岩体加固钻孔参数的选择方法
专利名称：岩体加固钻孔参数的选择方法
技术领域：
本发明涉及土木工程和计算机应用技术领域，特别涉及一种岩体加固钻孔参数的选择方法。
背景技术：
目前，在水利水电、公路、铁路、矿山、隧洞和建筑等工程中，为保证基岩或围岩的稳定和施工安全，在对工程岩体进行灌浆、排水和锚固之前，都要在岩体上进行钻孔。常规的钻孔布置方法是在岩面上，大多是等孔向、等孔距、等排距和等孔深的布置钻孔(国内外都是如此)。这样布置的岩体加固钻孔的严重缺陷是加固钻孔很少与透水、透浆裂隙面相交，因而必然造成大量的无效岩体加固钻孔。
发明内容
本发明的目的是克服上述的缺陷，提供一种质量可靠，可以杜绝无效加固钻孔，最大限度地缩短施工周期，节省工程投资的岩体加固钻孔参数的选择方法。
本发明岩体加固钻孔参数的选择方法，采用计算机及其输入、输出设备，完成在施工前对岩体加固钻孔的布置，其中包括钻孔的方向和钻孔的位置，其步骤是步骤1，确定水文地质单元根据岩体加固区的地形地貌、地层岩性、地质构造和水文地质条件，确定加固水文地质条件相近的岩体为同一单元；步骤2，选择岩体加固工程的种类根据被加固工程的加固表面形状，确定其加固工程的种类及其亚类；步骤3，确定裂隙发育程度的相对均质区在同一水文地质单元中，按裂隙产状、隙宽及岩性特点，确定裂隙发育程度相近的相对均质区；步骤4，裂隙发育程度的数据输入与计算处理对确定的被加固工程，输入四个计算参数，即裂隙产状及裂隙宽度、隧洞及最佳加固钻孔的倾角、竖井及隧洞的洞井壁走向、裂隙控制变量1或0，并进行相应的计算处理；
步骤5，输出对加固钻孔方向的计算处理结果，获取加固钻孔的效益系数并将全方位的比选钻孔效益系数表示在裂隙极点图上；步骤6，改变输入裂隙的条数，对相对均质区效益系数变化的大小进行判断，即将效益系数与前已计算的效益系数进行比较，直至两者没有较大变化时为止；步骤7，选择建筑物地基及其围岩的岩性种类；步骤8，裂隙产状和规模指标数据输入与计算处理对确定的建筑物地基与围岩，输入裂隙产状和裂隙走向长度和倾向长度并进行相应的计算处理；步骤9，输出建筑物加固钻孔位置的计算处理结果，获取加固钻孔的加固钻孔的影响半径、孔口间距、孔排距三指标，对于隧洞建筑物还输出孔口的竖间距，以及裂隙长度累计频率，并绘制加固钻孔三维布置似极点图；步骤10，根据步骤6和步骤9，给出在岩体加固施工中钻孔方向和位置的参数和说明。
本发明岩体加固钻孔参数的选择方法，其中确定所述裂隙发育程度相对均质区的步骤是首先将某一试算区的所有裂隙产状及隙宽参数输入到计算机中，获取一组岩体加固钻孔的优选矢量；然后调整相对均质区的面积，增加和/或减少若干组裂隙产状及隙宽参数，将计算的效益系数与前已计算的效益系数进行比较，直到对计算的效益系数无明显变化时为止，这时确定的相对均质区，为最终确定的相对均质区。
本发明岩体加固钻孔参数的选择方法，其中确定所述效益系数的方法是将优选的加固钻孔穿越裂隙的系数与常规加固钻孔穿越裂隙的系数相比，以其比值作为比选加固钻孔穿越裂隙能力大小的标志并输出计算处理结果。
本发明岩体加固钻孔参数的选择方法，其中对平、斜面岩体或开挖平、斜面岩体，确定岩体加固钻孔的优选矢量的方法是以常规的铅直加固钻孔作为比选加固钻孔圆锥体的中轴，即作为标准加固钻孔，其它所有比选加固钻孔与其共有一个圆锥顶，其三维位置矢量用加固钻孔方位和倾角来表示，其位置用圆周角度表示。
本发明岩体加固钻孔参数的选择方法，其中对曲面开挖岩体，确定岩体加固钻孔的优选矢量的方法是以常规的铅直加固钻孔作为比选加固钻孔圆锥体的中轴，即作为标准加固钻孔，其它所有比选加固钻孔与其共有一个顶端，然后将比选加固钻孔按照等差方位和等差倾角分成上下、左右若干层，其位置用圆周角度表示。
本发明岩体加固钻孔参数的选择方法，其中在平、斜面开挖面或天然平、斜面上，确定加固钻孔孔向、孔口间距、孔口排距三指标的方法是首先把比选钻孔设计成圆锥孔群；其次是计算出较优孔向；第三是计算各裂隙面在垂直较优孔向方向上的投影长度；最后计算出各裂隙面的累计频率长度，并据此确定所述孔口间距和孔口排距。
本发明岩体加固钻孔参数的选择方法，其中在开挖成曲面的岩面上，确定加固钻孔孔向、孔口间距、孔口排距和孔口竖间距的方法是首先把比选钻孔定位在圆周面上，计算出较优孔向；再计算各裂隙面在与较优孔向垂直方向上的投影长度和各裂隙面的累计频率长度；最后按孔距小于某一累计频率长度的原则确定所述各孔距。
本发明岩体加固钻孔参数的选择方法，其中布置所述加固钻孔方向和位置的方法是用似极点图表示其三维尺度，即在圆周上，用圆周角表示加固钻孔的孔口位置；用以外圆周为零，圆心为90度的各个极点来表示加固钻孔的三维矢量；以极径表示倾角。
本发明岩体加固钻孔参数的选择方法的有益效果是在保证质量的前提条件下，可以杜绝无效加固钻孔，最大限度地缩短施工周期，节省工程投资。
下面将结合实施例子，并参照附图对本发明进行较为详细地说明。
图1是本发明的方法中75条裂隙时的效益系数极点图；图2是本发明的方法中66条裂隙时的效益系数极点图；图3是本发明的方法中84条裂隙时的效益系数极点图；图4-A和图4-B是本发明岩体加固钻孔参数的选择方法的流程图；图5是本发明的方法中裂隙极点图；图6是本发明的方法中比选钻孔矢量平面示意图；图7是本发明的方法中斜孔效益系数图(不考虑隙宽)；图8是本发明的方法中斜孔效益系数图(考虑隙宽)；图9是本发明的方法中ω＜90°且γ’＜θ的情况示意图；
图10是本发明的方法中裂隙面的真倾角与假倾角的关系示意图；图11是本发明的方法中用似极点图表示加固钻孔三维位置的示意图。
具体实施例方式
本发明技术方案的基本出发点是，加固钻孔尽可能多地穿越透水、透浆裂隙面，体现为首先，根据被加固岩体的地质勘探资料，包括地质调查或施工地质调查等方法搜集到的有关透水、透浆结构面(主要是裂隙)的产状、出露线长度及其与投影面(壁)或投影线的关系等资料，找出不连续面(主要为裂隙面)发育程度相对均质区，在每一个相对均质区内，任选一个调查点，通过该调查点拟定m个剖面，在其中任意一个剖面内，设定n个不同倾角的辐射线.m和n值的大小，决定于计算精度。从m×n个辐射线中，计算出穿越透水、透浆裂隙面较多的一些加固钻孔的效益系数(优选孔穿越裂隙系数与常规孔穿越裂隙系数之比值).在考虑设计要求和施工方便等因素之后，从中选择合适的一组射线(矢量)作为岩体加固钻孔的矢量。
其次，岩体加固影响区的大小，决定于裂隙面积的大小。利用裂隙出露线的特征值，可以测量和计算出每条裂隙的面积，简称为岩体加固钻孔的可能影响半径。根据块状岩体裂隙面的不同形状，找出穿越较多裂隙的矢量(倾向和倾角)，浆液可能扩散半径，锚固影响范围，地下水排水最小影响半径，确定加固钻孔孔口间距、孔口排距和孔口竖间距都小于个裂隙面在加固方向上的投影长度和投影长度的累计出现频率。
下面，参照图4-A和图4-B并通过本发明岩体加固钻孔参数的选择方法的实施例，以及计算机及其输入、输出设备，详细说明如何完成在施工前对岩体加固钻孔的布置，其中包括钻孔的方向和钻孔的位置两个方面。
实施例一主要说明相对均质区的划分方法。
