文摘

是非常重要的准确确定地下工程的开挖损伤区深度挖掘和围岩稳定性评价,它可以通过测量声波测试,但是没有定量的方法分析的结果,这在很大程度上依赖于工程师的经验,从而导致的低可靠性的结果,也限制了应用声学方法。根据大量的现场试验数据和反馈围岩参数的支持,提出了边界方法来确定围岩开挖损伤区深度的基于超声波测量速度之间的关系点和岩体的背景波速。当该方法应用于白鹤滩的柱状节理岩体和习近平的深埋硬岩,开挖损伤区判断准确。白鹤滩工程中的结果表明,该方法确定开挖损伤区由声学试验可以证明柱状节理岩体的各向异性特征,与裂隙岩体的损伤演化特征也可以获得相同的位置准确。此外,该方法还可以准确揭示深埋硬岩的损伤演化过程高地应力条件下,证明了该方法的适用性在连接或nonjointed岩体。

1。介绍

能源利用的强化活动,如采矿、地热开发、和水电站建设,岩体工程的稳定性是一种常见的工程师和研究人员面临的挑战。早在1970年代,外国学者Kelsall提出开挖损伤区(开发区)的重要性,建设地下洞室(1]。学者也研究了开挖损伤区深度之间的关系及其影响因素,如埋深、洞穴的截面形状、开挖和爆破方法,初始应力状态,岩体的力学性能,支持状态的围岩(2- - - - - -6]。开发区的深度和损伤程度的围岩是支持参数设计的基础,可以发挥预警作用工程岩爆等灾害和剥落7,8]。因此,它是非常重要的准确地确定地下工程开挖的深度经济开发区和围岩稳定性评价。

尽管许多学者获得开挖损伤区深度的理论计算公式根据现场试验和室内试验的结果,它有很大的局限性由于复杂工程的影响因素在应用程序(9,10]。现场测量开发区深度不做任何理论假设,和测试结果可以更广泛的接受。一般来说,探地雷达方法(11),地震波,多点位移计12),和微弱的震动声发射(13)是用于检测在围岩破裂带的深度。然而,这些方法是复杂的,昂贵的,难以进行。

一般来说,开挖损伤区由两部分组成。观察到的相互关联的宏观裂缝被称为严重受损的区域,和轻微受损区部分连接到孤立损伤甚至是无形的(14]。施工安全至关重要,确定开挖的深度受损区域周围岩体中隧道。作为一种新的测试方法,钻井测试技术,包括声波测试、数字钻孔《现在广泛应用于现场测试。这样的测试过程中,井眼在当地区域的岩体是用来推断岩体的内部属性的变化通过分析岩体内部的测试指标离自由的脸。例如,通过应用全景数字钻孔《李et al。15]研究了开发区的发展在岩体在习近平II水电站深埋地下的隧道(四川省,中国)隧道施工使用钻孔机(掘进机)。在此基础上,新裂缝的变化特点,主要骨折,岩性在围岩的开挖和支持过程。此外,通过使用测试技术包括声波技术漏洞和滑动测微计,变形条件和岩爆风险,当挖掘习近平II水电站深埋地下的平行的空腔,进行了探讨。此外,岩爆的形成和演化机制进行了讨论(16]。通过应用声学测试技术,马蒂诺和钱德勒17)评价范围的开发区,周围岩石深埋地下的地下空洞。郭et al。18]探索开发区,周围岩石的压裂和进化特征习近平的地下开挖的影响下实验室雇佣印度生物技术部。利用钻孔测试方法,一个新的理解的改变岩体的内部在工程活动中可以获得。学者们做了很多有意义的探索开发区深度测试通过使用声学测试方法,但目前的研究成果不提供一个清晰的判断方法基于声学测试的结果。当声波测试中使用的字段来确定开挖损伤区深度,它几乎依赖于工程师的经验判断,从而导致的低可靠性结果。

为了增加声学领域的测试方法的可操作性,提高开发区的可靠性测试结果,边界的方法,基于大量的实地测量数据和反馈围岩参数的支持,提出了确定开发区,围岩的深度,并验证了该方法的适用性进行比较与数字钻孔《测试结果。

2。的方法确定开发区通过声学测试的深度

2.1。介绍声学测试

声学测试是激发超声波在岩体中传播,和波的传播速度取决于岩体的完整性。完整岩体波速的通常是高,但它减少相对宽松的区域应力下降和裂缝扩展。因此,有一个明显的变化在岩体波速不同的损伤程度。在高度受损区,可见裂缝岩体,可通过钻孔电视测试。在轻微受损区域,虽然没有明显的裂缝,声波波速传播的在这一领域仍与原来的相比显著降低岩体。此外,开挖扰动区存在明显的不确定性,其中一部分成为原岩区随着弹性变形的复苏,而另一部分岩体产生破坏时应力损耗(曲线的波峰由于压力调整),成为挖掘受损区(轻微或严重受损区)。波速的曲线在不同长度的钻井围岩表面可以通过使用超声波的传播特性,然后是开发区的深度可以推断根据围岩变化曲线(V- - - - - -l曲线)和相关的地质资料(图1)。

