亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：高地应力区地下厂房围岩变形破裂演化测试结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及围岩变形破裂测试技术领域，具体涉及一种高地应力区地下厂房围岩变形破裂演化测试结构。
背景技术：
岩石变形破坏在地下工程开挖过程中，尤其是在高应力区或应力集中区，由于围岩应力释放，岩石呈现出多种多样的变形破裂方式。随着人类社会的发展，已有越来越多的工程建设在深部地下开展，应力水平也有很大程度的提高，如水利水电工程的引水隧洞和地下厂房、交通工程中的深埋隧洞、矿山工程中的深部开采、能源贮备和核废料深部处置中的洞室等。这些高地应力区地下工程面临着一个共同的问题是需要对高应力区岩体进行开挖，由于受到高地应力的作用，岩体开挖过程中的变形破坏比浅部工程要剧烈复杂得多，如果施工速度过快或支护不恰当或其他别的因素，轻则造成围岩变形过大，影响结构的正常使用，重则诱发岩爆塌方等地质性灾害，毁坏施工设备，影响地下工程施工的顺利开展。国内外针对高应力区岩石变形破坏的研究，从发生机理、数值分析等方面开展了大量的工作，并取得了一些重要进展。在高应力区岩石支护方法上，现场设计与工程技术人员根据工程地质条件探讨了一些新型的支护方法。然而，针对地下工程的高地应力区岩石变形破坏，最为关键的问题是深入认识岩石变形破坏演化机理，获得岩石灾变发生前后开挖损伤区内岩体弹性波、裂隙、应力、变形随施工进度、随运行时间的变化规律，从而为各个阶段岩石工程措施设计优化提供可靠的理论支撑。现有的测试方法仅有变形监测，对高应力区地下厂房洞室而言，现有方法无法描述破裂演化过程，无法定量的刻画时效破裂演化的特征和规律。

实用新型内容本实用新型的目的是针对上述技术问题，提供一种高地应力区地下厂房围岩变形破裂演化测试结构，该结构能直接且连续的获取岩体在施工期和运行期也即在开挖前、开挖过程中以及开挖后岩体破损区弹性波、裂隙、三维应力和变形等时空演化的基础数据，从而为地下厂房洞室围岩支护设计和施工方案优化以及围岩长期灾变预报预警决策提供科学依据。为实现此目的，本实用新型所设计的高地应力区地下厂房围岩变形破裂演化测试结构，其特征在于:它包括廊道、主厂房和主变室，所述廊道向主厂房和主变室方向分别开设摄像与声波测试孔、分布式光纤位移测试孔和三维应力测试孔，所述摄像与声波测试孔内灌注第一 I禹合剂；所述分布式光纤位移测试孔和三维应力测试孔内灌注第二耦合剂，分布式光纤位移测试孔内同轴布置分布式光纤，三维应力测试孔内自三维应力测试孔的底端往顶端均匀布置多个三向应变计；它还包括能与摄像与声波测试孔同轴布置的数字钻孔摄像仪和单发双收的单孔声波仪。上述技术方案中，它包括多组测试孔，所述每组测试孔均由摄像与声波测试孔、分布式光纤位移测试孔和三维应力测试孔构成；所述每组测试孔中均包括四个摄像与声波测试孔，所述四个摄像与声波测试孔位于同一铅直平面上，且四个摄像与声波测试孔均与廊道垂直，朝向主厂房布置的两个摄像与声波测试孔与廊道水平面的夹角分别为15°和45° ;朝向主变室布置的两个摄像与声波测试孔与廊道水平面的夹角分别为20°和50° ;所述每组测试孔中均包括多个分布式光纤位移测试孔和三维应力测试孔，所述同一组的分布式光纤位移测试孔和三维应力测试孔位于同一铅直面上，所述分布式光纤位移测试孔和三维应力测试孔分别与廊道在水平面上成7(Γ80度的夹角。位于主厂房上方的摄像与声波测试孔的底部距主厂房拱顶上方的距离为
