CN110427688A - 一种基于实测振动的地应力大小预测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于实测振动的地应力大小预测方法，该方法包括以下步骤：步骤1：得到地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程；步骤2：模拟出不同地应力水平下，地应力瞬态卸荷和爆破荷载耦合作用时与爆破荷载单独作用时围岩的振动响应；步骤3：求出地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用引起的振动峰值与爆破荷载单独引起的振动峰值之间的差值，建立此差值在爆破荷载引起的振动峰值中所占百分比与地应力大小之间的关系，再根据实测振动数据，并结合二荷载振动峰值差值在爆破荷载引起的振动峰值中所占百分比与地应力大小的关系预测出现场开挖施工洞段地应力的大小，即完成基于实测振动的地应力大小预测。本发明提供的一种基于实测振动的地应力大小预测方法，可以解决精度不高、未考虑倾斜地层的问题，预测结果更为精确。

Description

一种基于实测振动的地应力大小预测方法

技术领域

本发明涉及地下工程:地应力预测技术领域，尤其是一种基于实测振动的地应力大小预测方法。

背景技术

随着科学技术的发展与人口密度的日益增长，人们对资源的需求已不仅仅停留于地表，许多的工程建设、空间开发和资源开采活动已经逐渐地走向地球深部。并且，随着向地球内部的深入，由大埋深所导致的高地应力时刻影响着地下工程中洞室围岩的安全稳定。这种高地应力是地下岩体受其自身重力、上覆岩体压力、板块运动的地质构造应力以及探掘工程附加动力的作用，在岩体内部单元激发响应变形的重要力学参数。并且，在实际工作中掌握地应力的分布对于地下工程的设计、稳定施工，地上建筑规划及地震预测等方面具有重要意义，尤其在尤其勘探开发与水工引水隧洞开挖领域，地应力往往是很多问题的关键所在。因此，准确的预测开挖现场的地应力是地下开发工程开挖方案调整以及支护方案确定的重要地质依据。

现有基于声波测井的地应力预测方法，该预测方法的预测原理为：先分别利用声波测井得到的横、纵波时差以及密度测井的地层密度值ρ得到岩石的动态力学参数。再根据声波测井资料计算出岩体完整系数，并求出折减系数，然后将动态力学参数转换为静态力学参数。最后，基于静态力学参数便可计算出地应力的大小。在计算过程中，垂向地应力具体计算如下式：

式中：g为重力加速度；h为地层深度；ρ(h)为随深度变化的地层密度；H为预测目标点的深度。

在计算水平地应力时分为两种情况：假设最大和最小水平地应力相等；假设最大和最小水平地应力不相等。针对第一种情况该方法建立了金尼克公式和马特威尔-凯利公式；针对第二种情况建立了弹簧模型与黄氏模型。

金尼克公式如下：

马特威尔-凯利公式如下：

上述式子中：σ_H和σ_h为最大和最小水平主应力；σ_V为垂向地应力；p_P为孔隙压力；μ为静态泊松比。

弹簧模型：

黄氏模型：

上述式子中：ε_h和ε_H分别为岩石在最小、最大；E为静态杨氏模量；α为Biot系数；ω₁和ω₂为表征构造应力在水平方向上大小的参数，其余参数意义等同于式(5)与式(6)。

根据以上分析，采用基于声波测井的地应力预测方法，可以估算出地下相应地层的地应力大小。但由于该方法中所建立的黄氏模型虽考虑了构造应力的影响，却未充分考虑岩性对地层应力的影响，只适用于构造平缓的区域。同时该方法中所建立的弹簧模型也未能考虑倾斜地层，因此以上方法在预测一些以构造应力为主的地下工程地应力时存在一定的精度问题和局限性，预测的地应力存在一定的误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于实测振动的地应力大小预测方法，可以解决精度不高、未考虑倾斜地层的问题，预测结果更为精确。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于实测振动的地应力大小预测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据爆破设计参数、开挖场地环境以及所选取的岩石力学参数，建立圆形隧洞爆破开挖分析模型，并通过理论分析得到地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程；

步骤2：根据深埋地下洞室爆破开挖场地环境和设计参数以及围岩的力学特性参数，建立地下洞室爆破开挖动力有限元模型，将步骤1中所得出的地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程施加于动力有限元模型的开挖面上，并通过调整地应力大小模拟出不同地应力水平下，地应力瞬态卸荷和爆破荷载耦合作用时与爆破荷载单独作用时围岩的振动响应；