声学测试的原理是,岩体中发射换能器的信号传输,和两个接收换能器之间的时差是用来估计岩体中超声波的传播速度。目前,常用的声学测试方法是单身钻孔声波测试和跨孔声波测试。单个钻孔声波波速的测试方法是指测量在井眼围岩移动传感器同步和顺序。大多数单一孔声学测试设备是一个双频带声学换能器,它主要由一个发射换能器和两个接收传感器,如图2(一个)。跨孔声波测试方法意味着接收和发射换能器分别安排在两个测量孔,和接收和发射换能器具有相同的初始深度和同步移动相同的间距测量岩层的波速或两个洞之间的围岩,如图2 (b)。

单洞声学测试方法,发射机可以放置接近或远离孔根据测试环境。当围岩的开发区深度测试,建议传感器接近孔可以设置为接收换能器。测量波平均波速的速度是两个接收换能器之间的岩体。当画V- - - - - -l曲线,波速是钻井长度的位置对应于两个传感器的中间位置。完全取决于测量点之间的距离移动距离的检测设备。表1展示了四种典型的V- - - - - -l根据实际工程测试的结果曲线。

类型(a)的初始波速度较低,与井眼长度逐渐增加,然后趋于稳定,这表明孔附近的岩体引起塑料失败。损伤程度随井眼长度的增加,和原始岩石的完整性部分是好的。(b)型的特点是井眼附近的波速相对较低。随着长度的增加,波速在某个位置甚至会超过原来的摇滚节然后下降趋于稳定。在这样的岩体,在钻孔位置断裂严重,局部应力集中。压力是相对平衡的增加钻孔长度和原状原始岩石的波速是稳定的部分。类型(c)的特点,随着钻孔深度的增加,多个波的峰值出现在曲线,这个地区的岩体在应力调整阶段。调整后,岩体破碎,导致波速下降。波速在局部位置,压力还没有消散,仍相对较高,在未扰动岩体面积与长度的增加逐渐趋于稳定。类型(d)的波速曲线基本上与井眼长度的变化并没有改变,这表明岩体开裂后直接脱落,而且没有明显的围岩损伤区域,这可以被认为是测试区域的围岩没有塑料的失败,和这种类型的曲线是实际工程中非常罕见。

2.2。钻井布局和监测频率

最直观的方法来确定原位测试是进行区域的损害predrilled洞隧道开挖前的测试。钻孔应安排在相应的位置开挖损伤可能发生。大量的工程实践和研究表明,大多数的腔故障发生在一个小角或近似平行于最大主应力的方向。大型洞穴深处,发生新的原始裂缝或裂缝的挖掘洞穴,水井的布局也应调整根据挖掘洞穴。

布局的钻孔声波测试需要考虑设备的需求。声换能器的外径小,和测试过程需要确保足够的探针与岩体之间的耦合,所以测试孔的孔径不应太大。测试钻孔直径太小会影响连续测试过程的探测钻孔,进一步影响测试数据的精确采集。一般来说,测试钻孔直径不应小于60毫米。钻孔应保持在1∼5°下行倾向的范围为手动操作,和钻孔轴应垂直于侧壁部分的测试。另一方面,使用跨孔声波测试方法时,两个洞应该具有良好的并行性。测试孔间距应根据仪器的分辨率决定和激发能确保超声波信号可以好评,和测量孔斜孔距校正前应该进行测试。

各种各样的辅助小隧道(锚固洞和排水通道等)往往分布在大洞穴。因此,测试孔的布局可以选择预置孔或临时的洞。预置孔意味着辅助隧道可用于设置观察洞开挖前的测试区域(图3①),整个开挖前后围岩损伤演化过程可以观察到。临时的洞是指钻井挖掘面积(图3②)。这样,开挖后围岩的损伤演化过程和卸载可以进行测试。

开发区测试的主要目的是监视围岩开挖造成的损害的程度。当围岩损伤和应力卸载可能会发生在观察孔,连续观察应该直到变化过程停止。一般来说,相对严重的发展阶段围岩破裂发生在围岩应力的重新分配;即连续开挖和卸载活动将导致严重的围岩损伤的演化。因此,测试孔附近的建筑活动发生时,应密切观察。大量的现场试验结果表明,深埋硬岩的损伤区域分布在1次发掘室直径的范围,所以声波测试期间应不断观察双腔直径的建设。例如,习近平地下实验室的室直径14米,并使用钻孔和爆破方法挖掘3 m,连续观察需要施工开挖活动范围内的5倍预置孔,如图3(一个)。