在河南省南阳回龙抽水蓄能电站的坝基内，根据hui-32段中裂隙的透水、透浆条件，初拟为一个相对均质区(步骤3)，现分三步试算如下1.计算75条裂隙时的效益系数1)抽水蓄能电站的坝基加固区裂隙基本资料见表1
表1 回龙抽水蓄能电站坝基加固区75条裂隙统计表
2)75条裂隙时的效益系数计算结果见表2本次计算输入的节理、裂隙数据文件名为D\针对性加固\REll01\hui-32，计算采用的斜孔倾角AA和控制变MM分别为70 0
表2 75条裂隙时的效益系数计算结果表
3)所得75条裂隙时的效益系数极点图参照图1。
2.计算66条裂隙时的效益系数1)计算66条裂隙时的效益系数结果见表3本次计算输入的节理、裂隙数据文件名为D\针对性加固\REl101\hui-B，计算采用的斜孔倾角AA和控制变量MM分别为70 0
表3 66条裂隙时的效益系数结果表
2)66条裂隙时的效益系数极点图参照图2。
3)计算结果分析采用hui-32初拟相对均质区内分布的75条裂隙进行计算，其效益系数为1.84；如果从该区的前部或后部，减去9条裂隙，即初拟hui-A相对均质区，按66条裂隙进行计算，其效益系数为1.85。说明初拟相对均质区也可以再小些。
3.计算84条裂隙时的效益系数在hui-32初拟相对均质区内分布的75条裂隙(见表1)的基础上，从该区的前部或后部，再扩大一些范围，即加上9条裂隙，该区编号为hui-A，按84条裂隙计算效益系数，其计算结果如下1)84条裂隙时的效益系数计算结果见表4本次计算输入的节理、裂隙数据文件名为D\针对性加固\REll01\hui-A，计算采用的斜孔倾角AA和控制变量MM分别为70 0表4 84条裂隙的效益系数计算结果表
2)84条裂隙时的效益系数极点图参照图3。
4.计算资料分析采用hui-32初拟相对均质区内分布的75条裂隙进行计算，其效益系数为1.84；如果从该区的前部或后部，减去9条裂隙，即初拟hui-B相对均质区按66条裂隙进行计算，其效益系数为1.85。说明初拟相对均质区也可以再小些。
在hui-32初拟相对均质区内分布的75条裂隙(见表1)的基础上，从该区的前部或后部，再扩大一些范围，即加上9条裂隙，该区编号为hui-A，按84条裂隙计算效益系数为1.73。说明初拟相对均质区再大些，将会引起较大的计算误差。
一般来说，只要不引起较大的计算误差，相对均区划分得越大越好。因此，hui-32初拟相对均质区的大小范围划分得是合适的，可以最后确定为一个相对均质区。
实施例二主要说明计算钻孔最优孔向方法。
本实施例子为小浪底大坝左坝肩单薄分水岭斜孔灌浆工程的一部分。用常规方法(铅直钻孔)灌浆，需要排距2m、孔距1m的灌浆量才能达到工程的防渗要求。采用发明者的如下方法，可以获得很高的效益单薄分水岭属于同一个水文地质单元(步骤1)。岩体加固工程分类为铅直帷幕(斜孔灌浆)加固(步骤2)。加固段在4#灌浆廊道内，经试算证明为同一个相对均质区(步骤3)。该均质区内发育分布有51条裂隙，见表5表5裂隙产状及裂隙宽度表(51条裂隙)裂隙倾向 裂隙倾角 裂隙隙宽 裂隙倾向 裂隙倾角 裂隙隙宽(度) (度) (mm) (度) (度) (mm)250 801 170 841225 801 170 831255 801 ……数据输入和进行计算处理(步骤4)1)裂隙数据，即表5所列内容；2)根据施工方便的要求，加固钻孔倾角为60度；3)控制变量输入0，表示计算结果不考虑隙宽；控制变量输入1，表示计算结果考虑了裂隙宽度参数。
从获取的图5裂隙极点图中可以看出，裂隙大部分倾向南。图7为不考虑隙宽的斜孔效益系数图，图8为考虑隙宽的斜孔效益系数图(步骤5)。下面以步骤5、6为重点，对效益系数图的获取做出说明1)岩体加固钻孔的效益系数最优工程灌浆钻孔矢量是吸浆量最多的矢量；最优基岩地下水排水钻孔矢量是排水最多的钻孔矢量；最优基岩锚固矢量是锚固裂隙最多的钻孔矢量。也就是说，要达到最优岩体加固效果就要找出可以穿裂隙最多的钻孔矢量作为岩体加固的矢量。常规岩体加固钻孔矢量，多随加固岩体开挖面的变化而变化，即加固钻孔多与开挖面成垂直方向布置。用新方法比选出来的最优钻孔矢量所穿裂隙隙间厚度，与用常规钻孔穿过的裂隙隙间厚度之比为优选加固钻孔的效益系数。效益系数的物理意义是优选的岩体加固钻孔矢量的效益系数愈大，优选矢量钻孔穿裂隙的能力也愈大，反之就愈小。效益系数是评价优选钻孔穿裂隙能力大小的一项评价指标。优选的钻孔矢量可以是三维空间内的任意矢量，对任意一个矢量，都可以计算出它穿越裂隙的能力系数(效益系数)。利用软件包，可以计算出三维空间内任意一个钻孔矢量的效益系数，并可把全部比选钻孔矢量的效益系数绘成效益系数极点图，以全面地、形象地把计算结果表示出来。对于固结灌浆，常规钻孔几乎都是垂直钻孔，而优选的钻孔矢量则有可能是斜孔。一般来说，斜孔灌浆比铅直孔灌浆要增加一些难度，因而对于这样的加固钻孔，有一个经济斜度问题。从计算结果而言，最优矢量(倾角)只有一个，但具体到某一施工单位的技术水平，设备能力来说，由于钻孔斜度的增加，其施工难度也增加，投资也随之增加；反过来，如若使其斜度改陡，这将使效益系数变小，达不到最佳加固效果。因此，在工作中还会遇到经济斜度问题。钻斜孔的每米造价，减去斜孔施工难度增加的造价后为最低造价时，即为经济斜度。在大多数情况下，经济斜度为65度左右。对于边坡、部分防渗帷幕和排水钻孔，隧洞和竖井的岩体加固钻孔，常规与优选的加固钻孔，都为斜孔，并不存在经济斜度问题。也就是说，优选的钻孔矢量，并不增加施钻的难度。
2)下半球体不同矢量的定位方法参照图6的比选钻孔矢量平面示意图，切一个通过任一研究质点的水平面，以质点为圆心，向圆周水平辐射。如果以10度为单位，从零度开始，到360度画辐射线。然后沿每一个辐射线都可以切一个剖面，从圆心点，沿剖面作辐射线，从水平线开始到垂线，可以有9条辐射线。将平、剖面辐射线予以组合，可以有324套组合。每一套组合可以用矢量表示。
如果把每一辐射线作为加固比选钻孔的矢量，我们可以有324套加固比选钻孔的矢量。如把每5°作为划分辐射线的单位，我们可以组合成1296套加固比选钻孔的矢量；如果把每1°作为划分辐射线的单位，我们可以组合成32400套加固比选钻孔的矢量，然后，将地质结构面的倾向、倾角、裂隙宽度三要素输入到向软件包中，即可求得每一加固比较钻孔所能穿越裂隙的能力。如果把比较钻孔穿越裂隙的能力作为x，把常规钻孔穿越裂隙的能力作为1，我们把两者的比值称为效益系数。如果没有其它条件约束，我们可以选择效益系数最大者作为加固钻孔的矢量。这样我们就可以获得最佳的岩体加固效果。比选钻孔矢量主要有比选钻孔的倾向、倾向来确定。这里的矢量长度并无意义。因此可以从岩体裂隙相对均质区内的某一点定为球心，以某一定长度的比选钻孔矢量为半径，画一圆球体，相当于地球体。从地球体赤道处切出一个水平面。地球体分为上半球与下半球两部分。如果知道了下半球的径向矢量，也就知道了上半球的径向矢量(根据上半球的径向仰角与下半球的径向倾向相反，两者相差180°上半球径向仰角与下半球的径向倾角绝对值相等的道理)，也就知道了上半球的径向矢量。也就是说，只要下(上)半球的径向方位定下来，也就是把上(下)半球径向方位确定了下来。从平面岩体表面向下的各比选钻孔，构成了一个尖端向上的锥体，只有比选孔为零度时，才构成一个平面圆(为锥体的特例)。
