CN105807321A

CN105807321A - 岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测方法

Info

Publication number: CN105807321A
Application number: CN201610148382.1A
Authority: CN
Inventors: 刘成禹; 余世为; 范佐洪
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2016-07-27

Abstract

本发明涉及一种岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测方法。该方法针对现有岩爆预测方法的不足，提出一种现场施工技术人员容易掌握和普遍运用的、岩体结构分析和电磁辐射监测相结合的施工阶段岩爆预测方法；其中，“岩体结构分析”主要对待预测区的岩体是否可能发生岩爆进行初步预测；“电磁辐射监测”则在“岩体结构分析”的基础上，对可能发生岩爆区进行电磁辐射监测，通过监测结果反映的岩体受载程度、能量转换及微破裂进一步预测会不会发生岩爆及岩爆的强度。本发明方法无需进行大量的地应力测试和数值计算，采用便携式监测仪器，成本低且对施工干扰小。

Description

岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测方法

技术领域

本发明属于隧道与地下工程技术领域，特别涉及一种隧道与地下洞室施工过程中的岩爆综合预测方法，具体为一种岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测方法。

背景技术

岩爆是高应力条件下地下洞室开挖过程中，围岩因开挖卸荷发生脆性破坏，储存在岩体中的弹性应变能突然释放，产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。它直接威胁施工人员和机具的安全，影响施工进度，严重时甚至发生机毁人亡的事故。采用适宜的方法预测岩爆，在此基础上对可能发生岩爆的区段和部位采取针对性防治措施，从而避免或减弱岩爆的危害对岩爆区隧道及地下洞室施工具有重要意义。

隧道及地下洞室的岩爆预测总体上分设计和施工两个阶段进行。设计阶段的岩爆预测大多根据工程地质勘察资料，结合少量钻孔的实测地应力资料和岩石试验资料，采用现有的判据（如国内外常用的Barton判据、Hoek判据、Russense判据、Turchaninov判据等）对地下洞室各区段岩爆发生的可能性、岩爆级别进行宏观预测。

施工阶段的岩爆预报，目前国内外的常见做法有4种：1、随着地下洞室的掘进，进行必要的地应力测试和岩石试验，采用现有的判据对岩爆进行预测；2、在前述第1种方法的基础上，建立地下洞室所在区域的地质模型和数值模型，根据数值计算结果和现有岩爆判据进行预测；3、随着施工进行，在掌子面附近进行声发射、微震监测，根据监测结果预测岩爆；4、上述第1（或第2）种与第3方法相结合进行岩爆预测。

近年来申请的专利，如申请号201210210661.8（名称：高地应力地区近水平岩层岩爆的综合预报）就属于上述第2种方法；申请号201520202367.1（名称：一种基于声发射的岩爆前兆预警***）、申请号201310740727.9（名称：一种岩爆灾害微震监测预警关键点的识别方法）就属于上述第3种方法。

由于目前的岩爆判据和分级标准存在片面性和局限性，加之地质条件的复杂性和少量钻孔的实测地应力无法反映地下洞室各区段的具体情况，因此，设计阶段对岩爆的宏观预测无法较好地指导施工。在施工阶段，结合现场实际，进一步对施工前方的岩爆进行预测，以此为基础调整设计，指导施工，保证施工安全，合理安排施工进度是十分重要和必需的。

为保证预测准确性，上述第1、第2种施工阶段的岩爆预测方法需进行大量的地应力测试和数值计算。地应力测试和数值计算是一项专业性很强的工作，需高层次的专业技术人员才能完成，加之地应力测试成本较高，还要占用一定的施工时间，因此，不便现场施工技术人员掌握和普遍运用。

隧道和地下洞室施工现场环境复杂，施工机械和人工作业声音噪杂、振动频繁、富含各种频率成分的声波和震动，测试干扰多，这给声发射、微震监测结果的准确分析带来了诸多困难。此外，声发射、微震监测要求传感器与围岩很好地耦合，这在施工现场也有一定的困难；声发射和微震监测***的多个固定式传感器与数据采集仪需通过通信电缆相连，电缆和传感器在***施工中也易损坏。

本发明的主要目的是：针对现有岩爆预测方法的不足，提供一种现场施工技术人员容易掌握和普遍运用的施工阶段岩爆预测方法。本方法无需进行大量的地应力测试和数值计算，采用便携式监测仪器，成本低且对施工干扰小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测方法，该方法便于现场施工技术人员掌握和普遍运用，且无需进行大量的地应力测试和数值计算，采用便携式监测仪器，成本低且对施工干扰小。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测方法，包括如下步骤，

步骤S1：施工过程中，以岩爆发生的岩体结构条件为依据，根据对掌子面及其附近包括岩性、围岩级别、结构面产状的观察，初步判断掌子面前方是否可能发生岩爆以及发生的岩爆类型；

