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国际岩石力学与采矿科学杂志41（2004）761-769
测量隧道周围近地区的诱导应力和强度以及岩体强度的Mohr-Coulomb参数的相关估计
Y. Obaraa,*，Y. Ishigurob
a熊本大学土木工学系，日本熊本县堀川市2-39-1，860-8555
b中部电力株式会社，日本名古屋
2004年1月14日接受
摘要
描述了在高岩石应力下挖掘的进口隧道的直接顶部由紧凑的圆锥形端部钻孔覆盖技术测量的诱发应力状态。 在测量过程中，观察到堆芯崩塌。 使用X射线计算机断层扫描（CT）扫描仪来选择不受核心碎片影响的应变数据; 然后根据选定的应变数据估算诱导的岩石应力。 从这些结果可以看出，使用X射线CT进行的非破坏性研究对于核心内裂缝的可视化以及在覆岩过程中测量的应变的选择是有效的。 此外，通过比较测得的应力与原位岩石的剪切强度和在实验室测试中确定的单轴抗压强度来估计岩体的Mohr-Coulomb破坏准则参数。
关键词：岩石应力; 紧凑的圆锥形端部钻孔覆盖技术; 核心研究; X线CT; 岩石强度
1.介绍
日本地下厂房设计的初始岩石应力测量首先由紧凑型锥形钻孔覆盖（CCBO）技术进行，该技术是应力消除方法之一 [1–4]。 初始应力状态是最大主应力方向在水平面上，是东西方向。 因此，考虑到初始岩石应力的状态和现场中主要接头的设置方向，厂房的纵轴被改变并确定为几乎平行于主应力方向 [5–7]。 本文讨论了诱导应力测量的结果; 测量是在CCBO技术中在动力洞穴的一个区域中挖掘隧道周围的岩体内进行的。 由于该场地的初始应力很大，测量站位于隧道壁附近，因此预计会出现非常高的应力集中。 事实上，核心是在观察期间套芯。 当观察到岩心崩落现象时，测量的应变数据不能用于确定CCBO方法中的岩石应力。 为了选择不受岩心损伤影响的应变数据，将X射线CT扫描仪应用于回收岩心，然后根据所选数据估算岩石受到的应力。 基于这些结果，显示X射线CT的非破坏性研究对于核心内的骨折的可视化是有效的，因此能够选择通过应力消除方法在覆层期间测量的应变。 此外，通过比较测得的应力与由原位岩石剪切试验确定的剪切强度和由实验室试验确定的单轴抗压强度，来考虑岩石的原位岩石强度和强度标准。
2.紧凑型锥形钻孔覆盖（CCBO）技术的基础知识 [1–4]
2.1理论
为了计算来自测量应变的初始应力，圆柱坐标和测得的应变表示为以同样的方式。 这些数值表示的是相对于覆盖开始时菌株的数值。 因此， （2）
j
测量的应变是通过覆盖恢复的应变值。 菌株编写如下：
（3）
用方程（3）代入方程（2），我们获得
(4)
假设岩体遵循线性弹性，应变与初始应力之间的关系如下：
(5)
其中E是岩石的杨氏模量。 是一个系数矩阵，可以表示为
（6）
是应变系数，是L和岩石v的泊松比之函数。
用方程（5）代入方程（4），测得的菌株写成如下：
（7）
- 是在一定的覆盖阶段测得的应变与初始应力之间的关系。
因此，可以通过代入式（1）所代表的最可能的初始应力张量来
模拟覆盖过程的理论应变。（12）代入方程（7）
观测方程可以在下式得到 图1.在锥形底面上进行测量的菌株和紧凑盖 （8）
当覆盖完成时的测量应变，数量为16个，表示为
(9)
观测方程（8），即和的关系; 由以下矩阵方程表示：
(10)
其中是一个16times;6的弹性符合矩阵。的元素由公式（6)。
确定最可能的初始应力张量，通过最小二乘法，提供归一化。表达方程 （10）如下：
(11)
当
(12)
程序在完成覆盖时使用一组测量的菌株。然而，应力也可以通过评估覆盖过程中的应变系数，从一组测量应变在一定的覆盖度阶段确定。
应变系数的值取决于岩石的泊松比。 由于没有分析解决方案，它们必须通过数值分析进行评估。 图2 示出了在v = 0.2的情况下应变系数随着覆盖而变化的示例。 横向轴是超越的前进。 在覆盖过程中，应变系数每5毫米由3D-BEM分析。
图2.应变系数随紧凑覆盖的变化
现场测量程序如图所示 图3。 首先，在应力测量台上钻一个直径为76毫米的导向钻孔。 然后，将导向钻孔的底部形成为具有拱顶冠的圆锥形状（图4（a）），其表面用浸渍的金刚石钻头磨平（图4（b））。 插座用水和丙酮清洗后，井眼摄像机可以确定井眼表面是否存在裂缝。 如果表面没有裂纹，则16号圆锥形应变元件显示在图中 图4（c） 用胶水直接粘结在锥形钻孔表面上。 最后，导向钻孔的套管周围的应力可以通过紧凑型套管减轻，即薄壁直径为76毫米的核心钻孔重合与如破碎所示的先导钻孔一样.
