一種ＴＢＭ掘進時圍巖應力變化測量方法技術

本發明專利技術涉及ＴＢＭ掘進時圍巖應力變化測量方法。本發明專利技術所要解決的技術問題是提供一種ＴＢＭ掘進時圍巖應力變化測量方法，測量ＴＢＭ開挖洞段圍巖中某點的三維應力變化，判斷圍巖損傷范圍，優化支護設計，保證洞室整體穩定和工作人員安全。解決該問題的技術方案是：ＴＢＭ掘進時圍巖應力變化測量方法，步驟如下，ａ、確定空心包體應力計的埋設位置和測點數量；ｂ、挖輔助洞或利用已有洞室向ＴＢＭ待開挖洞段鉆孔并埋設空心包體應力計；ｃ、ＴＢＭ掘進，監測并記錄空心包體應力計的應變變化；ｄ、確定測量段巖石的彈性模量、泊松比；ｅ、列方程，Ｅεｋ＝Ａｋ１σｘ＋Ａｋ２σｙ＋Ａｋ３σｚ＋Ａｋ４τｘｙ＋Ａｋ５τｙｚ＋Ａｋ６τｚｘ，求解地應力的六個分量σｘ、σｙ、σｚ、τｘｙ、τｙｚ、τｘｚ，本發明專利技術主要用于隧洞等施工期的支護優化設計和洞室整體穩定性評價。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種TBM掘進時圍巖應力變化測量方法，可以作為TBM掘進時對洞室 圍巖應力擾動的直接測量方法，適用于隧洞等施工期的支護優化設計和洞室的整體穩定性 評價。
技術介紹
全斷面隧道掘進機TBM (Tunnel Boring Machine)是目前世界長大隧道施工最有 效、最先進的的大型綜合性施工機械之一，已成為國際上快速開挖隧道的主流。TBM與傳統 鉆爆法相比，具有快速、優質、安全等優點，可連續進行開挖、出碴，施工速度快；無爆破，掘 進超挖量極少，對圍巖撓動小；施工人員工作環境大大改善，尤其是TBM施工的高速優質成 洞，可為建設及施工單位取得良好的經濟效益。而我國是一個地形復雜、山嶺密布的多山國 家，正值基礎建設的高速發展的時期。在今后相當長的時間內地下空間的拓展將會成倍增 長，在一定的條件下可以取代傳統的鉆爆法，因此TBM在我國具有廣闊的應用前景。隧道開挖前，巖體中的初始應力處于相對平衡狀態，而當隧道開挖后，巖體中初始 應力狀態必然要發生變化，影響到隧道圍巖的受力狀態。應力重分布是引起圍巖收斂變形 的主要原因。在TBM隧道設計中，圍巖收斂變形量如果過大，洞室斷面凈空大為縮小，TBM操 作室及后備套難以通過，會造成初期支護困難，并影響到隧道的二次襯砌。而在整個地下工 程監測環節中應力的監測是最困難的，如果能夠通過系統的測試手段解答這個問題，并能 夠針對性的提供一定的補救措施，便具有很高的實用價值。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是為了能夠準確地反映TBM開挖對圍巖應力的擾動， 提供一種TBM掘進時圍巖應力變化測量方法，可以比較準確地測量TBM開挖洞段圍巖中某 點的三維應力狀態變化，從而很好的判斷出圍巖損傷范圍，以達到優化支護設計，加快施工 進度，節省工程造價，保證洞室整體穩定和工作人員人身安全的目的。