CN110568477B - 一种隧洞施工时滞型岩爆时空预警方法 - Google Patents

一种隧洞施工时滞型岩爆时空预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隧洞施工时滞型岩爆时空预警方法，在施工的隧洞中布置；根据微震事件的数据对微震事件进行定位，获得岩爆风险区域对应的桩号范围及其岩爆风险区域；在岩爆风险区域内布置若干应力传感器；获得岩爆风险区位置的微震事件能量指数EI、微震事件视体积VA和各应力传感器的应力σ随时间演化曲线图，分析判断岩爆发生的位置和时间。本发明能够对岩爆发生的位置和时间进行精准预警。

Description

一种隧洞施工时滞型岩爆时空预警方法
技术领域
本发明涉及岩土工程中岩爆预警领域，更具体涉及一种隧洞施工时滞型岩爆时空预警方法。
技术背景
随着国民经济高速发展，水电资源开发、铁路公路建设等大型工程正以前所未有的速度向前发展；深埋隧洞工程越来越多，而随着深度的增加，岩体赋存的地质环境更为复杂，地应力更高，由开挖引起的岩爆灾害变得更加严重、突出且频次高。锦屏二级水电站引水隧洞、陕西省引汉济渭工程、川藏铁路、巴基斯坦NJ水电引水隧洞等大型工程，均遇到强烈岩爆，严重影响作业人员安全与施工进度。
不少学者对岩爆孕育的规律进与机制、岩爆的类型以及岩爆发生的判据行了研究，并引入了新的岩爆监测技术手段。为了对岩爆进行预警，国内外学者多角度建立了多种判据，陶振宇判据、Russense判据等；微震监测、声发射、数字钻孔摄像等技术手段也被引入。
根据岩爆发生时间的差异，有学者将岩爆分为即时型岩爆和时滞型岩爆。所谓即时型岩爆，是指开挖卸荷效应影响过程中，完整、坚硬围岩中发生的岩爆。时滞型岩爆是指深埋隧洞高应力区开挖卸荷后应力调整平衡后，外界扰动作用下而发生的岩爆。时滞型岩爆往往空间上往往滞后于掌子面一定距离，时间上也滞后于开挖该区域一段时间，相比时滞型岩爆更加难以预警。
就目前来说，微震监测仍是现场岩爆预警最即时且有效的手段；相比其他手段，微震监测能够提供捕捉到岩体失稳破坏前的破裂征兆，为岩爆的发生提供预警。但微震监测仍有一定局限性，由于工程地质条件不均匀使得微震定位精度有一定误差，该监测方法只能给出大致位置，但不能提供岩爆发生的具体时间。时滞型岩岩爆在时间和空间上的滞后性，相比即时型岩爆给工程施工增加的不确定性更大，若能更准确地预测时滞型岩爆发生的位置和时间，可对隧洞施工中岩爆的发生进行更精确的防治，将大大提高隧洞施工的安全性、降低施工成本，对隧洞施工具有重大意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种隧洞施工中时滞型岩爆的时间与空间预警方法。
为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
一种隧洞施工时滞型岩爆时空预警方法，包括以下步骤：
步骤1、在施工的隧洞中，距掌子面不同距离的第一断面和第二断面布置微震传感器，第一断面相较于第二断面靠近掌子面，第一断面和第二断面上布置的所有微震传感器均接入同一微震监测系统；
步骤2、微震监测系统通过微震传感器获得微震事件的数据，并根据微震事件的数据对微震事件进行定位，获得岩爆风险区域对应的桩号范围及其岩爆风险区域，还获得微震事件能量E、微震事件体变势P和微震事件视体积VA；
步骤3、在岩爆风险区域内布置若干应力传感器，应力传感器与数据采集仪连接，
步骤4、随着掌子面向前推进，第一断面和岩爆风险区到掌子面的距离变大，在距离最接近掌子面的应力传感器5～10m且更靠近掌子面的区域再布置应力传感器，新布置的应力传感器与数据采集仪连接；
数据采集仪获得各个应力传感器测量的应力σ；