发电厂
C
N
画廊
A
为20MPa
强调
D
B
0 50m
接近隧道
规模
图4.特殊的位和应变单元：（a）borz牙冠位; （b）浸渍钻头; （c）菌株。
图5.地下厂房的平面图，以及主应力的大小和方向。
表2
由CCBO测量初始应力
位置 A B C
在此操作过程中，连续测量应变的变化，并通过应变计和计算机进行记录。 为此，电缆通过钻杆和水旋转器与应变计连接。
初始压力
网站说明
压力组件 SX
25.5 16.5 32.5
235/68 258/50 324/61
|
以MPa计 SY |
11.9 |
9.3 |
17.6 |
|
|
SZ |
8.1 |
14.0 |
10.1 |
|
|
tYZ |
-1.0 |
-1.0 |
4.1 |
|
|
tZX |
-6.4 |
-6.7 |
-7.1 |
|
|
tXY |
-1.3 |
1.1 |
3.5 |
|
|
主要压力在 |
s1 |
27.6 |
22.3 |
34.8 |
|
MPa和本金 |
94/18 |
82/40 |
82/15 |
|
|
方向（方位角/ |
s2 |
12.1 |
9.1 |
19.4 |
|
浸）度 |
359/13 |
350/2 |
179/24 |
|
|
s3 |
5.7 |
8.4 |
6.0 |
|
一个最大的纯抽水蓄能电站
计划在地下发电厂建设1300兆瓦的容量。 该工厂由四台可逆水泵水轮机组组成，容量为325MW，两台主变压器容量为740MVA。 因此，厂房的尺寸为182米长，24米宽，47米高 [5–7].
地质是花岗岩，属于中生代白垩纪。 完好无损的花岗岩分布广泛，裂缝密度低，间距宽。 该厂房位于地表以下约570米的深处。
初始压力状态
调查画廊在21米高的厂房屋顶平行并垂直于其纵向轴线挖掘。 该厂房的最终布局绘制为虚线 图5考虑到整个管道系统的效率，例如压力钢管，通风管道和初始应力状态。 为了`确定厂房纵向轴线方向的初始设计，CCBO的岩石应力测量是在三个钻孔钻孔中进行的，
备注：X轴为东方向，Y轴为北，Z轴为垂直。
地点A，B和C. 图5。 因此，考虑到所测量的初始应力和
主要接头组的方向，发电厂的纵向轴线的方向从初始
布置方向N240E改变到最终一个N1050E [5–7].
测量结果总结在 表2。 表中描述了每个位置的结果，主
要方向绘制在下半球立体投影中 图6。 这些结果与其他
测量方法测得的结果几乎相同。 垂直应力组合在所有位
置的压力小于预期约15 MPa的上覆压力。 水平应力分量
是每个位置应力分量中最大的。 值得注意的是，大的应
力存在于东西方向的水平面上。
如图所示，主要幅度和方向被绘制为在水平面上彼此面
对的箭头 图5。 每个位置的水平应力状态具有相同的趋
势：最大水平应力的方向是东西方，尽管它们的方向不
同
每个位置的大小都不相同。 这一事实意味着这个地区没有发生重大地质不连续性改变最大水平应力的方向。 得出的结论是，压力的状态可以被认为是一致的。
诱导的压力测量
测试网站
如图所示，通往地下厂房的进场隧道在库房下方36米处挖掘 图7 [7,8]。 隧道横断面的宽度为6.6米，高为6.0米。 在隧道近场进行的一系列诱导应力测量是在其屋顶钻出的四个钻孔中进行的。 称为s-1，s-2，s-3，s-4的钻孔与隧道面之间的距离分别为14,15和16米。 对于s-1，井眼的仰角分别为760，s-2，s-4和870。 测量站的数量为13个，距隧道顶部1.2米。
覆盖期间的应变变化
图8 显示了在覆盖过程中锥形底面上的一系列应变变化的例子
由16个元素的圆锥形菌株监测。 er和ey分别是纵向和切
向应变，如图所示 图9。 这是井s-1中第四个测量站的结
果，称为s-14。 测量站的深度为1.14米
隧道墙。 横向轴是覆盖前进和应变测量圆的部分之间的
距离。 图中的数字表示粘贴在锥形钻孔底部表面上的应
变仪的数量。
所有情况下，应变通过应变测量圆的部分后，应变的变
化都很快。 在ey的变化中，应变随着覆盖的推进而平稳
地消除，然后在每个计量表中收敛到恒定值。 另一方面
，在er的变化中，在应变测量圆的截面中经历大的拉伸
应变并且它最终会收敛到恒定值。 然而，overcoring期
间的应变变化不是光滑的和一些经受的应变很大。 此外，
来自第15号仪表的数据发散。 显示了s-14的恢复核心
图10 可以在表面上观察到由于堆芯崩塌造成的裂缝。
因此，认为裂缝通过岩心掏槽渗透到井底表面。
N（Y）
2
W
3
S
1
E(X )
：地点A
：地点B
：地点C
x
zlt;
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