步骤S2：在步骤S1初步判断的可能发生岩爆的掌子面上，对岩爆可能出现部位进行电磁辐射监测，通过电磁辐射能量、强度、脉冲的监测值与基准值的对比，进一步分析是否会发生岩爆；

步骤S3：对施工过程中岩爆出现处的包括岩性、围岩级别、结构面产状、组数、间距、岩爆出现部位及程度进行记录，统计分析，得出岩爆发生的岩体结构条件和岩爆可能出现部位，并进行不断修正和完善；

步骤S4：在岩爆严重区段现场监测的基础上，通过监测值与岩爆实际发生情况的对比分析，得出基于电磁辐射监测的各级岩爆监测预测值，并进行不断修正和完善；

步骤S5：通过重复执行上述步骤S1-S4，达到提高岩爆预测的准确性的目的。

在本发明一实施例中，所述岩爆发生的岩体结构条件包括岩爆发生处的岩性及围岩级别条件、岩爆发生处结构面的产状、组数、间距条件。

在本发明一实施例中，所述步骤S2中，通过便携式电磁辐射仪对岩爆可能出现部位进行电磁辐射监测。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、与现有的通过地应力测试、岩石力学试验和数值计算进行岩爆预测的方法相比，本方法由于无需进行大量的地应力测试和数值计算，因此，具有成本低、易于现场施工技术人员掌握和普遍运用的优点；

2、与声发射、微震监测相比，电磁辐射不受施工振动、噪声的影响；电磁辐射监测除成本低外，还可采用便携式监测仪器在现场打眼结束后与炮眼装药同步进行，因此，无需占用施工作业时间；此外，由于炮眼装药时掌子面附近除照明用电外、无其它电力机具，所以测试干扰少；

3、声发射、微震、电磁辐射监测均存在多解性；岩体结构分析和电磁辐射监测相结合的方法，综合考虑了岩爆发生的岩性、岩体结构、受载程度等主要因素和岩爆孕育过程中岩体微破裂和能量释放，提高了预报准确性；实践证明是施工期间岩爆预测的可行方法。

附图说明

图1为本发明拱顶～拱腰段易发生岩爆时电磁辐射监测点。

图2为本发明MK51+357.4断面拱顶电磁辐射强度动态变化曲线图。

图3为本发明MK51+357.4断面拱顶电磁辐射能量动态变化曲线图。

图4为第1循环***后岩爆图。

图5为第2循环***后岩爆图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测方法，包括如下步骤，

进一步的，所述岩爆发生的岩体结构条件包括岩爆发生处的岩性及围岩级别条件、岩爆发生处结构面的产状、组数、间距条件。

进一步的，所述步骤S2中，通过便携式电磁辐射仪对岩爆可能出现部位进行电磁辐射监测。

以下具体讲述本发明的具体实现机理。

国内外的研究表明：岩体受载变形、破裂过程中会向外释放电磁辐射，电磁辐射强度、能量及脉冲与岩体受载状况及变形破裂过程密切相关；电磁辐射强度主要反映岩体的受载程度及变形破裂强度，脉冲数主要反映岩体变形及微破裂的频次，能量主要反映岩体变形及微破裂过程中的能量转换。围岩变形、破裂过程中产生的电磁辐射信号可采用便携式仪器进行非接触式监测。

岩爆也是岩体变形破裂的一种形式，其孕育过程实质上是孕育区岩体变形、破裂逐渐扩展，损伤演化的过程。因此，电磁辐射也可用于岩爆监测。但仅仅依靠电磁辐射监测结果并不能直接预测岩爆。这主要是因为：1、电磁辐射监测结果反映的是岩体受载程度、能量转换及变形、破裂情况；2、隧道与地下洞室围岩有很多种变形、破坏形式（如，坍方、掉块、大变形、岩爆等，岩爆只是其中的一种。），且围岩变形、破坏过程中都会伴随岩体的变形和破裂。因此，电磁辐射监测还需结合其它手段才能预测岩爆。

国内外的研究表明：产生岩爆的主要因素包括岩性、岩体结构、地应力水平及洞室开挖引起的二次应力集中等。在上述主要因素中，掌子面及其附近的岩性和岩体结构变化是可以用肉眼直观观察的；地应力水平、洞室周边二次应力集中程度、岩爆孕育过程中岩体的微破裂及能量转换是无法用肉眼观察的，但可以采用便携式电磁辐射仪器进行监测。

通过上述分析可看出，可以采用岩体结构分析和电磁辐射监测相结合的方法进行岩爆预测。其中，“岩体结构分析”主要对待预测区的岩体是否可能发生岩爆进行初步预测；“电磁辐射监测”则在“岩体结构分析”的基础上，对可能发生岩爆区进行监测，通过监测结果反映的岩体受载程度、能量转换及微破裂进一步预测会不会发生岩爆及岩爆的强度。

因此本发明提出了岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测方法，其技术方案由下列主要步骤构成：

