深埋隧道斷面上巖爆風險位置判別方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種深埋隧道斷面上巖爆風險位置判別方法，其步驟：A：隧道開挖前，根據(jù)斷面形狀、工程地質、初始地應力條件和開挖方法，;a、進行室內巖石力學試驗和參數(shù)反演；b、確定三維初始地應力場；c、根據(jù)地層分布、地質構造、隧道斷面尺寸；d、對幾何模型實施隧道開挖過程數(shù)值計算分析；e、分析隧道斷面上局部能量釋放率的分布情況；B：隧道開挖過程中，開展微震實時監(jiān)測：1、在隧道掌子面后方安裝傳感器；2、采集巖體微破裂過程的微震信號反演圍巖微破裂發(fā)生的位置；3、分析微破裂事件在隧道斷面上的投影分布；C：對判別的巖爆風險發(fā)生部位進行綜合評價。減輕或避免巖爆災害的發(fā)生，確保了施工安全和施工的進度。
【專利說明】深埋隧道斷面上巖爆風險位置判別方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及隧道施工領域，具體涉及深埋隧道斷面上巖爆風險位置判別方法，適用于礦山、交通、水利水電等深埋硬巖隧道工程。
【背景技術】
[0002]高應力條件下或深埋硬巖隧道開挖過程中經(jīng)常出現(xiàn)巖爆災害。一些深埋隧道工程(如二郎山公路隧道、錦屏II級水電站交通輔助洞、秦嶺鐵路隧道II線、蒼嶺公路隧道，以及太平驛、天生橋、二灘、錦屏二級、挪威Sima等大型水電站引水隧洞)的巖爆實錄統(tǒng)計分析結果表明，巖爆并非全部發(fā)生在隧道的全斷面上，而是主要發(fā)生在隧道斷面上某一局部位置，如拱頂、拱肩、拱腳、邊墻或底板等。這種巖爆在隧道斷面上發(fā)生位置的不確定性，使得隧道巖爆防治措施往往缺乏針對性。深埋隧道全斷面防治會導致大量經(jīng)濟浪費；實施位置針對性的防治措施，會因巖爆風險位置的判別缺乏可靠方法而難以準確進行。因此，對隧道斷面上巖爆風險位置的合理判別，就顯得尤為重要。
[0003]目前，國內外關于巖爆風險的判別，主要有通過數(shù)值分析等方法，確定圍巖強度應力比(最大切向應力或主應力與巖石單軸抗壓強度比)、彈性應變能、能量釋放率等。然而，強度應力比方法未能反映巖爆孕育區(qū)巖體的三維應力狀態(tài)；彈性應變能方法只考慮了巖體中儲存的彈性應變能(彈性計算)或巖體破壞后剩余的彈性應變能(彈塑性計算)，未能考慮巖爆孕育到發(fā)生全過程中的能量釋放；能量釋放率方法只能總體上考慮能量釋放的大小，但不能給出隧道斷面上的能量釋放最大的位置，也就不能給出隧道斷面上巖爆風險位置。
[0004]因此，在進行數(shù)值模擬分析隧道斷面上巖爆風險發(fā)生部位時，需要一種既能反映圍巖內的彈性應變能釋放情況又能反映其釋放部位的新指標，而局部能量釋放率指標較好地解決了這一問題(《巖石力學與工程學報》，2006年第12期，蘇國韶和馮夏庭，“高應力下地下工程穩(wěn)定性分析與優(yōu)化的局部能量釋放率新指標研究”)。對于高巖爆風險隧道，根據(jù)隧道斷面形狀、工程地質和初始地應力條件進行開挖數(shù)值模擬分析，計算出局部能量釋放率在工程斷面上的分布情況，其最大值分布部位預示著巖爆發(fā)生的大致范圍。
[0005]由于工程地質條件的難以預知性和數(shù)值模擬不能完全模擬等問題，數(shù)值分析的結果給出的隧道斷面上巖爆風險位置的大小會存在不確定性。這一不足可通過隧道開挖過程中微震實時監(jiān)測所能給出的微破裂事件聚集區(qū)來加以彌補。研究表明，巖爆孕育過程實質上是孕育區(qū)巖體的損傷演化過程，并通常會產(chǎn)生以彈性波形式釋放出應變能的微震現(xiàn)象?？梢姡⒄鹦畔⒄鎸嵉赜涗浟藥r爆所經(jīng)歷的損傷演化過程，客觀地反映了巖爆孕育過程巖體破裂活動規(guī)律。因此，利用隧道開挖過程中微震實時監(jiān)測結果，可以圈定圍巖微破裂事件的聚集區(qū)，以此來進一步確定隧道斷面上巖爆風險位置。