3)计算效益系数的公式斜孔穿越的裂隙倾向与斜孔倾向之间的夹角ω＜90°且γ’＜θ的情况参照图9的ω＜90°且γ’＜θ的情况示意图，AD、BC为同组相临两个裂隙面，与斜孔所在剖面的交线；AE为铅直钻孔；AC为斜孔，在直角三角形ABC中，sin ∠ACB＝sin(θ-γ’)sin(θ-γ’)＝h/h’h＝h’sin(θ-γ’)……………(5-1)可以看到，ACD面-裂隙面；BCD面-水平面；DC垂直于BC，AC、AD-剖面线；参照图10的裂隙面的真倾角与假倾角的关系示图可以看出BC-ACB剖面与水平面的交线；BD--ADB剖面与水平面的交线；ω-BC与BD的夹角，在直角三角形ABC中，tanγ＝AB/BCBC＝AB/tanγ……………………(5-2)在直角三角形中ABD中tan γ’＝AB/BD
BD＝AB/tanγ’……………………………………(5-3)在直角三角形BCD中cosω＝BC/BD………………………………………(5-4)将(3-2)式、(3-3)式代入(3-4)式，可得cosω＝(AB/tanγ)÷(AB/tanγ’)tanγ’＝cosω.tanγ …………(5-5)γ’＝tan-1(cosω.tanγ) ……………………(5-6)将(3-6)式代入(3-1)式，可得h’＝h/sin[θ-tan-1(cosω.tanγ)] ……(5-7)从图4可以看到cosγ’＝h/h”h”＝h/cosγ’ ………………(5-8)将(3-7)式代入(3-8)式，可得h”＝h/cos[tan-1(cosω.tanγ)]…………(5-9)(3-9)式与(3-7)式之比值，用η表示，可得η＝sin[θ-tan-1(cosω.tanγ)]/cos[tan-1(sosω.tan)]……(5-10)η表征斜孔比铅直孔穿越裂隙面的能力。可称η为斜孔的效益系数。
系列公式中使用的参数有h一同组相临两裂隙面之间的法向距离；h’一斜孔穿越同组相临两裂隙面之间的斜距离；h”一铅直孔穿越同组相临两裂隙面之间的铅直距离(重力方向)；α一裂隙真倾角；γ′一某一矢量的斜孔所穿裂隙面的视倾角；ω一斜孔倾向与裂隙面倾向之间的夹角；θ一斜孔倾角；η一同组相临两个裂隙面之间，某一斜孔的斜距离与铅直距离之比值。
4)计算结果资料分析从图7和图8中可以看出最优孔向为北西350度，倾角60度。如果不考虑裂隙隙宽的影响，比选钻孔的效益系数为3.39；如果考虑裂隙隙宽的影响，比选钻孔的效益系数为3.09。该例已考虑了裂隙隙宽的影响，因此，效益系数应为3.09。这也就是说，新发明的方法比国内外现用的传统方法，在同一钻孔深度的情况下，可多穿越2.09倍的裂隙数量。这样可以确保质量，可以降低67.6％的工程量，也可以缩短67.6％的工期。
实施例三主要说明计算加固钻孔的孔间距、孔排距和加固钻孔影响半径的方法。
1)用新方法计算计算河南省南阳回龙抽水蓄能电站，坝基垂直防渗帷幕的灌浆钻孔的影响半径(R)、孔口间距(Lksp)和孔排距(Lkpai)。
建筑物地基及其围岩的岩性划分为坝闸块状基岩(步骤7)。优选钻孔倾角60度时，其输入计算程序中的指标和计算指标见表6(步骤8)。
表6 计算R、Lksp、Lkpai结果表H′L′γL1 θ α RLksp Lkpai(m)(m)(度) (m)(度) (度) (m) (m) (m)0.15.1931.2608932.5619.392.950.16.9700.1608559.5639.7435.240.12.2631.060856.10 3.75 4.790.17.3600.3608766.6642.3557.661.05.9601.660604.85 3.98 4.201.43.6531.560301.86 0.59 1.932.06.6602.060453.72 2.60 3.222.26.3930.360303.36 3.88 0.300.52.4631.060601.69 1.01 1.330.93.7531.060302.36 1.85 2.451.76.9601.760454.35 3.68 3.760.16.5750.7608552.8635.0423.671.16.3752.260605.06 4.06 2.272)计算R、Lksp、Lkpai的公式a计算R公式R＝L/4.sin β.cos β，
其中L＝L’sinω’/sin[tan-1(_0.89tanω’)]；β＝tan-1{tanβ’/tanω’.sin[tan-1(0.89tanω’)]}。
其中β’＝tan-(H’/0.5L’。)b计算Lksp公式Lksp＝{R’.sin[γ-sin(L1sinγ./R’)]×cos|90□-θ-tan[tanα×sinγ)|]÷(sinγ×sinθ)c计算Lkpai公式Lkpai＝1.73R’cosγ。
上述各式中的符号含义R’-无需修正的裂隙圆面半径L’-在图上直接测量的弧形裂隙出露弦的长度β’-在图上直接测量的弧形裂隙出露的β角h’-在图上直接测量的弧形裂隙出露拱高L2’-无需修正的岩性层裂隙的倾向长度ω’-在图上直接测量的出露裂隙的倾向与投影面的夹角R-修正后的裂隙圆面半径L-修正后的弧形裂隙出露弦的长度β-修正后的弧形裂隙出露的β角h-修正后的弧形裂隙出露拱高L1-裂隙中点到剖面线之间的距离3)计算裂隙在孔距方向上出现的累计频率(步骤9)孔口距方向上各级裂隙投影长度排序结果0.59、1.01、1.85、2.60、3.68、3.75、3.88、3.98、4.06、19.3、35.04、39.74、42.35。
孔排距方向上各级裂隙投影长度排序结果0.30、1.33、1.93、2.27、2.45、2.95、3.22、3.76、4.20、4.79、23.67、35.24、57.66。
加固钻孔的影响半径排序结果0.30、1.33、1.93、2.27、2.45、2.95、3.22、3.76、4.20、4.79、23.67、35.24、57.66。
孔口距方向上各级裂隙投影长度出现的累计频率＞0m＞1m ＞2m ＞3m ＞m ＞5m＞6m ＞7m100％ 92.3％ 76.9％ 69.2％38.5％ 30.8％ 30.8％ 30.8％孔排距方向上各级裂隙投影长度出现的累计频率＞0m＞1m ＞2m ＞3m ＞4m ＞5m＞6m ＞7m100％ 92.3％ 76.9％ 53.8％8 38.5％ 23％23％ 23％各级加固钻孔影响半径出现的累计频率＞1 ＞2＞3 ＞4 ＞5 ＞6 ＞7m92.3％ 76.9.0％ 53.8％38.5％23.0％23.0％23.0％4)用用传统方法计算用常规加固钻孔倾角90时计算的孔间距和累计频率。
孔口距方向上各级裂隙投影长度排序结果0.47 0.53 0.55 0.57 1.46 1.73 2.06 2.14 2.45 2.91 4.02 4.75 5.52.
