[发明专利]一种TBM掘进时围岩应力变化测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种TBM掘进时围岩应力变化测量方法，可以作为TBM掘进时对洞室围岩应力扰动的直接测量方法，适用于隧洞等施工期的支护优化设计和洞室的整体稳定性评价。

背景技术

全断面隧道掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)是目前世界长大隧道施工最有效、最先进的的大型综合性施工机械之一，已成为国际上快速开挖隧道的主流。TBM与传统钻爆法相比，具有快速、优质、安全等优点，可连续进行开挖、出碴，施工速度快；无爆破，掘进超挖量极少，对围岩挠动小；施工人员工作环境大大改善，尤其是TBM施工的高速优质成洞，可为建设及施工单位取得良好的经济效益。而我国是一个地形复杂、山岭密布的多山国家，正值基础建设的高速发展的时期。在今后相当长的时间内地下空间的拓展将会成倍增长，在一定的条件下可以取代传统的钻爆法，因此TBM在我国具有广阔的应用前景。

隧道开挖前，岩体中的初始应力处于相对平衡状态，而当隧道开挖后，岩体中初始应力状态必然要发生变化，影响到隧道围岩的受力状态。应力重分布是引起围岩收敛变形的主要原因。在TBM隧道设计中，围岩收敛变形量如果过大，洞室断面净空大为缩小，TBM操作室及后备套难以通过，会造成初期支护困难，并影响到隧道的二次衬砌。而在整个地下工程监测环节中应力的监测是最困难的，如果能够通过系统的测试手段解答这个问题，并能够针对性的提供一定的补救措施，便具有很高的实用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了能够准确地反映TBM开挖对围岩应力的扰动，提供一种TBM掘进时围岩应力变化测量方法，可以比较准确地测量TBM开挖洞段围岩中某点的三维应力状态变化，从而很好的判断出围岩损伤范围，以达到优化支护设计，加快施工进度，节省工程造价，保证洞室整体稳定和工作人员人身安全的目的。

本发明所采用的技术方案是：TBM掘进时围岩应力变化测量方法，其特征在于：通过预先埋设空心包体应力计来监测掘进过程中围岩的应力变化，其步骤如下，

a、综合考虑数值计算的应力结果、地形地貌、岩体强度、断层的影响，确定空心包体应力计的埋设位置和测点数量，保证扰动区内外至少各安装一个；

b、开挖辅助洞或利用已有洞室向TBM待开挖洞段钻安装孔并埋设空心包体应力计，辅助洞或已有洞室到TBM待开挖洞段的垂直距离为2-3倍的TBM洞段洞径；

c、对TBM待开挖洞段进行开挖掘进，同时监测并记录空心包体应力计在TBM通过监测断面的全程应变变化；

d、通过试验确定测量段岩石的弹性模量、泊松比；

e、空心包体应力计三组应变花可得12个不同位置和方向的应变值，列12个方程，其通式如下，Eε_k＝A_k1σ_x+A_k2σ_y+A_k3σ_z+A_k4τ_xy+A_k5τ_yz+A_k6τ_zx利用数理统计的最小二乘法原理，采用Matlab求解方程，利用测得的岩体参数求解出地应力的六个分量σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_xz，式中E为弹性模量，ε_k为每个应变片所测得的应变值，k＝4(i-1)+j，i＝1～3，j＝1～4，3个应变花序号用i表示，对应的极角为θ_i，每个应变花由4个应变片组成，序号用j表示，对应的角度为A_k1～A_k6包含了应变片并非直接粘贴在安装孔岩壁上的修正系数。

步骤b埋设空心包体应力计时，须通过钻设安装孔时产生的岩芯判断周围岩体的完整情况，并通过调整安装孔的深度确保空心包体应力计的埋设能够避开结构面发育地带。

步骤d中的参数通过现场围压率定试验得到，或者将靠近测量段前后的岩芯在实验室加工成标准试块，通过单轴压缩试验得到。

本发明的有益效果是：本发明通过预先在设计位置埋设空心包体应力计来监测掘进过程中围岩的应力变化，比较准确地测量出TBM开挖洞段围岩中某点的三维应力状态变化，能够更好的反映出TBM掘进过程中围岩的损伤范围，对开挖后围岩的支护设计有很好的指导作用，有利于节省工程量，加快施工进度，保证洞室的整体稳定和施工人员的人身安全。