发的进一步深入以及矿产资源开采深度的日益增加，深埋洞室开挖过程中高地应力诱发的工程地质灾害越来越普遍和严重。为预报岩体失稳破坏和岩爆的发生以及为岩体支护加固提供依据，在洞室施工过程中需要实时动态地掌握掌子面附近围岩的应力大小和方向。

已有的地应力测量方法根据其测量原理大致可归纳为三类：第一类是以测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力解除法、水压致裂法及应力恢复法等；第二类是以测量岩体中声发射、声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理方法；第三类是根据地质构造或岩体破坏状况提供的信息确定应力方向。其中以应力解除法与水压致裂法应用最为广泛。应力解除法需要钻孔、套取岩芯、安装精密的电子仪器等操作，测量周期长，在洞室掌子面附近采用时影响施工进度，不能满足实时动态的需求；而且由于深部岩体的高地应力，钻孔变形严重、岩芯破裂，导致取芯困难，测量成功率较低，测量结果的可信度受到明显影响。水压致裂法所用设备庞大，钻孔直径大，钻孔时间长，测量仪器昂贵，测试费用高，无法适用于深埋洞室围岩的地应力快速测量。

发明内容

本发明针对现在水利水电和岩土工程领域地应力测量中存在的测量仪器昂贵，测试费用高、测试周期长这样的问题，提出了一种估算深部岩体三维地应力的方法，利用工程中的开挖的隧洞，在平行于隧洞掌子面方向的平面进行声波测试，得到隧洞围岩的内损伤区、外损伤区分布情况，然后通过内损伤区和外损伤区的分布特征，得到当前平面的大、小主应力大小和方向，结合附近的交叉隧洞的应力数据，便可得到附近区域的三维地应力分布情况。

本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：

一种深部岩体三维地应力的估算方法，包括如下步骤：

步骤一：根据现场高地应力情况，结合生产过程中的辅助洞等隧洞条件，选择相互交叉的两条隧洞，在隧洞开挖面选择岩石结构完整的区域，宏观观察隧洞高应力破坏特征，判断主应力方向和隧洞轴线之间的角度关系，初步判断当地地应力方向；

步骤二：在隧洞交叉处附近，分别在两条隧洞洞轴线上选择平行于开挖掌子面的平面，围绕该平面在围岩上钻若干声波检测孔，每次钻两个声波检测孔，在隧洞的多个方向上分别钻孔；

步骤三：通过声波检测***对多个方向上的声波检测孔进行声波检测，绘制声波纵波速度随着钻孔深度的变化曲线，依据声波纵波波速降低率来判定岩石损伤程度，选定合理的降低率阈值将损伤区分为内损伤区和外损伤区；

步骤四：由步骤三测量得到的不同方向上的损伤区深度，绘制两个平面上隧洞围岩的内、外损伤区分布图，根据内、外损伤区的总损伤区的分布情况确定断面上大小主应力的方向；将损伤区根据不同成因划分为***荷载损伤、地应力瞬态卸载损伤和地应力静态卸载损伤，由***设计计算隧洞开挖围岩上的等效***荷载，计算得到***荷载损伤区，再根据***荷载损伤、地应力瞬态卸载损伤和地应力静态卸载损伤在最大主应力方向上的深度关系确定最大主应力大小；由大小主应力的损伤深度比较确定大小主应力的大小比值，并结合前述步骤得到最小主应力大小；

步骤五：通过步骤四得到的当前开挖断面上最大主应力和最小主应力的大小和方向，将大小主应力转换成竖直、水平方向的正应力和平面上的剪应力，综合两个开挖断面平面上的应力状态和宏观观察地应力的方向信息得到当前区域的三维地应力状态。