本專利技術所采用的技術方案是TBM掘進時圍巖應力變化測量方法，其特征在于通 過預先埋設空心包體應力計來監測掘進過程中圍巖的應力變化，其步驟如下，a、綜合考慮數值計算的應力結果、地形地貌、巖體強度、斷層的影響，確定空心包 體應力計的埋設位置和測點數量，保證擾動區內外至少各安裝一個；b、開挖輔助洞或利用已有洞室向TBM待開挖洞段鉆安裝孔并埋設空心包體應力 計，輔助洞或已有洞室到TBM待開挖洞段的垂直距離為2-3倍的TBM洞段洞徑；c、對TBM待開挖洞段進行開挖掘進，同時監測并記錄空心包體應力計在TBM通過 監測斷面的全程應變變化；d、通過試驗確定測量段巖石的彈性模量、泊松比；e、空心包體應力計三組應變花可得12個不同位置和方向的應變值，列12個方程， 其通式如下，E e k = Akl o x+Ak2 o y+Ak3 o z+Ak4 x xy+Ak5 x yz+Ak6 x zx利用數理統計的最小二乘法原理，采用Matlab求解方程，利用測得的巖體參數求解出地應力的六個分量ox、oy、oz、 Txy> Tyz、Txz，式中E為彈性模量，ek為每個應變片所測得的應變值，k = 4(i-l)+j，i = 丄 丄j = 1 4，3個應變花序號用i表示，對應的極角為每個應變花由4個應變片 組成，序號用j表示，對應的角度為外；Akl Ak6包含了應變片并非直接粘貼在安裝孔巖壁 上的修正系數。步驟b埋設空心包體應力計時，須通過鉆設安裝孔時產生的巖芯判斷周圍巖體的 完整情況，并通過調整安裝孔的深度確保空心包體應力計的埋設能夠避開結構面發育地市o步驟d中的參數通過現場圍壓率定試驗得到，或者將靠近測量段前后的巖芯在實 驗室加工成標準試塊，通過單軸壓縮試驗得到。本專利技術的有益效果是本專利技術通過預先在設計位置埋設空心包體應力計來監測掘 進過程中圍巖的應力變化，比較準確地測量出TBM開挖洞段圍巖中某點的三維應力狀態變 化，能夠更好的反映出TBM掘進過程中圍巖的損傷范圍，對開挖后圍巖的支護設計有很好 的指導作用，有利于節省工程量，加快施工進度，保證洞室的整體穩定和施工人員的人身安全。附圖說明圖1是本專利技術的平面圖。圖2是本專利技術的斷面圖。具體實施例方式如圖1、圖2所示，雖然TBM開挖對圍巖的擾動較小，但依然會改變原巖應力場，影 響洞室穩定，而TBM掘進不同于鉆爆法，其對圍巖的損傷程度較輕，不會破壞預埋的空心包 體應力計，因此可以通過預先在設計位置埋設空心包體應力計1，監測TBM掘進過程中圍巖 的應力變化，其步驟如下a、綜合考慮數值計算的應力結果、地形地貌、巖體強度、斷層的綜合影響，合理確 定空心包體應力計1的埋設位置和測點數量，測點布置在TBM待開挖洞段3，并保證周圍巖 體的完整性，同時應盡可能的靠近應力集中區，以反映卸荷對圍巖的作用，但要保證開挖擾 動區內外各設置至少一個測點，以反映出TBM掘進過程中對原巖應力場的影響，達到判斷 開挖擾動區范圍的目的。b、通過開挖輔助洞2或利用已有洞室向TBM待開挖洞段3鉆安裝孔5并埋設空心 包體應力計1，輔助洞2或已有洞室到TBM待開挖洞段3的垂直距離為2-3倍的TBM洞段洞 徑(即TBM開挖設計洞徑)，距離過遠的話，空心包體應力計1不易安裝而且不能保證安裝 的質量；過近的話，TBM通過時會影響輔助洞2的安全。埋設空心包體應力計1時，須通過 鉆設安裝孔5時產生的巖芯判斷周圍巖體的完整情況，并通過調整安裝孔5的深度確保空 心包體應力計1的埋設能夠避開結構面發育地帶，保證空心包體應力計1的安裝質量。本例中，空心包體應力計1只要通過一個孔的應力測量就能確定一點的三維應力 狀態，是目前最常用的三向巖石應力計。它的測量元件是采用用環氧樹脂制成的空心圓筒， 沿同一圓周等間距(120° )嵌埋著三組電阻應變花，每個應變花由四支相互間隔45°的應4變片組成，一個空心包體應力計1共有12支應變片。