一种TBM施工圆形隧洞地应力测算方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种TBM施工圆形隧洞地应力测算方法及系统，包括以下步骤：确定隧道掘进隧洞柱坐标系；选取至少三个极角不同、围岩完整的测点，基于隧洞开挖半径对应的曲率将测点表面打磨平整，获得测点中心位置的极角；在所有选定的测点围岩表面黏贴应变花，测试各应变花与隧道轴线方向的夹角，测得各应变片的初始应变值；采用物理方法截割黏贴有应变花的隧洞壁面岩块，测得各应变片的最终应变值；利用三维柱孔围岩弹性应变解、解除引起的各应变片应变变化量建立各应变片应变变化量等式，基于最小二乘原理构建其法方程，并计算隧洞柱坐标系下的地应力值。本发明专利技术应力测试过程全部在宽阔的隧洞壁面完成，易于施工，测试过程方便快捷，成功率高。成功率高。成功率高。

【技术实现步骤摘要】
一种TBM施工圆形隧洞地应力测算方法及系统


[0001]本专利技术属于岩土工程
，具体涉及一种TBM施工圆形隧洞地应力测算方法及系统。

技术介绍

[0002]TBM掘进方法是重大地下工程常用的技术手段，在其推进过程中往往因高应力环境下围岩的变形造成卡机。因此，需采取有效的技术手段获取工程所在位置的地应力状态，以确保隧洞安全、顺利施工。常用的成熟三维地应力测试方法为空心包体应力解除法，其通过在工程洞壁处钻取一个大孔至未受扰动区，然后继续钻取一个同轴小孔，并在小孔壁上黏贴一个包含多个应变片的空心包体，利用套孔应力解除过程中各方向应变片的变化量、围岩弹性参数计算钻孔位置的地应力值。
[0003]由于常用的应力解除全部在深孔完成，全过程都需大型钻机配合施工，施工工序复杂；测试过程中需采用环氧树脂粘贴空心包体，其固化速度较慢，单次测量时间较长。空心包体的黏贴、解除、数据采集亦在深孔完成，受隧洞岩性、富水、岩粉等客观条件限制常造成空心包体与围岩不完全黏贴、线缆绞断、岩芯断裂等问题，进而导致测试失败。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种TBM施工圆形隧洞地应力测算方法及系统，有效避免了空心包体应力解除法深孔测试难题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种TBM施工圆形隧洞地应力测算方法，包括以下步骤：
[0007]S1：确定隧道掘进隧洞柱坐标系(ρ，θ，Z)；
[0008]S2：基于所述隧道掘进隧洞柱坐标系(ρ，θ，Z)，选取至少三个极角不同、围岩完整的测点，基于隧洞开挖半径对应的曲率将测点表面打磨平整，获得测点中心位置的极角；
[0009]S3：基于所述测点中心位置的极角，在所有选定的测点围岩表面黏贴应变花，测试各应变花与隧道轴线方向的夹角，采用应变计测得各应变片的初始应变值；
[0010]S4：采用物理方法截割黏贴有应变花的隧洞壁面岩块，测得各应变片的最终应变值；
[0011]S5：基于所述各应变片的初始应变值和最终应变值，利用三维柱孔围岩弹性应变解，解除引起的各应变片应变变化量建立各应变片应变变化量等式，基于最小二乘原理构建所述各应变片应变变化量等式的法方程，并计算隧洞柱坐标系下的地应力值。
[0012]优选的，所述S1中，所述隧洞柱坐标系中的Z轴为隧道轴线方向，θ轴起始位置为与水平面任意夹角位置，ρ轴为隧道横断面内过圆心的径向射线。
[0013]优选的，所述S2中，所述测点中心位置的极角指测点在所述隧洞柱坐标系下的θ轴值。
[0014]优选的，所述S2中，所述基于隧洞开挖半径对应的曲率将测点表面打磨平整指测
点位置围岩表面曲率为隧洞开挖半径的倒数。
[0015]优选的，所述S3中，所述测点围岩表面黏贴应变花指采用刚性粘结剂将应变花与围岩表面固接，确保围岩和应变片同步变形。
[0016]优选的，所述S3中，所述各应变片的初始应变值指未开始解除前各应变片的应变值示数。
[0017]优选的，所述S4中，所述物理方法截割黏贴有应变花的隧洞壁面岩块指采用取芯、角磨机切割准静态方法将包含应变花的局部围岩从隧洞壁完整剥离。
[0018]优选的，所述S4中，所述测得各应变片的最终应变值指黏贴有应变花的隧洞壁面岩块被剥离后各应变片的应变值示数。
[0019]优选的，所述S5中，所述解除引起的各应变片应变变化量指解除后各应变片的应变值示数与未开始解除前各应变片的应变值示数之差。
[0020]优选的，所述S3和S4中，所述测点的应变测量指包含应变片测量方法的各类接触式和非接触式测量技术，如光栅光纤应变测量、光学应变测量等。
[0021]本专利技术还提供一种TBM施工圆形隧洞地应力测算系统，包括：坐标系建立模块、极角获得模块、初始应变值测量模块、最终应变值测量模块和地应力值计算模块；