步骤3：根据步骤2数值模拟计算结果，根据“地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用引起的振动峰值要大于爆破荷载单独引起的，并且二者之间的差值随着地应力水平的提高逐步增大”的特征，建立地应力瞬态卸荷和爆破荷载耦合作用时与爆破荷载单独作用时引起的振动峰值差值在爆破荷载引起的振动峰值中所占百分比与地应力大小之间的关系，再根据实测振动数据，并结合二荷载振动峰值差值在爆破荷载引起的振动峰值中所占百分比与地应力大小的关系预测出现场开挖施工洞段地应力的大小，即完成基于实测振动的地应力大小预测。

步骤1中通过理论分析得到地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程为：

从爆破荷载作用机制、爆生气体运动状态及地应力瞬态卸荷的力学过程出发，结合爆破设计参数与岩石力学特性参数，分别计算分析出爆破荷载作用时的荷载峰值、压力变化历程和持续时间与地应力瞬态卸荷的卸荷历程、开始时刻及持续时间，并将二者作用过程根据开挖面上需满足的应力连续条件做连续处理，即将地应力瞬态卸荷过程视为与爆破荷载后半段应力变化过程相同，最终得出地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程。

得出的地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程的数学表达式为：

式中：P(t)为爆破荷载和地应力瞬态卸荷耦合作用过程中t时刻压力大小；t_d为地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程总历时；t_r为爆破荷载上升时间；P₀为爆破荷载的压力最大值，t_r、t_d和P₀具体计算如下：

式中：c_f为爆轰气体作用下裂缝的平均扩展速度，c_f＝(0.2～0.3)c_p，c_p岩体纵波速度，取值范围为4000～6000m/s；S为相邻炮孔的间距；VOD为爆轰波速；c_u1为爆破气体向炮孔低传播的稀疏波波速；c_u2为遇孔底反射的稀疏波波速；L_c与L_s分别为炮孔装药长度与炮孔堵塞段长度；

由于炮孔装药有两种不同结构形式，耦合装药和不耦合装药，且装药形式不同会影响作用在炮孔壁上的爆破荷载，因此爆破荷载峰值P₀将分以下两种情况计算：

情况1：耦合装药

情况2：不耦合装药

式中：ρ_e为炸药密度；γ为等熵指数，对于爆轰作用产物，一般近似取为3；d_c和d_b分别为装药直径与炮孔直径。

步骤3进一步包括以下子步骤：

步骤3-1：根据数值模拟计算结果中不同荷载引起围岩振动响应变化特征，建立振动峰值差值在爆破荷载单独作用引起的振动峰值中所占百分比之间的关系，爆破荷载引起的振动峰值在数值模拟计算过程中为定值；

步骤3-2：在爆破开挖隧洞的侧壁上布置检波器，进行爆破振动跟踪监测，并将得到的实测振动波形进行滤波处理，进一步得到实测地应力瞬态卸荷和爆破荷载耦合作用时与爆破荷载单独作用时引发的围岩振动数据，根据滤波后的振动数据，计算出地应力瞬态卸荷和爆破荷载耦合作用与爆破荷载单独作用二者引发的振动峰值差值在爆破荷载单独作用引发的振动峰值中所占百分比；

步骤3-3：将步骤3-2中计算所得到的百分比结合步骤3-1中所建立的关系预测出相应洞段地应力的大小。

本发明提供的一种基于实测振动的地应力大小预测方法，其原理为：

通过力学分析建立地应力瞬态卸荷和爆破荷载耦合作用过程；将地应力瞬态卸荷和爆破荷载的耦合作用过程施加于所建立的深埋洞室爆破开挖动力有限元模型的开挖面上，模拟出在不同地应力水平下炮孔起爆后的围岩振动响应；根据数值模拟计算结果中爆破荷载引起的振动峰值与地应力瞬态卸荷和爆破荷载耦合作用引起的振动峰值之间的差值随地应力增大而增大的特性，建立该差值在爆破荷载单独引起的振动峰值中所占百分比与地应力大小之间的关系；利用该关系与检波器所测得的实测振动数据，预测出开挖洞段地应力大小。