0.4^0.6m,位于主厂房边墙内侧的摄像与声波测试孔的底部距主厂房边墙的距离为0.Γ0.6m;位于主变室上方的摄像与声波测试孔的底部距主变室拱顶上方的距离为0.4、.6m，位于主变室边墙内侧的摄像与声波测试孔的底部距主变室边墙的距离为0.4^0.6m ；位于主厂房上方的分布式光纤位移测试孔和三维应力测试孔的底部距主厂房拱顶上方的距离均为0.Γ0.6m,位于主厂房边墙内侧的分布式光纤位移测试孔和三维应力测试孔的底部距主厂房边墙的距离为0.Γ0.6m ;位于主变室上方的分布式光纤位移测试孔和三维应力测试孔的底部距主变室拱顶上方的距离为0.Γ0.6m,位于主变室边墙内侧的分布式光纤位移测试孔和三维应力测试孔的底部距主变室边墙的距离为0.Γ0.6m。所述分布式光纤位移测试孔和三维应力测试孔有多个，且每个分布式光纤位移测试孔和三维应力测试孔均为倾斜布置，所述同一倾角的分布式光纤位移测试孔和三维应力测试孔为平行布置，且相距0.5^1.5m ;廊道底板离主厂房或主变室的顶拱高程距离应不低于 10m。 由于采用了以上技术方案，本实用新型的积极效果和优点在于:I)由于从廊道向地下厂房预设了用于监测的长观测孔且预埋了测试仪器，从而可以直接、实时且连续测试获得地下厂房在施工期和运行期间围岩应力、变形破裂的初始孕育信息和长期演变等时空基础数据；若两洞室先后开挖，则可监测先开挖洞室分层开挖全过程信息及其对后开挖洞室的影响；若同时开挖，则可监测两者的相互影响；根据对测试结果的解译可对施工期和运行期洞室围岩进行预报预警。2)本实用新型采用了分布式光纤测量变形，与多点位移计或滑动测微计相比，它具有分布式、长距离、实时性、精度高和耐久性长等特点，能做到地下洞室围岩的每一个部位具有像人的神经系统一样进行感知和远程监测能力，且采样点间隔显著减�。纱锏嚼迕准叮龅搅丝占浜褪奔渖系牧莶杉以诓馐灾猩柚靡欢巫杂煞植际焦庀丝梢越形露炔钩ィ员苊馕露缺浠晕灰撇饬吭斐傻奈蟛�。3)本实用新型采用了三向应变计测量厂房分层开挖不同时期不同位置围岩地应力的初始值和变化值，对破坏区、开挖损伤区、开挖扰动区三维应力大小及方向变化的监测可以预测围岩变形破坏的模式和破裂面发展变化的趋势，为支护优化提供可靠的技术支撑，保证工程的安全顺利进行；4)本实用新型采用了原位长期的综合集成测试技术，通过上述观测孔和观测仪器的合理设计与布置，获得地下厂房监测断面区域围岩的弹性波、裂隙、三维应力和变形等特征信息的时空演化特征，尤其是在较短时间内在同一个测孔里先后进行钻孔摄像和声波的测试，可以获得裂纹和弹性波在某一时间上的一一对应关系，这相比在两个测孔单独进行钻孔摄像和声波测试，更适用于将弹性波的变化和裂隙的分布以及变化联系起来进行综合解译。而相距很近的分布式光纤位移测试孔和三维应力测试孔，可以将地应力和围岩的变形结合起来，这样可以更深入解释围岩变形破坏和地应力之间的关系。5)本实用新型在设计监测断面的有限范围内开展多个项目的测试，便于测试结果互相验证和对比分析，提高了围岩变形破裂测试的可靠性和综合信息的有效提取与解译。6)本实用新型适合于多洞室施工期和运行期相互影响的测试，也可用于单个洞室的原位长期测试，不影响洞室的施工和运营。

图1为本实用新型的俯视结构示意图；图2为本实用新型的正视结构示意图；图3为本实用新型的分布式光纤位移测试孔内的结构示意图；图4为本实用新型的摄像与声波测试孔内设置数字钻孔摄像仪的结构示意图；图5为本实用新型的摄像与声波测试孔内设置单发双收的单孔声波仪的结构示意图；图6为本实用新型的三维应力测试孔内的结构示意图；其中，I一廊道、2—摄像与声波测试孔、3—分布式光纤位移测试孔、4一主变室、5一主厂房、6—三维应力测试孔、7—分层开挖线、8—分布式光纤、9一/JC泥砂衆、IO—岩体、