[0006]綜上分析，為了提高巖爆防治措施的針對性和巖爆處理效果，需要一種基于局部能量釋放率和微破裂事件聚集的深埋隧道斷面上巖爆風險位置判別方法，而在此方面，至今尚未見相關文獻報道。
【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的問題，是在于提供了一種基于局部能量釋放率和微震事件集中區(qū)的深埋隧道斷面上巖爆風險位置判別方法，為采取針對性巖爆防治措施提供合理依據(jù)，減輕了或避免巖爆災害的發(fā)生，從而確保了施工安全和施工的進度。
[0008]本發(fā)明的目的可通過下列技術方案實現(xiàn):
一種深埋隧道斷面上巖爆風險位置判別方法，其步驟是:
步驟A:隧道開挖前，根據(jù)隧道斷面形狀、工程地質、初始地應力條件和開挖方法，進行數(shù)值模擬分析，得出局部能量釋放率在隧道斷面上的分布情況，根據(jù)局部能量釋放率大于104J/m3的部位判別巖爆風險的發(fā)生位置:
1、進行室內巖石力學試驗和參數(shù)反演，確定工程區(qū)巖石的密度、粘聚力、內摩擦角、抗拉強度、彈性模量和泊松比，以及本構模型；(《深埋硬巖隧洞動態(tài)設計方法》，科學出版社，出版人:馮夏庭)
2、采用原巖應力測試方法《巖石力學與工程》，中國科學出版社，主編蔡美峰和地應力場反演理論(《深埋硬巖隧洞動態(tài)設計方法》，科學出版社，出版人:馮夏庭)，確定工程區(qū)三維初始地應力場；
3、根據(jù)工程區(qū)地層分布、地質構造、隧道斷面尺寸，構建用于三維數(shù)值計算的幾何模型；
4、對幾何模型實施隧道開挖過程數(shù)值計算分析，得出隧道斷面上局部能量釋放率的分布情況；(運用FLAC3D軟件進行局部能量釋放率計算)
5、分析隧道斷面上局部能量釋放率的分布情況，認為局部能量大于104J/m3的位置為巖爆的潛在風險區(qū)，進而對隧道斷面上巖爆風險區(qū)的位置進行估計；
步驟B:隧道開挖過程中，開展微震實時監(jiān)測，得出微破裂事件在隧道斷面上的分布情況，根據(jù)微破裂事件聚集區(qū)圈定巖爆的發(fā)生位置:
1、在隧道掌子面后方70-130m范圍安裝傳感器(單向速度型、三向加速度型，如1G14HZ單向速度型、3G2.5kHz三向加速度型)，用拓普康全站儀測出各傳感器的空間坐標；
2、利用傳感器采集巖體微破裂過程發(fā)出的微震波信號反演圍巖微破裂發(fā)生的位置，確定每個微破裂事件的空間位置；
3、分析微破裂事件在隧道斷面上的投影分布情況，根據(jù)微破裂事件聚集區(qū)對巖爆可能發(fā)生的位置進行預判；
步驟C:對由步驟A和步驟B判別的巖爆風險發(fā)生部位進行綜合評價:認為局部能量釋放率大于104J/m3，且微震事件明顯集中的區(qū)域，即為隧道斷面上的巖爆風險區(qū)。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下有益效果:
(I)由于巖爆本質上是圍巖內聚積的彈性應變能突然釋放的結果，以局部能量釋放率為評價指示進行數(shù)值模擬，分析估計隧道斷面上巖爆風險的發(fā)生位置，克服了數(shù)值方法不能合理給出隧道斷面上巖爆風險位置的不足。
[0010](2)根據(jù)微震實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并結合數(shù)值模擬結果，分析隧道斷面上巖爆風險的發(fā)生區(qū)域，提高了開挖過程中關注巖爆風險區(qū)域的針對性，并可實時監(jiān)測隧道斷面上巖爆風險區(qū)域的演化過程，彌補了數(shù)值模擬的不足。
[0011](3)巖爆風險發(fā)生位置的預先判別為采取針對性的防治措施提供了科學依據(jù)，可大大增強巖爆處理效果，從而有效地避免或降低巖爆災害的發(fā)生，確保隧道施工安全和加快了工程施工進度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1為一種基于數(shù)值模擬得出的隧道斷面上巖爆風險位置示意圖；