2.3。确定经济开发区的深度的方法

根据大量的现场试验数据,结合支持建设的结果,提出了边界方法确定开发区,围岩的深度。这是一个方法来判断围岩的临界点开发区深度变化曲线的基础上岩石波速与钻井长度(V- - - - - -l曲线),根据波速之间的关系测量岩体的背景波速。具体而言,有必要先确定岩体的背景波速。单一岩性岩体的背景波速的平均值应该稳定孔波速远离,而对于复合岩性岩体,它应该的平均价值稳定的岩体波速相同岩性地区开挖损伤区(图3)。如果不能由背景波速V- - - - - -l曲线,应该使用未扰动岩体的平均价值相反,水文地质调查报告中可以发现开挖前的洞穴。然后一个平行X轴背景波速代表行,参考线来确定损伤的程度,是画在V-P曲线根据波速远离开挖影响的区域。最后,当连续三分(分的波速一个,b,c在图4)附近的孔小于背景波速和这些点表现出上升趋势,开发区深度测量边界是最接近点以上背景波速代表线(点d在图4)。

值得注意的是,当经济开发区深度围岩由双接收机测试设备,如果发射传感器被放置在孔附近,岩体的声波在全长范围内的设备不能准确地测试。这是因为发布的声信号的能量耗散孔附近的发射机是更快,孔的岩体破碎,岩体声波信号进入更弱。如果围岩的损伤区很小,移动距离的测试设备应该小,一般不超过10厘米。如果三分低于内在波速无法找到利用边界方法,测试孔附近的所有点的位置最接近的代表行背景波速可以确定损伤深度边界(图5)。

3所示。应用工程实例

3.1。在白鹤滩工程项目中的应用

3.1.1。介绍的工程

白鹤滩水电站位于边境Ningnan县四川省和云南省巧家县金沙江下游的在中国。根据地层岩性的暴露在开挖期间,峨眉山玄武岩的形成在二叠纪系统(P2β)主要是发现在坝址,发达的柱状节理玄武岩出现在P2β32和P2β33层。特殊结构的柱状节理岩体节理裂隙的主要表现为异常发展,不仅在柱间的关节构成柱状体出现,而且intracolumnar垂直盲目联合飞机和intracolumnar水平和斜接头飞机被发现。统计结果与近300柱状联合飞机在海拔630∼660米左岸坝基的关节显示比例的柱状三角形,四边形的,五角,和六角形的部分大约是11.76%,29.41%,32.35%,和26.47%,分别。这些多边形的边的平均长度是13.6厘米的总数多边形的边长10∼20厘米的范围内占80%以上。柱状节理玄武岩是集中开发和柱状关节减少数量的低倾斜结构的飞机和位错区。因此,除了一些地区受构造影响,轴的柱状节理玄武岩的倾向都是60°、85°之间。

在实验的洞里,有三种类型的钻孔直径相同的侧墙,这是45°上倾,45°水平,45°下行如图6。

3.1.2。裂隙岩体的开挖损伤区不同的钻孔

在柱状节理岩体的洞里,其高度受损区域岩体钻孔测量的不同角度左边墙几乎是相同的,而挖掘受损区域由声波测试不同(图7),他们的进化规则也不同,这主要是由于不同相对位置的主裂隙表面和钻孔。大井眼之间的交叉角和关节表面,大的振幅声波传播路径的变化,关节在钻孔的数量越多,单位长度,越声波在传播过程中能量损失。列的裂隙扩展或突破后孔的形成,所以,当水井从不同角度交叉柱状节理岩体,钻墙裂缝的数量单位长度是显然不同的。这是一个重要的原因,原始岩体波速的彼此有很大的不同从不同的角度通过钻井测试。

E4指的是水井的左拱肩在白鹤滩水电站左岸导流洞。民的进化和开发区,钻孔E4在不同开挖阶段实时监控。从钻孔根据初步数据,有六个主要贯穿裂缝井眼和一块删除事件,与民共体的长度和开发区1.9米和2.4米。工作面过后4 m从测量角度,新裂缝出现在距离0.7米和2.0米和一块沿钻孔下降为0.9 m。此外,骨折1.9扩展从25.1毫米到86.6毫米宽。当工作面从测量钻孔9米,新的骨折出现在0.6米和1.6米,钻孔内的下降在1.1块。此外,骨折1.9进一步扩展从86.6毫米到131.2毫米宽。骨折在2.0与其他骨折和断裂带的长度增加到2.1米,和开挖损伤区长度增加到2.8米(图8)。

3.2。应用程序在习近平地下实验室

3.2.1之上。介绍的工程

习近平地下实验室(CJPL-II)位于四川盆地和青藏高原之间的地貌斜坡。位于金平山雅砻江下游的母粒的结,Yanyuan和原来县、四川,习近平的悬崖山陡然站,和脊形状的主要是锋利的边缘,和脊两侧的主脊形状的梳理,和最大相对高度差超过3000 m(图9)。