1、施工过程中，以岩爆发生的岩体结构条件为依据，根据掌子面及其附近岩性、围岩级别、结构面产状等的观察，初步判断掌子面前方可不可能发生岩爆、可能发生什么类型的岩爆。

说明：本条中的“岩爆发生的岩体结构条件”主要包括：岩爆发生处的岩性及围岩级别条件；岩爆发生处结构面的产状、组数、间距条件。

2、施工过程中，在经初步判断掌子面前方可能发生岩爆的掌子面上，对岩爆可能出现部位采用便携式电磁辐射仪进行监测。通过电磁辐射能量、强度、脉冲监测值与基准值的对比，分析会不会发生岩爆。

说明：本条中的“电磁辐射能量、强度、脉冲基准值”为岩爆发生的基准值，当监测值大于基准值时则会发生岩爆。

3、对施工过程中岩爆出现处的岩性、围岩级别、结构面产状、组数、间距、岩爆出现部位及程度进行认真记录，统计分析，得出岩爆发生的岩体结构条件和岩爆可能出现部位，随着预报工作的进行不断修正和完善。

4、在岩爆严重区段现场监测的基础上，通过监测值与岩爆实际发生情况的对比分析，得出基于电磁辐射监测的各级岩爆监测预测值，随着预报工作的进行不断修正和完善。

5、随着预报工作的开展，上述步骤反复进行，岩爆预报准确性不断提高。

实施例一：

某铁路隧道，围岩主要为石英斑岩、花岗斑岩、花岗闪长岩、安山岩和凝灰岩，采用钻爆法施工，施工过程中岩爆频发。岩爆出现在本次***新开挖段的拱顶～拱腰，开始出现时间为***结束后20～40分钟，持续时间3～8小时，最长达15小时。通过施工前期岩爆发生情况的统计分析，得出岩爆发生的岩体结构条件如下：

（1）围岩为花岗斑岩或花岗闪长岩，围岩级别为Ⅱ、Ⅲ级，地下水不发育；

（2）轻微岩爆发生段：发育一组构造节理，节理走向与隧道纵向的夹角＞65°或与隧道纵向接***行，节理倾角大于70°；中等及强烈岩爆生段：发育2组节理，其中1组节理的走向与隧道纵向的夹角＞65°，另一组与隧道纵向接***行，至少有1组节理的倾角大于70°。

针对本隧道岩爆出现在本次***新开挖段的拱顶～拱腰，并在***结束后20～40分钟开始出现的特点，将电磁辐射监测重点放在掌子面前方的拱顶～拱腰部位。为此，在拱顶和左、右拱腰各布设一个测点，如图1所示。考虑到任何事件的预报均具有距该事件发生时间越近预报越准确的特点，同时为减少监测对施工的干扰，现场监测在炮孔装药期间进行。

施工过程中，在经初步判断掌子面前方可能发生岩爆的掌子面，采用便携式电磁辐射监测仪对拱顶～拱腰段前方进行监测。通过监测值与岩爆实际发生情况的对比分析，得出本隧道单个测点监测时间为2分钟时，各级岩爆预测值见表1。

典型预测实例：

该隧道MK51+657.4断面，掌子面及其附近区段出露岩层为花岗闪长岩，地下水不发育，围岩级别为Ⅱ级，发育两组倾角75～90°的陡倾构造节理，其中一组节理走向与隧道纵向接***行（两者夹角5~10°），另外一组节理的走向与隧道横向接***行（两者夹角0~7°）。按照前述岩爆发生的岩体结构条件，初步判断开挖前方具有发生中等～强烈岩爆的可能。

为进一步预测该断面开挖前方是否会发生岩爆，在该断面拱顶，左、右拱腰共布置3个测点（如图1所示），采用便携式电磁辐射监测仪在炮眼装药期间进行监测。监测结果见表2。图2、图3为监测过程中拱顶电磁辐射强度、能量动态变化情况。

将表2的监测结果与表1对比可看出：MK51+657.4断面前方电磁辐射能量、强度和脉冲监测值均大于强烈岩爆的基准值。由于该断面前方的岩体、围岩级别及结构面产状均符合中等～强烈岩爆发生的岩体结构条件，电磁辐射监测值也比强烈岩爆的基准值大，所以，预测MK51+657.4断面前方拱顶～拱腰部位会发生强烈岩爆。

现场实际情况：在MK51+657.4断面前方2个循环（每循环的***开挖长度为3.5m）的施工过程中，均在***后发生了强烈岩爆且出现在拱顶～拱腰部位。如图4、图5所示。岩爆发生的实际情况与预报结果一致。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测方法，其特征在于：包括如下步骤，

2.根据权利要求1所述的岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测方法，其特征在于：所述岩爆发生的岩体结构条件包括岩爆发生处的岩性及围岩级别条件、岩爆发生处结构面的产状、组数、间距条件。

3.根据权利要求1所述的岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测方法，其特征在于：所述步骤S2中，通过便携式电磁辐射仪对岩爆可能出现部位进行电磁辐射监测。