步骤5、根据微震事件能量E计算微震事件能量指数EI；
步骤6、获得岩爆风险区位置的微震事件能量指数EI、微震事件视体积VA和各应力传感器的应力σ随时间演化曲线图，分析判断岩爆发生的位置和时间。
如上所述的步骤1中第一断面和第二断面的距离为30～50m，第一断面到掌子面的距离为50～80m，4个微震传感器分别布置在第一断面的拱顶、拱底、左腰、右腰，4个微震传感器分别布置在第二断面的左肩、右肩、左脚、右脚。
如上所述的微震传感器安装时，微震传感器的安装深度穿过隧洞内壁的松动区进入基岩1～3m。
如上所述的步骤6中分析判断岩爆发生的位置和时间包括以下步骤：
步骤6.1、若岩爆风险区的微震事件能量指数EI随时间先呈逐步增加，再开始下降的趋势，且微震事件视体积VA始终呈逐步增加趋势，则进入步骤6.2；
步骤6.2、若其中一个或相邻的两个应力传感器所测应力值的增幅超过10MPa，其他位置应力传感器所测应力值的微增或下降或不变，则确定应力值的增幅超过10MPa的一个应力传感器所处的位置或者相邻两个应力传感器之间的位置为岩爆发生的位置，
步骤6.3、定义所测应力值的增幅超过10MPa的应力传感器为岩爆发生处应力传感器，对最近的设定时间段内的岩爆发生处应力传感器的应力值进行直线拟合获得应力-时间拟合直线，
若岩爆发生处应力传感器为一个，则应力-时间拟合直线上岩爆发生应力阈值对应的时间即为岩爆发生的时间；
若岩爆发生处应力传感器为两个，选取两个岩爆发生处应力传感器的应力-时间拟合直线上岩爆发生应力阈值对应的时间中与当前时间最接近的时间为岩爆发生的时间。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
在掌子面后方的已开挖隧洞内布置两组微震传感器，形成一个有效微震监测网络，对岩体破裂事件进行大致定位，得到岩爆高风险位置；进一步布置一系列应力传感器，根据应力传感器的位置和所获得应力变化曲线；结合微震事件能量指数、微震事件视体积和各传感器应力变化曲线，能够对岩爆发生的位置和时间进行精准预警。
附图说明
图1为本发明的隧洞初始整体布置图；
图2为本发明的第一断面(断面Ⅰ-Ⅰ)的微震传感器布置示意图；
图3为本发明的第二断面(断面Ⅱ-Ⅱ)的微震传感器布置示意图；
图4为本发明后期应力传感器布置示意图；
图5为本发明案例中微震事件能量指数与视体积随时间演化曲线图；
图6为本发明案例中①号应力传感器应力变化趋势曲线图；
图7为本发明案例中②号应力传感器应力变化趋势曲线图；
图8为本发明案例中③号应力传感器应力变化趋势曲线图；
图9为本发明案例中④号应力传感器应力变化趋势曲线图；
图中：1-未开挖隧洞；2-已开挖隧洞；3-掌子面；4-隧洞开挖方向；5-岩爆风险区；6-应力传感器；7-微震传感器；8-应力拟合线；9-岩爆发生应力阈值。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种隧洞施工时滞型岩爆时空预警方法，包括以下步骤：
步骤1、首先在施工的隧洞中、距掌子面不同距离的第一断面(断面Ⅰ-Ⅰ)和第二断面(断面Ⅱ-Ⅱ)布置微震传感器7，如图1所示，第一断面和第二断面的距离为30～50m，第一断面到掌子面3的距离为50～80m，第一断面相较于第二断面靠近掌子面；分别在第一断面的拱顶、拱底、左腰、右腰共布置4个微震传感器7，形态如图2所示；分别在第二断面的左肩、右肩、左脚、右脚共布置4个微震传感器7，形态如图3所示。安装微震传感器7时，需要先采用锚杆钻机进行钻孔，采用可回收式安装将微震传感器7固定在钻孔中，一般情况下，微震传感器7的安装深度需要穿过松动区进入基岩1～3m为宜。在完成所有微震传感器7的安装后，将第一断面和第二断面上布置的所有微震传感器7均接入同一微震监测系统；所使用的微震监测系统需具有实时监测、数据存储、微震事件定位、震源参数计算等基础功能。
