隧道围岩扰动应力测试方法

未命名 09-13 阅读:107 评论:0


1.本发明涉及围岩应力测试技术领域,尤其涉及一种隧道围岩扰动应力测试方法。


背景技术:

2.相关技术中,为对隧道围岩所受的扰动应力进行监测,以基于监测数据分析和评价隧道围岩的稳定性,通常依据隧道断面的结构参数,在隧道周向的围岩上均匀布置测孔和应力传感器的方式进行应力监测,然而前述测试方式容易造成测试成本的显著增加,或导致稳定性评价结果失准。


技术实现要素:

3.本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
4.有鉴于此,根据本技术实施例提出了一种隧道围岩扰动应力测试方法,包括:
5.获取待监测隧道的隧道围岩的岩体基本质量等级;
6.根据隧道围岩的岩体基本质量等级,在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔;
7.在各个扰动应力测试钻孔内间隔布置多个应力传感器;
8.获取各个应力传感器的应力监测信息。
9.在一种可行的实施方式中,前述根据隧道围岩的岩体基本质量等级,在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔的步骤,包括:
10.选取应力监测断面,应力监测断面垂直于隧道的轴线方向;
11.根据隧道围岩的岩体基本质量等级,确定多个扰动应力测试钻孔的布孔形式;
12.根据布孔形式和应力监测断面,在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔,其中,多个扰动应力测试钻孔的轴线均位于应力监测断面内。
13.在一种可行的实施方式中,前述根据隧道围岩的岩体基本质量等级,确定多个扰动应力测试钻孔的布孔形式的步骤,包括:
14.根据应力监测断面,确定待监测隧道的高度线和待监测隧道的跨度线;
15.获取待监测隧道高度h和待监测隧道跨度l;
16.以高度线和跨度线的交点为极点,以由极点出发且经过待监测隧道的顶点的射线为极轴,以顺时针方向为正方向,建立极坐标系;
17.在隧道围岩的岩体基本质量等级为ⅰ级或ⅱ级或ⅲ级的情况下,以第一布孔形式在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔;
18.其中,多个扰动应力测试钻孔包括顶部测孔、第一帮部测孔和第一肩部测孔,第一布孔形式为:
19.沿第一预设角度方向,在隧道围岩上开设孔深为3h的顶部测孔,第一预设角度方向大于或等于-10
°
且小于或等于10
°

20.沿第二预设角度方向,在隧道围岩上开设孔深为4l的第一帮部测孔,第二预设角度方向大于或等于85
°
且小于或等于95
°

21.沿第三预设角度方向,在隧道围岩上开设孔深为1.5(l+h)的第一肩部测孔,第三预设角度方向大于或等于-45
°
且小于或等于-30
°

22.在一种可行的实施方式中,前述根据隧道围岩的岩体基本质量等级,确定多个扰动应力测试钻孔的布孔形式的步骤,还包括:
23.在隧道围岩的岩体基本质量等级为ⅳ级的情况下,以第一布孔形式和第二布孔形式在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔;
24.其中,多个扰动应力测试钻孔还包括第二帮部测孔和第二肩部测孔,第二布孔形式为:
25.沿第四预设角度方向,在隧道围岩上开设孔深为1.5(l+h)的第二肩部测孔,第四预设角度大于或等于30
°
且小于或等于45
°

26.沿第五预设角度方向,在隧道围岩上开设孔深为4l的第二帮部测孔,第五预设角度方向大于或等于-95
°
且小于或等于-85
°

27.在一种可行的实施方式中,前述根据隧道围岩的岩体基本质量等级,确定多个扰动应力测试钻孔的布孔形式的步骤,还包括:
28.在隧道围岩的岩体基本质量等级为

级的情况下,以第一布孔形式、第二布孔形式和第三布孔形式在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔;
29.其中,多个扰动应力测试钻孔还包括第一底部测孔和第二底部测孔,第三布孔形式为:
30.沿第六预设角度方向,在隧道围岩上开设孔深为(l+h)的第一底部测孔,第六预设角度方向大于或等于135
°
且小于或等于150
°

