CN102749660A - 高地应力地区近水平岩层岩爆的综合预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地下工程技术领域，特别涉及一种岩爆预报方法。高地应力地区近水平岩层岩爆的综合预报方法，包括以下步骤：A.进行岩石力学试验，初步预判工程区岩爆烈度；B.测量工程区的三维地应力，预判工程区的岩爆烈度；C.综合地质素描、工程物探、超前钻孔等成果，建立工程区的三维地质模型，结合步骤A和B，初步实现工程区岩爆的宏观分区预测；D.建立工程区的三维数值计算模型，进行数值计算，预测工程区可能发生岩爆的具体部位；E.综合评价，预报工程区可能发生岩爆的部位和烈度。本发明基于岩石力学试验、现场地质情况和计算机模拟对深埋近水平岩层地区的地下工程岩爆进行多因素综合预报，经实际应用表明，具有原理科学、预测准确的特点。

Description

高地应力地区近水平岩层岩爆的综合预报方法

技术领域

本发明属于地下工程技术领域，特别涉及一种岩爆预报方法。

背景技术

岩爆是高地应力条件下的地下洞室开挖过程中，因围岩开挖卸荷而发生脆性破坏，储存于岩体中的弹性应变能突然释放且产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害，是一种容易导致设备损坏或人员伤亡的微震。岩爆主要由岩体的能量来源、能量储存与能量释放三个基本因素决定，影响这三个因素的条件不是单一的，主要有地应力、地层岩性、洞室的空间布置等。

岩爆预报问题是世界性的地下工程难题之一，国内外许多学者从多方面对岩爆问题进行了大量的研究，得到较多可应用于工程实践中的岩爆预测方法、防治措施，如陶振宇判据、二郎山公路隧道岩爆判别方法、秦岭岩爆判别方法、临界埋深判据、Barton判据、Russense判据、Turchaninov判据、Kidybinski方法、Hoek判据等，并结合现场岩爆现象及室内试验表征对岩爆机理进行研究，得到许多有益的结果。鉴于岩爆预报的复杂性，目前对岩爆成因及机理的认识尚处在探索阶段，因此现有岩爆预报的研究大多基于岩爆的某一个或几个特征，导致预报准确率不高，且只适用于某类地层条件，不具备推广价值。究其原因，是没有对岩爆进行多因素系统地分析研究预报，这也与地下工程的复杂性有关，即每个工程的地层岩性、赋存条件等等各不相同。因此，需要一种能够综合分析影响岩爆的几种主要因素可较准确地预报岩爆的方法。

发明内容

本发明的目的是：提供一种对深埋近水平岩层地区的地下工程岩爆进行多因素综合预报的方法。

本发明的技术方案是：一种高地应力地区近水平岩层岩爆的综合预报方法，它包括以下步骤：

A.进行岩石力学试验，初步预判工程区岩爆烈度

取工程区不同区段的典型岩样做室内岩石力学试验，测定岩石单轴抗压强度σ_c；

取工程区不同区段的典型岩样做岩爆倾向性试验，根据室内试验得到的岩石力学参数，以A.Kidybinski提出的岩爆倾向性指标，判断岩爆倾向性指数；具体方法为：在进行单轴抗压强度试验时先将岩石试件加载到0.7σ_c～0.8σ_c，σ_c为岩石单轴抗压强度，然后再卸载到0.05σ_c，定义卸载所释放的弹性应变能φ_sp与耗损的弹性应变能φ_st之比值W_et＝φ_sp/φ_st为岩爆倾向性指数；根据波兰国家标准：W_et≥5.0，将发生严重岩爆倾向；W_et＝3.5～5.0，将发生中等烈度岩爆倾向；W_et＝2.0～3.5，将发生轻微烈度岩爆倾向；W_et＜2.0，不会发生岩爆倾向；

B.测量工程区的三维地应力，预判工程区的岩爆烈度

根据工程规模和地质构造的复杂程度，确定不少于4个的测点，采用应力解除法、水压致裂法测定工程区三维地应力；利用最大主应力σ₁的大小和岩石单轴抗压强度σ_c的比值判断可能的岩爆烈度；具体判据为：σ_c/σ₁＜2.5将发生严重岩爆；σ_c/σ₁＝2.5～5.5，将发生中等烈度岩爆；σ_c/σ₁＝5.5～14.5，将发生轻微烈度岩爆；σ_c/σ₁≥14.5，无岩爆发生；

C.综合地质素描、工程物探、超前钻孔等成果，建立工程区的三维地质模型，结合步骤A和B，初步实现工程区岩爆的宏观分区预测

根据掌子面开挖揭露的地层岩性，进行现场地质素描；根据工程规模和地质建模的需要，在典型断面进行超前钻孔和洞内钻探，记录地层岩性和钻孔中其他的地质现象；综合地质素描和钻孔记录的结果，建立工程区三维地质模型；根据步骤A和B中岩爆预报的判断指标，初步实现工程区的岩爆宏观分区预测；

