一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法技术

技术编号:12228534 阅读:174 留言:0更新日期:2015-10-22 04:31
本发明专利技术公开了一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法,包括:选择围岩监测断面,并布置断面监测点;分别安装围岩变形监测设备和应力监测设备;根据围岩不同稳定阶段的稳定性状况,运用围岩变形监测设备和应力监测设备,对不同开挖阶段的相应监测点的应力与位移进行监测;确定围岩开挖位移动力増载率ηi,以围岩开挖位移动力增载率作为围岩开挖稳定性评价参数,对围岩稳定性进行评价与预警。本发明专利技术有益效果:将地下洞室开挖围岩监测区应力变化参数及其相应的位移响应参数进行了有机耦合,该参数能够反映围岩稳定性随开挖施工的动态变化规律,可对未来开挖围岩变形发展规律与稳定性演化趋势进行分析与预测。

【技术实现步骤摘要】
一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法
本专利技术涉及地下工程开挖围岩稳定性评价与监测预警领域,具体涉及提出一种运用地下工程围岩应力与位移的耦合监测对围岩稳定性进行评价与预警方法。
技术介绍
地下工程是指伴随人类工程和生产活动而在地层中形成的地下空间工程,它主要包括地下采矿所形成的地下洞室、城市地下空间、水电地下洞室以及隧道等。随着经济的发展和社会的进步,特别随着地下空间的充分开发与利用,地下工程跨度与断面也越来越大,在地下工程施工中经常会出现围岩失稳与坍塌灾害,造成工期延误和巨大的生命财产损失。近些年来,围岩坍塌屡见不鲜。由于地下工程岩体结构的复杂性和多样性,使得人们对围岩稳定的认识遇到了很大障碍。因此,研究和确定适合大跨度地下工程围岩稳定性的监测与评价方法已经成为地下工程建设领域一个迫切需要研究的课题,也是地下工程减灾防灾所面临的首要任务。目前已有的围岩稳定性分析方法较多,可以归纳为以下几种:解析法、数值分析法、工程地质类比法、模型试验方法等。解析法在进行围岩稳定性分析时,经常采用复变函数法进行围岩应力与变形计算,并能得出弹性解析解,由于围岩岩体的岩性、遭受的构造变动及次生变化的不均一性,导致了岩体结构的复杂性,且不同结构类型的岩体,其岩石类型、结构体和结构面的特征不同,岩体的工程地质性质与变形破坏机理也都不同。因此复杂结构围岩应力与位移变化的关系比较复杂,此时常常无法满足解析法的围岩稳定性分析与评价基本条件;数值分析方法可以分为很多种具体方法,如有限元法,DDA法,关键块体理论法、边界元法等。该类方法在某种程度上克服了解析法的不足与局限,并在地下洞室稳定性评价中具有较多的应用,取得了较好的效果,然而常规的有限元法由于方法本身的要求使得在解决非连续介质时不是很理想,而且该方法计算相对比较复杂,对围岩边界条件、本构关系要求比较严格,并受地质模型、简化的力学模型和力学参数的影响,“高精度”计算结果难做出“高准确”的评价;工程地质类比法是大型地下洞室群围岩稳定性一种定性和半定量评价方法,尤其在勘测资料较少的可行性研究阶段,更能发挥其作用。然而,用地质类比法分析围岩稳定性方法中包含参数较多,围岩岩性与结构的复杂性导致有些参数难以准确测定,给该种方法的评价造成一定的困难,且该方法由于缺少定量的分析,只能根据定性的理论和经验对围岩稳定性做出评价,评价结果太过经验化,尤其在一些重大地下工程或首次涉及到复杂地质条件的地下工程时,没有成功的案例借鉴,则无法运用该方法对围岩稳定性进行评价;模型试验方法模拟的是真实的物理实体,在基本满足相似原理条件下,能直观反映围岩支护体系各方面的变化和影响,然而物理模型试验具有周期长,成本高的特点,当需要多种开挖方案对比研究时,该方法因工作量大而难以实施。因此,为了克服上述围岩稳定性评价方法存在的不足和局限性,本专利技术针对围岩破坏机理与位移动力作用规律,提出和建立了一种基于围岩应力和位移耦合监测数据对围岩进行稳定性评价及监测预警的方法。该方法可以在某种程度上克服上述传统围岩稳定性评价方法存在的不足和局限,在围岩稳定性评价与监测预警领域具有重要的应用价值。
技术实现思路