进一步地，所述步骤三中用声波速度衰减率来表示岩石的损伤程度：

上式中，η为岩体声波纵波波速衰减率，v₁为开挖前完整岩石声波纵波速度，v₂位开挖后围岩声波纵波速度，根据不同现场条件，以声波速度的变化程度确定内损伤区和外损伤区的合理阈值，内损伤区声波纵波速度随深度变化程度大，外损伤区声波纵波速度随深度变化小，根据选定的阈值对照曲线得到不同方向上岩体的内、外损伤区深度。

进一步地，所述步骤四中断面上地应力大小和方向的确认方法具体如下：

首先观察断面内损伤区、外损伤区的总损伤区的分布情况确定平面上大小主应力的方向，损伤区大的为小主应力方向，损伤区小的为大主应力方向，取σ₁为最大主应力，σ₃为最小主应力；

在σ₁方向上，根据实测资料确定内损伤区深度d₁，外损伤区深度d₂，***荷载损伤深度d₃，瞬态地应力卸载损伤深度d₄，静态地应力卸载损伤深度d₅，根据***设计确定在开挖断面上的最大等效***荷载p，结合在低地应力条件下等效***荷载p对特定岩石对***的损伤规律，选定合理的损伤阈值，确定***开挖时***荷载的损伤范围，在σ₁方向上，取隧洞一侧损伤深度分析，确定σ₁的大小，根据计算确定***荷载的损伤深度d₃，根据实测资料得到不同方向上内外损伤区深度d₁和d₂，其中，瞬态地应力卸载损伤区深度为d₄＝d₁-d₃，静态地应力卸载损伤区深度为d₅＝d₂；

取最大主应力方向上瞬态地应力卸载损伤深度与***损伤深度的比值α和静态地应力卸载损伤深度与***损伤深度的比值β在高地应力地区，α、β值较大，在低地应力地区，α、β值较小，通过比较α、β的大小，计算测试平面的最大主应力地应力大小；

综合隧洞上主应力方向上的两侧损伤区深度进行σ₁的大小确定，取两次分析的平均值作为最终最大主应力大小；

通过实测资料得到最大主应力和最小主应力方向上的损伤深度，取D₁(D₁＝D₃+D₄)为最大主应力方向上的损伤深度，D₂(D₂＝D₅+D₆)为最小主应力方向上的损伤深度，取γ越大，侧压缩系数越大，σ₁与σ₃的比值越大，地应力场越不均匀，通过γ确定σ₁与σ₃的的关系，并最终得到最小主应力σ₃的大小。

进一步地，所述步骤五中，基于步骤四得到了当前开挖断面上最大主应力和最小主应力的大小和方向，依据步骤一，在选择的相互交叉的隧洞A和隧洞B上，得到在垂直于隧洞A方向上的两个正应力σ_V1、σ_H1和一个剪应力τ_VH1，σ_V1为隧洞A当前开挖面竖直地应力，σ_H1为垂直于隧洞A洞轴方向上的水平地应力，τ_VH1为隧洞A开挖面上的剪应力，使用同样的方法确定隧洞B上的正应力σ_V2、σ_H2和剪应力τ_VH2，取σ_V1和σ_V2的平均值σ_V作为测量得到的竖直地应力，假定以σ_H1和σ_H2为正应力的平面上剪应力为τ_H12，即得到当前测试区域的三维应力场，应力状态可以用如下矩阵表示：

结合该矩阵得到三维地应力场，带入宏观观测结果确定的主应力方向，最终确定τ_H12的大小。

本发明具有如下优点：

1、相比于常规的现场地应力测试方法，本发明通过声波检测***测量试验平面的损伤状态来得到三维地应力，试验方法简单，同时本发明不需要价格高昂的检测仪器，三维地应力等数据信息能够做到更及时反馈，测试周期短，测试费用极大降低；

2、本发明对试验条件要求非常简单，水利水电工程中对于深部岩体的开挖先行开挖隧洞是常用的技术措施，本发明能够充分结合利用现场实际的生产条件，在两个隧洞交叉处可以进行试验估算试验区域的三维应力状态，在单条隧洞的任意位置也可以通过本发明确定大小主应力的分布状态，适用条件非常广。