D.建立工程区的三维数值计算模型，进行数值计算，预测工程区可能发生岩爆的具体部位

根据步骤B的地应力测量结果进行地应力场模拟，施加边界条件，使地应力场应力值接近实测地应力值，满足三维仿真计算要求；根据步骤C建立的工程区三维地质模型，进行隧洞开挖模拟，分析开挖后的隧洞变形及受力情况；再进行衬砌和喷锚支护模拟，施加锚杆支护，分析衬砌及喷锚支护效果及锚杆受力情况，计算出隧道围岩的三维应力分布，找出隧道围岩各个部位的最大切向应力；

采用Russense岩爆判别法预测工程区可能发生岩爆的具体部位：模拟计算出的隧道围岩各个部位最大切应力σ_θ和最大主应力σ_c的比值，即σ_θ/σ_c≥0.55，将具有严重岩爆倾向；σ_θ/σ_c＝0.35～0.55，将具有中等烈度岩爆倾向；σ_θ/σ_c＝0.2～0.35，将具有轻微烈度岩爆倾向；σ_θ/σ_c＜0.2，不会发生岩爆；

E.综合评价，预报工程区可能发生岩爆的部位和烈度

根据步骤A、B和D中所列判据，结合步骤C中的地质情况，对工程区围岩进行岩爆预报的综合评价，预报可能发生岩爆的部位和烈度。

本发明基于岩石力学试验、现场地质情况和计算机模拟对深埋近水平岩层地区的地下工程岩爆进行多因素综合预报，经实际应用表明，具有原理科学、方法实用、预测准确的特点。

附图说明

图1为本发明步骤A中所用岩爆倾向性指数示意图；图中：σ为试验加载应力，ε为岩石应变，φ_sp为卸载所释放的弹性应变能，φ_st为耗损的弹性应变能；

图2为本发明实施例2中隧道最大切向应力分布图。

具体实施方式

实施例1：一种高地应力地区近水平岩层岩爆的综合预报方法，它包括以下步骤：

A.进行岩石力学试验，初步预判工程区岩爆烈度

取工程区不同区段的典型岩样做室内岩石力学试验，测定岩石单轴抗压强度σ_c；

取工程区不同区段的典型岩样做岩爆倾向性试验，根据室内试验得到的岩石力学参数，以A.Kidybinski提出的岩爆倾向性指标，判断岩爆倾向性指数；具体方法为：在进行单轴抗压强度试验时先将岩石试件加载到0.7σ_c～0.8σ_c，σ_c为岩石单轴抗压强度，然后再卸载到0.05σ_c，定义卸载所释放的弹性应变能φ_sp与耗损的弹性应变能φ_st之比值W_et＝φ_sp/φ_st为岩爆倾向性指数；根据波兰国家标准：W_et≥5.0，将发生严重岩爆倾向；W_et＝3.5～5.0，将发生中等烈度岩爆倾向；W_et＝2.0～3.5，将发生轻微烈度岩爆倾向；W_et＜2.0，不会发生岩爆倾向；

B.测量工程区的三维地应力，预判工程区的岩爆烈度

根据工程规模和地质构造的复杂程度，确定不少于4个的测点，采用应力解除法、水压致裂法测定工程区三维地应力；利用最大主应力σ₁的大小和岩石单轴抗压强度σ_c的比值判断可能的岩爆烈度；具体判据为：σ_c/σ₁＜2.5将发生严重岩爆；σ_c/σ₁＝2.5～5.5，将发生中等烈度岩爆；σ_c/σ₁＝5.5～14.5，将发生轻微烈度岩爆；σ_c/σ₁≥14.5，无岩爆发生；

C.综合地质素描、工程物探、超前钻孔等成果，建立工程区的三维地质模型，结合步骤A和B，初步实现工程区岩爆的宏观分区预测

根据掌子面开挖揭露的地层岩性，进行现场地质素描；根据工程规模和地质建模的需要，在典型断面进行超前钻孔和洞内钻探，记录地层岩性和钻孔中其他的地质现象；综合地质素描和钻孔记录的结果，建立工程区三维地质模型；根据步骤A和B中岩爆预报的判断指标，初步实现工程区的岩爆宏观分区预测；

D.建立工程区的三维数值计算模型，进行数值计算，预测工程区可能发生岩爆的具体部位

根据步骤B的地应力测量结果进行地应力场模拟，施加边界条件，使地应力场应力值接近实测地应力值，满足三维仿真计算要求；根据步骤C建立的工程区三维地质模型，进行隧洞开挖模拟，分析开挖后的隧洞变形及受力情况；再进行衬砌和喷锚支护模拟，施加锚杆支护，分析衬砌及喷锚支护效果及锚杆受力情况，计算出隧道围岩的三维应力分布，找出隧道围岩各个部位的最大切向应力；

