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原文传递一种深部岩体三维地应力的估算方法

专利名称：	一种深部岩体三维地应力的估算方法
摘要：	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爆破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，依据不同成因分为爆炸荷载损伤区、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。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖北;42
申请人：	武汉大学
发明人：	严鹏;朱瑾;刘博文;卢文波;陈明;王高辉
专利状态：	有效
申请日期：	2019-02-27T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-07T00:00:00+0800
申请号：	CN201910146492.8
公开号：	CN109856243A
代理机构：	武汉科皓知识产权代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：	李明娅
分类号：	G01N29/11(2006.01);G;G01;G01N;G01N29
申请人地址：	430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山武汉大学
主权项：	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：通过声波检测系统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爆破荷载损伤、地应力瞬态卸载损伤和地应力静态卸载损伤，由爆破设计计算隧洞开挖围岩上的等效爆破荷载，计算得到爆破荷载损伤区，再根据爆破荷载损伤、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，爆炸荷载损伤深度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，根据爆破设计确定在开挖断面上的最大等效爆破荷载p，结合在低地应力条件下等效爆破荷载p对特定岩石对爆破的损伤规律，选定合理的损伤阈值，确定爆破开挖时爆炸荷载的损伤范围，在σ1方向上，取隧洞一侧损伤深度分析，确定σ1的大小，根据计算确定爆破荷载的损伤深度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爆破损伤深度的比值α和静态地应力卸载损伤深度与爆破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σV1、σH1和一个剪应力τVH1，σV1为隧洞A当前开挖面竖直地应力，σH1为垂直于隧洞A洞轴方向上的水平地应力，τVH1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σV2、σH2和剪应力τVH2，取σV1和σV2的平均值σV作为测量得到的竖直地应力，假定以σH1和σH2为正应力的平面上剪应力为τH12，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τH12的大小。
所属类别：	发明专利