31.沿第七预设角度方向,在隧道围岩上开设孔深为(l+h)的第二底部测孔,第七预设角度方向大于或等于-150
°
且小于或等于-135
°

32.在一种可行的实施方式中,沿每个扰动应力测试钻孔的孔口至孔底方向,应力传感器的间隔增大。
33.在一种可行的实施方式中,隧道围岩扰动应力测试方法还包括:
34.获取各个应力传感器的监测时间信息;
35.根据应力监测信息和监测时间信息,确定围岩应力与监测时长之间的第一关系。
36.在一种可行的实施方式中,隧道围岩扰动应力测试方法还包括:
37.获取各个应力传感器的测点位置信息;
38.根据应力监测信息和测点位置信息,确定围岩应力与扰动应力测试钻孔的孔深位置之间的第二关系。
39.在一种可行的实施方式中,隧道围岩扰动应力测试方法还包括:
40.根据每个应力传感器的应力监测信息和监测时间信息,确定各个应力传感器的应力时长曲线,应力时长曲线用于确定第一关系;
41.根据应力监测信息和测点位置信息,建立各个扰动应力测试钻孔的应力孔深曲线,应力孔深曲线用于确定第二关系。
42.在一种可行的实施方式中,隧道围岩扰动应力测试方法还包括:
43.根据应力孔深曲线,确定隧道围岩的临界应力点,临界应力点为应力孔深曲线中沿孔深增大方向上的首个峰值点;
44.根据临界应力点,确定隧道围岩的损伤破裂区和隧道围岩的弹性区;
45.根据应力时长曲线,确定隧道围岩的围岩自稳时长和隧道围岩的支护稳定时长。
46.相比现有技术,本发明至少包括以下有益效果:本技术实施例提供的隧道围岩扰动应力测试方法,通过获取待监测隧道的隧道围岩的岩体基本质量等级;根据隧道围岩的岩体基本质量等级,在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔;在各个扰动应力测试钻孔内间隔布置多个应力传感器;获取各个应力传感器的应力监测信息的方式,在进行隧道围岩的应力监测之前,通过获取隧道围岩的岩体基本质量等级,可以了解到待监测隧道围岩的岩体力学性质,从而根据隧道围岩的岩体基本质量等级,进行扰动应力测试钻孔的布置,在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔,进而保证扰动应力测试钻孔的布置方式能够对隧道围岩的岩体力学性质具备较高的适应性和针对性,降低隧道岩体的岩体力学性质对监测成本的影响,提高关键区域应力监测结果的精度,并在各个扰动应力测试钻孔内间隔布置多个应力传感器,以对各个扰动应力测试钻孔附近的隧道围岩所受的应力进行监测,通过获取各个应力传感器的应力监测信息,为隧道围岩的稳定性分析评价提供可靠的依据。
附图说明
47.通过阅读下文示例性实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出示例性实施方式的目的,而并不认为是对本技术的限制。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
48.图1为本技术提供的一种实施例的隧道围岩扰动应力测试方法的示意性流程框图;
49.图2为基于本技术提供的一种实施例的隧道围岩扰动应力测试方法确定的扰动应力测试钻孔的布孔形式的示意性结构图;
50.图3为基于本技术提供的另一种实施例的隧道围岩扰动应力测试方法确定的扰动应力测试钻孔的布孔形式的示意性结构图;
51.图4为基于本技术提供的再一种实施例的隧道围岩扰动应力测试方法确定的扰动应力测试钻孔的布孔形式的示意性结构图;
52.图5为基于本技术提供的一种实施例的隧道围岩扰动应力测试方法确定的顶部测孔内的应力传感器示意性布置图;
53.图6为基于本技术提供的一种实施例的隧道围岩扰动应力测试方法确定的帮部测孔内的应力传感器示意性布置图;
54.图7为基于本技术提供的一种实施例的隧道围岩扰动应力测试方法确定的肩部测孔内的应力传感器示意性布置图;
55.图8为基于本技术提供的一种实施例的隧道围岩扰动应力测试方法确定的底部测孔内的应力传感器示意性布置图;
56.图9为基于本技术提供的一种实施例的隧道围岩扰动应力测试方法确定的应力时间曲线的示意性效果图;
57.图10为基于本技术提供的一种实施例的隧道围岩扰动应力测试方法确定的应力孔深曲线的示意性效果图。
58.其中,图2至图8中附图标记与部件名称之间的对应关系为:
59.10待监测隧道;
60.100顶部测孔;200第一肩部测孔;300第一帮部测孔;400第二肩部测孔;500第二帮部测孔;600第一底部测孔;700第二底部测孔。
具体实施方式
61.下面将参照附图更详细地描述本技术的示例性实施例。虽然附图中显示了本技术的示例性实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本技术而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本技术,并且能够将本技术的范围完整的传达给本领域的技术人员。
62.根据本技术实施例提出了一种隧道围岩扰动应力测试方法,如图1所示,包括:
63.步骤s101:获取待监测隧道的隧道围岩的岩体基本质量等级;
64.具体地,岩体基本质量等级能够反映岩石坚硬程度和岩体完整程度,从而隧道围岩的岩体基本质量等级与隧道围岩的承压能力之间存在密切相关性,通过获取待监测隧道的隧道围岩的岩体基本质量等级,可以了解到待监测隧道围岩的岩体力学性质,进而为扰动应力测试钻孔的布置方式提供参考。
65.可以理解的是,隧道围岩的岩体基本质量等级,可以根据工程岩体分级标准,采取标准中提供的测试和评估方法,通过勘察、取样测试等方式加以确定,对于隧道围岩的岩体基本质量等级的确定过程,这里不做过多描述。工程岩体分级标准将岩体基本质量分为5个级别,分别为ⅰ级、ⅱ级、ⅲ级、ⅳ级和