[0022]所述坐标系建立模块用于确定隧道掘进隧洞柱坐标系(ρ，θ，Z)；
[0023]所述极角获得模块用于基于所述隧道掘进隧洞柱坐标系(ρ，θ，Z)，选取至少三个极角不同、围岩完整的测点，基于隧洞开挖半径对应的曲率将测点表面打磨平整，获得测点中心位置的极角；
[0024]所述初始应变值测量模块用于基于所述测点中心位置的极角，在所有选定的测点围岩表面黏贴应变花，测试各应变花与隧道轴线方向的夹角，采用应变计测得各应变片的初始应变值；
[0025]所述最终应变值测量模块用于采用物理方法截割黏贴有应变花的隧洞壁面岩块，测得各应变片的最终应变值；
[0026]所述地应力值计算模块用于基于所述各应变片的初始应变值和最终应变值，利用三维柱孔围岩弹性应变解，解除引起的各应变片应变变化量建立各应变片应变变化量等式，基于最小二乘原理构建所述各应变片应变变化量等式的法方程，并计算隧洞柱坐标系下的地应力值。
[0027]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0028]本专利技术鉴于TBM施工隧洞断面为圆形，其周边围岩应力状态即为地应力在圆孔周边的二次应力场，通过解除隧洞壁面应力解除测试地应力回避了常规钻取应力解除大孔的步骤，测试环境宽敞，易于开展测试，应变片与围岩粘贴牢固性可靠，操作流程简便，测试结果准确，成本低廉。
附图说明
[0029]为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]图1为本专利技术实施例中的一种TBM施工圆形隧洞地应力测算方法流程图；
[0031]图2为本专利技术实施例中TBM施工隧洞壁面应力解法方法示意图；
[0032]图3为本专利技术实施例中隧洞表面打磨示意图；
[0033]图4为本专利技术实施例中的应变花21中应变片布置示意图。
[0034]附图说明：1
‑
围岩；3
‑
应力解除截割线；4
‑
TBM开挖围岩表面；21
‑
第一应变花；22
‑
第二应变花；23
‑
第三应变花；24
‑
第四应变花；41
‑
TBM实际开挖表面；42
‑
TBM设计开挖表面；5
‑
围岩打磨表面；221
‑
与Z轴夹角0
°
的应变片；222
‑
与Z轴夹角45
°
的应变；223
‑
与Z轴夹角90
°
的应变；224
‑
与Z轴夹角135
°
的应变。
具体实施方式
[0035]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种TBM施工圆形隧洞地应力测算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：确定隧道掘进隧洞柱坐标系(ρ，θ，Z)；S2：基于所述隧道掘进隧洞柱坐标系(ρ，θ，Z)，选取至少三个极角不同、围岩完整的测点，基于隧洞开挖半径对应的曲率将测点表面打磨平整，获得测点中心位置的极角；S3：基于所述测点中心位置的极角，在所有选定的测点围岩表面黏贴应变花，测试各应变花与隧道轴线方向的夹角，采用应变计测得各应变片的初始应变值；S4：采用物理方法截割黏贴有应变花的隧洞壁面岩块，测得各应变片的最终应变值；S5：基于所述各应变片的初始应变值和最终应变值，利用三维柱孔围岩弹性应变解，解除引起的各应变片应变变化量建立各应变片应变变化量等式，基于最小二乘原理构建所述各应变片应变变化量等式的法方程，并计算隧洞柱坐标系下的地应力值。2.根据权利要求1所述的TBM施工圆形隧洞地应力测算方法，其特征在于，所述S1中，所述隧洞柱坐标系中的Z轴为隧道轴线方向，θ轴为起始位置与水平面任意夹角位置，ρ轴为隧道横断面内过圆心的径向射线。3.根据权利要求1所述的TBM施工圆形隧洞地应力测算方法，其特征在于，所述S2中，所述测点中心位置的极角指测点在所述隧洞柱坐标系下的θ轴值。4.根据权利要求1所述的TBM施工圆形隧洞地应力测算方法，其特征在于，所述S2中，所述基于隧洞开挖半径对应的曲率将测点表面打磨平整指测点位置围岩表面曲率为隧洞开挖半径的倒数。5.根据权利要求1所述的TBM施工圆形隧洞地应力测算方法，其特征在于，所述S3中，所述测点围岩表面黏贴应变花指采用刚性粘结剂将应变花与围岩表面固接，确保围岩和应变片同步变形。6.根据权利要求1所述的TBM施工圆形隧洞地应力测算方法，其特征在于，所述S3中，所述各应变...

【专利技术属性】
技术研发人员：张强，李涛，叶思哲，王迎超，尹乾，吴晓锁，王红英，韩贵雷，蒋斌松，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：