11一单发双收的单孔声波仪、12—水、13—数字钻孔摄像仪、14 一三向应变计、15—岩体。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明:如图1飞所示的高地应力区地下厂房围岩变形破裂演化测试方法，该方法包括如下步骤:步骤1:在高地应力区地下厂房洞室区域通过廊道I向主厂房5和主变室4方向分别开设摄像与声波测试孔2、分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6 ；步骤2:在摄像与声波测试孔2内灌注第一耦合剂，然后在灌注了第一耦合剂的摄像与声波测试孔2内同轴布置数字钻孔摄像仪13，在摄像与声波测试孔2内通过数字钻孔摄像仪13获取摄像与声波测试孔2孔口至摄像与声波测试孔2孔底的图像，将该图像进行数字化处理后得到岩体10裂隙的产状、宽度，然后取出数字钻孔摄像仪13，并向摄像与声波测试孔2内同轴布置单发双收的单孔声波仪11，在摄像与声波测试孔2内通过单发双收的单孔声波仪11测试摄像与声波测试孔2孔底至摄像与声波测试孔2孔口的岩体10的声波信号，并通过该声波信号，得到开挖前后、开挖过程中岩体弹性波的变化；此步骤中通过测读装置，采集得到主厂房5和主变室4施工期和施工完毕之后较长一段时间内的测试数据，施工期每三天进行一次测试、施工完之后3个月内每周进行一次测试、施工完之后3个月到一年内每十五天进行一次测试、施工完一年后每个月进行一次测试，发电运行期间每三个月进行一次测试；步骤3:在步骤2进行的同时，在分布式光纤位移测试孔3内同轴布置分布式光纤8，然后在分布式光纤位移测试孔3内灌注第二耦合剂，在分布式光纤位移测试孔3内通过分布式光纤8测量分布式光纤位移测试孔3轴向的岩体应变，并根据量测数据计算岩体10变形以及裂缝开度；在分布式光纤位移测试孔3安装分布式光纤8之前对分布式光纤位移测试孔3进行三次钻孔摄像、声波观测，以了解分布式光纤位移测试孔3内部节理裂隙的分布状况，以便进行分布式光纤位移测试孔3的布置设计。安装分布式光纤8时，先将分布式光纤8布置在分布式光纤位移测试孔3里面形成一个回路，拉直，贴在分布式光纤位移测试孔3的底部，设置好温度补偿的自由端，然后灌注第二耦合剂将其和岩石10耦合;此步骤中通过测度装置，长期连续采集主厂房5和主变室4施工期分层开挖和施工完毕之后较长一段时间内的测试数据，施工期每天4:00,10:00,16:00,22:00传输自动监测数据一次，施工完成后半年内每天10:00、22:00传输自动监测数据一次，施工完成半年之后每两天传输自动监测数据一次，时间为10:00。步骤4:在步骤2和3进行的同时，在三维应力测试孔6内自三维应力测试孔6底端往顶端均匀并排布置多个三向应变计14，然后在三维应力测试孔6内灌注第二耦合剂，在三维应力测试孔6内通过三向应变计14监测三维应力测试孔6所在范围的岩体10应力随各工期的变化规律。三向应变计14安装时首先将五个三向应变计14送入三维应力测试孔6设定的位置，然后灌浆，待浆液凝固后，测点位置的应变可以由三向应变计量测并通过传感器和数据线传出。测量出的应变量与固结水泥砂浆变形模量的乘积，即可反映测点位置的地应力沿各个方向的变化量，进而计算测试点三维应力。通过测度装置，长期连续采集主厂房5和主变室4施工期分层开挖和施工完毕之后较长一段时间内的测试数据，施工期每天4 =OOUO: 00、16:00、22:00传输自动监测数据一次，施工完成后半年内每天10:
00、22:00传输自动监测数据一次，施工完成半年之后没两天传输自动监测数据一次，时间为 10:00。
上述技术方案中，第一耦合剂为水12，第二耦合剂为水泥砂浆9，所述步骤2中，从摄像与声波测试孔2内取出数字钻孔摄像仪13后的15 30分钟之内向该摄像与声波测试孔2内设置单发双收的单孔声波仪11。上述技术方案中，它包括多组测试孔，每组测试孔均由步骤I中的摄像与声波测试孔2、分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6构成。上述技术方案中，所述每组测试孔中均包括四个摄像与声波测试孔2，所述四个摄像与声波测试孔2位于同一铅直平面上，朝向主厂房5布置的两个摄像与声波测试孔2与廊道I水平面的夹角分别为15°和45° ;朝向主变室4布置的两个摄像与声波测试孔2与廊道I水平面的夹角分别为20°和50°。