级,随者岩体基本质量等级的上升,岩体质量降低。
66.步骤s102:根据隧道围岩的岩体基本质量等级,在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔;
67.具体地,在获取到隧道围岩的岩体基本质量等级的情况下,可以基于隧道围岩的岩体基本质量等级,进行扰动应力测试钻孔的布置,在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔,进而保证扰动应力测试钻孔的布置方式能够对隧道围岩的岩体力学性质具备较高的针对性,降低隧道岩体的岩体力学性质对监测成本和应力监测结果的影响。
68.可以理解的是,传统技术中是基于隧道断面的结构参数,在隧道围岩上均匀布置测孔,并在测孔内均匀地布置应力传感器以对隧道不同部分的围岩进行应力监测,而在测孔的布置过程中缺乏对隧道围岩的岩体力学性质的考虑。从而,在对断面结构相对较小的隧道进行监测时,测孔的布置数量往往较少,若该隧道的围岩质量相对较差,则会由于测孔的覆盖范围低,缺失了对部分围岩的应力监测数据,如若缺乏监测的部分存在易发生破坏的软弱破碎地层,极有可能导致后续的基于监测数据分析和评价围岩稳定性时,分析和评价结果与围岩实际情况不一致,造成无法对围岩破碎失稳进行及时地预警;在对断面结构相对较大的隧道进行监测时,测孔的布置数量则相对较多,而若该隧道的围岩质量相对较好,隧道两侧的应力场分布相对均衡,则会造成监测数据的冗余,增加了大量的传感器布置成本和测孔布置成本,导致围岩扰动应力的测试成本增加。
69.相比于传统技术中的测试方法,本技术实施例提供的隧道围岩扰动应力测试方法在进行扰动应力测试钻孔的布置时,以隧道围岩的岩体基本质量等级为参考,考虑了隧道围岩的质量影响,进而在隧道围岩的质量相对较差时,可以采用相对密集且相对均匀的方式布置扰动应力测试钻孔,以保证监测覆盖范围,相应地,在隧道围岩的质量相对较差时,
可以采用相对稀疏的方式布置扰动应力测试钻孔,以节省扰动应力测试钻孔的布置成本,节约应力传感器的使用数量,也即扰动应力测试钻孔的布置位置和布置数量随隧道围岩的岩体基本质量等级进行调整,进而提升扰动应力测试钻孔的布置方式能够对隧道围岩的岩体力学性质的适应性和针对性。
70.在一些可行的示例中,扰动应力测试钻孔的钻设过程中,可以采用取芯钻头进行开孔,并采用风压排渣的方式排出钻设时形成的渣块,以提高扰动应力测试钻孔的成型质量,为应力监测的准确性提供进一步的保障。
71.步骤s103:在各个扰动应力测试钻孔内间隔布置多个应力传感器;
72.具体地,在各个扰动应力测试钻孔内间隔布置多个应力传感器,以对各个扰动应力测试钻孔附近的隧道围岩所受的应力进行监测,可以理解的是,在同一扰动应力测试钻孔内,多个应力传感器沿孔深方向间隔布置。
73.在一些可行的示例中,应力传感器为三维应力传感器,以利用三维应力传感器满足对隧道围岩不同方向上的应力测试需求。
74.步骤s104:获取各个应力传感器的应力监测信息。
75.具体地,获取各个应力传感器的应力监测信息,可以为后续隧道围岩的稳定性分析评价提供参考数据,并且由于在扰动应力测试钻孔的布置过程中,考虑了隧道围岩的质量影响,从而能够降低对岩体质量较差区间缺乏监测的可能性,提高了应力监测信息的覆盖全面性,为隧道围岩的稳定性评价和破损预警分析提供可靠依据。
76.综上,本技术实施例提供的隧道围岩扰动应力测试方法在进行隧道围岩的应力监测之前,通过获取隧道围岩的岩体基本质量等级,可以了解到待监测隧道围岩的岩体力学性质,从而根据隧道围岩的岩体基本质量等级,进行扰动应力测试钻孔的布置,在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔,进而保证扰动应力测试钻孔的布置方式能够对隧道围岩的岩体力学性质具备较高的针对性,降低隧道岩体的岩体力学性质对监测成本和应力监测结果的影响,并在各个扰动应力测试钻孔内间隔布置多个应力传感器,以对各个扰动应力测试钻孔附近的隧道围岩所受的应力进行监测,通过获取各个应力传感器的应力监测信息,为隧道围岩的稳定性分析评价提供可靠的依据。
77.在一些示例中,前述根据隧道围岩的岩体基本质量等级,在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔的步骤,包括:
78.选取应力监测断面,应力监测断面垂直于隧道的轴线方向;
79.根据隧道围岩的岩体基本质量等级,确定多个扰动应力测试钻孔的布孔形式;
80.根据布孔形式和应力监测断面,在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔,其中,多个扰动应力测试钻孔的轴线均位于应力监测断面内。
81.具体地,在根据隧道围岩的岩体基本质量等级,在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔的过程中,需要对应力监测断面进行选取,并令应力监测断面垂直于隧道的轴线方向,以基于应力监测断面对扰动应力测试钻孔的布置位置进行规划。同时,根据隧道围岩的岩体基本质量等级,确定多个扰动应力测试钻孔的布孔形式,并进一步根据布孔形式和应力监测断面,在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔,并令多个扰动应力测试钻孔的轴线均位于应力监测断面内,以避免在扰动应力测试钻孔内布置应力传感器时,各个应力传感器之间存在沿待监测隧道轴线方向上的位置偏差,为应力监测信息的数据可靠性以及
隧道围岩稳定性分析评价的准确性提供保障。
82.需要说明的是,可以结合隧道的实际情况,对于长度较小的隧道,可以在隧道的轴向中段选定监测断面;对于长度较长的隧道,由于隧道围岩对应的区域较广,岩体质量有时沿隧道的轴向存在分布不均的现象,往往会在隧道开挖前进行大量的岩体勘测,可以根据勘测结果,获取隧道围岩沿隧道轴向方向的岩体基本质量等级分布情况,在岩体质量最差,也即隧道围岩的岩体基本质量等级最高的区段内选定监测断面,以保证应力监测的可靠性。
83.在一些示例中,如图2所示,前述根据隧道围岩的岩体基本质量等级,确定多个扰动应力测试钻孔的布孔形式的步骤,包括:
84.根据应力监测断面,确定待监测隧道10的高度线和待监测隧道10的跨度线;
85.获取待监测隧道高度h和待监测隧道跨度l;
86.以高度线和跨度线的交点为极点o,以由极点o出发且经过待监测隧道10的顶点的射线为极轴,以顺时针方向为正方向,建立极坐标系;
87.在隧道围岩的岩体基本质量等级为ⅰ级或ⅱ级或ⅲ级的情况下,以第一布孔形式在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔;
88.其中,多个扰动应力测试钻孔包括顶部测孔100、第一帮部测孔300和第一肩部测孔200,第一布孔形式为:
89.沿第一预设角度方向,在隧道围岩上开设孔深为3h的顶部测孔100,第一预设角度方向大于或等于-10
°
且小于或等于10
°

