CN103744128B - 一种用于地下洞室岩爆烈度等级的综合预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于地下洞室岩爆烈度等级的综合预报方法，该方法以用于岩爆烈度等级预报的强度理论、能量理论为基础，考虑六种相关因素对岩爆烈度等级的影响，实现岩爆烈度等级的综合预报。具体以地下工程不同部位的最大初始地应力值σ₁和岩体强度σ_cm的比值作为初始应力强度比，分别对六种影响因素赋予不同的权重系数，这六种因素包括：最大初始地应力方向与地下洞室走向的水平夹角；判断部位的地下水出露特征(判断位置前后10m范围内)；地下洞室的断面形状；地下工程开挖的施工方法；地下工程所在位置的埋深条件；地下工程的布置与地形和构造的关系。将初始应力强度比与六种影响因素的权重系数相乘，得到修正的应力强度比，以此预报岩爆的烈度等级。

Description

一种用于地下洞室岩爆烈度等级的综合预报方法

技术领域

本发明属于地下工程技术领域，特别是涉及一种地下洞室岩爆烈度等级的综合预报方法。

背景技术

岩爆是高地应力区硬脆性岩体中开挖地下工程时常遇到的一种地质灾害，其发生具有突发性、持续性与滞后性等特点。岩爆发生时往往伴随有明显的声响甚至诱发地震，破碎岩块以剥落和弹射等形式脱离母岩，对施工人员和设备造成很大的影响，烈度等级高的岩爆有时造成机会人亡的惨剧。

岩爆的烈度等级预报是世界性的工程技术难题之一，也是世界范围内岩石力学与工程地质界致力解决的问题。国内外很多学者和工程技术人员对岩爆的烈度等级预报提出了不同的方法，如Russense判据、Barton判据、Hoek判据、王兰生判别方法、考虑综合因素的五因素综合判据、陶振宇判据、Griffith判据等等，这些判据分别以岩爆发生的强度理论、能量理论以及综合判别等为基础对岩爆的烈度等级预报做了很多的尝试。然而，岩爆的形成机理复杂，影响因素多样，如岩性、岩体结构、地应力场特征、洞室断面、上覆岩体厚度、构造和地形等等对岩爆的烈度等级都会产生不同的影响。

在我国，《水利水电工程地质勘察规范》GB50487-2008、《水力发电工程地质勘察规范》GB50287-2006、《工程岩体分级标准》GB50218-94等规范中仅使用强度应力比对岩爆的烈度等级做了预报，所使用的强度应力比为岩体的室内饱和单轴抗压强度σ_c和最大初始地应力σ₁的比值，并且未考虑其他因素的影响。大量的工程实践证明原位岩体强度σ_cm要低于室内试验的饱和岩石单轴抗压强度σ_c，甚至仅为σ_c的1/10，因此使用最大初始地应力σ₁与原位岩体强度σ_cm的比值作为应力强度比判断岩爆的烈度等级更具有适用性，同时考虑岩爆发生的影响因素对岩爆烈度等级的影响，对应力强度比加以修正，利用修正后的应力强度比能够更好的预报岩爆的烈度等级。

发明内容

本发明的目的在于，提供了一种能够更为有效的预报岩爆发生烈度等级的用于地下洞室岩爆烈度等级的综合预报方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于地下洞室岩爆烈度等级的综合预报方法，包括以下步骤：

A、测量工程区的地应力场，获得工程区的最大初始地应力σ₁的量值与产状；

B、确定原位岩体强度σ_cm；

C、确定初始应力强度比T

根据步骤A、B得到的最大初始地应力σ₁和原位岩体强度σ_cm，利用式T=σ₁/σ_cm确定初始应力强度比T；

D、计算工程区岩爆发生的临界埋深H_cr

使用公式 $H_{\mathrm{cr}}=\frac{{\mathrm{P\σ}}_{\mathrm{cm}}}{\mathrm{\γ}[(1+\mathrm{\λ})+2(1-\mathrm{\λ})\cos 2\mathrm{\θ}]{(1-{\mathrm{\μ}}^2)}^{1/3}}$ 计算工程所在部位岩爆发生的临界埋深H_cr，单位为m；其中P为修正系数，一般取100；σ_cm为原位岩体强度，单位为MPa；γ为岩体重度，单位为kN/m³；λ为侧压系数，λ=σ_H/σ_v，σ_H为最大水平主应力，σ_v为垂直主应力；θ为判断位置洞室中点连线与水平面的夹角，单位为°，圆形隧洞中点为圆心，马蹄形或城门洞形隧洞中点为拱圈的圆心；μ为岩石的泊松比；