采用Russense岩爆判别法预测工程区可能发生岩爆的具体部位：模拟计算出的隧道围岩各个部位最大切应力σ_θ和最大主应力σ_c的比值，即σ_θ/σ_c≥0.55，将具有严重岩爆倾向；σ_θ/σ_c＝0.35～0.55，将具有中等烈度岩爆倾向；σ_θ/σ_c＝0.2～0.35，将具有轻微烈度岩爆倾向；σ_θ/σ_c＜0.2，不会发生岩爆；

E.综合评价，预报工程区可能发生岩爆的部位和烈度

根据步骤A、B和D中所列判据，结合步骤C中的地质情况，对工程区围岩进行岩爆预报的综合评价，预报可能发生岩爆的部位和烈度。

实施例2：某水电站地下厂房，地层岩性为近水平层状灰岩、砂质泥岩、泥岩。取隧道不同区段的岩石做室内岩石力学试验、岩爆倾向性试验，并在现场进行三维地应力测量，由数值模拟得到如附图2所示的隧道最大切向应力分布图，对岩爆的烈度和位置进行预报和验证如下表所示。

Claims (1)

1.一种高地应力地区近水平岩层岩爆的综合预报方法，它包括以下步骤：

A.进行岩石力学试验，初步预判工程区岩爆烈度

取工程区不同区段的典型岩样做室内岩石力学试验，测定岩石单轴抗压强度σ_c；

取工程区不同区段的典型岩样做岩爆倾向性试验，根据室内试验得到的岩石力学参数，以A.Kidybinski提出的岩爆倾向性指标，判断岩爆倾向性指数；具体方法为：在进行单轴抗压强度试验时先将岩石试件加载到0.7σ_c～0.8σ_c，σ_c为岩石单轴抗压强度，然后再卸载到0.05σ_c，定义卸载所释放的弹性应变能φ_sp与耗损的弹性应变能φ_st之比值W_et＝φ_sp/φ_st为岩爆倾向性指数；根据波兰国家标准：W_et≥5.0，将发生严重岩爆倾向；W_et＝3.5～5.0，将发生中等烈度岩爆倾向；W_et＝2.0～3.5，将发生轻微烈度岩爆倾向；W_et＜2.0，不会发生岩爆倾向；

B.测量工程区的三维地应力，预判工程区的岩爆烈度

根据工程规模和地质构造的复杂程度，确定不少于4个的测点，采用应力解除法、水压致裂法测定工程区三维地应力；利用最大主应力σ₁的大小和岩石单轴抗压强度σ_c的比值判断可能的岩爆烈度；具体判据为：σ_c/σ₁＜2.5将发生严重岩爆；σ_c/σ₁＝2.5～5.5，将发生中等烈度岩爆；σ_c/σ₁＝5.5～14.5，将发生轻微烈度岩爆；σ_c/σ₁≥14.5，无岩爆发生；

C.综合地质素描、工程物探、超前钻孔等成果，建立工程区的三维地质模型，结合步骤A和B，初步实现工程区岩爆的宏观分区预测

根据掌子面开挖揭露的地层岩性，进行现场地质素描；根据工程规模和地质建模的需要，在典型断面进行超前钻孔和洞内钻探，记录地层岩性和钻孔中其他的地质现象；综合地质素描和钻孔记录的结果，建立工程区三维地质模型；根据步骤A和B中岩爆预报的判断指标，初步实现工程区的岩爆宏观分区预测；

D.建立工程区的三维数值计算模型，进行数值计算，预测工程区可能发生岩爆的具体部位

根据步骤B的地应力测量结果进行地应力场模拟，施加边界条件，使地应力场应力值接近实测地应力值，满足三维仿真计算要求；根据步骤C建立的工程区三维地质模型，进行隧洞开挖模拟，分析开挖后的隧洞变形及受力情况；再进行衬砌和喷锚支护模拟，施加锚杆支护，分析衬砌及喷锚支护效果及锚杆受力情况，计算出隧道围岩的三维应力分布，找出隧道围岩各个部位的最大切向应力；

采用Russense岩爆判别法预测工程区可能发生岩爆的具体部位：模拟计算出的隧道围岩各个部位最大切应力σ_θ和最大主应力σ_c的比值，即σ_θ/σ_c≥0.55，将具有严重岩爆倾向；σ_θ/σ_c＝0.35～0.55，将具有中等烈度岩爆倾向；σ_θ/σ_c＝0.2～0.35，将具有轻微烈度岩爆倾向；σ_θ/σ_c＜0.2，不会发生岩爆；

E.综合评价，预报工程区可能发生岩爆的部位和烈度

根据步骤A、B和D中所列判据，结合步骤C中的地质情况，对工程区围岩进行岩爆预报的综合评价，预报可能发生岩爆的部位和烈度。

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