90.沿第二预设角度方向,在隧道围岩上开设孔深为4l的第一帮部测孔300,第二预设角度方向大于或等于85
°
且小于或等于95
°

91.沿第三预设角度方向,在隧道围岩上开设孔深为1.5(l+h)的第一肩部测孔200,第三预设角度方向大于或等于-45
°
且小于或等于-30
°

92.如图2所示,在选定了应力监测断面的情况下,可以根据应力监测断面确定待监测隧道10的高度线和跨度线。
93.可以理解的是,应力监测断面内包括待监测隧道10的横截面,可以根据待监测隧道10的横截面确定待监测隧道10的高度方向和跨度方向,如图2所示,以待监测隧道10的横截面为拱形为例,待监测隧道10的高度线为垂直于待监测隧道10的底部且过横截面顶点的直线,待监测隧道10的跨度线为垂直于待监测隧道10的高度线且过横截面几何中心的直线。
94.同时,获取待监测隧道高度h和待监测隧道跨度l,待监测隧道高度h和待监测隧道跨度l可以通过隧道平面图或其它待监测隧道10的设计数据得到,以为各个扰动应力测试钻孔的布置深度提供参考,可以理解,布置深度即为孔深,进而以高度线和跨度线的交点作为极点o,以由极点o出发且经过待监测隧道10的顶点的射线为极轴,以顺时针方向为正方向,建立极坐标系,从而根据前述极坐标系,为多个扰动应力测试钻孔的布置位置提供参照。
95.在隧道围岩的岩体基本质量等级为ⅰ级或ⅱ级或ⅲ级的情况下,说明待监测隧道10的隧道围岩质量相对较好,围岩的坚硬程度和完整程度较高,隧道两侧围岩的应力场分布能够具有较高的对称度,从而可以在待监测隧道10的隧道围岩上开设较少的扰动应力测
试钻孔,以在保证能够对待监测隧道10附近多个位置的隧道围岩进行监测的同时,节约钻孔成本并控制后续应力传感器的使用数量。
96.进而,在隧道围岩的岩体基本质量等级为ⅰ级或ⅱ级或ⅲ级的情况下,多个扰动应力测试钻孔包括顶部测孔100、第一帮部测孔300和第一肩部测孔200,且顶部测孔100、第一帮部测孔300和第一肩部测孔200按前述第一布孔形式布置,以对待监测隧道10的顶部围岩、一侧的肩部围岩和另一侧帮部围岩分别进行监测。
97.可以理解的是,在隧道围岩的岩体基本质量等级为ⅰ级或ⅱ级或ⅲ级的情况下,基于第一布孔形式,仅对隧道的一侧肩部和另一侧的帮部进行了钻孔监测,未进行开孔监测的肩部围岩和帮部围岩的分布信息,则可以分别参考基于第一肩部测孔200得到的应力信息和基于第一帮部测孔300得到的应力信息,从而利用隧道围岩的良好岩体质量,节约了扰动应力测试钻孔的布置成本。
98.在一些可行的示例中,第一预设角度方向取0
°
,第二预设角度方向取90
°
,第三预设角度方向取-45
°

99.在一些示例中,前述根据隧道围岩的岩体基本质量等级,确定多个扰动应力测试钻孔的布孔形式的步骤,如图3所示,还包括:
100.在隧道围岩的岩体基本质量等级为ⅳ级的情况下,以第一布孔形式和第二布孔形式在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔;
101.其中,多个扰动应力测试钻孔还包括第二帮部测孔500和第二肩部测孔400,第二布孔形式为:
102.沿第四预设角度方向,在隧道围岩上开设孔深为1.5(l+h)的第二肩部测孔400,第四预设角度大于或等于30
°
且小于或等于45
°

103.沿第五预设角度方向,在隧道围岩上开设孔深为4l的第二帮部测孔500,第五预设角度方向大于或等于-95
°
且小于或等于-85
°

104.具体地,在隧道围岩的岩体基本质量等级为ⅳ级的情况下,说明待监测隧道10的隧道围岩坚硬程度稍弱,且岩体完整性较差,存在破碎情况,隧道两侧围岩的应力场分布的对称度降低,从而需要在待监测隧道10的两侧隧道围岩上以较为对称的方式布置多个扰动应力测试钻孔,以避免缺失对局部易发生破碎的围岩的监测。
105.进而,如图3所示,在隧道围岩的岩体基本质量等级为ⅳ级的情况下,多个扰动应力测试钻孔包括顶部测孔100、第一帮部测孔300、第二帮部测孔500、第一肩部测孔200和第二肩部测孔400,其中,顶部测孔100、第一帮部测孔300和第一肩部测孔200按前述第一布孔形式布置,第二帮部测孔500和第二肩部测孔400按上述第二布孔形式布置,以对待监测隧道10的顶部围岩、两侧的肩部围岩和两侧帮部围岩分别进行监测,且前述各个扰动应力测试钻孔之间间隔较为均匀,有利于提升监测覆盖范围。
106.在一些可行的示例中,第四预设角度方向取45
°
,第五预设角度方向取-90
°

107.在一些示例中,前述根据隧道围岩的岩体基本质量等级,确定多个扰动应力测试钻孔的布孔形式的步骤,如图4所示,还包括:
108.在隧道围岩的岩体基本质量等级为

级的情况下,以第一布孔形式、第二布孔形式和第三布孔形式在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔;
109.其中,多个扰动应力测试钻孔还包括第一底部测孔600和第二底部测孔700,第三
布孔形式为:
110.沿第六预设角度方向,在隧道围岩上开设孔深为(l+h)的第一底部测孔600,第六预设角度方向大于或等于135
°
且小于或等于150
°

111.沿第七预设角度方向,在隧道围岩上开设孔深为(l+h)的第二底部测孔700,第七预设角度方向大于或等于-150
°
且小于或等于-135
°

112.具体地,在隧道围岩的岩体基本质量等级为

级的情况下,说明待监测隧道10的隧道围岩质量较为恶劣,围岩的坚硬程度和完整程度极低,隧道两侧围岩的应力场分布极易存在较大差异,从而需要对待监测隧道10周围的围岩进行更为全面的监测,以避免缺失对局部易发生破碎的围岩的监测。
113.进而,如图4所示,在隧道围岩的岩体基本质量等级为

级的情况下,多个扰动应力测试钻孔包括顶部测孔100、第一帮部测孔300、第二帮部测孔500、第一肩部测孔200、第二肩部测孔400、第一底部测孔600和第二底部测孔700,其中,顶部测孔100、第一帮部测孔300和第一肩部测孔200按前述第一布孔形式布置,第二帮部测孔500和第二肩部测孔400按上述第二布孔形式布置,第一底部测孔600和第二底部测孔700按第三布孔形式布置,以对待监测隧道10的顶部围岩、两侧的肩部围岩、两侧帮部围岩和底部围岩分别进行监测。
114.需要说明的是,在隧道围岩的岩体基本质量等级为