E、确定六个影响因素的权重系数K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆

影响因素1为最大地应力方向σ₁与洞向的水平夹角θ：当60°<θ≤90°时，K₁=0.8-1；当30°<θ≤60°时，K₁=0.6-0.8；当0≤θ≤30°时，K₁=0.4-0.6；其中中间值采用插值法计算;

影响因素2为地下水状态：当为无水状态时，K₂=1；当为渗水状态时，K₂=0.8；当为滴水状态时，K₂=6；当为线状流水状态时，K₂=0.4；当为涌水状态时，K₂=0;

影响因素3为地下洞室开挖断面形状：当为矩形时，K₃=1；当为椭圆形时，K₃=0.9；当为圆拱直墙形时，K₃=0.8；当为圆形时，K₃=0.7;

影响因素4为施工方法：当使用钻爆法施工时，K₄=0.8；当使用全断面掘进机施工时，K₄=0.5;

影响因素5为埋深H：当H≥H_cr时，K₅=0.6；当H＜H_cr时，K₅=0.3，其中H_cr通过步骤D确定;

影响因素6为工程位置与地形和构造的关系：当工程位于断层的下盘、褶皱核部、沟谷底部和边坡坡脚中的任一情况时，K₆=2；当工程位于上述情况以外的地方的其他地方时，K₆=1;

F、确定修正的应力强度比T’

将步骤C得到的初始应力强度比T与步骤E确定的六个影响因素的权重系数相乘，得到修正的应力强度比T’，即T’＝T×K₁×K₂×K₃×K₄×K₅×K₆;

G、确定岩爆烈度等级

利用步骤F得到的修正的应力强度比T’预报岩爆的烈度等级，具体判据为：T’<0.15，为无岩爆；0.15≤T’<0.25，将会发生轻微岩爆；0.25≤T’<0.55，将会发生中等岩爆；0.555≤T’<1.00，将会发生强烈岩爆；T’≥1.00，将会发生极强岩爆。

所述步骤A依工程布置形式及地质构造的关系，采取水压致裂法或应力解除法测量工程区的地应力场，得出工程区的最大初始地应力σ₁的量值与产状。

所述步骤B通过岩石力学试验确定工程区内岩块的室内饱和单轴抗压强度σ_c，采用Hoek-Brown破坏准则2002版确定原位岩体强度σ_cm。

所述应力解除法为空心包体应力解除法。

本发明的有益效果：本发明使用岩体强度计算判断岩爆发生的应力强度比，弥补了目前常用的岩爆判据中使用完整岩块饱和单轴压缩强度计算应力强度比的不足；综合考虑岩爆影响因素，赋予不同影响因素不同的修正系数，更为贴合了岩爆发生的实际情况。本发明提出的岩爆预报方法已经在不同工程中得到了验证，并取得了良好的效果。

附图说明

图1为本发明用于地下洞室岩爆烈度等级的综合预报方法的应用流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，本发明的用于地下洞室岩爆烈度等级的综合预报方法，包括以下步骤：

1、采用在地应力场实测的方法确定判断部位的最大初始地应力量值σ₁和产状；2、室内岩石力学试验测得完整岩块的单轴抗压强度，采用Hoek-Brown破坏准则2002版确定岩体强度σ_cm，计算公式如（1）所示；3、采用公式T=σ₁/σ_cm，确定初始应力强度比T；4、根据表1确定6种影响因素的权重系数K₁-K₆，其中临界埋深H_cr的计算通过式（6）计算得出；5、通过式（7）计算出修正后的应力强度比T’；6、根据表2确定不同的T’所对应的岩爆烈度等级。

