柱狀節(jié)理巖體洞室工程圍巖松弛深度的原位測試方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種柱狀節(jié)理巖體洞室工程圍巖松弛深度的原位測試方法。該方法包括在柱狀節(jié)理巖體內(nèi)開挖洞室的周圍平行和垂直于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線的測試鉆孔的設(shè)計與布置，測試項目的選擇、松弛深度的確定和綜合測試方法。洞室開挖后，在監(jiān)測斷面的關(guān)鍵部位布設(shè)測試鉆孔，采用單孔與跨孔聲波、數(shù)字鉆孔攝像綜合的原位測試手段，獲得開挖洞室監(jiān)測斷面的圍巖彈性波和節(jié)理裂隙特征，根據(jù)卸荷松弛區(qū)聲波波速降低和對應(yīng)的巖體裂隙情況綜合判定圍巖松弛深度。本發(fā)明技術(shù)方案簡潔，測試手段可靠，確保柱狀節(jié)理巖體卸荷松弛信息的綜合采集和對比分析，準確確定圍巖的松弛深度，可廣泛應(yīng)用于水利水電、交通、地下試驗場等柱狀節(jié)理巖體開挖與支護工程。
【專利說明】柱狀節(jié)理巖體洞室工程圍巖松弛深度的原位測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種柱狀節(jié)理洞室工程圍巖松弛深度的原位測試方法，該方法可廣泛應(yīng)用于水利水電、交通、地下試驗場等賦存柱狀節(jié)理巖體的開挖與支護工程。
【背景技術(shù)】
[0002]柱狀節(jié)理是常見于火山熔巖中的一種呈規(guī)則柱狀形態(tài)的原生張性破裂構(gòu)造，柱體基本垂直于熔巖層的延伸方向，其內(nèi)部節(jié)理裂隙異常發(fā)育，這種節(jié)理即包括柱體和柱體之間的節(jié)理，又包括單個柱體內(nèi)部隨機發(fā)育的隱性節(jié)理，柱狀節(jié)理巖體常呈現(xiàn)鑲嵌結(jié)構(gòu)。柱狀節(jié)理巖體在開挖卸荷作用下極易出現(xiàn)松弛和開裂，自穩(wěn)時間較短且穩(wěn)定性差，并具有強的時效松弛特性，而柱體結(jié)構(gòu)也使得該類巖體在平行和垂直于柱體軸向的力學特性具有顯著的差異。
[0003]在柱狀節(jié)理巖體中開挖洞室改變了巖體的邊界條件，巖體原始的相對平衡狀態(tài)發(fā)生了改變，同時也使得巖體的天然應(yīng)力場發(fā)生變化，洞室圍巖的應(yīng)力場將重新分布。當重新分布后的應(yīng)力大于圍巖強度時，圍巖即產(chǎn)生塑性破壞，這一破壞發(fā)展到一定深度后會取得新應(yīng)力平衡，在洞室周圍形成一定范圍的松弛，此范圍即是巖體的松弛區(qū)。
[0004]國內(nèi)外對于柱狀節(jié)理松弛深度的分析，其基本出發(fā)點是洞室開挖后，由于圍巖受到卸荷松弛的影響，導致巖體開裂、變形，從而會導致彈性波波速降低、滲透性和位移增大。在巖石工程原位測試中，巖體彈性波的特性通常通過聲波測試獲得。對于松弛深度測試，當前國內(nèi)外普遍接受和應(yīng)用最廣的是巖體聲波縱波測試，分析時根據(jù)巖體縱波波速值隨孔深的變化確定松弛深度，即圍巖波速明顯連續(xù)降低的臨界點對應(yīng)的鉆孔深度劃定為圍巖松弛深度。
[0005]然而，在實際工程中，圍巖的聲波波速除受到圍巖松弛影響外，還受到巖性、不均一性及構(gòu)造的影響。由于受柱狀節(jié)理的特殊構(gòu)造和顯著各向異性影響，傳統(tǒng)的原位聲波測試方法在確定該類圍巖的松弛深度方面存在明顯不足。首先，柱狀節(jié)理巖體原巖內(nèi)部節(jié)理裂隙極度發(fā)育，而且被自然形成的層間和層內(nèi)錯動帶切割，這種巖體內(nèi)部的天然缺陷使得聲波波速降低，這種條件下的聲波測試難以分辨巖體中的原生節(jié)理和開挖卸荷后產(chǎn)生的新裂隙，從而很大程度影響圍巖松弛深度準確判定；其次，現(xiàn)有原位聲波測試都是通過在圍巖內(nèi)鉆設(shè)的鉆孔進行測試，而呈鑲嵌結(jié)構(gòu)的巖體鉆孔后在孔壁產(chǎn)生表面的卸荷損傷，并出現(xiàn)局部掉快，使得孔壁巖體呈現(xiàn)出明顯的碎裂形態(tài)，這種孔壁碎裂的巖體結(jié)構(gòu)既可發(fā)生在卸荷松弛區(qū)，又可僅