一种地下工程锚注质量评价方法.pdf

本发明公开了一种地下工程锚注质量评价方法，包括：注浆前数据采集：注浆后数据采集：根据注浆前后采集到的数据，分别计算注浆前后的钻孔取芯提高率K1、内摩擦角提高率K2、粘聚力提高率K3、残余强度提高率K4、波速提高率K5、松动范围缩小率K6、钻压提高率K7以及扭矩提高率K8；利用权重分析法，建立注浆前后岩体强度定量评价指标，对围岩锚注质量进行定量评价，并与现场锚注质量统计标准值进行比较。本发有益效果：本发明属于多因素综合评价方法，克服了传统单因素法准确性不高的缺点，使评价效果更具全面性、合理性。

1.  一种地下工程锚注质量评价方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1，注浆前数据采集：
步骤(1-1)，注浆前，对围岩进行钻孔取芯，计算围岩取芯率QXL；
步骤(1-2)，对所取岩芯试件进行三轴压缩试验，分别确定试件的内摩擦角粘聚力c以及残余强度σ_p；
步骤(1-3)，测出距离围岩表面不同深度的岩体波速a，得到围岩松动圈的范围d；
步骤(1-4)，分别得到钻头钻速v、转速N、扭矩M以及钻压P；
步骤2，注浆后数据采集：
注浆后，采用与步骤1相同的方法，分别得到与步骤1中相对应的注浆后的数据；
步骤3，围岩注浆前后岩体强度评价参数的确定：
根据步骤1和步骤2中注浆前后采集到的数据，分别计算注浆前后的钻孔取芯提高率K1、内摩擦角提高率K2、粘聚力提高率K3、残余强度提高率K4、波速提高率K5、松动范围缩小率K6、钻压提高率K7以及扭矩提高率K8；
步骤4，锚注质量定量评价：
基于步骤3中得到的围岩注浆前后岩体强度评价参数值，利用权重分析法，建立注浆前后岩体强度定量评价指标，对围岩锚注质量进行定量评价，并与现场锚注质量统计标准值进行比较。

2.  如权利要求1所述的一种地下工程锚注质量评价方法，其特征是，所述步骤(1-1)中，注浆前围岩钻孔取芯率具体为：
QXL＝X₁/X
其中，X₁为设定距离以上岩芯累计长度，X为钻孔长度。

3.  如权利要求1所述的一种地下工程锚注质量评价方法，其特征是，所述步骤(1-2)的具体方法为：
通过三轴压缩试验测得的三向主应力σ₁、σ₂、σ₃，以1/2×(σ₁-σ₃)为纵坐标，1/2×(σ₁+σ₃)为横坐标，将各点绘制在直角坐标轴上，然后采用最小二乘法拟合成最佳关系曲线；
在所述曲线上选择若干组对应值，其中每一个岩芯试样为一组，分别以每一应力组的1/2×(σ₁+σ₃)值为圆心，以1/2×(σ₁-σ₃)值为半径，在τ-σ图上绘制应力圆，并作这些圆的包络线，据此确定注浆前的围岩试件粘聚力c和内摩擦角同时根据应力-应变曲线得到围岩试 件的残余强度σ_p。

4.  如权利要求1所述的一种地下工程锚注质量评价方法，其特征是，所述步骤(1-3)的具体方法为：
在围岩上选取一定数量的测点，用声波探测仪在各测点测得岩体波速随深度变化的数据，并绘制出岩体波速随孔深变化的曲线，将某深度范围内岩体波速总体小于围岩破损波速临界值的深度定义为围岩松动圈范围di，其中i代表第i个测点，将各测点的围岩松动圈范围取均值得到平均围岩松动圈范围d；其中，围岩破损波速临界值根据工程经验和专家数据库资料确定。