本专利技术目的是为了克服现有传统围岩稳定性力学分析与评价方法的不足与缺陷,提出了一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法。为了实现上述目的,本专利技术采用如下技术方案:一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法,包括以下步骤:第一步:选择围岩监测断面,并布置断面监测点;第二步:分别安装围岩变形监测设备和应力监测设备;第三步:根据围岩不同稳定阶段的稳定性状况,运用围岩变形监测设备和应力监测设备,对不同开挖阶段的相应监测点的应力与位移进行监测;第四步:根据实时监测数据,确定第i次开挖阶段完成后围岩相应监测点应力的增量Δσi与位移的增量ΔSi以及围岩应力与位移增量的均值;第五步:将地下洞室围岩第i阶段开挖后监测点位移增量均值与应力增量均值的比值定义为围岩开挖位移动力増载率ηi,以围岩开挖位移动力增载率作为围岩开挖稳定性评价参数,对围岩稳定性进行评价与预警。本专利技术的上述方法将地下工程围岩应力与位移进行同时耦合监测与整合,将围岩开挖位移动力増载率ηi作为地下工程围岩应力与位移的耦合集成动力预测参数,并运用该参数对地下工程围岩的变形性质及稳定性进行评价及监测预警。所述第一步中,围岩监测断面区分主要监测断面和辅助监测断面,在一个主监测断面附近布设至少1个辅助监测断面;围岩监测断面应选择在地下工程围岩地质条件较差、结构形式与受力状态比较复杂、可能产生变形破坏等具有代表性的关键部位。监测点选择在围岩受力及预计变形较大的顶拱部位,并在开挖前在拱顶部位及其附近位置布置m组有代表性的监测点。本专利技术中上述围岩监测断面和监测点的选择以及位置选择,能更好的反映围岩应力集中部位的应力与位移变化,是围岩变形破坏的代表性的关键部位,且易于监测。所述第二步中,围岩变形监测设备包括精密水准仪、钢尺和测桩,测桩布置于监测点,作变形观测使用,钢尺吊挂在测桩下实现沉降距离观测,精密水准仪用于读钢尺下降高差。具体监测步骤为在拱顶及其附近监测点处布置带钩的测桩,吊挂钢尺,后视点设置在稳定的部位,运用精密水准仪进行观测。所述第二步中,应力监测设备包括钢弦式压力盒,用于监测点围岩应力监测,布置在围岩周边位移量测的同一断面上,沿拱顶及其附近监测点处埋设钢弦式压力盒,将钢弦式压力盒埋设在围岩与喷射混凝土之间,并保证埋设的监测设备与监测断面岩体表层紧密结合。根据本专利技术中围岩监测断面和监测点的布置,采用围岩变形监测设备和应力监测设备对地下工程围岩应力与位移分别进行监测。所述第四步中,将初始导洞开挖阶段完成时的应力与位移监测值设定为初始值σ0、S0,第i次开挖阶段完成后的应力与位移监测值记为σi、Si,确定第i次开挖阶段完成后围岩相应监测点应力的增量Δσi与位移的增量ΔSi具体为:Δσi=σi-σi-1ΔSi=Si-Si-1;其中,σi、Si分别为第i次开挖阶段完成后的应力与位移监测值;σi-1、Si-1分别为第i-1次开挖阶段完成后的应力与位移监测值。所述第四步中,将第i次开挖阶段完成后的第j组监测点的围岩应力与位移增量记为Δσij、ΔSij,确定围岩应力与位移增量的均值具体为:其中,m为监测点的组数。所述第五步中,对开挖围岩稳定性进行监测预警的具体方法为:当ηi为一常量时,表明开挖围岩处于稳定状态;当ηi增大时,则表明开挖围岩系统偏离稳态,处于不稳定状态;当ηi出现突变并趋于无穷大,表明开挖围岩处于即将失稳状态,i=1,2,...,n-1,n。判断ηi的突变值的具体方法为:1)将监测点前n-1次监测的位移动力増载率序列(η1,η2……ηn-1)作为一个总体,并假设该总体近似服从正态分布,即X~N(u,σ2);将ηn当作样本容量为1的特殊总体;2)计算出(η1,η2……ηn-1)样本的平均值及样本标准差S;3)假设ηn值为相对稳定值,则其与(η1,η2……ηn-1)样本同属一总体,由ηn计算得到统计量k;4)将k值与查自由度为n-1的t分布表所得值进行比较,若k小于显著性水平α下的t检验值,则判断ηn为正常值,围岩处于相对稳定阶段;若k大于显著性水平α下的t检验值,则判断本文档来自技高网
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一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法