出現(xiàn)在孔壁表面，從而使得聲波波速難以真實反映巖體的完整性，因此無法準確確定實際的圍巖松弛深度；再次，由于受柱狀節(jié)理巖體各向異性特性的影響，平行和垂直柱體軸線的聲波波速具有顯著差異，現(xiàn)有方法依據(jù)單個波速指標評價整個巖體工程的松弛界限和松弛深度，已不適用于具有柱狀節(jié)理結(jié)構(gòu)的巖體松弛深度的合理判定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于針對柱狀節(jié)理巖體地下工程開挖引起的洞室圍巖卸荷松弛問題，考慮柱狀節(jié)理巖體特殊的節(jié)理裂隙密集發(fā)育、鑲嵌結(jié)構(gòu)和各向異性特點，提供一種適用于柱狀節(jié)理洞室工程圍巖松弛深度的原位測試方法，從而為柱狀節(jié)理巖體洞室的開挖和支護設(shè)計提供科學依據(jù)。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，其技術(shù)解決方案為:
柱狀節(jié)理巖體洞室工程圍巖松弛深度的原位測試方法，包括測試孔的布置，單孔聲波儀、跨孔聲波儀和數(shù)字鉆孔攝像儀的采用，開挖洞室開挖在柱狀節(jié)理巖體中，測試孔的布置采用在開挖洞室的右側(cè)邊墻洞室高度1/2處垂直于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線開出第一測試孔、第二測試孔，第一測試孔與第二測試孔沿開挖洞室軸線方向相互平行，兩孔間距為
1.(Tl.5m，在開挖洞室的底板中心處平行于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線向下開出第三測試孔、第四測試孔，在開挖洞室的左側(cè)邊墻洞室高度1/2處垂直于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線開出第五測試孔，第三測試孔與第四測試孔沿開挖洞室軸線方向相互平行，兩孔間距為1.(Tl.5m,在開挖洞室的左拱肩垂直于拱切線向上開出第六測試孔，在開挖洞室的拱頂中心處平行于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線向上開出第七測試孔，在開挖洞室的右拱肩斜向上開出第八測試孔；在所述的第一測試孔、第三測試孔、第五測試孔、第六測試孔、第七測試孔、第八測試孔內(nèi)首先置放單發(fā)雙收的單孔聲波探頭，對柱狀節(jié)理巖體進行單孔聲波測試，測試完成后取出單孔聲波探頭，再置放數(shù)字鉆孔攝像探頭，對柱狀節(jié)理巖體中的各測試孔孔壁進行圖像采集，測試完成后取出數(shù)字鉆孔攝像探頭，再對第一測試孔、第二測試孔、第三測試孔、第四測試孔內(nèi)置放單發(fā)單收跨孔聲波探頭，進行柱狀節(jié)理巖體的跨孔聲波測試。
[0008]所有測試孔均采用地質(zhì)取芯金剛石鉆頭鉆設(shè)，確?？妆诠饣@孔孔徑為75mm，孔深為9.0mo
[0009]由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明柱狀節(jié)理巖體洞室工程圍巖松弛深度的原位測試方法的積極效果和優(yōu)點在于:(1)通過平行和垂直于柱體軸線的鉆孔布置方式，考慮了柱狀節(jié)理巖體顯著的各向異性力學特性差異，合理給出了柱狀節(jié)理巖體中不同鉆孔方向條件下不同松弛界限的劃分方法；(2)采用了組合式的原位測試手段，通過測試孔的合理設(shè)計與布置，同時獲得開挖洞室監(jiān)測斷面圍巖的單孔和跨孔彈性波、裂隙特征，采集了松弛深度綜合判定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；(3)在監(jiān)測斷面上開展多個項目的綜合測試，實現(xiàn)巖體聲波波速和鉆孔攝像的測試結(jié)果互相驗證和對比分析，提高了松弛深度原位測試的可靠性；(4)該方法解決了以往測試僅根據(jù)聲波波速變化、不考慮巖體各項異性而導致難以合理確定柱狀節(jié)理圍巖松弛深度的缺陷?？梢?，本發(fā)明技術(shù)方案簡潔，測試手段可靠，確保柱狀節(jié)理巖體卸荷松弛彈性波和裂隙信息的綜合采集和對比分析，可準確確定圍巖的松弛深度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的測試方案布置示意圖。