上述技术方案中，所述每组测试孔中均包括多个分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6,同一组的分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6位于同一铅直面上，分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6分别与廊道I在水平面上成7(Γ80度的夹角。上述技术方案中，位于主厂房5上方的摄像与声波测试孔2的底部距主厂房5拱顶上方的距离为0.Γ0.6m,位于主厂房5边墙内侧的摄像与声波测试孔2的底部距主厂房5边墙的距离为0.Γ0.6m ;位于主变室4上方的摄像与声波测试孔2的底部距主变室4拱顶上方的距离为0.Γ0.6m,位于主变室4边墙内侧的摄像与声波测试孔2的底部距主变室4边墙的距离为0.4 0.6m ；上述技术方案中,位于主厂房5上方的分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6的底部距主厂房5拱顶上方的距离均为0.Γ0.6m,位于主厂房5边墙内侧的分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6的底部距主厂房5边墙的距离为0.4^0.6m ;位于主变室4上方的分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6的底部距主变室4拱顶上方的距离为0.4^0.6m,位于主变室4边墙内侧的分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6的底部距主变室4边墙的距离为0.Γ0.6m。一种高地应力区地下厂房围岩变形破裂演化测试结构，它包括廊道1、主厂房5和主变室4，廊道I向主厂房5和主变室4方向分别开设摄像与声波测试孔2、分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6，摄像与声波测试孔2内灌注第一耦合剂；所述分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6内灌注第二耦合剂，分布式光纤位移测试孔3内同轴布置分布式光纤8，三维应力测试孔6内自三维应力测试孔6的底端往顶端均匀布置多个三向应变计14 ;多个三向应变计14在三维应力测试孔6内的布置密度有小变大。具体为三维应力测试孔6最底端的三向应变计14距离主厂房5或主变室4的边墙0.5m,往上依次为离主厂房5或主变室4边墙3m、6m、13m和20m。它还包括能与摄像与声波测试孔2同轴布置的数字钻孔摄像仪13和单发双收的单孔声波仪U。上述结构中，它包括多组测试孔，每组测试孔均由摄像与声波测试孔2、分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6构成；所述每组测试孔中均包括四个摄像与声波测试孔2，四个摄像与声波测试孔2位于同一铅直平面上，且四个摄像与声波测试孔2均与廊道I垂直，朝向主厂房5布置的两个摄像与声波测试孔2与廊道I水平面的夹角分别为15°和45° ;朝向主变室4布置的两个摄像与声波测试孔2与廊道I水平面的夹角分别为20°和50° ;上述倾角的设计有利于测试仪器的推进和测试探头与岩体10之间的有效耦合；每组测试孔中均包括多个分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6,同一组的分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6位于同一铅直面上，分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6分别与廊道I在水平面上成7(Γ80度的夹角，优选的，所述多个分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6与主变室4的夹角分别为12°、24°、36°、48°和60° ;多个分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6与主厂房5的夹角分别为20°、35°、55°和70°。