具体地说，包括以下步骤：

A、采用水压致裂法、空心包体应力解除法测定不同部位的地应力场状态，以此确定工程部位的最大初始地应力量值σ₁及其产状；

B、根据室内试验测得的完整岩样饱和单轴抗压强度，使用Hoek-Brown破坏准则2002版确定岩体强度σ_cm，计算公式如下：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{cm}}={\mathrm{\&sigma;}}_c\&CenterDot;\frac{(m_b+4s-a(m_b-8s)){(m_b/4+s)}^{a-1}}{2(1+a)(2+a)}---\left(1\right)$

式中：

σ_c——完整岩样的饱和单轴抗压强度，MPa；

m_b——材料常数mi计算确定，由公式(2)确定；

s、a——岩石的材料常数，由公式(3)和公式(4)确定。

$m_b=m_i\exp \left(\frac{\mathrm{GSI}-100}{28-14D}\right)---\left(2\right)$

$s=\exp \left(\frac{\mathrm{GSI}-100}{9-3D}\right)---\left(3\right)$

$a=\frac{1}{2}+\frac{1}{6}(e^{-\mathrm{GSI}/15}-e^{-20/3})---\left(4\right)$

式中：

GSI——地质力学指标，参考Hoek-Brown破坏准则2002版确定；

D——扰动因子，由地下洞室的扰动情况来定；

C、利用公式（5）求初始应力强度比

T＝σ₁/σ_cm （5）

D、根据公式（6）计算岩爆发生的临界埋深

$H_{\mathrm{cr}}=\frac{{\mathrm{P\&sigma;}}_{\mathrm{cm}}}{\mathrm{\&gamma;}[(1+\mathrm{\&lambda;})+2(1-\mathrm{\&lambda;})\cos 2\mathrm{\&theta;}]{(1-{\mathrm{\&mu;}}^2)}^{1/3}}---\left(6\right)$

式中：

H_cr——临界埋深，m；

P——修正系数，一般取100；

σ_cm——岩体强度，MPa；

γ——岩体重度，kN/m³；

λ——侧压系数，λ=σ_H/σ_v，σ_H为最大水平主应力，σ_v为垂直主应力；

θ——判断位置洞室中点连线与水平面的夹角，°；圆形隧洞中点为圆心，马蹄形或城门洞形隧洞中点为拱圈的圆心。

μ——泊松比；

E、确定六种影响因素的权重系数

依据表1给出的不同情况确定各影响因素的权重系数。

表1 影响因素和权重系数的关系

注：临界埋深由步骤D确定

F、使用公式（7）计算修正后的应力强度比：

T’＝T×K₁×K₂×K₃×K₄×K₅×K₆ （7）

G、根据表2按照不同的应力强度比所属的范围值预报岩爆烈度等级。

表2 修正的应力强度比与岩爆烈度等级

修正的应力强度比T’	岩爆烈度等级
		T’<0.15	无岩爆
0.15≤T’<0.25	轻微岩爆
		0.25≤T’<0.55	中等岩爆
0.55≤T’<1.00	强烈岩爆
		T’≥1.00	极强岩爆

下面以工程实例对本方法的应用做一个详细说明：

1、对工程区进行了水压致裂法和空心包体应力解除法得到了工程部位的最大初始地应力量值σ₁，结果列于表4中。

2、确定岩体强度

确定Hoek-Brown破坏准则2002版所需的各项指标：

（1）岩石饱和单轴抗压强度σ_c

通过室内试验测定，不同部位完整岩块的饱和单轴抗压强度σ_c分别为79.02MPa和108.45MPa。

（2）确定地质力学指标GSI，材料常数m_i和扰动因子D

发生岩爆洞段围岩类别一般为Ⅱ类和Ⅲ类围岩。围岩岩体呈整体块状构造，几乎无裂隙发育，岩体表面条件非常好，据此确定地质力学指标GSI，材料常数m_i为3-32之间。扰动因子D由爆破质量确定，其值列于表3中。

分别根据公式（2）、（3）、（4）计算出材料常数m_b，s和a，从而确定岩体的强度σ_cm，见表3。

表3 岩爆洞段岩体强度计算

3、利用公式（5）计算初始应力强度比，计算结果列于表4中。

4、利用公式（6）确定岩爆发生的临界埋深，计算结果列于表4中。

5、确定各种影响因素的修正系数，利用公式（7）求得修正后的应力强度比，结果列于表4中。

6、根据表2中的修正后的应力强度比的范围与岩爆烈度等级对应关系，预报岩爆发生的烈度等级，预报结果列于表4中。

同时，表4还列出了引水隧洞开挖过程中揭露的岩爆烈度等级。对比结果表明，该综合预报法在工程的应用中具有比较好的适用性。

表4 利用参数修正后的岩爆强度与实际发生情况对照

以上所述的实例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (4)

