CN103953392B

CN103953392B - 深埋隧道断面上岩爆风险位置判别方法

Info

Publication number: CN103953392B
Application number: CN201410190609.XA
Authority: CN
Inventors: 冯夏庭; 赵周能; 陈炳瑞; 张传庆; 邱士利; 丰光亮; 肖亚勋; 刘国锋; 苏国韶
Original assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Priority date: 2014-05-07
Filing date: 2014-05-07
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2034-05-07
Also published as: CN103953392A

Abstract

本发明公开了一种深埋隧道断面上岩爆风险位置判别方法，其步骤：A：隧道开挖前，根据断面形状、工程地质、初始地应力条件和开挖方法；a、进行室内岩石力学试验和参数反演；b、确定三维初始地应力场；c、根据地层分布、地质构造、隧道断面尺寸；d、对几何模型实施隧道开挖过程数值计算分析；e、分析隧道断面上局部能量释放率的分布情况；B：隧道开挖过程中，开展微震实时监测：1、在隧道掌子面后方安装传感器；2、采集岩体微破裂过程的微震信号反演围岩微破裂发生的位置；3、分析微破裂事件在隧道断面上的投影分布；C：对判别的岩爆风险发生部位进行综合评价。减轻或避免岩爆灾害的发生，确保了施工安全和施工的进度。

Description

深埋隧道断面上岩爆风险位置判别方法

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，具体涉及深埋隧道断面上岩爆风险位置判别方法，适用于矿山、交通、水利水电等深埋硬岩隧道工程。

背景技术

高应力条件下或深埋硬岩隧道开挖过程中经常出现岩爆灾害。一些深埋隧道工程（如二郎山公路隧道、锦屏Ⅱ级水电站交通辅助洞、秦岭铁路隧道Ⅱ线、苍岭公路隧道，以及太平驿、天生桥、二滩、锦屏二级、挪威Sima等大型水电站引水隧洞）的岩爆实录统计分析结果表明，岩爆并非全部发生在隧道的全断面上，而是主要发生在隧道断面上某一局部位置，如拱顶、拱肩、拱脚、边墙或底板等。这种岩爆在隧道断面上发生位置的不确定性，使得隧道岩爆防治措施往往缺乏针对性。深埋隧道全断面防治会导致大量经济浪费；实施位置针对性的防治措施，会因岩爆风险位置的判别缺乏可靠方法而难以准确进行。因此，对隧道断面上岩爆风险位置的合理判别，就显得尤为重要。

目前，国内外关于岩爆风险的判别，主要有通过数值分析等方法，确定围岩强度应力比（最大切向应力或主应力与岩石单轴抗压强度比）、弹性应变能、能量释放率等。然而，强度应力比方法未能反映岩爆孕育区岩体的三维应力状态；弹性应变能方法只考虑了岩体中储存的弹性应变能（弹性计算）或岩体破坏后剩余的弹性应变能（弹塑性计算），未能考虑岩爆孕育到发生全过程中的能量释放；能量释放率方法只能总体上考虑能量释放的大小，但不能给出隧道断面上的能量释放最大的位置，也就不能给出隧道断面上岩爆风险位置。

因此，在进行数值模拟分析隧道断面上岩爆风险发生部位时，需要一种既能反映围岩内的弹性应变能释放情况又能反映其释放部位的新指标，而局部能量释放率指标较好地解决了这一问题（《岩石力学与工程学报》，2006年第12期，苏国韶和冯夏庭，“高应力下地下工程稳定性分析与优化的局部能量释放率新指标研究”）。对于高岩爆风险隧道，根据隧道断面形状、工程地质和初始地应力条件进行开挖数值模拟分析，计算出局部能量释放率在工程断面上的分布情况，其最大值分布部位预示着岩爆发生的大致范围。

由于工程地质条件的难以预知性和数值模拟不能完全模拟等问题，数值分析的结果给出的隧道断面上岩爆风险位置的大小会存在不确定性。这一不足可通过隧道开挖过程中微震实时监测所能给出的微破裂事件聚集区来加以弥补。研究表明，岩爆孕育过程实质上是孕育区岩体的损伤演化过程，并通常会产生以弹性波形式释放出应变能的微震现象。可见，微震信息真实地记录了岩爆所经历的损伤演化过程，客观地反映了岩爆孕育过程岩体破裂活动规律。因此，利用隧道开挖过程中微震实时监测结果，可以圈定围岩微破裂事件的聚集区，以此来进一步确定隧道断面上岩爆风险位置。

综上分析，为了提高岩爆防治措施的针对性和岩爆处理效果，需要一种基于局部能量释放率和微破裂事件聚集的深埋隧道断面上岩爆风险位置判别方法，而在此方面，至今尚未见相关文献报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，是在于提供了一种基于局部能量释放率和微震事件集中区的深埋隧道断面上岩爆风险位置判别方法，为采取针对性岩爆防治措施提供合理依据，减轻了或避免岩爆灾害的发生，从而确保了施工安全和施工的进度。