习近平地下实验室第二阶段(CJPL-II)地下岩石力学实验室2375属于超深埋地下实验室。根据第二阶段的功能设计要求习近平的地下实验室,结合地质条件,现有洞穴安排和施工条件下,四个交错的地下实验室由交通洞,每个洞长130米,65米的两个测试孔长度,形成一个整体的模式与9室4孔,如图10。测试孔的轴线方向平行于习近平的辅助导向孔和轴方位是N58°W和开挖过程对1 #∼8 #测试孔,门的形状与部分14×14米,可分为三个步骤,包括中上漂移开挖(一步),上层开挖(步骤二)扩张,和底部挖掘(步骤3)。而9 #测试孔是一个5米与全断面开挖循环室,主要支持方法螺栓和喷射混凝土。测试石窟的岩性# 2,# 3,# 4工程地区的显著改变。

3.2.2。裂隙岩体的开挖损伤区不同的钻孔

C-04开挖前是一个预设钻孔石窟(图6 #测试11)。岩性是灰色大理石。钻孔如图10。2015年4月1日,C-04洞的声波速度和初始钻孔之前测量相机数据挖掘。灰色的大理石的原始岩石波速测量5800 km / s,除了它在该地区略有下降,最初的断裂,和岩体波速的整个部分是稳定的。6 #测试的挖掘洞穴始于2015年5月,和受损区域逐渐出现在开挖阶段进化而来。2015年8月25日,当上扩张开挖是8米的距离测量孔,钻孔相机和声学测试在4米的围岩进行了原位。井下摄影的结果表明,添加了一些新的裂缝洞,和原来的裂缝在本地打开,形成一个2.1米高度受损区域。根据本文提出的“边界法”的深度开挖损伤区通过声波测试(图3.1米12)。

C-02之前预设钻孔2 #测试洞的开挖。岩性是black-streaked细粒度的大理石。钻探图所示11。2015年4月1日,C-02的声波速度和初始钻孔之前测量相机数据挖掘。原始岩石波速是6000 km / s,这表明,与灰色大理石在C-04相比,black-streaked细粒度的大理石在C-02更高的强度和更好的岩石的完整性。2015年9月18日,当开挖底部4米的距离测量钻孔,钻孔相机和声学测试在4米的围岩进行了原位。井下摄影的结果表明,添加了一些新的裂缝洞,和原来的裂缝在本地打开,形成一个1.1米高度受损区域。根据本文提出的“边界法”的深度开挖损伤区通过声波测试约为1.6米,如图13。

4所示。讨论

由于其操作简单,测试精度高,声学测试优于其他测试方法,所以它占据主流位置电流测试方法确定开发区,围岩的深度。

然而,在实际工程中,围岩的声波速度不仅受围岩的破坏,而且还通过断层岩性和结构的不均匀性,等等,所以它会更复杂,这就增加了困难在确定岩体的开发区深度在一定程度上。此外,岩体的变形和断裂的结果通常是渐进损伤退化和持续积累过程从最初的microdefects最终骨折失败,这也是内部的不断扩张和渗透的结果microdefects。有时该方法并不适用于纬向断裂岩体(图14)。在裂隙区域较大的岩体,开发区深度的确定需要结合测试的目的。例如,如果它是用于围岩支护;岩体的性质和分区的长度应考虑。

5。结论

准确确定开挖损伤区深度直接影响围岩开挖后支护参数的合理选择。先前的研究的基础上,常用声学测试方法中演示了这项工作,并确定开挖损伤区通过声学测试的方法。主要结论如下。(1)裂隙岩体的各向异性的主要因素是影响声波的传播规律。开挖的深度受损区通过声波代表岩体的损伤程度受开挖影响在这个方向。岩体的损伤演化在同一位置开挖后获得的声学测试符合井下电视的断裂演化,但声波测试结果能更好地反映面积开挖的影响。(2)对于深埋硬岩,岩体的损伤演化特征明显与岩性有关。虽然背景不同硬岩石的波速变化显著,开挖的深度受损区通过声波测试也可以反映出不同的进化过程。(3)该方法是基于岩石损伤演化的基本法律和声波在岩石媒体的传播特性不同的州。声波测试方法简单,操作方便,测试结果和分析方法是高度可操作的和可靠的预设和新安排钻孔。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号51909136),重点实验室开放研究基金的地质力学和岩土工程国家重点实验室(批准号Z018012),重点实验室开放研究基金的三峡库区的地质灾害(中国三峡大学),教育部(批准号2020 kdz03)。作者欣然承认支持湖北省的年轻人才发展计划。作者欣赏的增值通过讨论与Zhibin姚明和Shaojun李教授。