附图说明

图1为本发明实施步骤流程图；

图2为交叉隧洞及声波测试断面选取示意图；

图3为声波测试断面声波测试孔布置图；

图4为声波纵波速度随钻孔深度的变化图；

图5为高地应力地区开挖断面内、外损伤区分布图；

图6为高地应力地区不同成因损伤的损伤区分布图；

其中：1-隧道A，2-隧道B，3-声波检测孔，4、开挖断面，5-内损伤区，6-外损伤区，7-***载荷损伤，8-瞬态地应力卸载损伤，9-静态地应力卸载损伤。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，一种深部岩体三维地应力的估算方法，具体实施步骤如下：

步骤1、根据现场高地应力情况，结合生产过程中的辅助洞等隧洞条件，选择相互交叉的两条隧洞，如图2，在隧洞开挖面选择岩石结构完整的区域，宏观观察隧洞高应力破坏特征，判断主应力方向和隧洞轴线之间的角度关系，初步判断当地地应力方向；

步骤2、在隧洞交叉处附近，分别在两条隧洞上选择平行于开挖掌子面的平面，如图2的Ⅰ-Ⅰ平面和Ⅱ-Ⅱ平面，围绕这两个平面在围岩上钻声波检测孔3，每次钻两个声波检测孔3，在隧洞周向均匀分布的8个方向上分别钻孔，如图3。

步骤3、钻完孔后，通过声波检测***对8个方向上的声波探测孔进行声波检测，绘制声波纵波速度随着钻孔深度的变化曲线，如图4，由于声波在岩石传播时声波速度会随着岩石破坏而衰减，用声波速度衰减率来表示岩石的损伤程度：

上式中，η为岩体声波纵波波速衰减率，v₁为开挖前完整岩石声波纵波速度，v₂位开挖后围岩声波纵波速度，取η＝10％作为确定岩体总损伤区的阈值，根据不同现场条件，以声波速度的变化程度确定内损伤区5和外损伤区6的合理阈值，内损伤区声波纵波速度随深度变化程度大，外损伤区声波纵波速度随深度变化小，根据选定的阈值对照曲线得到不同方向上岩体的内、外损伤区深度。

步骤4、根据测量得到不同方向上损伤区深度，分别绘制两个平面上隧洞围岩的损伤区分布图。下面以某水电站辅助洞(圆形隧洞，断面直径8m)为例，具体描述确定断面上地应力大小和方向的方法。选取该辅助洞的一个开挖断面进行内外损伤区检测，该辅助洞位于高地应力地区，检测编号如图3，根据实际的检测结果绘制内外损伤区的分布图，如图5所示。

内损伤区由***荷载损伤7和瞬态地应力卸载造成的损伤这两部分组成，外损伤区由静态地应力卸载产生。对于圆形隧洞，***荷载造成7的损伤区在围岩上也是一个圆形，造成的损伤区与在开挖面上的***荷载有关，根据这个深度将内损伤区分为***载荷损伤7和瞬态地应力卸载损伤8，如图6所示。

断面上地应力的方向和大小按照如下方法确定：

首先观察内损伤区、外损伤区的总损伤区的分布情况确定平面上大小主应力的方向，损伤区大的为小主应力方向，损伤区小的为大主应力方向，如图5所示，σ₁为最大主应力，σ₃为最小主应力。

在σ₁方向上，根据实测资料确定内损伤区深度d₁，外损伤区深度d₂，***荷载损伤深度d₃，如图5所示，瞬态地应力卸载损伤深度d₄，静态地应力卸载损伤深度d₅，如图6所示。