本发明的目的可通过下列技术方案实现：

一种深埋隧道断面上岩爆风险位置判别方法，其步骤是：

步骤A：隧道开挖前，根据隧道断面形状、工程地质、初始地应力条件和开挖方法，进行数值模拟分析，得出局部能量释放率在隧道断面上的分布情况，根据局部能量释放率大于10⁴J/m³的部位判别岩爆风险的发生位置：

1、进行室内岩石力学试验和参数反演，确定工程区岩石的密度、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、弹性模量和泊松比，以及本构模型；（《深埋硬岩隧洞动态设计方法》，科学出版社，出版人：冯夏庭）

2、采用原岩应力测试方法《岩石力学与工程》，中国科学出版社，主编蔡美峰和地应力场反演理论（《深埋硬岩隧洞动态设计方法》，科学出版社，出版人：冯夏庭），确定工程区三维初始地应力场；

3、根据工程区地层分布、地质构造、隧道断面尺寸，构建用于三维数值计算的几何模型；

4、对几何模型实施隧道开挖过程数值计算分析，得出隧道断面上局部能量释放率的分布情况；（运用FLAC3D软件进行局部能量释放率计算）

5、分析隧道断面上局部能量释放率的分布情况，认为局部能量大于10⁴J/m³的位置为岩爆的潜在风险区，进而对隧道断面上岩爆风险区的位置进行估计；

步骤B：隧道开挖过程中，开展微震实时监测，得出微破裂事件在隧道断面上的分布情况，根据微破裂事件聚集区圈定岩爆的发生位置：

1、在隧道掌子面后方70-130m范围安装传感器（单向速度型、三向加速度型，如1G14Hz单向速度型、3G2.5kHz三向加速度型），用拓普康全站仪测出各传感器的空间坐标；

2、利用传感器采集岩体微破裂过程发出的微震波信号反演围岩微破裂发生的位置，确定每个微破裂事件的空间位置；

3、分析微破裂事件在隧道断面上的投影分布情况，根据微破裂事件聚集区对岩爆可能发生的位置进行预判；

步骤C：对由步骤A和步骤B判别的岩爆风险发生部位进行综合评价：认为局部能量释放率大于10⁴J/m³，且微震事件明显集中的区域，即为隧道断面上的岩爆风险区。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)由于岩爆本质上是围岩内聚积的弹性应变能突然释放的结果，以局部能量释放率为评价指示进行数值模拟，分析估计隧道断面上岩爆风险的发生位置，克服了数值方法不能合理给出隧道断面上岩爆风险位置的不足。

(2)根据微震实时监测数据，并结合数值模拟结果，分析隧道断面上岩爆风险的发生区域，提高了开挖过程中关注岩爆风险区域的针对性，并可实时监测隧道断面上岩爆风险区域的演化过程，弥补了数值模拟的不足。

(3)岩爆风险发生位置的预先判别为采取针对性的防治措施提供了科学依据，可大大增强岩爆处理效果，从而有效地避免或降低岩爆灾害的发生，确保隧道施工安全和加快了工程施工进度。

附图说明

图1为一种基于数值模拟得出的隧道断面上岩爆风险位置示意图；

图2为一种基于微震监测得出的隧道断面上岩爆风险位置示意图；

图3为一种岩爆风险估计位置与岩爆实际位置对比图；

图4为一种现场岩爆照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

某深埋大断面隧道全长约17千米，断面尺寸为宽13m，高12m，呈上断面为半圆、下断面由3段圆弧组成的马蹄形状。隧道中部埋深为1500-2500m，穿越区地层岩性为NNE向分布的白山组大理岩，具有强岩爆倾向性。隧道分上下台阶开挖，上台阶开挖断面尺寸为宽13m，高8m，本实施例以埋深为1900m、隧道里程桩号为11020-11050m上台阶开挖过程中断面上岩爆风险的位置判别为例加以说明。

实施例1：

一种深埋隧道断面上岩爆风险位置判别方法，其步骤是：

步骤A：隧道开挖前，进行数值模拟分析，得出局部能量释放率在隧道断面上的分布情况，根据局部能量释放率最大部位估计岩爆风险的发生位置：

1、进行室内岩石力学试验和力学参数反演，确定工程区岩体的物理力学参数，见表1；本次数值计算本构模型采用一种弹脆塑性本构模型——黏聚力弱化摩擦强化模型(CWFS)，它在针对高地应力下硬岩脆性破坏区方面的模拟研究方面具有较好的效果；

表1白山组大理岩物理力学参数

密度/kg/m³	弹性模量/GPa	泊松比	粘聚力峰值/MPa	粘聚力残余值/MPa	粘聚力临界塑性应变 /%	摩擦角初始值/ ^o	摩擦角峰值/ ^o	摩擦角临界塑性应变 /%	剪胀角/ ^o
										2780	18.9	0.23	15.6	7.4	0.45	25.8	39.0	0.90	10