【技术保护点】
一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法,其特征是,包括以下步骤:第一步:选择围岩监测断面,并布置断面监测点;第二步:分别安装围岩变形监测设备和应力监测设备;第三步:根据围岩不同稳定阶段的稳定性状况,运用围岩变形监测设备和应力监测设备,对不同开挖阶段的相应监测点的应力与位移进行监测;第四步:根据实时监测数据,确定第i次开挖阶段完成后围岩相应监测点应力的增量Δσi与位移的增量ΔSi以及围岩应力与位移增量的均值;第五步:将地下洞室围岩第i阶段开挖后监测点位移增量均值与应力增量均值的比值定义为围岩开挖位移动力増载率ηi,以围岩开挖位移动力增载率作为围岩开挖稳定性评价参数,对围岩稳定性进行评价与预警。

【技术特征摘要】
1.一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法,其特征是,包括以下步骤:第一步:选择围岩监测断面,并布置断面监测点;第二步:分别安装围岩变形监测设备和应力监测设备;第三步:根据围岩不同稳定阶段的稳定性状况,运用围岩变形监测设备和应力监测设备,对不同开挖阶段的相应监测点的应力与位移进行监测;第四步:根据实时监测数据,确定第i次开挖阶段完成后围岩相应监测点应力的增量Δσi与位移的增量ΔSi以及围岩应力与位移增量的均值;第五步:将地下洞室围岩第i阶段开挖后监测点位移增量均值与应力增量均值的比值定义为围岩开挖位移动力増载率ηi,以围岩开挖位移动力增载率作为围岩开挖稳定性评价参数,对围岩稳定性进行评价与预警;所述第五步中,对开挖围岩稳定性进行监测预警的具体方法为:当ηi为一常量时,表明开挖围岩处于稳定状态;当ηi增大时,则表明开挖围岩系统偏离稳态,处于不稳定状态;当ηi出现突变并趋于无穷大,表明开挖围岩处于即将失稳状态,i=1,2,...,n-1,n;判断ηi的突变值的具体方法为:1)将监测点前n-1次监测的位移动力増载率序列(η1,η2……ηn-1)作为一个总体,并假设该总体近似服从正态分布,即X~N(u,σ2);将ηn当作样本容量为1的特殊总体;2)计算出(η1,η2……ηn-1)样本的平均值及样本标准差S;3)假设ηn值为相对稳定值,则其与(η1,η2……ηn-1)样本同属一总体,由ηn计算得到统计量k;4)将k值与查自由度为n-1的t分布表所得值进行比较,若k小于显著性水平α下的t检验值,则判断ηn为正常值,围岩处于相对稳定阶段;若k大于显著性水平α下的t检验值,则判断ηn为异常值,表明ηn已开始突变,判断此开挖阶段围岩即将失稳。2.如权利要求1所述的一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法,其特征是,所述第一步中,围岩监测断面区分主要监测断面和辅助监测断面,在一个主监测断面附近布设至少1个辅助监测断面;监测点选择在围岩受力及预计变形较大的顶拱部位,并在开挖前在拱顶部位及其附近位置布置m组有代...

【专利技术属性】
技术研发人员:贺可强郭璐
申请(专利权)人:青岛理工大学
类型:发明
国别省市:山东;37

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