孔口距方向上各级裂隙投影长度出现的累计频率＞0m＞1m＞2m ＞3m＞m＞5m＞6m＞7m100％69％54％23％23％8％0％ 0％5)算结果资料分析(步骤10)a任何孔间距，只要小于加固方向上裂隙投影长度的某一累计频率，加固钻孔都可以穿越某一累计频率内的所有裂隙；b不管用任何加固方法，都应达到同样的加固效果。新方法和传统方法都可以穿越某一累计频率(69％-69.2％)的裂隙，但传统方法的孔间距为1m，而新方法的孔距可以扩大到3m。也就是说，新方法不仅可以保证质量，而且可以节省2/3的投资和缩短2/3的施工工期。
总之，用本发明的计算加固钻孔最优孔向，可以提高效益67.6％；用本发明的计算加固钻孔最优孔距，可以提高效益66.6％。在保证质量的前提条件下，可最大限度地缩短施工周期，节省工程投资以及杜绝无效加固钻孔。
实施例四主要说明用似极点图表示加固钻孔三维位置的方法(步骤9)。
1.竖井平切剖面上三维钻孔的表示方法平切剖面的方位与一般的三维方位相同，利用圆周的360°方位，可以表示各个三维加固钻孔的方位，如350度孔位点，用0点表示，并旁注孔序号1-10；各个序号加固钻孔的矢量用①-⑩点号表示。例如圆周45°、135°、225°、315°用似极点图表示加固钻孔三维位置。参照图11，它们的顺序编号分别为1、2、3和4。1号孔、2号孔、3号孔和4号孔的矢量分别是25°∠20°用①表示、145°∠30°用②表示、55°∠10°用③表示、125°∠10°用④表示。
2.垂直隧洞轴向的横切面上三维钻孔的表示方法垂直隧洞轴向的横切面，隧洞顶拱最高点为0°点，面向上游，左侧为左侧壁，右侧为右侧壁。底拱最低点为180°点。左侧壁的中点为270°点，右侧壁的中点为90°点。这样，可将竖直的隧洞横切面，均分为360°。分布在竖直圆周上的孔位孔口点，用点位表示，如用“分布于45°点上的孔口”的描述方法予以描述。其余表示方法与竖井的描述方法完全相同。
权利要求
1.岩体加固钻孔参数的选择方法，其特征在于采用计算机及其输入、输出设备，完成在施工前对岩体加固钻孔的布置，其中包括钻孔的方向和钻孔的位置，其步骤是步骤1，确定水文地质单元根据岩体加固区的地形地貌、地层岩性、地质构造和水文地质条件，确定加固水文地质条件相近的岩体为同一单元；步骤2，选择岩体加固工程的种类根据被加固工程的加固表面形状，确定其加固工程的种类及其亚类；步骤3，确定裂隙发育程度的相对均质区在同一水文地质单元中，按裂隙产状、隙宽及岩性特点，确定裂隙发育程度相近的为相对均质区；步骤4，裂隙发育程度的数据输入与计算处理对确定的被加固工程，输入四个计算参数，包括裂隙产状及裂隙宽度、隧洞及最佳加固钻孔的倾角、竖井及隧洞的洞井壁走向、裂隙控制变量1或0并进行相应的计算处理；步骤5，输出对加固钻孔方向的计算处理结果，获取加固钻孔的效益系数并将全方位比选钻孔效益系数表示在裂隙极点图上；步骤6，改变裂隙发育程度的计算的四个参数，对相对均质区效益系数变化的大小进行判断，即将效益系数与前一个效益系数比较，直至两者没有较大变化时为止；步骤7，选择建筑物地基及其围岩的岩性种类；步骤8，裂隙产状和规模指标数据输入与计算处理对确定的建筑物地基与围岩，输入裂隙产状和裂隙走向长度和倾向长度并进行相应的计算处理；步骤9，输出建筑物加固钻孔位置的计算处理结果，获取加固钻孔的加固钻孔的影响半径、孔口间距、孔排距三指标，对于隧洞建筑物还输出孔口的竖间距，以及裂隙长度累计频率，并绘制加固钻孔三维布置似极点图；步骤10，根据步骤6和步骤9，给出在岩体加固施工中钻孔方向和位置的参数和说明。
2.根据权利要求1所述的岩体加固钻孔参数的选择方法，其中确定所述裂隙发育程度相对均质区的步骤是首先将某一试算区的所有裂隙产状及隙宽参数输入到计算机中，获取一组岩体加固钻孔的优选矢量；然后调整相对均质区的面积，增加和/或减少若干组裂隙产状及隙宽参数，将再计算的效益系数与前已计算的效益系数相比较，直到效益系数无明显变化时为止。
3.根据权利要求1或2所述的岩体加固钻孔参数的选择方法，其中确定所述效益系数的方法是将优选的加固钻孔穿越裂隙的系数与常规加固钻孔穿越裂隙的系数相比，以其比值作为比选加固钻孔穿越裂隙能力大小的标志并输出计算处理结果。
4.根据权利要求3所述的岩体加固钻孔参数的选择方法，其中对平、斜面岩体或开挖平、斜面岩体，确定岩体加固钻孔的优选矢量的方法是以常规的铅直加固钻孔作为比选加固钻孔圆锥体的中轴，即作为标准加固钻孔，其它所有比选加固钻孔与其共有一个圆锥顶，其三维位置矢量用加固钻孔方位和倾角来表示，其位置用圆周角度表示。
5.根据权利要求3所述的岩体加固钻孔参数的选择方法，其中对曲面开挖岩体，确定岩体加固钻孔的优选矢量的方法是以常规的铅直加固钻孔作为比选加固钻孔圆锥体的中轴，即作为标准加固钻孔，其它所有比选加固钻孔与其共有一个顶端，然后将比选加固钻孔按照等差方位和等差倾角分成上下、左右若干层，其位置用圆周角度表示。
6.根据权利要求4或5所述的岩体加固钻孔参数的选择方法，其中在平、斜面开挖面或天然平、斜面上，确定加固钻孔孔向、孔口间距、孔口排距三指标的方法是首先把比选钻孔设计成圆锥孔群；其次是计算出较优孔向；第三是计算各裂隙面在垂直较优孔向方向上的投影长度；最后计算出各裂隙面的累计频率长度，并据此确定所述孔口间距和孔口排距。
7.根据权利要求4或5所述的岩体加固钻孔参数的选择方法，其中在开挖成曲面的岩面上，确定加固钻孔孔向、孔口间距、孔口排距和孔口竖间距的方法是首先把比选钻孔定位在圆周面上，计算出较优孔向；再计算各裂隙面在与较优孔向垂直方向上的投影长度和各裂隙面的累计频率长度；最后按孔距小于某一累计频率长度的原则确定所述各孔距。
8.根据权利要求6所述的岩体加固钻孔参数的选择方法，其中布置所述加固钻孔方向和位置的方法是用似极点图表示其三维尺度，即在圆周上，用圆周角表示加固钻孔的孔口位置；用以外圆周为零，圆心为90度的各个极点来表示加固钻孔的三维矢量；以极径表示倾角。
9.根据权利要求7所述的岩体加固钻孔参数的选择方法，其中布置所述加固钻孔方向和位置的方法是用似极点图表示其三维尺度，即在圆周上，用圆周角表示加固钻孔的孔口位置；用以外圆周为零，圆心为90度的各个极点来表示加固钻孔的三维矢量；以极径表示倾角。
全文摘要
本发明提供了一种岩体加固钻孔参数的选择方法，采用计算机及其输入、输出设备，完成在施工前对岩体加固钻孔的布置，其中包括钻孔的方向和钻孔的位置，通过绘制加固钻孔三维布置似极点图给出在岩体加固施工中钻孔方向和位置的参数和说明。本发明岩体加固钻孔参数的选择方法的有益效果是在保证质量的前提条件下，可以杜绝无效加固钻孔、最大限度地缩短施工周期，节省工程投资。
文档编号G06F17/50GK1844590SQ20051006322
公开日2006年10月11日 申请日期2005年4月7日 优先权日2005年4月7日
发明者马国彦 申请人:马国彦
技术领域：
本发明涉及土木工程和计算机应用技术领域，特别涉及一种岩体加固钻孔参数的选择方法。