1.一种用于地下洞室岩爆烈度等级的综合预报方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、测量工程区的地应力场，获得工程区的最大初始地应力σ₁的量值与产状；

B、确定原位岩体强度σ_cm；

C、确定初始应力强度比T：

根据步骤A、B得到的最大初始地应力σ₁和原位岩体强度σ_cm，利用式T＝σ₁/σ_cm确定初始应力强度比T；

D、计算工程区岩爆发生的临界埋深H_cr：

使用公式计算工程所在部位岩爆发生的临界埋深H_cr，单位为m；其中P为修正系数，取100；σ_cm为原位岩体强度，单位为MPa；γ为岩体重度，单位为kN/m³；λ为侧压系数，λ＝σ_H/σ_v，σ_H为最大水平主应力，σ_v为垂直主应力；θ为判断位置洞室中点连线与水平面的夹角，单位为°，圆形隧洞中点为圆心，马蹄形或城门洞形隧洞中点为拱圈的圆心；μ为岩石的泊松比；

E、确定六个影响因素的权重系数K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆：

影响因素1为最大地应力方向与洞向之间的水平夹角θ₁：当60°＜θ₁≤90°时，K₁＝0.8-1；当30°＜θ₁≤60°时，K₁＝0.6-0.8；当0≤θ₁≤30°时，K₁＝0.4-0.6；其中中间值采用插值法计算；

影响因素2为地下水状态：当为无水状态时，K₂＝1；当为渗水状态时，K₂＝0.8；当为滴水状态时，K₂＝0.6；当为线状流水状态时，K₂＝0.4；当为涌水状态时，K₂＝0；

影响因素3为地下洞室开挖断面形状：当为矩形时，K₃＝1；当为椭圆形时，K₃＝0.9；当为圆拱直墙形时，K₃＝0.8；当为圆形时，K₃＝0.7；

影响因素4为施工方法：当使用钻爆法施工时，K₄＝0.8；当使用全断面掘进机施工时，K₄＝0.5；

影响因素5为埋深H：当H≥H_cr时，K₅＝0.6；当H＜H_cr时，K₅＝0.3，其中H_cr通过步骤D确定；

影响因素6为工程位置与地形和构造的关系：当工程位于断层的下盘、褶皱核部、沟谷底部和边坡坡脚中的任一情况时，K₆＝2；当工程位于上述情况以外的其他地方时，K₆＝1；

F、确定修正的应力强度比T′：

将步骤C得到的初始应力强度比T与步骤E确定的六个影响因素的权重系数相乘，得到修正的应力强度比T′，即T′＝T×K₁×K₂×K₃×K₄×K₅×K₆；

G、确定岩爆烈度等级：

利用步骤F得到的修正的应力强度比T′预报岩爆的烈度等级，具体判据为：T′＜0.15，为无岩爆；0.15≤T′＜0.25，将会发生轻微岩爆；0.25≤T′＜0.55，将会发生中等岩爆；0.555≤T′＜1.00，将会发生强烈岩爆；T′≥1.00，将会发生极强岩爆。

2.根据权利要求1所述的用于地下洞室岩爆烈度等级的综合预报方法，其特征在于，所述步骤A依工程布置形式及地质构造的关系，采取水压致裂法或应力解除法测量工程区的地应力场，得出工程区的最大初始地应力σ₁的量值与产状。

3.根据权利要求1所述的用于地下洞室岩爆烈度等级的综合预报方法，其特征在于，所述步骤B通过岩石力学试验确定工程区内岩块的室内饱和单轴抗压强度σ_c，采用Hoek-Brown破坏准则2002版确定原位岩体强度σ_cm。

4.根据权利要求2所述的用于地下洞室岩爆烈度等级的综合预报方法，其特征在于，所述应力解除法为空心包体应力解除法。