级的情况下,待监测隧道10的底部围岩也存在破碎失稳的可能性,进而导致隧道的通过性较差,影响隧道的日常生产,从而按第三布孔方式在待监测隧道10的底部围岩布置第一底部测孔600和第二底部测孔700,并分别在各个底部测孔内布置应力传感器,可以对底部围岩的应力情况进行持续监测,有利于预测底部围岩的破碎失稳,进而为生产的持续性进行提供保障。
115.在一些可行的示例中,第六预设角度方向取150
°
,第七预设角度方向取-150
°

116.可以理解的是,前述的3h表示3倍的待监测隧道高度h;前述的4l表示4倍的待监测隧道跨度l;前述的1.5(l+h)表示待监测隧道高度h与待监测隧道跨度l的和值的1.5倍;前述(l+h)表示待监测隧道高度h与待监测隧道跨度l的和值。相应地,顶部测孔的孔深为3h、各个肩部测孔的孔深为1.5(l+h)、各个帮部测孔的孔深为4l,且各个底部测孔的孔深为(l+h),前述孔深的单位可以为米。
117.在一些示例中,如图5至图8所示,沿每个扰动应力测试钻孔的孔口至孔底方向,应力传感器的间隔增大。
118.具体地,在前述各个扰动应力测试钻孔开设完成后,沿每个扰动应力测试钻孔的孔口至孔底方向,也即孔深方向,间隔布置多个应力传感器,且应力传感器的间隔增大,从而在每个扰动应力测试钻孔内形成,越靠近孔口位置时应力传感器布置越密集,越靠近孔底位置时应力传感器布置越稀疏,进而实现对于应力监测的关键区域进行高密度监测,且对于应力监测关键性相对较低的区域进行低密度监测,进一步节省应力传感器的使用数量。
119.需要说明的是,沿每个扰动应力测试钻孔的孔口至孔底方向,应力传感器的间隔增大的形式可以是持续性增大,如,假设某一扰动应力测试钻孔的孔深为5m,在该扰动应力测试钻孔内布置了5个应力传感器,5个应力传感器由孔口至孔底的方向,编号分别为传感器1、传感器2、传感器3、传感器4和传感器5,其中传感器1距孔口0.2m,传感器1与传感器2之间间隔0.5m,传感器2与传感器3之间间隔1m,传感器3与传感器4之间间隔1.5m,传感器4与
传感器5之间间隔为1.6m。能够理解,采取间隔持续性增大的形式时,应力传感器布置个数和间距不限于本示例给出的数据。
120.沿每个扰动应力测试钻孔的孔口至孔底方向,应力传感器的间隔增大的形式亦可以是阶段性增大,如,假设某一扰动应力测试钻孔的孔深为10m,在该扰动应力测试钻孔内布置了7个应力传感器,7个应力传感器由孔口至孔底的方向,编号分别为传感器6、传感器7、传感器8、传感器9、传感器10、传感器11和传感器12,传感器6距孔口0.5m,其中,传感器6、传感器7和传感器8等距布置,传感器7与传感器6之间间隔1m,传感器8与传感器7之间间隔1m,传感器9与传感器8之间间隔1.5m,传感器10与传感器9之间间隔1.5m,且传感器11与传感器10之间间隔2m,传感器12与传感器11之间间隔2m。能够理解,采取间隔阶段性增大的形式时,应力传感器布置个数和间距不限于本示例给出的数据。
121.可以理解的是,在待监测隧道10的开挖和支护阶段,越靠近于待监测隧道10轮廓附近的隧道围岩所受到的扰动应力就会越大,且扰动应力的变化越剧烈,因此为了更为准确地掌握靠近于待监测隧道10轮廓附近的隧道围岩所受的应力作用,在每个扰动应力测试钻孔内,在靠近孔口位置的区域以较高的布置密度布置应力传感器,相应地,远离待监测隧道10轮廓的隧道围岩,往往受到的扰动应力较小,且扰动应力的变化相对平缓,因此可以在每个扰动应力测试钻孔内,在靠近孔底位置的区域以较低的布置密度布置应力传感器,以减少应力传感器的使用量,降低监测成本。
122.在一些可行的示例中,如图5至图8所示,各个扰动应力测试钻孔内的应力传感器可按下述传感器布置形式布置:
123.如图5所示,沿顶部测孔的孔口至孔底方向,分别在0.1h位置、0.2h位置、0.3h位置、0.6h位置、1.0h位置、1.4h位置、2.0h位置和3.0h位置设置一个应力传感器,共计8个应力传感器,图5中ts1至ts8表示沿顶部测孔的孔口至孔底方向依次设置的前述8个应力传感器,可以理解的是,这里的应力传感器设置位置是以顶部测孔的孔口为0点位置得到的;
124.如图6所示,沿各个帮部测孔的孔口至孔底方向,分别在0.1l位置、0.2l位置、0.3l位置、0.6l位置、1.0l位置、1.4l位置、2.0l位置、3.0l位置和4.0l位置设置一个应力传感器,共计9个应力传感器,图6中bs1至bs9表示沿各个帮部测孔的孔口至孔底方向依次设置的前述9个应力传感器,可以理解的是,这里的应力传感器设置位置是以各个帮部测孔的孔口为0点位置得到的;
125.如图7所示,沿各个肩部测孔的孔口至孔底方向,分别在0.05(l+h)位置、0.1(l+h)位置、0.15(l+h)位置、0.3(l+h)位置、0.5(l+h)位置、0.7(l+h)位置、(l+h)位置和1.5(l+h)位置设置一个应力传感器,共计8个应力传感器,图6中js1至js8表示沿各个肩部测孔的孔口至孔底方向依次设置的前述8个应力传感器,可以理解的是,这里的应力传感器设置位置是以各个肩部测孔的孔口为0点位置得到的;
126.如图8所示,沿各个底部测孔的孔口至孔底方向,分别在0.05(l+h)位置、0.1(l+h)位置、0.15(l+h)位置、0.3(l+h)位置、0.5(l+h)位置、0.7(l+h)位置、(l+h)位置设置一个应力传感器,共计7个应力传感器,图8中ds1至ds7表示沿各个底部测孔的孔口至孔底方向依次设置的前述7个应力传感器,可以理解的是,这里的应力传感器设置位置是以各个底部测孔的孔口为0点位置得到的。
127.在一些示例中,隧道围岩扰动应力测试方法还包括:
128.获取各个应力传感器的监测时间信息;
129.根据应力监测信息和监测时间信息,确定围岩应力与监测时长之间的第一关系。
130.具体地,进一步获取各个应力传感器的监测时间信息,监测时间信息与监测应力信息相对应,且用于反映监测应力信息的获取时间,从而可以根据应力监测信息和监测时间信息,确定隧道围岩所受的围岩应力与监测时长之间的第一关系,进而便于监测人员根据第一关系分析和确定围岩应力随时间的变化规律,并利用第一关系为隧道围岩的破碎失稳时间预测提供可靠的预测依据。
131.可以理解的是,第一关系可以由基于应力监测信息和监测时间信息之间的对应关系,总结出的经验公式、关系曲线、关系表等映射形式确定。并且,可以根据每个应力传感器的监测时间信息和测得的应力监测信息,得到一组第一关系。