背景技术：
目前，在水利水电、公路、铁路、矿山、隧洞和建筑等工程中，为保证基岩或围岩的稳定和施工安全，在对工程岩体进行灌浆、排水和锚固之前，都要在岩体上进行钻孔。常规的钻孔布置方法是在岩面上，大多是等孔向、等孔距、等排距和等孔深的布置钻孔(国内外都是如此)。这样布置的岩体加固钻孔的严重缺陷是加固钻孔很少与透水、透浆裂隙面相交，因而必然造成大量的无效岩体加固钻孔。
发明内容
本发明的目的是克服上述的缺陷，提供一种质量可靠，可以杜绝无效加固钻孔，最大限度地缩短施工周期，节省工程投资的岩体加固钻孔参数的选择方法。
本发明岩体加固钻孔参数的选择方法，采用计算机及其输入、输出设备，完成在施工前对岩体加固钻孔的布置，其中包括钻孔的方向和钻孔的位置，其步骤是步骤1，确定水文地质单元根据岩体加固区的地形地貌、地层岩性、地质构造和水文地质条件，确定加固水文地质条件相近的岩体为同一单元；步骤2，选择岩体加固工程的种类根据被加固工程的加固表面形状，确定其加固工程的种类及其亚类；步骤3，确定裂隙发育程度的相对均质区在同一水文地质单元中，按裂隙产状、隙宽及岩性特点，确定裂隙发育程度相近的相对均质区；步骤4，裂隙发育程度的数据输入与计算处理对确定的被加固工程，输入四个计算参数，即裂隙产状及裂隙宽度、隧洞及最佳加固钻孔的倾角、竖井及隧洞的洞井壁走向、裂隙控制变量1或0，并进行相应的计算处理；
步骤5，输出对加固钻孔方向的计算处理结果，获取加固钻孔的效益系数并将全方位的比选钻孔效益系数表示在裂隙极点图上；步骤6，改变输入裂隙的条数，对相对均质区效益系数变化的大小进行判断，即将效益系数与前已计算的效益系数进行比较，直至两者没有较大变化时为止；步骤7，选择建筑物地基及其围岩的岩性种类；步骤8，裂隙产状和规模指标数据输入与计算处理对确定的建筑物地基与围岩，输入裂隙产状和裂隙走向长度和倾向长度并进行相应的计算处理；步骤9，输出建筑物加固钻孔位置的计算处理结果，获取加固钻孔的加固钻孔的影响半径、孔口间距、孔排距三指标，对于隧洞建筑物还输出孔口的竖间距，以及裂隙长度累计频率，并绘制加固钻孔三维布置似极点图；步骤10，根据步骤6和步骤9，给出在岩体加固施工中钻孔方向和位置的参数和说明。
本发明岩体加固钻孔参数的选择方法，其中确定所述裂隙发育程度相对均质区的步骤是首先将某一试算区的所有裂隙产状及隙宽参数输入到计算机中，获取一组岩体加固钻孔的优选矢量；然后调整相对均质区的面积，增加和/或减少若干组裂隙产状及隙宽参数，将计算的效益系数与前已计算的效益系数进行比较，直到对计算的效益系数无明显变化时为止，这时确定的相对均质区，为最终确定的相对均质区。
本发明岩体加固钻孔参数的选择方法，其中确定所述效益系数的方法是将优选的加固钻孔穿越裂隙的系数与常规加固钻孔穿越裂隙的系数相比，以其比值作为比选加固钻孔穿越裂隙能力大小的标志并输出计算处理结果。
本发明岩体加固钻孔参数的选择方法，其中对平、斜面岩体或开挖平、斜面岩体，确定岩体加固钻孔的优选矢量的方法是以常规的铅直加固钻孔作为比选加固钻孔圆锥体的中轴，即作为标准加固钻孔，其它所有比选加固钻孔与其共有一个圆锥顶，其三维位置矢量用加固钻孔方位和倾角来表示，其位置用圆周角度表示。
本发明岩体加固钻孔参数的选择方法，其中对曲面开挖岩体，确定岩体加固钻孔的优选矢量的方法是以常规的铅直加固钻孔作为比选加固钻孔圆锥体的中轴，即作为标准加固钻孔，其它所有比选加固钻孔与其共有一个顶端，然后将比选加固钻孔按照等差方位和等差倾角分成上下、左右若干层，其位置用圆周角度表示。
本发明岩体加固钻孔参数的选择方法，其中在平、斜面开挖面或天然平、斜面上，确定加固钻孔孔向、孔口间距、孔口排距三指标的方法是首先把比选钻孔设计成圆锥孔群；其次是计算出较优孔向；第三是计算各裂隙面在垂直较优孔向方向上的投影长度；最后计算出各裂隙面的累计频率长度，并据此确定所述孔口间距和孔口排距。
本发明岩体加固钻孔参数的选择方法，其中在开挖成曲面的岩面上，确定加固钻孔孔向、孔口间距、孔口排距和孔口竖间距的方法是首先把比选钻孔定位在圆周面上，计算出较优孔向；再计算各裂隙面在与较优孔向垂直方向上的投影长度和各裂隙面的累计频率长度；最后按孔距小于某一累计频率长度的原则确定所述各孔距。
本发明岩体加固钻孔参数的选择方法，其中布置所述加固钻孔方向和位置的方法是用似极点图表示其三维尺度，即在圆周上，用圆周角表示加固钻孔的孔口位置；用以外圆周为零，圆心为90度的各个极点来表示加固钻孔的三维矢量；以极径表示倾角。
本发明岩体加固钻孔参数的选择方法的有益效果是在保证质量的前提条件下，可以杜绝无效加固钻孔，最大限度地缩短施工周期，节省工程投资。
下面将结合实施例子，并参照附图对本发明进行较为详细地说明。
图1是本发明的方法中75条裂隙时的效益系数极点图；图2是本发明的方法中66条裂隙时的效益系数极点图；图3是本发明的方法中84条裂隙时的效益系数极点图；图4-A和图4-B是本发明岩体加固钻孔参数的选择方法的流程图；图5是本发明的方法中裂隙极点图；图6是本发明的方法中比选钻孔矢量平面示意图；图7是本发明的方法中斜孔效益系数图(不考虑隙宽)；图8是本发明的方法中斜孔效益系数图(考虑隙宽)；图9是本发明的方法中ω＜90°且γ’＜θ的情况示意图；
图10是本发明的方法中裂隙面的真倾角与假倾角的关系示意图；图11是本发明的方法中用似极点图表示加固钻孔三维位置的示意图。
具体实施例方式
本发明技术方案的基本出发点是，加固钻孔尽可能多地穿越透水、透浆裂隙面，体现为首先，根据被加固岩体的地质勘探资料，包括地质调查或施工地质调查等方法搜集到的有关透水、透浆结构面(主要是裂隙)的产状、出露线长度及其与投影面(壁)或投影线的关系等资料，找出不连续面(主要为裂隙面)发育程度相对均质区，在每一个相对均质区内，任选一个调查点，通过该调查点拟定m个剖面，在其中任意一个剖面内，设定n个不同倾角的辐射线.m和n值的大小，决定于计算精度。从m×n个辐射线中，计算出穿越透水、透浆裂隙面较多的一些加固钻孔的效益系数(优选孔穿越裂隙系数与常规孔穿越裂隙系数之比值).在考虑设计要求和施工方便等因素之后，从中选择合适的一组射线(矢量)作为岩体加固钻孔的矢量。
其次，岩体加固影响区的大小，决定于裂隙面积的大小。利用裂隙出露线的特征值，可以测量和计算出每条裂隙的面积，简称为岩体加固钻孔的可能影响半径。根据块状岩体裂隙面的不同形状，找出穿越较多裂隙的矢量(倾向和倾角)，浆液可能扩散半径，锚固影响范围，地下水排水最小影响半径，确定加固钻孔孔口间距、孔口排距和孔口竖间距都小于个裂隙面在加固方向上的投影长度和投影长度的累计出现频率。
下面，参照图4-A和图4-B并通过本发明岩体加固钻孔参数的选择方法的实施例，以及计算机及其输入、输出设备，详细说明如何完成在施工前对岩体加固钻孔的布置，其中包括钻孔的方向和钻孔的位置两个方面。
实施例一主要说明相对均质区的划分方法。
在河南省南阳回龙抽水蓄能电站的坝基内，根据hui-32段中裂隙的透水、透浆条件，初拟为一个相对均质区(步骤3)，现分三步试算如下1.计算75条裂隙时的效益系数1)抽水蓄能电站的坝基加固区裂隙基本资料见表1