[0011]圖2是圖1的A-A視圖。
[0012]圖3是實施例測試獲得的單孔縱波波速隨孔深的變化關(guān)系曲線。
[0013]圖4是實施例測試獲得的跨孔縱波波速隨孔深的變化關(guān)系曲線。
[0014]圖5是實施例測試獲得的孔壁巖體平面展開和虛擬巖心圖。
[0015]圖6是實施例測試獲得的典型監(jiān)測斷面松弛區(qū)分布圖?！揪唧w實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明柱狀節(jié)理巖體洞室工程圍巖松弛深度的原位測試方法作進一步詳細的描述。
[0017]見附圖，本發(fā)明的原位測試方法包括在開挖洞室I周圍測試鉆孔的設(shè)計與布置，以及測試項目的選擇、松弛深度的判定和巖體卸荷松弛的綜合測試方法。開挖洞室I開挖在柱狀節(jié)理巖體中，在開挖洞室I監(jiān)測斷面的右側(cè)邊墻、底板、左側(cè)邊墻、左側(cè)拱肩、頂拱和右側(cè)邊墻六個部位，分別布置平行和垂直與柱狀節(jié)理巖體柱體軸線2的測試鉆孔，通過對測試孔單孔和跨孔聲波測試、數(shù)字鉆孔攝像測試項目綜合確定柱狀節(jié)理巖體的松弛深度。
[0018]具體鉆孔布置方案如下:
測試孔的布置采用在開挖洞室I的右側(cè)邊墻洞室高度1/2處垂直于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線2開出第一測試孔3、第二測試孔4，第一測試孔3與第二測試孔4沿開挖洞室I軸線方向相互平行，兩孔間距為1.(Tl.5m ;在開挖洞室I的底板中心處平行于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線2向下開出第三測試孔5、第四測試孔6，在開挖洞室I的左側(cè)邊墻洞室高度1/2處垂直于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線2開出第五測試孔7，第三測試孔5與第四測試孔7沿開挖洞室I軸線方向相互平行，兩孔間距為1.(Tl.5m ;在開挖洞室I的左拱肩垂直于拱切線向上開出第六測試孔8，在開挖洞室I的拱頂中心處平行于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線2向上開出第七測試孔9，在開挖洞室I的右拱肩斜向上開出第八測試孔10 ;所有測試孔均采用地質(zhì)取芯金剛石鉆頭鉆設(shè)，確保孔壁光滑，鉆孔孔徑為75mm，孔深為9.0m。
[0019]具體測試方案為:
(I)單孔聲波測試:在第一測試孔3、第三測試孔5、第五測試孔7、第六測試孔8、第七測試孔9、第八測試孔10內(nèi)首先置放單發(fā)雙收的單孔聲波探頭，將單孔聲波探頭推送至孔底，自孔底至孔口測試每20cm巖體的聲波，測試完成后取出單孔聲波探頭，獲得巖體縱波波速與鉆孔深度的變化關(guān)系。
[0020](2)鉆孔攝像測試:利用數(shù)字鉆孔攝像儀，第一測試孔3、第三測試孔5、第五測試孔7、第六測試孔8、第七測試孔9、第八測試孔10內(nèi)置放數(shù)字鉆孔攝像探頭，自孔口至孔底緩慢均勻推進，獲取各鉆孔全長孔壁360°圖像，探頭的推進速度小于2.0m/min，在重點關(guān)注的部位(節(jié)理裂隙密集區(qū))，宜降低推進速度至1.0m/min甚至更小，測試完成后取出數(shù)字鉆孔攝像探頭，最后將孔壁圖像數(shù)字化處理后獲得巖體節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀、寬度，給出鉆孔全長巖體完整性概化圖。
[0021](3)跨孔聲波測試:利用單發(fā)單收的跨孔聲波儀，對第一測試孔3與第二測試孔4、第三測試孔5與第四測試孔6內(nèi)置放單發(fā)單收跨孔聲波探頭，分別進行柱狀節(jié)理巖體的跨孔聲波測試，將兩個跨孔聲波探頭同時推送至各自孔底相同位置，然后同時向孔口方向提拉20cm的測試距離，測試跨孔間距1.(Tl5m范圍的巖體聲波，獲得巖體縱波波速與鉆孔深度的變化關(guān)系。