根据***设计确定在开挖断面上的最大等效***荷载p，结合在低地应力条件下等效***荷载p对特定岩石对***的损伤规律，选定合理的损伤阈值，确定***开挖时***荷载的损伤范围。在σ₁方向上，以隧洞一侧损伤深度为例分析，确定σ₁的大小。根据计算确定***荷载的损伤深度d₃，根据实测资料得到不同方向上内外损伤区深度d₁和d₂，如图5、6所示，其中，瞬态地应力卸载损伤区深度为d₄＝d₁-d₃，静态地应力卸载损伤区深度为d₅＝d₂。

取最大主应力方向上瞬态地应力卸载损伤深度与***损伤深度的比值α和静态地应力卸载损伤深度与***损伤深度的比值β在高地应力地区，α、β值较大，在低地应力地区，α、β值较小，通过比较α、β的大小，计算测试平面的最大主应力地应力大小。

综合隧洞上主应力方向上的两侧损伤区深度进行σ₁的大小确定，取两次分析的平均值作为最终最大主应力大小。

通过实测资料得到最大主应力和最小主应力方向上的损伤深度，如图5所示，D₁(D₁＝D₃+D₄)为最大主应力方向上的损伤深度，D₂(D₂＝D₅+D₆)为最小主应力方向上的损伤深度，取γ越大，侧压缩系数越大，σ₁与σ₃的比值越大，地应力场越不均匀，通过γ确定σ₁与σ₃的的关系，并最终得到最小主应力σ₃的大小。

步骤5、通过步骤4得到了当前开挖断面上最大主应力和最小主应力的大小和方向，如图2，在隧洞A1和隧洞B2上，可以得到在垂直于隧洞A方向上的两个正应力σ_V1、σ_H1和一个剪应力τ_VH1，σ_V1为隧洞A当前开挖面竖直地应力，σ_H1为垂直于隧洞A洞轴方向上的水平地应力，τ_VH1为隧洞A开挖面上的剪应力，使用同样的方法确定隧洞B上的正应力σ_V2、σ_H2和剪应力τ_VH2，取σ_V1和σ_V2的平均值σ_V作为测量得到的竖直地应力，假定以σ_H1和σ_H2为正应力的平面上剪应力为τ_H12，这样即得到了当前测试区域的三维应力场，应力状态可以用矩阵表示：

综合这个矩阵得到的三维地应力场，带入宏观观测结果确定的主应力方向，最终确定τ_H12的大小。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (4)

1.一种深部岩体三维地应力的估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：根据现场高地应力情况，结合生产过程中的辅助洞等隧洞条件，选择相互交叉的两条隧洞，在隧洞开挖面选择岩石结构完整的区域，宏观观察隧洞高应力破坏特征，判断主应力方向和隧洞轴线之间的角度关系，初步判断当地地应力方向；

步骤二：在隧洞交叉处附近，分别在两条隧洞洞轴线上选择平行于开挖掌子面的平面，围绕该平面在围岩上钻若干声波检测孔，每次钻两个声波检测孔，在隧洞的多个方向上分别钻孔；

步骤三：通过声波检测***对多个方向上的声波检测孔进行声波检测，绘制声波纵波速度随着钻孔深度的变化曲线，依据声波纵波波速降低率来判定岩石损伤程度，选定合理的降低率阈值将损伤区分为内损伤区和外损伤区；

步骤四：由步骤三测量得到的不同方向上的损伤区深度，绘制两个平面上隧洞围岩的内、外损伤区分布图，根据内、外损伤区的总损伤区的分布情况确定断面上大小主应力的方向；将损伤区根据不同成因划分为***荷载损伤、地应力瞬态卸载损伤和地应力静态卸载损伤，由***设计计算隧洞开挖围岩上的等效***荷载，计算得到***荷载损伤区，再根据***荷载损伤、地应力瞬态卸载损伤和地应力静态卸载损伤在最大主应力方向上的深度关系确定最大主应力大小；由大小主应力的损伤深度比较确定大小主应力的大小比值，并结合前述步骤得到最小主应力大小；