132.在一些示例中,隧道围岩扰动应力测试方法还包括:
133.获取各个应力传感器的测点位置信息;
134.根据应力监测信息和测点位置信息,确定围岩应力与扰动应力测试钻孔的孔深位置之间的第二关系。
135.具体地,进一步获取各个应力传感器的测点位置信息,测点位置信息与监测应力信息相对应,可以理解的是,测点即是指应力监测点,也即应力传感器所处的位置,由于应力传感器布置在扰动应力测试钻孔内,测点位置信息也即反映应力传感器在相应扰动应力测试钻孔内所处的孔深位置,从而可以根据应力监测信息和测点位置信息,确定隧道围岩所受的围岩应力与扰动应力测试钻孔的孔深位置之间的第二关系,进而便于监测人员根据第二关系分析和确定围岩应力随孔深位置的变化规律,并利用第二关系为隧道围岩的破碎失稳位置预测提供可靠的预测依据。
136.可以理解的是,第二关系可以由基于应力监测信息和测点位置信息之间的对应关系,总结出的经验公式、关系曲线、关系表等映射形式确定。并且,可以根据每个扰动应力测试钻孔内的多个应力传感器的监测时间信息和测得的应力监测信息,得到一组第二关系。
137.在一些示例中,如图9和图10所示,隧道围岩扰动应力测试方法还包括:
138.根据每个应力传感器的应力监测信息和监测时间信息,确定各个应力传感器的应力时长曲线,应力时长曲线用于确定第一关系;
139.根据应力监测信息和测点位置信息,建立各个扰动应力测试钻孔的应力孔深曲线,应力孔深曲线用于确定第二关系。
140.如图9所示,图9中横坐标为监测时长,单位为天;纵坐标为围岩应力,单位为mpa。具体地,可以根据每个应力传感器的应力监测信息和监测时间信息,建立各个应力传感器的应力时长曲线,每个应力传感器对应的应力时长曲线,能够反映该应力传感器监测范围内的围岩应力随时间的变化规律,进而可以利用应力时长曲线确定前述第一关系,并且应力时长曲线具备较高的直观性,便于监测人员利用应力时长曲线进行隧道围岩的破碎失稳时间预测以及判断隧道围岩是否处于稳定状态,提高隧道围岩稳定性分析效率,进而在测试过程当中,考虑了对隧道围岩的非线性力学性质和时间效应加以考虑,能够准确反映隧道围岩扰动应力的时空演化。从而,本技术实施例提供的隧道围岩扰动应力测试方法尤其适用于深埋隧道软弱破碎围岩的扰动应力测试。
141.如图10所示,图10中横坐标为孔深位置,单位为m;纵坐标为围岩应力,单位为mpa。
可以根据应力监测信息和监测时间信息,建立各个扰动应力测试钻孔的应力孔深曲线,每个扰动应力测试钻孔的应力孔深曲线,能够反映该扰动应力测试钻孔中多个应力传感器的监测范围内的围岩应力随时间的变化规律,进而可以利用应力孔深曲线确定前述第二关系,并且应力孔深曲线具备较高的直观性,便于监测人员利用应力孔深曲线进行隧道围岩的破碎失稳位置预测以及判断各个位置的隧道围岩是否处于稳定状态,提高隧道围岩稳定性分析效率。
142.可以理解的是,每个扰动应力测试钻孔的应力孔深曲线,是基于该扰动应力测试钻孔内的多个应力传感器的应力监测信息和测点位置信息得到的。
143.在一些示例中,如图9和图10所示,隧道围岩扰动应力测试方法还包括:
144.根据应力孔深曲线,确定隧道围岩的临界应力点,临界应力点为应力孔深曲线中沿孔深增大方向上的首个峰值点;
145.根据临界应力点,确定隧道围岩的损伤破裂区和隧道围岩的弹性区;
146.根据应力时长曲线,确定隧道围岩的围岩自稳时长和隧道围岩的支护稳定时长。
147.如图10所示,具体地,可以根据应力孔深曲线,确定隧道围岩的临界应力点,临界应力点也即应力孔深曲线中,沿孔深增大方向上的首个峰值点,可以理解的是,若应力孔深曲线中存在多个峰值点,临界应力点也即为孔深位置最小的峰值点,从而临界应力点是多个峰值点中最靠近于待监测隧道轮廓的峰值点,定义临界峰值点对应的孔深位置为临界位置a1,可以利用临界位置a1划分隧道围岩的弹性区和损伤破裂区,其中,孔深位置小于临界位置a1的隧道围岩区域为损伤破裂区,损伤破裂区内的部分隧道围岩容易遭受较大的扰动应力,从而易于发生破碎失稳现象,孔深位置大于临界位置a1的隧道围岩区域为弹性区,弹性区内的部分隧道围岩所受应力相对较小,从而稳定性较好,进而为隧道围岩的失稳预防位置确定提供参考。
148.示例性地,若在应力孔深曲线中孔深位置大于临界位置的区域,出现如图10中区间a2所圈出的围岩应力波动区域,则可以确定区间a2所对应的隧道围岩分区为破裂分区,区间a2中波峰对应的孔深位置为围岩分区破裂起点,区间a2中波谷对应的孔深位置为围岩分区破裂终点,也即确定应力孔深曲线中孔深位置大于临界位置的应力波动区域内,相邻的一组波峰孔深位置和波谷孔深位置之间的区域为围岩破裂分区。同理,通过图10中的区间a3,也能够确定一个围岩破裂分区。
149.如图10中区间a4区域内的围岩应力随孔深的变化幅度极小,从而可以确定a4区域对应的隧道围岩分区为稳定区,稳定区内的部分隧道围岩稳定性较好,发生破碎失稳的可能性较低,可以通过获取应力孔深曲线的实际斜率,并设置稳定参考斜率,确定实际斜率小于稳定参考斜率的孔深位置区间为稳定区。
150.需要说明的是,图10中示出了3条应力位置曲线,这是由于实际应用中采用的应力传感器为三维应力传感器,从而得到了同一扰动应力测试钻孔内三个方向上的应力位置曲线,3条应力位置曲线中,由上至下分别为自重应力方向的应力位置曲线、隧道跨度方向的应力位置曲线和隧道轴向的应力位置曲线,自重应力方向也即重力方向。
151.同时,还可以根据应力时长曲线,确定隧道围岩的围岩自稳时长和隧道围岩的支护稳定时长,其中,围岩自稳时长表示待监测隧道自开始挖掘作业起至围岩应力自行稳定所需的时间,可以利用围岩自稳时长反映围岩整体的流变力学性质,围岩自稳时长可以为
后续的隧道围岩破碎失稳预测提供参考数据;支护稳定时长表示待监测隧道自实施支护作业起至隧道围岩达到稳定所需的时间,支护稳定时长反映支护-围岩耦合作用过程,可以为后续的隧道围岩破碎失稳预测提供进一步的参考。
152.根据应力时长曲线,确定隧道围岩的围岩自稳时长和隧道围岩的支护稳定时长的步骤,可以包括:
153.获取待监测隧道的开挖时刻;
154.根据应力时长曲线,获取开挖时刻后,应力时长曲线的斜率首次低于自稳参考斜率的第一监测时刻;
155.确定第一监测时刻与开挖时刻的差值为围岩自稳时长;
156.获取待监测隧道的支护起始时刻;
157.根据应力时长曲线,获取支护起始时刻后,应力时长曲线的斜率首次低于支护稳定参考斜率的第二监测时刻;