本发明提供的一种基于实测振动的地应力大小预测方法，有益效果如下：

1、从开挖扰动引发的围岩振动响应角度出发，可以客观的体现出在不同地应力水平下，地应力瞬态卸荷与爆破荷载二者在对围岩扰动的总影响中所占比重的变化。

2、适用范围更广，提高了对地下开挖工程中地应力预测的精度，可广泛用于水电、交通等深埋地下工程的地应力预测。

本发明从爆破开挖引发的围岩振动响应角度出发，采用理论分析、数值计算的方法，模拟出各段炮孔起爆时的围岩振动响应，在此基础上，建立振动峰值差值在爆破荷载引起的振动峰值中所占百分比与地应力大小之间的关系，最后根据该关系结合实测振动数据，预测出相应开挖洞段的地应力。与现有的地应力预测方法相比，本发明的预测结果更为精确。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例一步骤1得到的地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程曲线图；

图2为本发明实施例一步骤2建立的地下洞室爆破开挖动力有限元模型；

图3为本发明实施例一步骤3-1得到的不同地应力水平下围岩振动峰值衰减曲线图；

图4为本发明实施例一步骤3-1得到的振动峰值所占百分比与地应力大小关系曲线图；

图5为本发明实施例一步骤3-2得到的检波器实测振动波形图；

图6为本发明实施例一步骤3-2得到的滤波分析处理后实测振动峰值衰减曲线；

图7为本发明实施例一步骤3-3得到的地应力大小预测示意图；

图8为本发明实施例二中本发明预测方法和现有预测方法以及实测结果对比图。

具体实施方式

工程实况：某水电站地下厂房区域山体雄厚，地形完整，其垂直、水平埋深均超过200m，处于一个以构造应力为主的中等偏高地应力场。

实施例一

一种基于实测振动的地应力大小预测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据爆破设计参数、开挖场地环境以及所选取的岩石力学参数，建立圆形隧洞爆破开挖分析模型，并通过理论分析得到地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程；步骤1中通过理论分析得到地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程为：

从爆破荷载作用机制、爆生气体运动状态及地应力瞬态卸荷的力学过程出发，结合爆破设计参数与岩石力学特性参数，分别计算分析出爆破荷载作用时的荷载峰值、压力变化历程和持续时间与地应力瞬态卸荷的卸荷历程、开始时刻及持续时间，并将二者作用过程根据开挖面上需满足的应力连续条件做连续处理，即将地应力瞬态卸荷过程视为与爆破荷载后半段应力变化过程相同，最终得出地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程：

炮孔起爆后爆破荷载压力在短时间内上升至峰值，在此之后爆破荷载压力开始衰减，并设爆破荷载压力大小衰减至开挖面上的荷载大小时，为地应力瞬态卸荷的开始时刻。为满足开挖面上的应力连续条件，将地应力瞬态卸荷过程视为与爆破荷载后半段应力衰减过程相同。最后，当爆破荷载压力最终衰减到大气压水平时视为爆破荷载与地应力荷载同步完成卸荷。

得出的地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程的数学表达式为：

式中：P(t)为地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程中t时刻压力大小；t_d为地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程总历时；t_r为爆破荷载上升时间；P₀为爆破荷载的压力最大值，t_r、t_d和P₀具体计算如下：

式中：c_f为爆轰气体作用下裂缝的平均扩展速度，c_f＝(0.2～0.3)c_p，c_p岩体纵波速度，取值范围为4000～6000m/s；S为相邻炮孔的间距；VOD为爆轰波速；c_u1为爆破气体向炮孔低传播的稀疏波波速；c_u2为遇孔底反射的稀疏波波速；L_c与L_s分别为炮孔装药长度与炮孔堵塞段长度；