表1 回龙抽水蓄能电站坝基加固区75条裂隙统计表
2)75条裂隙时的效益系数计算结果见表2本次计算输入的节理、裂隙数据文件名为D\针对性加固\REll01\hui-32，计算采用的斜孔倾角AA和控制变MM分别为70 0
表2 75条裂隙时的效益系数计算结果表
3)所得75条裂隙时的效益系数极点图参照图1。
2.计算66条裂隙时的效益系数1)计算66条裂隙时的效益系数结果见表3本次计算输入的节理、裂隙数据文件名为D\针对性加固\REl101\hui-B，计算采用的斜孔倾角AA和控制变量MM分别为70 0
表3 66条裂隙时的效益系数结果表
2)66条裂隙时的效益系数极点图参照图2。
3)计算结果分析采用hui-32初拟相对均质区内分布的75条裂隙进行计算，其效益系数为1.84；如果从该区的前部或后部，减去9条裂隙，即初拟hui-A相对均质区，按66条裂隙进行计算，其效益系数为1.85。说明初拟相对均质区也可以再小些。
3.计算84条裂隙时的效益系数在hui-32初拟相对均质区内分布的75条裂隙(见表1)的基础上，从该区的前部或后部，再扩大一些范围，即加上9条裂隙，该区编号为hui-A，按84条裂隙计算效益系数，其计算结果如下1)84条裂隙时的效益系数计算结果见表4本次计算输入的节理、裂隙数据文件名为D\针对性加固\REll01\hui-A，计算采用的斜孔倾角AA和控制变量MM分别为70 0表4 84条裂隙的效益系数计算结果表
2)84条裂隙时的效益系数极点图参照图3。
4.计算资料分析采用hui-32初拟相对均质区内分布的75条裂隙进行计算，其效益系数为1.84；如果从该区的前部或后部，减去9条裂隙，即初拟hui-B相对均质区按66条裂隙进行计算，其效益系数为1.85。说明初拟相对均质区也可以再小些。
在hui-32初拟相对均质区内分布的75条裂隙(见表1)的基础上，从该区的前部或后部，再扩大一些范围，即加上9条裂隙，该区编号为hui-A，按84条裂隙计算效益系数为1.73。说明初拟相对均质区再大些，将会引起较大的计算误差。
一般来说，只要不引起较大的计算误差，相对均区划分得越大越好。因此，hui-32初拟相对均质区的大小范围划分得是合适的，可以最后确定为一个相对均质区。
实施例二主要说明计算钻孔最优孔向方法。
本实施例子为小浪底大坝左坝肩单薄分水岭斜孔灌浆工程的一部分。用常规方法(铅直钻孔)灌浆，需要排距2m、孔距1m的灌浆量才能达到工程的防渗要求。采用发明者的如下方法，可以获得很高的效益单薄分水岭属于同一个水文地质单元(步骤1)。岩体加固工程分类为铅直帷幕(斜孔灌浆)加固(步骤2)。加固段在4#灌浆廊道内，经试算证明为同一个相对均质区(步骤3)。该均质区内发育分布有51条裂隙，见表5表5裂隙产状及裂隙宽度表(51条裂隙)裂隙倾向 裂隙倾角 裂隙隙宽 裂隙倾向 裂隙倾角 裂隙隙宽(度) (度) (mm) (度) (度) (mm)250 801 170 841225 801 170 831255 801 ……数据输入和进行计算处理(步骤4)1)裂隙数据，即表5所列内容；2)根据施工方便的要求，加固钻孔倾角为60度；3)控制变量输入0，表示计算结果不考虑隙宽；控制变量输入1，表示计算结果考虑了裂隙宽度参数。
从获取的图5裂隙极点图中可以看出，裂隙大部分倾向南。图7为不考虑隙宽的斜孔效益系数图，图8为考虑隙宽的斜孔效益系数图(步骤5)。下面以步骤5、6为重点，对效益系数图的获取做出说明1)岩体加固钻孔的效益系数最优工程灌浆钻孔矢量是吸浆量最多的矢量；最优基岩地下水排水钻孔矢量是排水最多的钻孔矢量；最优基岩锚固矢量是锚固裂隙最多的钻孔矢量。也就是说，要达到最优岩体加固效果就要找出可以穿裂隙最多的钻孔矢量作为岩体加固的矢量。常规岩体加固钻孔矢量，多随加固岩体开挖面的变化而变化，即加固钻孔多与开挖面成垂直方向布置。用新方法比选出来的最优钻孔矢量所穿裂隙隙间厚度，与用常规钻孔穿过的裂隙隙间厚度之比为优选加固钻孔的效益系数。效益系数的物理意义是优选的岩体加固钻孔矢量的效益系数愈大，优选矢量钻孔穿裂隙的能力也愈大，反之就愈小。效益系数是评价优选钻孔穿裂隙能力大小的一项评价指标。优选的钻孔矢量可以是三维空间内的任意矢量，对任意一个矢量，都可以计算出它穿越裂隙的能力系数(效益系数)。利用软件包，可以计算出三维空间内任意一个钻孔矢量的效益系数，并可把全部比选钻孔矢量的效益系数绘成效益系数极点图，以全面地、形象地把计算结果表示出来。对于固结灌浆，常规钻孔几乎都是垂直钻孔，而优选的钻孔矢量则有可能是斜孔。一般来说，斜孔灌浆比铅直孔灌浆要增加一些难度，因而对于这样的加固钻孔，有一个经济斜度问题。从计算结果而言，最优矢量(倾角)只有一个，但具体到某一施工单位的技术水平，设备能力来说，由于钻孔斜度的增加，其施工难度也增加，投资也随之增加；反过来，如若使其斜度改陡，这将使效益系数变小，达不到最佳加固效果。因此，在工作中还会遇到经济斜度问题。钻斜孔的每米造价，减去斜孔施工难度增加的造价后为最低造价时，即为经济斜度。在大多数情况下，经济斜度为65度左右。对于边坡、部分防渗帷幕和排水钻孔，隧洞和竖井的岩体加固钻孔，常规与优选的加固钻孔，都为斜孔，并不存在经济斜度问题。也就是说，优选的钻孔矢量，并不增加施钻的难度。
2)下半球体不同矢量的定位方法参照图6的比选钻孔矢量平面示意图，切一个通过任一研究质点的水平面，以质点为圆心，向圆周水平辐射。如果以10度为单位，从零度开始，到360度画辐射线。然后沿每一个辐射线都可以切一个剖面，从圆心点，沿剖面作辐射线，从水平线开始到垂线，可以有9条辐射线。将平、剖面辐射线予以组合，可以有324套组合。每一套组合可以用矢量表示。
如果把每一辐射线作为加固比选钻孔的矢量，我们可以有324套加固比选钻孔的矢量。如把每5°作为划分辐射线的单位，我们可以组合成1296套加固比选钻孔的矢量；如果把每1°作为划分辐射线的单位，我们可以组合成32400套加固比选钻孔的矢量，然后，将地质结构面的倾向、倾角、裂隙宽度三要素输入到向软件包中，即可求得每一加固比较钻孔所能穿越裂隙的能力。如果把比较钻孔穿越裂隙的能力作为x，把常规钻孔穿越裂隙的能力作为1，我们把两者的比值称为效益系数。如果没有其它条件约束，我们可以选择效益系数最大者作为加固钻孔的矢量。这样我们就可以获得最佳的岩体加固效果。比选钻孔矢量主要有比选钻孔的倾向、倾向来确定。这里的矢量长度并无意义。因此可以从岩体裂隙相对均质区内的某一点定为球心，以某一定长度的比选钻孔矢量为半径，画一圆球体，相当于地球体。从地球体赤道处切出一个水平面。地球体分为上半球与下半球两部分。如果知道了下半球的径向矢量，也就知道了上半球的径向矢量(根据上半球的径向仰角与下半球的径向倾向相反，两者相差180°上半球径向仰角与下半球的径向倾角绝对值相等的道理)，也就知道了上半球的径向矢量。也就是说，只要下(上)半球的径向方位定下来，也就是把上(下)半球径向方位确定了下来。从平面岩体表面向下的各比选钻孔，构成了一个尖端向上的锥体，只有比选孔为零度时，才构成一个平面圆(为锥体的特例)。