步骤五：通过步骤四得到的当前开挖断面上最大主应力和最小主应力的大小和方向，将大小主应力转换成竖直、水平方向的正应力和平面上的剪应力，综合两个开挖断面平面上的应力状态和宏观观察地应力的方向信息得到当前区域的三维地应力状态。

2.如权利要求1所述的一种深部岩体三维地应力的估算方法，其特征在于：所述步骤三中用声波速度衰减率来表示岩石的损伤程度：

上式中，η为岩体声波纵波波速衰减率，v₁为开挖前完整岩石声波纵波速度，v₂位开挖后围岩声波纵波速度，根据不同现场条件，以声波速度的变化程度确定内损伤区和外损伤区的合理阈值，内损伤区声波纵波速度随深度变化程度大，外损伤区声波纵波速度随深度变化小，根据选定的阈值对照曲线得到不同方向上岩体的内、外损伤区深度。

3.如权利要求1所述的一种深部岩体三维地应力的估算方法，其特征在于：所述步骤四中断面上地应力大小和方向的确认方法具体如下：

首先观察断面内损伤区、外损伤区的总损伤区的分布情况确定平面上大小主应力的方向，损伤区大的为小主应力方向，损伤区小的为大主应力方向，取σ₁为最大主应力，σ₃为最小主应力；

在σ₁方向上，根据实测资料确定内损伤区深度d₁，外损伤区深度d₂，***荷载损伤深度d₃，瞬态地应力卸载损伤深度d₄，静态地应力卸载损伤深度d₅，根据***设计确定在开挖断面上的最大等效***荷载p，结合在低地应力条件下等效***荷载p对特定岩石对***的损伤规律，选定合理的损伤阈值，确定***开挖时***荷载的损伤范围，在σ₁方向上，取隧洞一侧损伤深度分析，确定σ₁的大小，根据计算确定***荷载的损伤深度d₃，根据实测资料得到不同方向上内外损伤区深度d₁和d₂，其中，瞬态地应力卸载损伤区深度为d₄＝d₁-d₃，静态地应力卸载损伤区深度为d₅＝d₂；

取最大主应力方向上瞬态地应力卸载损伤深度与***损伤深度的比值α和静态地应力卸载损伤深度与***损伤深度的比值在高地应力地区，α、β值较大，在低地应力地区，α、β值较小，通过比较α、β的大小，计算测试平面的最大主应力地应力大小；

综合隧洞上主应力方向上的两侧损伤区深度进行σ₁的大小确定，取两次分析的平均值作为最终最大主应力大小；

通过实测资料得到最大主应力和最小主应力方向上的损伤深度，取D₁(D₁＝D₃+D₄)为最大主应力方向上的损伤深度，D₂(D₂＝D₅+D₆)为最小主应力方向上的损伤深度，取γ越大，侧压缩系数越大，σ₁与σ₃的比值越大，地应力场越不均匀，通过γ确定σ₁与σ₃的的关系，并最终得到最小主应力σ₃的大小。

4.如权利要求1所述的一种深部岩体三维地应力的估算方法，其特征在于：进一步地，所述步骤五中，基于步骤四得到了当前开挖断面上最大主应力和最小主应力的大小和方向，依据步骤一，在选择的相互交叉的隧洞A和隧洞B上，得到在垂直于隧洞A方向上的两个正应力σ_V1、σ_H1和一个剪应力τ_VH1，σ_V1为隧洞A当前开挖面竖直地应力，σ_H1为垂直于隧洞A洞轴方向上的水平地应力，τ_VH1为隧洞A开挖面上的剪应力，使用同样的方法确定隧洞B上的正应力σ_V2、σ_H2和剪应力τ_VH2，取σ_V1和σ_V2的平均值σ_V作为测量得到的竖直地应力，假定以σ_H1和σ_H2为正应力的平面上剪应力为τ_H12，即得到当前测试区域的三维应力场，应力状态可以用如下矩阵表示：

结合该矩阵得到三维地应力场，带入宏观观测结果确定的主应力方向，最终确定τ_H12的大小。