由于炮孔装药有两种不同结构形式，耦合装药和不耦合装药，且装药形式不同会影响作用在炮孔壁上的爆破荷载，因此爆破荷载峰值P₀将分以下两种情况计算：

情况1：耦合装药

情况2：不耦合装药

式中：ρ_e为炸药密度；γ为等熵指数，对于爆轰作用产物，一般近似取为3；d_c和d_b分别为装药直径与炮孔直径。

此耦合作用过程曲线如图1所示，图中t_b为地应力卸荷瞬态开始时刻。

步骤2：根据深埋地下洞室爆破开挖场地环境和设计参数以及围岩的力学特性参数，建立地下洞室爆破开挖动力有限元模型，模型如图2所示，尺寸为长190m×宽130m×高120m，开挖区域为炸药布置处，其中编号MS3～MS13为数值模拟非电毫秒雷管段别布置情况。将步骤1中所得出的地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程施加于动力有限元模型的开挖面上，并通过调整地应力大小模拟出不同地应力水平下，炮孔起爆后地应力瞬态卸荷和爆破荷载耦合作用时与爆破荷载单独作用时围岩的振动响应。在数值计算时，通过追踪开挖洞室不同围岩半径处单元体的振动峰值(围岩半径＝岩体单元距离隧洞爆破开挖中心距离)，图3给出了分别在20MPa、40MPa、60MPa和80MPa地应力水平下，围岩半径为0～50m处单元体的振动峰值衰减曲线。从图3中可以看出，地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用引起的振动峰值要大于爆破荷载单独引起的，并且二者之间的差值随着地应力水平的提高逐步增大。

步骤3：根据步骤2数值模拟计算结果，根据“地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用引起的振动峰值要大于爆破荷载单独引起的，并且二者之间的差值随着地应力水平的提高逐步增大”的特征，建立地应力瞬态卸荷和爆破荷载耦合作用与爆破荷载单独作用引起的振动峰值差值在爆破荷载引起的振动峰值中所占百分比与地应力大小之间的关系，再根据实测振动数据，并结合二荷载振动峰值差值在爆破荷载引起的振动峰值中所占百分比与地应力大小的关系预测出现场开挖施工洞段地应力的大小，即完成基于实测振动的地应力大小预测。

步骤3进一步包括以下子步骤：

步骤3-1：根据数值模拟计算结果中不同荷载引起围岩振动响应变化特征，建立振动峰值差值在爆破荷载单独作用引起的振动峰值中所占百分比之间的关系(爆破荷载引起的振动峰值在数值模拟计算过程中为定值)，过程如下：

将图3振动峰值衰减曲线中围岩半径为50m处单元体的振动峰值作为参考，建立该处单元体在不同地应力水平下，振动峰值差值在爆破荷载单独作用引发的振动峰值中所占百分比与地应力大小之间的关系，该关系曲线具体如图4所示。

步骤3-2：在爆破开挖隧洞的侧壁上布置检波器，进行爆破振动跟踪监测，并将得到的实测振动波形进行滤波处理进一步得到实测地应力瞬态卸荷和爆破荷载耦合作用时与爆破荷载单独作用时引发的围岩振动数据，过程如下：

在爆破开挖隧洞的侧壁上布置检波器进行爆破振动跟踪监测，并选取其中一检波器所测得的振动波形(如图5所示)进行滤波分析处理(由于检波器所测得的振动波形中掺杂着其他振动信号)得到某一段炮孔起爆后的实测振动衰减曲线(如图6所示)；

根据滤波后的振动数据(即上述实测振动衰减曲线)，计算出在围岩半径为50m处，地应力瞬态卸荷和爆破荷载耦合作用与爆破荷载单独作用二者引发的振动峰值差值在爆破荷载单独作用引发的振动峰值中所占百分比(图中数据计算结果为43％)；

步骤3-3：将步骤3-2中计算所得到的百分比值，结合步骤3-1中图4曲线坐标，预测出该洞段处地应力的大小为20.1MPa，预测示意图如图7所示。

实施例二

在隧洞开挖处布置钻孔，利用水压致裂法测量地应力的大小，该方法原理为：将两个直径与钻孔孔径相符的橡胶材质封隔器(注水加压后会膨胀)用钻杆送至所选待测段加压封隔，在封隔完毕后于待测段注水加压致裂孔壁，根据此过程中所采集到的数据和压裂曲线计算出开挖区域的地应力值。水压致裂法实测结果，基于实测振动的地应力大小预测方法预测结果，以及采用基于声波测井的地应力预测方法预测结果，三者对比情况如图8所示。从图8中可以看出，采用本发明方法的预测结果曲线更加贴合由水压致裂法的实测结果曲线，而采用基于声波测井地应力预测方法的预测曲线虽与实测结果曲线趋势相近，但地应力大小预测值整体偏差较大。因此，采用本发明所提供的基于实测振动的地应力大小预测方法，结果更为接近实测数据，描述精度更高。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于实测振动的地应力大小预测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：根据爆破设计参数、开挖场地环境以及所选取的岩石力学参数，建立圆形隧洞爆破开挖分析模型，并通过理论分析得到地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程；