[0022](4)松弛界限劃分和臨界波速判定:綜合分析現(xiàn)場單孔、跨孔聲波測試和鉆孔攝像測試結(jié)果，給出鉆孔壁面巖體的完整性和節(jié)理裂隙發(fā)育狀況，對比驗證鉆孔全長單孔、跨孔聲波波速變化特征和相應(yīng)位置的節(jié)理裂隙情況。分別考慮平行和垂直柱狀節(jié)理巖體柱體軸線兩種情況，劃分其各自的松弛界限，將圍巖松弛界限劃分在有新生裂隙或原生節(jié)理張開區(qū)域、且?guī)r體縱波波速連續(xù)降低的拐點位置，此時的聲波波速即為臨界波速。此外，需要考慮鉆孔與柱狀節(jié)理斜交時的情況，若鉆孔軸線與柱體軸線夾角為O。^45°，臨界波速按垂直于柱體軸線的情況確定，若其夾角為45°、0°，則臨界波速按平行于柱體軸線的情況確定。
[0023](5)松弛深度確定:由圍巖松弛界限確定的聲波波速拐點對應(yīng)的鉆孔深度即為圍巖松弛深度。由于柱狀節(jié)理的特殊結(jié)構(gòu)和各向異性，單孔和跨孔聲波測試確定的松弛深度不可避免存在一定的差異，若二者的相對誤差小于10%，則以單孔波速劃定松弛界限，反之，當二者的相對誤差大于10%時，考慮到跨孔聲波獲得的為兩個測試孔間距范圍(1.(Tl.5m)內(nèi)等效巖體的彈性波波速，而單孔聲波僅反映距離鉆孔壁入/4~入/2(入為聲波縱波波長)的巖體范圍，對于柱狀節(jié)理玄武巖僅為flOcm，遠小于跨孔聲波的情形。因此，應(yīng)以跨孔聲波測試結(jié)果為準校驗單孔聲波測試方法，并及時調(diào)整單孔聲波檢測換能器的頻率、采樣間隔和增益。
[0024]下面結(jié)合實例對本發(fā)明測試方法做進一步說明。
具體實施例
[0025]本實例對某水電站的導流洞上層開挖支護過程進行了圍巖松弛深度原位測試，該水電站的五條導流洞分別穿過長約450m左右柱狀節(jié)理玄武巖區(qū)域，柱間和柱內(nèi)節(jié)理極度發(fā)育，柱狀節(jié)理巖體柱體軸線與隧洞邊墻夾角為80°，柱狀節(jié)理區(qū)導流洞均為城門型隧洞，截面長19.7m，隧洞已開挖層高9.0m，具體步驟和方法如下:
(I)在柱狀節(jié)理巖體中的開挖洞室I的監(jiān)測斷面上關(guān)鍵部位布置八個測試鉆孔，如圖1和圖2所示，其中測試孔3、測試孔4、測試孔7垂直于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線，測試孔3、測試孔4沿洞室軸線方向互相平行，間距為1.0m,孔口距離洞室底板高度為4.5m，測試孔7的孔口距離洞室底板高度也為4.5m ;測試孔5、測試孔6、測試孔9垂直于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線，測試孔5、測試孔6沿洞室軸線方向互相平行，間距為1.0m，位于洞室軸線中心處；測試孔8、測試孔10垂直于拱肩切線方向，根據(jù)柱狀節(jié)理巖體柱體軸線與隧洞邊墻夾角的關(guān)系,此時鉆孔軸線與柱狀節(jié)理巖體柱體軸線夾角分別為35°、55°。鉆孔孔深均為9.0m，由金剛石鉆頭取芯鉆設(shè)，孔徑為75mm。
[0026](2)采用單孔聲波測試法，分別對測試孔3、測試孔5、測試孔7、測試孔8、測試孔9、測試孔10進行測試，繪制鉆孔波速與孔深的關(guān)系曲線。
[0027](3)分別對測試孔3、測試孔5、測試孔7、測試孔8、測試孔9、測試孔10進行數(shù)字鉆孔攝像測試，將孔壁圖像數(shù)字化處理后獲得巖體節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀、寬度，并進一步繪制鉆孔全長巖體完整性概化圖。
[0028](4)采用跨孔聲波測試法，分別對垂直于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線2的測試孔3和測試孔4、平行于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線2的測試孔5和測試孔6進行跨孔聲波測試，繪制鉆孔波速與孔深的關(guān)系曲線。
[0029](5)對原位測試結(jié)果做進一步綜合分析處理，以右邊墻垂直于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線2的測試孔3、4的測試結(jié)果為例，圖3所示為測試孔3的單孔縱波波速隨孔深的變化關(guān)系，圖4是測試孔3和測試孔4的跨孔縱波波速隨孔深的變化關(guān)系，圖5是通過數(shù)字攝像儀獲得的測試孔3的孔壁巖體虛擬巖心和平面展開圖，直觀顯示了裂隙產(chǎn)狀和寬度。