5.  如权利要求1所述的一种地下工程锚注质量评价方法，其特征是，所述步骤(1-4)的具体方法为：
用带有角片钻头的静力旋切仪对围岩进行钻孔，记录当探头的钻速和转速不变时，扭矩和钻压的变化；
所述的钻速与转速、钻压的关系为：v＝R₁PN；钻速与转速、扭矩的关系为：v＝R₂MN；
其中，v为钻头钻速，N为转速，M为扭矩，P为钻压R₁、R₂分别为比例系数。

6.  如权利要求2-5所述的任一种地下工程锚注质量评价方法，其特征是，所述步骤2中，计算注浆后相应参数的方法与步骤1中相同，其中，
注浆后对围岩进行钻孔取芯时，选取与注浆前相同深度、相同位置处的试件；进行静力旋切时，钻头的钻速和转速与注浆前相同。

7.  如权利要求1所述的任一种地下工程锚注质量评价方法，其特征是，所述步骤3中，
钻孔取芯提高率为K₁＝(QXL′-QXL)/QXL；
围岩内摩擦角提高率为
粘聚力提高率K₃＝ΣB_3j(c′_j-c_j)/c_j，
残余强度提高率K₄＝ΣB_4j(σ′_pj-σ_pj)/σ_pj；
波速提高率K₅＝(a′-a)/a，
松动范围缩小率K₆＝(d-d′)/d；
钻压提高率K₇＝(P′-P)/P，
扭矩提高率K₈＝(M′-M)/M；
其中，B_2j、B_3j、B_4j分别为对应不同试件的相关系数，QXL、QXL′分别为注浆前、后围岩取芯率，分别为注浆前、后不同钻孔深度处试件的内摩擦角，c_j、c′_j分别为注浆前、后试件的粘聚力，σ_pj、σ′_pj分别为注浆前、后试件的残余强度，a、a′分别为注浆前、后围岩的波速平均值，d、d′分别为注浆前、后松动圈范围，P′、P分别为注浆前、后静力旋切仪的钻压，M′、M分别为注浆前、后静力旋切仪的扭矩。

8.  如权利要求1所述的任一种地下工程锚注质量评价方法，其特征是，所述步骤4中，通过加权得到围岩注浆前后岩体强度的综合评价指标K＝ΣC_iK_i，其中，C_i为权重系数，i＝1、2、…、8，其大小应根据围岩注浆前后岩体强度评价参数K₁～K₈的大小进行分配，且满足ΣC_k＝1；
将综合评价指标K值与地下工程现场锚注质量统计标准值K₀比较，定量评价锚注质量。