通向主变室4的五个分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6分别监测主变室4的顶拱、拱肩、拱座、边墙上部和边墙中部；通向主厂房5的4个分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6分别监测主厂房5的顶拱、拱肩、拱座和边墙。上述各个监测断面应布置在母线洞之间的岩墙区域。[0043]上述结构中，位于主厂房5上方的摄像与声波测试孔2的底部距主厂房5拱顶上方的距离为0.4^0.6m，优选为0.5m,位于主厂房5边墙内侧的摄像与声波测试孔2的底部距主厂房5边墙的距离为0.Γ0.6m,优选为0.5m ;位于主变室4上方的摄像与声波测试孔2的底部距主变室4拱顶上方的距离为0.4^0.6m,优选为0.5m,位于主变室4边墙内侧的摄像与声波测试孔2的底部距主变室4边墙的距离为0.4^0.6m,优选为0.5m,上述设计有利于完整获取整个主厂房5和主变室4洞壁围岩的信息，同时，距离主厂房5边墙和主变室4边墙0.5m是为了保证施工过程中避免破坏到测试孔而正常测试；位于主厂房5上方的分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6的底部距主厂房5拱顶上方的距离均为0.Γ0.6m,位于主厂房5边墙内侧的分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6的底部距主厂房5边墙的距离为0.Γ0.6m ;位于主变室4上方的分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6的底部距主变室4拱顶上方的距离为0.Γ0.6m,位于主变室4边墙内侧的分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6的底部距主变室4边墙的距离为0.4 0.6m。上述结构中，分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6有多个，且每个分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6均为倾斜布置，同一倾角的分布式光纤位移测试孔3和三维应力测试孔6为平行布置，且相距0.5^1.5m，优选为lm，廊道I底板离主厂房5或主变室4的顶拱高程距离应不低于10m。本实用新型通过三维应力测试获得数据，利用EXCEL等数据处理软件，绘制地下洞室三维应力随时间和分期分层演化的图形；根据分布式光纤量测数据计算岩体变形以及裂缝开度，利用EXCEL等数据处理软件，绘制变形和裂缝开度随时间和分期分层演化的图形；根据声波测试结果获得声波波速，利用EXCEL等数据处理软件，绘制声波波速随时间和分期分层演化的图形以及声波波速在岩体不同深度的变化图，还可根据声波波速随时间的变化，计算获得不同深度岩体力学参数随时间的演化规律。本说明书未作 详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