安裝時，通過推動安裝桿，將儲膠室中 的環氧樹脂從排膠孔擠出，粘結劑充滿它們之間的空隙，一旦環氧樹脂固化，應變片將牢固 地與圍巖粘結，因此一定要保證空心包體應力計的安裝質量，使其能準確地來反映圍巖變 形。c、對TBM待開挖洞段3進行開挖掘進，同時監測并記錄空心包體應力計1中三組 應變花、共計十二支應變片在TBM通過監測斷面的全程應變變化。一般來說，在監測TBM掘 進的過程中，TBM未達到應變片所在位置前，各應變片所測的應變值一般是很小的，當解除 深度接近應變片所在的監測斷面時，應變值明顯增大，但當TBM通過監測斷面后，應變值逐 漸趨于穩定。d、現場進行圍壓率定試驗，或者將靠近測量段前后的巖芯在實驗室加工成標準試 塊并通過單軸壓縮試驗，確定測量段巖石的彈性模量和泊松比。e、空心包體應力計1共有三組應變花，其中每個應變花由4個應變片組成，總共可 得到12個不同位置和方向的應變值，可列12個方程。這主要是考慮到地應力測量往往在 底下洞室惡劣環境中失效和帶來較大誤差，同時在資料整理中采用數量統計方法，需要更 多組合計算，需求更接近真值的應力。如果是精確測量理論上12個方程至少有六個獨立方 程，其他方程可用這六個獨立方程線性表示。但是任何測量均有誤差，本實施例利用數理 統計的最小二乘法原理，利用Matlab求解以下方程組，便可以得到地應力的六個分量o x、E e k = Akl o X+Ak2 o y+Ak3 O z+A本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種ＴＢＭ掘進時圍巖應力變化測量方法，其特征在于：通過預先埋設空心包體應力計（１）來監測掘進過程中圍巖的應力變化，其步驟如下，ａ、綜合考慮數值計算的應力結果、地形地貌、巖體強度、斷層的影響，確定空心包體應力計（１）的埋設位置和測點數量，保證擾動區內外至少各安裝一個；ｂ、開挖輔助洞（２）或利用已有洞室向ＴＢＭ待開挖洞段（３）鉆安裝孔（５）并埋設空心包體應力計（１），輔助洞（２）或已有洞室到ＴＢＭ待開挖洞段（３）的垂直距離為２－３倍的ＴＢＭ洞段洞徑；ｃ、對ＴＢＭ待開挖洞段（３）進行開挖掘進，同時監測并記錄空心包體應力計（１）在ＴＢＭ通過監測斷面的全程應變變化；ｄ、通過試驗確定測量段巖石的彈性模量、泊松比；ｅ、空心包體應力計（１）三組應變花可得１２個不同位置和方向的應變值，列１２個方程，其通式如下，Ｅε↓［ｋ］＝Ａ↓［ｋ１］σ↓［ｘ］＋Ａ↓［ｋ２］σ↓［ｙ］＋Ａ↓［ｋ３］σ↓［ｚ］＋Ａ↓［ｋ４］τ↓［ｘｙ］＋Ａ↓［ｋ５］τ↓［ｙｚ］＋Ａ↓［ｋ６］τ↓［ｚｘ］利用數理統計的最小二乘法原理，采用Ｍａｔｌａｂ求解方程，利用測得的巖體參數求解出地應力的六個分量σ↓［ｘ］、σ↓［ｙ］、σ↓［ｚ］、τ↓［ｘｙ］、τ↓［ｙｚ］、τ↓［ｘｚ］，式中Ｅ為彈性模量，ε↓［ｋ］為每個應變片所測得的應變值，ｋ＝４（ｉ－１）＋ｊ，ｉ＝１～３，ｊ＝１～４，３個應變花序號用ｉ表示，對應的極角為θ↓［ｉ］，每個應變花由４個應變片組成，序號用ｊ表示，對應的角度為φ↓［ｉｊ］；Ａ↓［ｋ１］～Ａ↓［ｋ６］包含了應變片并非直接粘貼在安裝孔（５）巖壁上的修正系數。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：張春生，陳祥榮，侯靖，褚衛江，吳旭敏，劉寧，
申請(專利權)人：中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，
類型：發明
國別省市：86[中國|杭州]