一种地下工程锚注质量评价方法
技术领域
本发明涉及注浆技术领域，尤其涉及一种地下工程锚注质量评价方法。
背景技术
注浆技术自从发明以来，已经广泛地应用于封堵涌水和改良地层，在基础建设的各个方面起到了良好的作用，用注浆处理各种岩土工程问题，已是很普遍的事情。例如：大坝灌浆加固及防水，建筑物基础托换，隧道及地铁工程，盾构隧道、基坑工程、管线保护等的跟踪注浆加固，竖井注浆，建井穿过含水层注浆，加固桥索支座岩体，其它特殊工程的应用。可以预料，随着各项建设事业的更大发展，对注浆技术的需求将与日俱增，它所发挥的作用亦将愈来愈大。因此，继续发展注浆技术，研究注浆理论和注浆检测方法具有重要意义。
新奥法在隧道等的构筑中起到显著功绩作用，把传统的结构工程概念，即“荷载-结构”模式转变为“荷载-部分围岩、支护”形式。新奥法认为围岩作为支护的一部分，共同承担荷载。基于此理论，注浆技术显得尤为重要，尤其是在软岩地质条件下，围岩松动不能起到很好的承载作用，但是注浆加固之后围岩裂隙被填充，围岩整体性好，可以给锚杆、锚索等提前很好的锚固力。但由于以往注浆检测技术不够完善，使注浆工程带有很大的盲目性和随意性。注浆加固过程中浆液扩散范围确定困难，同时由于注浆时地质情况复杂，计算参数选取困难等原因，无法得出较为合理的计算结果，更多是依靠经验来判断注浆的扩散范围，继而导致了一些注浆方案无法准确确定，更不能有效的检测围岩锚注效果。传统的检测方法手段落后、评价方法单一、无法定量等缺点，因此需要寻找一种有效的、合理的、定量的评价地下工程锚注质量的方法。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种地下工程锚注质量评价方法，该方法首次将静力旋切技术引入到围地下工程锚注质量评价中，避免了现场围岩破碎而无法取芯的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种地下工程锚注质量评价方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1，注浆前数据采集：
步骤(1-1)，注浆前，对围岩进行钻孔取芯，计算围岩取芯率QXL；
步骤(1-2)，对所取岩芯试件进行三轴压缩试验，分别确定试件的内摩擦角粘聚力 c以及残余强度σ_p；
步骤(1-3)，利用声波探测法测出距离围岩表面不同深度的岩体波速a，得到围岩松动圈的范围d；
步骤(1-4)，根据静力旋切技术得到钻头钻速v、转速N、扭矩M以及钻压P；
步骤2，注浆后数据采集：
注浆后，采用与步骤1相同的方法，分别得到与步骤1中相对应的注浆后的数据；
步骤3，围岩注浆前后岩体强度评价参数的确定：
根据步骤1和步骤2中注浆前后采集到的数据，分别计算注浆前后的钻孔取芯提高率K1、内摩擦角提高率K2、粘聚力提高率K3、残余强度提高率K4、波速提高率K5、松动范围缩小率K6、钻压提高率K7以及扭矩提高率K8；
步骤4，锚注质量定量评价：
基于步骤3中得到的围岩注浆前后岩体强度评价参数值，利用权重分析法，建立注浆前后岩体强度定量评价指标，对围岩锚注质量进行定量评价，并与现场锚注质量统计标准值进行比较。
所述步骤(1-1)中，注浆前围岩钻孔取芯率具体为：
QXL＝X₁/X
其中，X₁为设定距离以上岩芯累计长度，X为钻孔长度。
所述步骤(1-2)的具体方法为：
通过三轴压缩试验测得的三向主应力σ₁、σ₂、σ₃，以1/2×(σ₁-σ₃)为纵坐标，1/2×(σ₁+σ₃)为横坐标，将各点绘制在直角坐标轴上，然后采用最小二乘法拟合成最佳关系曲线；
在所述曲线上选择若干组对应值，其中每一个岩芯试样为一组，分别以每一应力组的1/2×(σ₁+σ₃)值为圆心，以1/2×(σ₁-σ₃)值为半径，在τ-σ图上绘制应力圆，并作这些圆的包络线，据此确定注浆前的围岩试件粘聚力c和内摩擦角同时根据应力-应变曲线得到围岩试件的残余强度σ_p。