权利要求1.一种高地应力区地下厂房围岩变形破裂演化测试结构，其特征在于:它包括廊道(I)、主厂房(5)和主变室(4)，所述廊道(I)向主厂房(5)和主变室(4)方向分别开设摄像与声波测试孔(2)、分布式光纤位移测试孔(3)和三维应力测试孔(6)，所述摄像与声波测试孔(2)内灌注第一耦合剂；所述分布式光纤位移测试孔(3)和三维应力测试孔(6)内灌注第二耦合剂，分布式光纤位移测试孔(3)内同轴布置分布式光纤(8)，三维应力测试孔(6)内自三维应力测试孔(6)的底端往顶端均匀布置多个三向应变计(14)； 它还包括能与摄像与声波测试孔(2)同轴布置的数字钻孔摄像仪(13)和单发双收的单孔声波仪(U)。
2.根据权利要求1所述的高地应力区地下厂房围岩变形破裂演化测试结构，其特征在于:它包括多组测试孔，所述每组测试孔均由摄像与声波测试孔(2)、分布式光纤位移测试孔(3)和三维应力测试孔(6)构成；所述每组测试孔中均包括四个摄像与声波测试孔(2)，所述四个摄像与声波测试孔(2)位于同一铅直平面上，且四个摄像与声波测试孔(2)均与廊道(I)垂直，朝向主厂房(5)布置的两个摄像与声波测试孔(2)与廊道(I)水平面的夹角分别为15°和45° ;朝向主变室(4)布置的两个摄像与声波测试孔(2)与廊道(I)水平面的夹角分别为20°和50° ;所述每组测试孔中均包括多个分布式光纤位移测试孔(3)和三维应力测试孔(6)，所述同一组的分布式光纤位移测试孔(3)和三维应力测试孔(6)位于同一铅直面上，所述分布式光纤位移测试孔(3 )和三维应力测试孔(6 )分别与廊道(I)在水平面上成7(Γ80度的夹角。
3.根据权利要求1所述的高地应力区地下厂房围岩变形破裂演化测试结构，其特征在于:位于主厂房(5)上方的摄像与声波测试孔(2)的底部距主厂房(5)拱顶上方的距离为0.4^0.6m,位于主厂房(5)边墙内侧的摄像与声波测试孔(2)的底部距主厂房(5)边墙的距离为0.Γ0.6m ;位于 主变室(4)上方的摄像与声波测试孔(2)的底部距主变室(4)拱顶上方的距离为0.4^0.6m,位于主变室(4)边墙内侧的摄像与声波测试孔(2)的底部距主变室(4)边墙的距离为0.4 0.6m ； 位于主厂房(5)上方的分布式光纤位移测试孔(3)和三维应力测试孔(6)的底部距主厂房(5)拱顶上方的距离均为0.Γ0.6m,位于主厂房(5)边墙内侧的分布式光纤位移测试孔(3)和三维应力测试孔(6)的底部距主厂房(5)边墙的距离为0.Γ0.6m;位于主变室(4)上方的分布式光纤位移测试孔(3)和三维应力测试孔(6)的底部距主变室(4)拱顶上方的距离为0.Γ0.6m,位于主变室(4)边墙内侧的分布式光纤位移测试孔(3)和三维应力测试孔(6)的底部距主变室(4)边墙的距离为0.Γ0.6m。
4.根据权利要求1所述的高地应力区地下厂房围岩变形破裂演化测试结构，其特征在于:所述分布式光纤位移测试孔(3)和三维应力测试孔(6)有多个,且每个分布式光纤位移测试孔(3)和三维应力测试孔(6)均为倾斜布置，所述同一倾角的分布式光纤位移测试孔(3)和三维应力测试孔(6)为平行布置，且相距0.5^1.5m ;廊道(I)底板离主厂房(5)或主变室(4)的顶拱高程距离应不低于10m。
专利摘要本实用新型公开了一种高地应力区地下厂房围岩变形破裂演化测试结构，包括廊道、主厂房和主变室，廊道向主厂房和主变室方向分别开设摄像与声波测试孔、分布式光纤位移测试孔和三维应力测试孔，摄像与声波测试孔内灌注第一耦合剂；分布式光纤位移测试孔和三维应力测试孔内灌注第二耦合剂，分布式光纤位移测试孔内同轴布置分布式光纤，三维应力测试孔内自三维应力测试孔的底端往顶端均匀布置多个三向应变计；还包括能与摄像与声波测试孔同轴布置的数字钻孔摄像仪和单发双收的单孔声波仪。本实用新型能直接且连续的获取岩体在施工期和运行期也即在开挖前、开挖过程中以及开挖后岩体破损区弹性波、裂隙、三维应力和变形等时空演化的基础数据。
文档编号G01D21/02GK203037286SQ20122064433
公开日2013年7月3日 申请日期2012年11月29日 优先权日2012年11月29日
发明者丁秀丽, 黄书岭, 邬爱清, 段海波 申请人:长江水利委员会长江科学院