[0030](6)確定圍巖的松弛界限和深度，如圖3所示，對于垂直于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線2的情形，波速連續(xù)下降的拐點位置鉆孔深2.3m，而如圖4所示跨孔聲波波速變化曲線可以看出，其波速連續(xù)下降的拐點位置鉆孔深2.4m，二者確定的松弛深度絕對誤差為0.lm，相對誤差為4.1%，小于10%，因此以單孔波速變化曲線劃定松弛界限，對應(yīng)的單孔縱波波速為4000m/s。在通過鉆孔攝像分析，在(T2.5m范圍內(nèi)，裂隙極度發(fā)育，有明顯的卸荷開裂特征，因此，綜合比較后可以認為松弛界限劃定在2.3m處是合理的。最終確定測試孔3的松弛深度為2.3m，測試孔7的松弛深度為2.2m，測試孔10的松弛深度為2.4m。
[0031](7)通過與(6)同樣的方法，考察平行于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線2的測試孔的松弛界限和深度，通過對測試孔5、測試孔6的鉆孔波速和數(shù)字攝像分析，劃定平行于柱體軸線的松弛界限臨界波速為3800m/s，并確定測試孔5的松弛深度為1.7m，測試孔8的松弛深度為2.6m,測試孔9的松弛深度為2.3m。
[0032](8)依據(jù)上述分析結(jié)果，連接該監(jiān)測斷面上所有鉆孔的松弛深度，形成洞室圍巖整個監(jiān)測斷面的松弛區(qū)11，如圖6所示。
【權(quán)利要求】
1.柱狀節(jié)理巖體洞室工程圍巖松弛深度的原位測試方法，包括測試孔的布置，單孔聲波儀、跨孔聲波儀和數(shù)字鉆孔攝像儀的采用，其特征在于:開挖洞室(I)開挖在柱狀節(jié)理巖體中，所述測試孔的布置采用在開挖洞室(I)的右側(cè)邊墻洞室高度1/2處垂直于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線(2)開出第一測試孔(3)、第二測試孔(4)，第一測試孔(3)與第二測試孔(4)沿開挖洞室(I)軸線方向相互平行，兩孔間距為1.(Tl.5m,在開挖洞室(I)的底板中心處平行于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線(2)向下開出第三測試孔(5)、第四測試孔(6)，在開挖洞室(I)的左側(cè)邊墻洞室高度1/2處垂直于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線(2)開出第五測試孔(7)，第三測試孔(5)與第四測試孔(6)沿開挖洞室(I)軸線方向相互平行，兩孔間距為1.(Tl.5m，在開挖洞室(I)的左拱肩垂直于拱切線向上開出第六測試孔(8)，在開挖洞室(I)的拱頂中心處平行于柱狀節(jié)理巖體柱體軸線(2)向上開出第七測試孔(9)，在開挖洞室(I)的右拱肩斜向上開出第八測試孔(10)； 在所述的第一測試孔(3)、第三測試孔(5)、第五測試孔(7)、第六測試孔(8)、第七測試孔(9)、第八測試孔(10)內(nèi)首先置放單發(fā)雙收的單孔聲波探頭，對柱狀節(jié)理巖體進行單孔聲波測試，測試完成后取出單孔聲波探頭，再置放數(shù)字鉆孔攝像探頭，對柱狀節(jié)理巖體中的各測試孔孔壁進行圖像采集，測試完成后取出數(shù)字鉆孔攝像探頭，再對第一測試孔(3)、第二測試孔(4)、第三測試孔(5)、第四測試孔(6)內(nèi)置放單發(fā)單收跨孔聲波探頭，進行柱狀節(jié)理巖體的跨孔聲波測試。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱狀節(jié)理巖體洞室工程圍巖松弛深度的原位測試方法，其特征在于:所有測試孔均采用地質(zhì)取芯金剛石鉆頭鉆設(shè)，鉆孔孔徑為75mm，孔深為9.0m。
【文檔編號】G01S11/14GK103487797SQ201310454045
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】李邵軍, 江權(quán), 馮夏庭, 樊義林, 朱祥東, 胡連興 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所