2、建立隧道空间坐标系，以隧道中心为圆心，隧道轴线方向为x轴，以西向为正，隧道径向为y为轴，以北向为正，隧道埋深为z轴，以向上为正；采用原岩应力测试方法测定隧道底板、左右边墙、拱顶及拱肩位置的三维初始地应力值，以此为基础，通过地应力场反演理论确定工程区三维初始地应力值，见表2；

表2三维地应力值

3、根据工程区地层分布、地质构造、隧道断面尺寸创建三维几何模型，其中隧道位于模型中部，隧道轴线方向长80m、重直隧道轴线方向的断面的宽和高分别为100m；

4、选用弹脆塑性本构模型—黏聚力弱化摩擦强化模型作为数值计算本构模型（《深埋硬岩隧洞动态设计方法》，科学出版社，出版人：冯夏庭），根据岩石力学试验成果：（岩石的密度、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、弹性模量和泊松比）定义几何模型的岩石材料参数；根据三维初始地应力测试成果，在地质构造活动区域考虑地质构造运动历史，进行三维地应力场反演，确定主应力大的小及方向。用所获得的反演结果进行地应力场模拟，设置边界条件，使几何模型具有一个接近实测地应力值的平衡的三维初始地应力场；

5、运用FLAC3D软件（FastLagrangianAnalysisofContinua）对隧道开挖过程的几何模型进行数值计算，选取局部能量释放率结果来描述隧道开挖过程中的能量释放在断面上的分布情况，如图1所示；（本领域的普通技术人员根据此软件摄取的数据可以对任意隧道开挖过程中的能量释放情况进行分析，得出隧道开挖过程中能量释放的分布情况）。

6、对隧道断面上局部能量释放率的分布情况（如图1所示）进行分析，得出局部能量释放率最大部位位于隧道北侧拱肩，据此分析隧道断面上岩爆风险位置为图1中虚线所圈定的范围；

步骤B：隧道开挖过程中，开展微震监测工作，得出微破裂事件在隧道断面上的分布情况，根据微破裂事件聚集区圈定岩爆的发生位置：

1、在隧道掌子面后方70或85或100或115或130m范围安装传感器，并用拓普康全站仪测出各传感器的空间坐标；

2、利用传感器采集的岩石微破裂过程发出的微震波信号反演围岩微破裂发生位置，确定每个微破裂事件的空间位置；本实施例中的一次岩石微破裂信号表示一个微破裂事件，用实心球表示，球的位置表示微破裂位置；

3、将所有微破裂事件投影到隧道断面上，如图2所示，可见，微破裂事件在隧道北侧边墙至拱肩形成聚集区，据此分析聚集区所圈定的范围为岩爆风险位置，如图2中虚线所圈定的范围；

步骤C：对由步骤A和步骤B估计的岩爆风险发生部位进行综合评价：发现北侧边墙至拱肩的位置局部能量释放率为10⁵J/m³，并且微震事件分布集中，最终圈定此位置为隧道该断面上的岩爆风险区，见图3点划线圈定的范围，这与实线标识的实际岩爆范围基本吻合，现场岩爆情况如图4所示。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种深埋隧道断面上岩爆风险位置判别方法，其步骤是：

步骤A：隧道开挖前，根据隧道断面形状、工程地质、初始地应力条件和开挖方法，进行数值模拟分析，得出局部能量释放率在隧道断面上的分布情况，根据局部能量释放率部位判别岩爆风险的发生位置：

a、进行室内岩石力学试验和参数反演，确定工程区岩石的密度、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、弹性模量和泊松比，以及本构模型；

b、采用原岩应力测试方法和地应力场反演理论，确定工程区三维初始地应力场；

c、根据工程区地层分布、地质构造、隧道断面尺寸，构建用于三维数值计算的几何模型；

d、对几何模型实施隧道开挖过程数值计算分析，得出隧道断面上局部能量释放率的分布情况；

e、分析隧道断面上局部能量释放率的分布情况，局部能量大于10⁴J/m³的位置为岩爆的潜在风险区，对隧道断面上岩爆风险区的位置进行估计；

a、在隧道掌子面后方70-130m范围安装传感器，用拓普康全站仪测出各传感器的空间坐标；

b、利用传感器采集岩体微破裂过程发出的微震波信号反演围岩微破裂发生的位置，确定每个微破裂事件的空间位置；

c、分析微破裂事件在隧道断面上的投影分布情况，根据微破裂事件聚集区对岩爆可能发生的位置进行预判；

步骤C：对由步骤A和步骤B判别的岩爆风险发生部位进行综合评价：局部能量释放率大于10⁴J/m³，微破裂事件明显集中的区域为岩爆的潜在风险区，最终圈定隧道断面上发生岩爆的部位。