3)计算效益系数的公式斜孔穿越的裂隙倾向与斜孔倾向之间的夹角ω＜90°且γ’＜θ的情况参照图9的ω＜90°且γ’＜θ的情况示意图，AD、BC为同组相临两个裂隙面，与斜孔所在剖面的交线；AE为铅直钻孔；AC为斜孔，在直角三角形ABC中，sin ∠ACB＝sin(θ-γ’)sin(θ-γ’)＝h/h’h＝h’sin(θ-γ’)……………(5-1)可以看到，ACD面-裂隙面；BCD面-水平面；DC垂直于BC，AC、AD-剖面线；参照图10的裂隙面的真倾角与假倾角的关系示图可以看出BC-ACB剖面与水平面的交线；BD--ADB剖面与水平面的交线；ω-BC与BD的夹角，在直角三角形ABC中，tanγ＝AB/BCBC＝AB/tanγ……………………(5-2)在直角三角形中ABD中tan γ’＝AB/BD
BD＝AB/tanγ’……………………………………(5-3)在直角三角形BCD中cosω＝BC/BD………………………………………(5-4)将(3-2)式、(3-3)式代入(3-4)式，可得cosω＝(AB/tanγ)÷(AB/tanγ’)tanγ’＝cosω.tanγ …………(5-5)γ’＝tan-1(cosω.tanγ) ……………………(5-6)将(3-6)式代入(3-1)式，可得h’＝h/sin[θ-tan-1(cosω.tanγ)] ……(5-7)从图4可以看到cosγ’＝h/h”h”＝h/cosγ’ ………………(5-8)将(3-7)式代入(3-8)式，可得h”＝h/cos[tan-1(cosω.tanγ)]…………(5-9)(3-9)式与(3-7)式之比值，用η表示，可得η＝sin[θ-tan-1(cosω.tanγ)]/cos[tan-1(sosω.tan)]……(5-10)η表征斜孔比铅直孔穿越裂隙面的能力。可称η为斜孔的效益系数。
系列公式中使用的参数有h一同组相临两裂隙面之间的法向距离；h’一斜孔穿越同组相临两裂隙面之间的斜距离；h”一铅直孔穿越同组相临两裂隙面之间的铅直距离(重力方向)；α一裂隙真倾角；γ′一某一矢量的斜孔所穿裂隙面的视倾角；ω一斜孔倾向与裂隙面倾向之间的夹角；θ一斜孔倾角；η一同组相临两个裂隙面之间，某一斜孔的斜距离与铅直距离之比值。
4)计算结果资料分析从图7和图8中可以看出最优孔向为北西350度，倾角60度。如果不考虑裂隙隙宽的影响，比选钻孔的效益系数为3.39；如果考虑裂隙隙宽的影响，比选钻孔的效益系数为3.09。该例已考虑了裂隙隙宽的影响，因此，效益系数应为3.09。这也就是说，新发明的方法比国内外现用的传统方法，在同一钻孔深度的情况下，可多穿越2.09倍的裂隙数量。这样可以确保质量，可以降低67.6％的工程量，也可以缩短67.6％的工期。
实施例三主要说明计算加固钻孔的孔间距、孔排距和加固钻孔影响半径的方法。
1)用新方法计算计算河南省南阳回龙抽水蓄能电站，坝基垂直防渗帷幕的灌浆钻孔的影响半径(R)、孔口间距(Lksp)和孔排距(Lkpai)。
建筑物地基及其围岩的岩性划分为坝闸块状基岩(步骤7)。优选钻孔倾角60度时，其输入计算程序中的指标和计算指标见表6(步骤8)。
表6 计算R、Lksp、Lkpai结果表H′L′γL1 θ α RLksp Lkpai(m)(m)(度) (m)(度) (度) (m) (m) (m)0.15.1931.2608932.5619.392.950.16.9700.1608559.5639.7435.240.12.2631.060856.10 3.75 4.790.17.3600.3608766.6642.3557.661.05.9601.660604.85 3.98 4.201.43.6531.560301.86 0.59 1.932.06.6602.060453.72 2.60 3.222.26.3930.360303.36 3.88 0.300.52.4631.060601.69 1.01 1.330.93.7531.060302.36 1.85 2.451.76.9601.760454.35 3.68 3.760.16.5750.7608552.8635.0423.671.16.3752.260605.06 4.06 2.272)计算R、Lksp、Lkpai的公式a计算R公式R＝L/4.sin β.cos β，
其中L＝L’sinω’/sin[tan-1(_0.89tanω’)]；β＝tan-1{tanβ’/tanω’.sin[tan-1(0.89tanω’)]}。
其中β’＝tan-(H’/0.5L’。)b计算Lksp公式Lksp＝{R’.sin[γ-sin(L1sinγ./R’)]×cos|90□-θ-tan[tanα×sinγ)|]÷(sinγ×sinθ)c计算Lkpai公式Lkpai＝1.73R’cosγ。
上述各式中的符号含义R’-无需修正的裂隙圆面半径L’-在图上直接测量的弧形裂隙出露弦的长度β’-在图上直接测量的弧形裂隙出露的β角h’-在图上直接测量的弧形裂隙出露拱高L2’-无需修正的岩性层裂隙的倾向长度ω’-在图上直接测量的出露裂隙的倾向与投影面的夹角R-修正后的裂隙圆面半径L-修正后的弧形裂隙出露弦的长度β-修正后的弧形裂隙出露的β角h-修正后的弧形裂隙出露拱高L1-裂隙中点到剖面线之间的距离3)计算裂隙在孔距方向上出现的累计频率(步骤9)孔口距方向上各级裂隙投影长度排序结果0.59、1.01、1.85、2.60、3.68、3.75、3.88、3.98、4.06、19.3、35.04、39.74、42.35。
孔排距方向上各级裂隙投影长度排序结果0.30、1.33、1.93、2.27、2.45、2.95、3.22、3.76、4.20、4.79、23.67、35.24、57.66。
加固钻孔的影响半径排序结果0.30、1.33、1.93、2.27、2.45、2.95、3.22、3.76、4.20、4.79、23.67、35.24、57.66。
孔口距方向上各级裂隙投影长度出现的累计频率＞0m＞1m ＞2m ＞3m ＞m ＞5m＞6m ＞7m100％ 92.3％ 76.9％ 69.2％38.5％ 30.8％ 30.8％ 30.8％孔排距方向上各级裂隙投影长度出现的累计频率＞0m＞1m ＞2m ＞3m ＞4m ＞5m＞6m ＞7m100％ 92.3％ 76.9％ 53.8％8 38.5％ 23％23％ 23％各级加固钻孔影响半径出现的累计频率＞1 ＞2＞3 ＞4 ＞5 ＞6 ＞7m92.3％ 76.9.0％ 53.8％38.5％23.0％23.0％23.0％4)用用传统方法计算用常规加固钻孔倾角90时计算的孔间距和累计频率。
孔口距方向上各级裂隙投影长度排序结果0.47 0.53 0.55 0.57 1.46 1.73 2.06 2.14 2.45 2.91 4.02 4.75 5.52.