158.确定第二监测时刻与支护起始时刻的差值为支护稳定时长。
159.其中,开挖时刻和支护起始时刻可以通过待监测隧道的施工记录获得,自稳参考斜率和支护稳定参考斜率可以结合对隧道围岩的稳定性要求设定,可以为0.1mpa/天或0.1mpa/星期。
160.示例性地,图9中示出了待监测隧道由开挖时间起至投入运行了一段时间内的应力时长曲线,可以理解的是,由于待监测隧道开挖,会对隧道围岩造成应力扰动,从而自0时刻起,围岩应力形成了一段时间的持续快速增长,在监测时长到达虚线t1对应的时刻时,围岩应力曲线的斜率降低至0.1mpa/天,说明围岩应力随监测时间的增长速度趋于平缓,如以0.1mpa/天为自稳参考斜率,则虚线t1对应的时刻为第一监测时刻,且由于0时刻为开挖时刻,则虚线t1对应时刻值即为围岩自稳时长。区间t2左边界对应的时刻为支护起始时刻,区间t2的右边界为支护起始时刻后,应力时长曲线的斜率首次低于支护稳定参考斜率的第二监测时刻,从而区间t2左边界对应的时刻与区间t2的右边界对应的时刻的差值为支护稳定时长。
161.进一步地,在第二监测时刻后,隧道围岩保持了一段时间的应力稳定状态,在时间到达区间t3的左边界时,围岩应力发生了突变,可以在确定区间t3的左边界对应的时刻,隧道围岩再次受到了其它因素的影响产生了应力扰动现象,其它因素可能为待监测隧道邻近区域的隧道开挖作业等工程扰动,以自稳参考斜率为参照,图9中示出的应力时长曲线在区间t3的左边界对应的时刻后,斜率再次于区间t3右边界对应的时刻低于自稳参考斜率,说明隧道围岩能够在外部扰动下恢复稳定,相应地,若是自区间t3的左边界对应的时刻起,应力扰动曲线的斜率保持大于或等于自稳参考斜率的时长超过预警待机时长,则说明隧道围岩无法实现稳定,说明隧道围岩即将发生失稳事故,确定区间t3的左边界对应的时刻与预警待机时长的和值为预警时间,从而实现对隧道围岩失稳的实时预警。
162.在本发明中,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性;术语“多个”则指两个或两个以上,除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解,例如,“连接”可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;“相连”可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
163.本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作,因此,不能理解为对本发明的限制。
164.在本说明书的描述中,术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且,描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
165.以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征:
1.一种隧道围岩扰动应力测试方法,其特征在于,包括:获取待监测隧道的隧道围岩的岩体基本质量等级;根据所述隧道围岩的岩体基本质量等级,在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔;在各个所述扰动应力测试钻孔内间隔布置多个应力传感器;获取各个所述应力传感器的应力监测信息。2.根据权利要求1所述的隧道围岩扰动应力测试方法,其特征在于,所述根据所述隧道围岩的岩体基本质量等级,在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔的步骤,包括:选取应力监测断面,所述应力监测断面垂直于所述隧道的轴线方向;根据所述隧道围岩的岩体基本质量等级,确定所述多个扰动应力测试钻孔的布孔形式;根据所述布孔形式和所述应力监测断面,在所述隧道围岩上开设多个所述扰动应力测试钻孔,其中,多个所述扰动应力测试钻孔的轴线均位于所述应力监测断面内。3.根据权利要求2所述的隧道围岩扰动应力测试方法,其特征在于,所述根据所述隧道围岩的岩体基本质量等级,确定所述多个扰动应力测试钻孔的布孔形式的步骤,包括:根据所述应力监测断面,确定所述待监测隧道的高度线和所述待监测隧道的跨度线;获取待监测隧道高度h和待监测隧道跨度l;以所述高度线和所述跨度线的交点为极点,以由所述极点出发且经过所述待监测隧道的顶点的射线为极轴,以顺时针方向为正方向,建立极坐标系;在所述隧道围岩的岩体基本质量等级为ⅰ级或ⅱ级或ⅲ级的情况下,以第一布孔形式在所述隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔;其中,多个所述扰动应力测试钻孔包括顶部测孔、第一帮部测孔和第一肩部测孔,所述第一布孔形式为:沿第一预设角度方向,在所述隧道围岩上开设孔深为3h的所述顶部测孔,所述第一预设角度方向大于或等于-10
°
且小于或等于10
°
;沿第二预设角度方向,在所述隧道围岩上开设孔深为4l的所述第一帮部测孔,所述第二预设角度方向大于或等于85
°
且小于或等于95
°
;沿第三预设角度方向,在所述隧道围岩上开设孔深为1.5(l+h)的所述第一肩部测孔,所述第三预设角度方向大于或等于-45
°
且小于或等于-30
°
。4.根据权利要求3所述的隧道围岩扰动应力测试方法,其特征在于,所述根据所述隧道围岩的岩体基本质量等级,确定所述多个扰动应力测试钻孔的布孔形式的步骤,还包括:在所述隧道围岩的岩体基本质量等级为ⅳ级的情况下,以所述第一布孔形式和第二布孔形式在所述隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔;其中,多个所述扰动应力测试钻孔还包括第二帮部测孔和第二肩部测孔,所述第二布孔形式为:沿第四预设角度方向,在所述隧道围岩上开设孔深为1.5(l+h)的所述第二肩部测孔,所述第四预设角度大于或等于30
°
且小于或等于45
°
;沿第五预设角度方向,在所述隧道围岩上开设孔深为4l的所述第二帮部测孔,所述第五预设角度方向大于或等于-95
°
且小于或等于-85
°
。5.根据权利要求4所述的隧道围岩扰动应力测试方法,其特征在于,所述根据所述隧道
围岩的岩体基本质量等级,确定所述多个扰动应力测试钻孔的布孔形式的步骤,还包括:在所述隧道围岩的岩体基本质量等级为