所述步骤(1-3)的具体方法为：
在围岩上选取一定数量的测点，用声波探测仪在各测点测得岩体波速随深度变化的数据，并绘制出岩体波速随孔深变化的曲线，将某深度范围内岩体波速总体小于围岩破损波速临界值的深度定义为围岩松动圈范围di，其中i代表第i个测点，将各测点的围岩松动圈范围取均值得到平均围岩松动圈范围d；其中，围岩破损波速临界值根据工程经验和专家数据库资 料确定。
所述步骤(1-4)的具体方法为：
用带有角片钻头的静力旋切仪对围岩进行钻孔，记录当探头的钻速和转速不变时，扭矩和钻压的变化；
所述的钻速与转速、钻压的关系为：v＝R₁PN；钻速与转速、扭矩的关系为：v＝R₂MN；
其中，v为钻头钻速，N为转速，M为扭矩，P为钻压R₁、R₂分别为比例系数。
所述步骤2中，计算注浆后相应参数的方法与步骤1中相同，其中，
注浆后对围岩进行钻孔取芯时，选取与注浆前相同深度、相同位置处的试件；进行静力旋切时，钻头的钻速和转速与注浆前相同。
所述步骤3中，
钻孔取芯提高率为K₁＝(QXL′-QXL)/QXL；
围岩内摩擦角提高率为
粘聚力提高率K₃＝ΣB_3j(c′_j-c_j)/c_j，
残余强度提高率K₄＝ΣB_4j(σ′_pj-σ_pj)/σ_pj；
波速提高率K₅＝(a′-a)/a，
松动范围缩小率K₆＝(d-d′)/d；
钻压提高率K₇＝(P′-P)/P，
扭矩提高率K₈＝(M′-M)/M；
其中，B_2j、B_3j、B_4j分别为对应不同试件的相关系数，QXL、QXL′分别为注浆前、后围岩取芯率，分别为注浆前、后不同钻孔深度处试件的内摩擦角，c_j、c′_j分别为注浆前、后试件的粘聚力，σ_pj、σ′_pj分别为注浆前、后试件的残余强度，a、a′分别为注浆前、后围岩的波速平均值，d、d′分别为注浆前、后松动圈范围，P′、P分别为注浆前、后静力旋切仪的钻压，M′、M分别为注浆前、后静力旋切仪的扭矩。
所述步骤4中，通过加权得到围岩注浆前后岩体强度的综合评价指标K＝ΣC_iK_i，其中，C_i为权重系数，i＝1、2、…、8，其大小应根据围岩注浆前后岩体强度评价参数K₁～K₈的大小 进行分配，且满足ΣC_k＝1；
将综合评价指标K值与地下工程现场锚注质量统计标准值K₀比较，定量评价锚注质量。
本发明的有益效果是：
(1)本发明属于定量评价方法，与传统经验定性分析方法相比更具科学性。本发明首次将静力旋切技术引入到围地下工程锚注质量评价中，避免了现场围岩破碎而无法取芯的缺陷，并可同步获得岩体力学参数，检测手段先进，评价方法更具新颖性。
(2)本发明属于多因素综合评价方法，克服了传统单因素法准确性不高的缺点，使评价效果更具全面性、合理性。
附图说明
图1为本发明锚注质量评价流程示意图；
图2为本发明围岩钻孔布置断面示意图；
图3为本发明钻孔取芯所得岩芯示意图；
图4为本发明声波探测示意图；
图5为本发明静力旋切示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
本发明基于围岩钻孔取芯、三轴压缩试验、声波探测及静力旋切四种研究手段，分别统计分析得到围岩钻孔取芯提高率、内摩擦角提高率、粘聚力提高率、残余强度提高率、波速提高率、松动范围缩小率、钻压提高率、扭矩提高率等参数，并通过权重分析法，对注浆前后岩体强度进行综合定量分析，建立岩体强度定量评价指标，可对地下工程围岩锚注效果进行科学合理评价。
如图1所示，本发明采用如下实施方案：
第一步：注浆前后围岩探测方案设计；
根据地下洞室现场地质条件、断面尺寸及注浆参数，设计注浆前后围岩检测方案，确定钻孔个数、方位、直径、深度、探测区域长度、高度等参数，并在不同断面布置n个钻孔。如图2所示，①～⑨为围岩钻孔编号。
第二步：注浆前数据采集；