步骤2：根据深埋地下洞室爆破开挖场地环境和设计参数以及围岩的力学特性参数，建立地下洞室爆破开挖动力有限元模型，将步骤1中所得出的地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程施加于动力有限元模型的开挖面上，并通过调整地应力大小模拟出不同地应力水平下，地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用时与爆破荷载单独作用时围岩的振动响应；

步骤3：根据步骤2数值模拟计算结果，根据“地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用引起的振动峰值要大于爆破荷载单独引起的，并且二者之间的差值随着地应力水平的提高逐步增大”的特征，建立地应力瞬态卸荷和爆破荷载耦合作用与爆破荷载单独作用引起的振动峰值差值在爆破荷载引起的振动峰值中所占百分比与地应力大小之间的关系，再根据实测振动数据，并结合二荷载振动峰值差值在爆破荷载引起的振动峰值中所占百分比与地应力大小的关系预测出现场开挖施工洞段地应力的大小，即完成基于实测振动的地应力大小预测。

2.根据权利要求1所述的一种基于实测振动的地应力大小预测方法，其特征在于步骤1中通过理论分析得到地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程为：

从爆破荷载作用机制、爆生气体运动状态及地应力瞬态卸荷的力学过程出发，结合爆破设计参数与岩石力学特性参数，分别计算分析出爆破荷载作用时的荷载峰值、压力变化历程和持续时间与地应力瞬态卸荷的卸荷历程、开始时刻及持续时间，并将二者作用过程根据开挖面上需满足的应力连续条件做连续处理，即将地应力瞬态卸荷过程视为与爆破荷载后半段应力变化过程相同，最终得出地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程。

3.根据权利要求2所述的一种基于实测振动的地应力大小预测方法，其特征在于得出的地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程的数学表达式为：

式中：P(t)为爆破荷载和地应力瞬态卸荷耦合作用过程中t时刻压力大小；t_d为地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程总历时；t_r为爆破荷载上升时间；P₀为爆破荷载的压力最大值，t_r、t_d和P₀具体计算如下：

式中：c_f为爆轰气体作用下裂缝的平均扩展速度，c_f＝(0.2～0.3)c_p，c_p岩体纵波速度，取值范围为4000～6000m/s；S为相邻炮孔的间距；VOD为爆轰波速；c_u1为爆破气体向炮孔低传播的稀疏波波速；c_u2为遇孔底反射的稀疏波波速；L_c与L_s分别为炮孔装药长度与炮孔堵塞段长度；

由于炮孔装药有两种不同结构形式，耦合装药和不耦合装药，且装药形式不同会影响作用在炮孔壁上的爆破荷载，因此爆破荷载峰值P₀将分以下两种情况计算：

情况1：耦合装药

情况2：不耦合装药

式中：ρ_e为炸药密度；γ为等熵指数，对于爆轰作用产物，一般近似取为3；d_c和d_b分别为装药直径与炮孔直径。

4.根据权利要求1所述的一种基于实测振动的地应力大小预测方法，其特征在于步骤3进一步包括以下子步骤：

步骤3-1：根据数值模拟计算结果中不同荷载引起围岩振动响应变化特征，建立振动峰值差值在爆破荷载单独作用引起的振动峰值中所占百分比之间的关系，爆破荷载引起的振动峰值在数值模拟计算过程中为定值；

步骤3-2：在爆破开挖隧洞的侧壁上布置检波器，进行爆破振动跟踪监测，并将得到的实测振动波形进行滤波处理进一步得到实测地应力瞬态卸荷和爆破荷载耦合作用时与爆破荷载单独作用时引发的围岩振动数据，根据滤波后的振动数据，计算出地应力瞬态卸荷和爆破荷载耦合作用与爆破荷载单独作用二者引发的振动峰值差值在爆破荷载单独作用引发的振动峰值中所占百分比；

步骤3-3：将步骤3-2中计算所得到的百分比结合步骤3-1中所建立的关系预测出相应洞段地应力的大小。