级的情况下,以所述第一布孔形式、所述第二布孔形式和第三布孔形式在所述隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔;其中,多个所述扰动应力测试钻孔还包括第一底部测孔和第二底部测孔,所述第三布孔形式为:沿第六预设角度方向,在所述隧道围岩上开设孔深为(l+h)的所述第一底部测孔,所述第六预设角度方向大于或等于135
°
且小于或等于150
°
;沿第七预设角度方向,在所述隧道围岩上开设孔深为(l+h)的所述第二底部测孔,所述第七预设角度方向大于或等于-150
°
且小于或等于-135
°
。6.根据权利要求5所述的隧道围岩扰动应力测试方法,其特征在于,沿每个所述扰动应力测试钻孔的孔口至孔底方向,所述应力传感器的间隔增大。7.根据权利要求1至6中任一项所述的隧道围岩扰动应力测试方法,其特征在于,还包括:获取各个所述应力传感器的监测时间信息;根据所述应力监测信息和所述监测时间信息,确定围岩应力与监测时长之间的第一关系。8.根据权利要求7所述的隧道围岩扰动应力测试方法,其特征在于,还包括:获取各个所述应力传感器的测点位置信息;根据所述应力监测信息和所述测点位置信息,确定所述围岩应力与所述扰动应力测试钻孔的孔深位置之间的第二关系。9.根据权利要求8所述的隧道围岩扰动应力测试方法,其特征在于,还包括:根据每个所述应力传感器的所述应力监测信息和所述监测时间信息,确定各个所述应力传感器的应力时长曲线,所述应力时长曲线用于确定所述第一关系;根据所述应力监测信息和所述测点位置信息,建立各个所述扰动应力测试钻孔的应力孔深曲线,所述应力孔深曲线用于确定所述第二关系。10.根据权利要求9所述的隧道围岩扰动应力测试方法,其特征在于,还包括:根据所述应力孔深曲线,确定所述隧道围岩的临界应力点,所述临界应力点为所述应力孔深曲线中沿孔深增大方向上的首个峰值点;根据所述临界应力点,确定所述隧道围岩的损伤破裂区和所述隧道围岩的弹性区;根据所述应力时长曲线,确定所述隧道围岩的围岩自稳时长和所述隧道围岩的支护稳定时长。

技术总结
本发明提供了一种隧道围岩扰动应力测试方法,包括:获取待监测隧道的隧道围岩的岩体基本质量等级;根据隧道围岩的岩体基本质量等级,在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔;在各个扰动应力测试钻孔内间隔布置多个应力传感器;获取各个应力传感器的应力监测信息。该方法通过获取隧道围岩的岩体基本质量等级,可以了解到待监测隧道围岩的岩体力学性质,从而根据隧道围岩的岩体基本质量级等级,进行扰动应力测试钻孔的布置,在隧道围岩上开设多个扰动应力测试钻孔,进而保证扰动应力测试钻孔的布置方式能够对隧道围岩的岩体力学性质具备较高的适应性和针对性,降低隧道岩体力学性质对监测成本的影响,提高关键区域应力监测结果的精度,为隧道围岩的稳定性评价提供可靠依据。据。据。


技术研发人员:朱元广 徐正宣 王栋 刘滨 刘俊飞 贾哲强 陈明浩 张营旭 张敏 林之恒 袁东 欧阳吉 贾杰 舒杨 张小林
受保护的技术使用者:中铁二院工程集团有限责任公司 中国科学院武汉岩土力学研究所
技术研发日:2023.06.05
技术公布日:2023/9/12
版权声明

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