圖2為一種基于微震監(jiān)測得出的隧道斷面上巖爆風險位置示意圖；
圖3為一種巖爆風險估計位置與巖爆實際位置對比圖；
圖4為一種現(xiàn)場巖爆照片。
【具體實施方式】
[0013]下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明，本發(fā)明的保護范圍不受以下實施例的限制。
[0014]某深埋大斷面隧道全長約17千米，斷面尺寸為寬13m，高12m，呈上斷面為半圓、下斷面由3段圓弧組成的馬蹄形狀。隧道中部埋深為1500-2500m，穿越區(qū)地層巖性為NNE向分布的白山組大理巖，具有強巖爆傾向性。隧道分上下臺階開挖，上臺階開挖斷面尺寸為寬13m，高8m，本實施例以埋深為1900m、隧道里程樁號為11020-11050m上臺階開挖過程中斷面上巖爆風險的位置判別為例加以說明。
[0015]實施例1:
一種深埋隧道斷面上巖爆風險位置判別方法，其步驟是:
步驟A:隧道開挖前，進行數(shù)值模擬分析，得出局部能量釋放率在隧道斷面上的分布情況，根據(jù)局部能量釋放率最大部位估計巖爆風險的發(fā)生位置:
1、進行室內巖石力學試驗和力學參數(shù)反演，確定工程區(qū)巖體的物理力學參數(shù)，見表1 ;本次數(shù)值計算本構模型采用一種彈脆塑性本構模型——黏聚力弱化摩擦強化模型(CWFS)，它在針對高地應力下硬巖脆性破壞區(qū)方面的模擬研究方面具有較好的效果；
表1白山組大理巖物理力學參數(shù)
【權利要求】
1.一種深埋隧道斷面上巖爆風險位置判別方法，其步驟是: 步驟A:隧道開挖前，根據(jù)隧道斷面形狀、工程地質、初始地應力條件和開挖方法，進行數(shù)值模擬分析，得出局部能量釋放率在隧道斷面上的分布情況，根據(jù)局部能量釋放率部位判別巖爆風險的發(fā)生位置: a、進行室內巖石力學試驗和參數(shù)反演，確定工程區(qū)巖石的密度、粘聚力、內摩擦角、抗拉強度、彈性模量和泊松比，以及本構模型； b、采用原巖應力測試方法和地應力場反演理論，確定工程區(qū)三維初始地應力場； C、根據(jù)工程區(qū)地層分布、地質構造、隧道斷面尺寸，構建用于三維數(shù)值計算的幾何模型； d、對幾何模型實施隧道開挖過程數(shù)值計算分析，得出隧道斷面上局部能量釋放率的分布情況； e、分析隧道斷面上局部能量釋放率的分布情況，局部能量大于104J/m3的位置為巖爆的潛在風險區(qū)，對隧道斷面上巖爆風險區(qū)的位置進行估計； 步驟B:隧道開挖過程中，開展微震實時監(jiān)測，得出微破裂事件在隧道斷面上的分布情況，根據(jù)微破裂事件聚集區(qū)圈定巖爆的發(fā)生位置: a、在隧道掌子面后方70-130m范圍安裝傳感器，用拓普康全站儀測出各傳感器的空間坐標； b、利用傳感器采集巖體微破裂過程發(fā)出的微震波信號反演圍巖微破裂發(fā)生的位置，確定每個微破裂事件的空間位置； C、分析微破裂事件在隧道斷面上的投影分布情況，根據(jù)微破裂事件聚集區(qū)對巖爆可能發(fā)生的位置進行預判； 步驟C:對由步驟A和步驟B判別的巖爆風險發(fā)生部位進行綜合評價:局部能量釋放率大于104J/m3，微震事件明顯集中的區(qū)域為巖爆的潛在風險區(qū)，最終圈定隧道斷面上發(fā)生巖爆的部位。
【文檔編號】E21F17/00GK103953392SQ201410190609
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權日:2014年5月7日
【發(fā)明者】馮夏庭, 趙周能, 陳炳瑞, 張傳慶, 邱士利, 豐光亮, 肖亞勛, 劉國鋒, 蘇國韶 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所