孔口距方向上各级裂隙投影长度出现的累计频率＞0m＞1m＞2m ＞3m＞m＞5m＞6m＞7m100％69％54％23％23％8％0％ 0％5)算结果资料分析(步骤10)a任何孔间距，只要小于加固方向上裂隙投影长度的某一累计频率，加固钻孔都可以穿越某一累计频率内的所有裂隙；b不管用任何加固方法，都应达到同样的加固效果。新方法和传统方法都可以穿越某一累计频率(69％-69.2％)的裂隙，但传统方法的孔间距为1m，而新方法的孔距可以扩大到3m。也就是说，新方法不仅可以保证质量，而且可以节省2/3的投资和缩短2/3的施工工期。
总之，用本发明的计算加固钻孔最优孔向，可以提高效益67.6％；用本发明的计算加固钻孔最优孔距，可以提高效益66.6％。在保证质量的前提条件下，可最大限度地缩短施工周期，节省工程投资以及杜绝无效加固钻孔。
实施例四主要说明用似极点图表示加固钻孔三维位置的方法(步骤9)。
1.竖井平切剖面上三维钻孔的表示方法平切剖面的方位与一般的三维方位相同，利用圆周的360°方位，可以表示各个三维加固钻孔的方位，如350度孔位点，用0点表示，并旁注孔序号1-10；各个序号加固钻孔的矢量用①-⑩点号表示。例如圆周45°、135°、225°、315°用似极点图表示加固钻孔三维位置。参照图11，它们的顺序编号分别为1、2、3和4。1号孔、2号孔、3号孔和4号孔的矢量分别是25°∠20°用①表示、145°∠30°用②表示、55°∠10°用③表示、125°∠10°用④表示。
2.垂直隧洞轴向的横切面上三维钻孔的表示方法垂直隧洞轴向的横切面，隧洞顶拱最高点为0°点，面向上游，左侧为左侧壁，右侧为右侧壁。底拱最低点为180°点。左侧壁的中点为270°点，右侧壁的中点为90°点。这样，可将竖直的隧洞横切面，均分为360°。分布在竖直圆周上的孔位孔口点，用点位表示，如用“分布于45°点上的孔口”的描述方法予以描述。其余表示方法与竖井的描述方法完全相同。
权利要求
1.岩体加固钻孔参数的选择方法，其特征在于采用计算机及其输入、输出设备，完成在施工前对岩体加固钻孔的布置，其中包括钻孔的方向和钻孔的位置，其步骤是步骤1，确定水文地质单元根据岩体加固区的地形地貌、地层岩性、地质构造和水文地质条件，确定加固水文地质条件相近的岩体为同一单元；步骤2，选择岩体加固工程的种类根据被加固工程的加固表面形状，确定其加固工程的种类及其亚类；步骤3，确定裂隙发育程度的相对均质区在同一水文地质单元中，按裂隙产状、隙宽及岩性特点，确定裂隙发育程度相近的为相对均质区；步骤4，裂隙发育程度的数据输入与计算处理对确定的被加固工程，输入四个计算参数，包括裂隙产状及裂隙宽度、隧洞及最佳加固钻孔的倾角、竖井及隧洞的洞井壁走向、裂隙控制变量1或0并进行相应的计算处理；步骤5，输出对加固钻孔方向的计算处理结果，获取加固钻孔的效益系数并将全方位比选钻孔效益系数表示在裂隙极点图上；步骤6，改变裂隙发育程度的计算的四个参数，对相对均质区效益系数变化的大小进行判断，即将效益系数与前一个效益系数比较，直至两者没有较大变化时为止；步骤7，选择建筑物地基及其围岩的岩性种类；步骤8，裂隙产状和规模指标数据输入与计算处理对确定的建筑物地基与围岩，输入裂隙产状和裂隙走向长度和倾向长度并进行相应的计算处理；步骤9，输出建筑物加固钻孔位置的计算处理结果，获取加固钻孔的加固钻孔的影响半径、孔口间距、孔排距三指标，对于隧洞建筑物还输出孔口的竖间距，以及裂隙长度累计频率，并绘制加固钻孔三维布置似极点图；步骤10，根据步骤6和步骤9，给出在岩体加固施工中钻孔方向和位置的参数和说明。
2.根据权利要求1所述的岩体加固钻孔参数的选择方法，其中确定所述裂隙发育程度相对均质区的步骤是首先将某一试算区的所有裂隙产状及隙宽参数输入到计算机中，获取一组岩体加固钻孔的优选矢量；然后调整相对均质区的面积，增加和/或减少若干组裂隙产状及隙宽参数，将再计算的效益系数与前已计算的效益系数相比较，直到效益系数无明显变化时为止。
3.根据权利要求1或2所述的岩体加固钻孔参数的选择方法，其中确定所述效益系数的方法是将优选的加固钻孔穿越裂隙的系数与常规加固钻孔穿越裂隙的系数相比，以其比值作为比选加固钻孔穿越裂隙能力大小的标志并输出计算处理结果。
4.根据权利要求3所述的岩体加固钻孔参数的选择方法，其中对平、斜面岩体或开挖平、斜面岩体，确定岩体加固钻孔的优选矢量的方法是以常规的铅直加固钻孔作为比选加固钻孔圆锥体的中轴，即作为标准加固钻孔，其它所有比选加固钻孔与其共有一个圆锥顶，其三维位置矢量用加固钻孔方位和倾角来表示，其位置用圆周角度表示。
5.根据权利要求3所述的岩体加固钻孔参数的选择方法，其中对曲面开挖岩体，确定岩体加固钻孔的优选矢量的方法是以常规的铅直加固钻孔作为比选加固钻孔圆锥体的中轴，即作为标准加固钻孔，其它所有比选加固钻孔与其共有一个顶端，然后将比选加固钻孔按照等差方位和等差倾角分成上下、左右若干层，其位置用圆周角度表示。
6.根据权利要求4或5所述的岩体加固钻孔参数的选择方法，其中在平、斜面开挖面或天然平、斜面上，确定加固钻孔孔向、孔口间距、孔口排距三指标的方法是首先把比选钻孔设计成圆锥孔群；其次是计算出较优孔向；第三是计算各裂隙面在垂直较优孔向方向上的投影长度；最后计算出各裂隙面的累计频率长度，并据此确定所述孔口间距和孔口排距。
7.根据权利要求4或5所述的岩体加固钻孔参数的选择方法，其中在开挖成曲面的岩面上，确定加固钻孔孔向、孔口间距、孔口排距和孔口竖间距的方法是首先把比选钻孔定位在圆周面上，计算出较优孔向；再计算各裂隙面在与较优孔向垂直方向上的投影长度和各裂隙面的累计频率长度；最后按孔距小于某一累计频率长度的原则确定所述各孔距。
8.根据权利要求6所述的岩体加固钻孔参数的选择方法，其中布置所述加固钻孔方向和位置的方法是用似极点图表示其三维尺度，即在圆周上，用圆周角表示加固钻孔的孔口位置；用以外圆周为零，圆心为90度的各个极点来表示加固钻孔的三维矢量；以极径表示倾角。
9.根据权利要求7所述的岩体加固钻孔参数的选择方法，其中布置所述加固钻孔方向和位置的方法是用似极点图表示其三维尺度，即在圆周上，用圆周角表示加固钻孔的孔口位置；用以外圆周为零，圆心为90度的各个极点来表示加固钻孔的三维矢量；以极径表示倾角。
全文摘要
本发明提供了一种岩体加固钻孔参数的选择方法，采用计算机及其输入、输出设备，完成在施工前对岩体加固钻孔的布置，其中包括钻孔的方向和钻孔的位置，通过绘制加固钻孔三维布置似极点图给出在岩体加固施工中钻孔方向和位置的参数和说明。本发明岩体加固钻孔参数的选择方法的有益效果是在保证质量的前提条件下，可以杜绝无效加固钻孔、最大限度地缩短施工周期，节省工程投资。
文档编号G06F17/50GK1844590SQ20051006322
公开日2006年10月11日 申请日期2005年4月7日 优先权日2005年4月7日
发明者马国彦 申请人:马国彦
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