采用金刚石钻头和双层岩芯管在围岩中钻进，并连续取芯，统计取芯长度，并计算围岩取芯率QXL；在室内进行围岩试件的三轴压缩试验，计算试件的内摩擦角粘聚力c以及 残余强度σ_p；利用声波探测法测出距离围岩表面不同深度的岩体波速，作出深度和波速曲线，将某深度范围内波速总体小于围岩破损波速临界值的深度定义为围岩松动圈范围di，其中i代表第i个测点，将各测点的围岩松动圈范围取均值得到平均围岩松动圈范围d；其中，围岩破损波速临界值根据工程经验和专家数据库资料确定。同时根据静力旋切仪显示的钻头钻速v、转速N、扭矩M、钻压P之间的相互关系来检测注浆前后岩体的强度，从而评价锚注质量。
A、注浆前围岩钻孔取芯，图3为所得岩芯示意图，X为钻孔长度，X₁为每一个岩芯试件的长度。用金刚石钻头和双层岩芯管在围岩中钻进，连续取芯，回次钻进所取岩芯中，长度≥3cm岩芯段长度之和为X₁，长度≥10cm的岩芯段取出在实验室做三轴压缩实验，记录围岩取芯率为QXL＝X₁/X。
B、三轴压缩试验；
选取注浆前后相同深度、相同位置处的试件，通过三轴压缩试验测得的σ₁、σ₂、σ₃，以1/2×(σ₁-σ₃)为纵坐标，1/2×(σ₁+σ₃)为横坐标，将各点绘制在直角坐标轴上，然后采用最小二乘法绘制成最佳关系曲线。在此曲线上，选择若干组对应值，其中每一个岩芯试样为一组，以每一应力组的1/2×(σ₁+σ₃)值为圆心，以1/2×(σ₁-σ₃)值为半径，在τ-σ图上绘制应力圆，并作这些圆的包络线，据此确定注浆前后的粘聚力和内摩擦角分别为c、和c′、同时从试验机上呈现的应力-应变曲线可以得到试件注浆前后的残余强度σ_p和σ_p′。
C、静力旋切，静力旋切示意图如图5所示。其表示静力旋切仪在钻孔过程中钻速、转速、扭矩、钻压随钻孔深度和岩石类别变化的过程。
根据静力旋切仪显示的钻头钻速v、转速N、扭矩M、钻压P之间的相互关系来检测注浆效果。所述的钻速与转速和钻压的关系公式为v＝R₁PN，钻速与转速和扭矩的关系公式为v＝R₂MN。在钻头钻速和转速都相同的条件下，注浆前后的钻压和扭矩分别记做P、M和P’、M’。
D、声波探测，声波探测示意图如图4所示，其中发声探头发射声波，由接受探头接受，声波的传播速度与岩体的破碎度相关，岩体越破碎传播速度越慢，通过此设备可以通过测量声波在岩体中的传播速度来测量岩石松动圈的范围；
①钻孔扫眼。清除孔中岩粉和碎石碴等杂物；
②声波探头送至孔底，将封孔器插入孔口并固定好；
③钻孔内注满水；
④测试读数。将探头从孔底向外逐次抽动固定距离，读数计时；
⑤检查记录数据，决定是否复测。
第三步：注浆后数据采集。
进行与第二步一致的监测，并记录相对应的数据，与注浆前数据进行对比。
第四步：注浆前后岩体强度定量分析。
根据第二步、第三步所获得的数据，可求得注浆前后钻孔取芯提高率为K₁＝(QXL′-QXL)/QXL，围岩内摩擦角提高率为粘聚力提高率K₃＝ΣB_3j(c′_j-c_j)/c_j，残余强度提高率K₄＝ΣB_4j(σ′_pj-σ_pj)/σ_pj；所述的波速提高率K₅＝(a′-a)/a，松动范围缩小率K₆＝(d-d′)/d；所述钻压提高率K₇＝(P′-P)/P，扭矩提高率K₈＝(M′-M)/M。
其中，B_2j、B_3j、B_4j为对应不同试件的相关系数，QXL、QXL′分别为注浆前后围岩取芯率，分别为注浆前后不同钻孔深度处试件的内摩擦角，c_j、c′_j分别为注浆前后试件的粘聚力，σ_pj、σ′_pj分别为注浆前后试件的残余强度，a、a′分别为注浆前后围岩的波速，d、d′分别为注浆前后松动圈范围，P′、P分别为注浆前后静力旋切仪的钻压，M′、M分别为注浆前后静力旋切仪的扭矩。
第五步：锚注质量定量评价。
锚注质量定量评价，是通过加权得到围岩注浆前后岩体强度的综合评价指标K＝ΣC_iK_i，并将K值与某具体地下工程现场锚注质量统计标准值K₀比较，即可定量评价锚注质量。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。