步骤2、在将所有微震传感器7接入微震监测系统并使系统正常工作后，对现场进行实时监测，即时保存微震传感器7获得的微震事件的数据。微震监测系统通过微震事件数据对微震事件进行定位，获得岩爆风险区域5及其岩爆风险区域5对应的桩号范围，还获得微震事件能量E、微震事件体变势P和微震事件视体积VA。常用的可完成上述功能的微震监测系统有SSS中科微震监测系统、南非IMS微震监测系统和加拿大ESG微震监测系统。
步骤3、在确定岩爆风险区域5对应的桩号范围后，在岩爆风险区域5内布置若干应力传感器6，应力传感器6应具有实时感测应力的功能，并接入数据采集仪定时记录应力值。在岩爆风险区5的距离掌子面较远的外边缘布置应力传感器6，在距离上述外边缘5～10m且更靠近掌子面的区域设置应力传感器，如图1所示的第一应力传感器和第二应力传感器，在安装完应力传感器6并接入数据采集仪后，使应力传感器6实时感测自身所在位置的应力并通过数据采集仪定时记录。
步骤4、随着掌子面3向前推进，第一断面和岩爆风险区5到掌子面3的距离变大，在距离最接近掌子面的应力传感器5～10m且更靠近掌子面的区域再布置应力传感器6，新布置的应力传感器6更靠近掌子面，如图4所示。同样地，使新安装好的应力传感器6实时感测自身所在位置的应力并接入数据采集仪定时记录应力值。
经上述实施步骤后，获得的数据有：岩爆风险区域5的桩号范围、微震事件能量E、微震事件体变势P、微震事件视体积VA、各应力传感器6的应力σ。
步骤5、根据微震事件能量E进一步计算微震事件能量指数EI。一个微震事件的微震事件能量指数EI是该微震事件所产生的实测地震释放能量与岩爆风险区域5内所有微震事件的平均微震能之比，是岩爆发生前的重要判断指标，可表示为
Figure BDA0002190399950000051
式中：EI为微震事件能量指数；E(P)为岩爆风险区域5内所有微震事件的平均微震能；P为微震事件体变势；c，d均为常数。
步骤6、根据记录和计算得到的数据，绘制岩爆风险区5位置的微震事件能量指数EI、微震事件视体积VA和各应力传感器6的应力σ随时间演化曲线图，分析判断岩爆发生的位置和时间。
步骤6.1、一般情况下，岩爆从孕育到发生可分为3个时期，即岩爆孕育期、预警预报期和岩爆发生期。在岩爆孕育期，随着TBM掘进，岩爆风险区5的微震事件能量指数EI和微震事件视体积VA时间呈逐步增加的趋势，该时期的围岩1处于峰值强度前的压密和弹性阶段；在预警预报期，围岩体积内的能量超过围岩体的存储能力，围岩开始破坏，该阶段微震事件能量指数EI开始下降，而微震事件视体积VA进一步增加，此时意味着岩爆风险区5内发生岩爆风险已经较高，是进行岩爆预警的关键时期，需要进一步判断岩爆将在何位置、何时发生。
步骤6.2、接着，可结合应力传感器6所测得的应力信息作进一步判断。在某位置发生岩爆的条件是该处能量的积聚(升高)；在该位置能量的升高也意味着其他位置的降低；能量的升高具体表现为应力的集中(升高)。此时，即将发生岩爆的位置及附近体现为应力的升高，即一个或相邻的若干个应力传感器6所测应力值表现出显著升高(应力增幅超过10MPa)，其他位置应力传感器6所测应力值的微增、下降或不变(应力调整幅度小于10MPa)。此时，判定所测应力最高的应力传感器6附近发生岩爆的风险最高，确定了岩爆发生风险最高的具体位置。
步骤6.3、定义所测应力值的增幅超过10MPa的应力传感器6为岩爆发生处应力传感器，对最近的设定时间段内的岩爆发生处应力传感器的应力值进行直线拟合获得应力-时间拟合直线，
若岩爆发生处应力传感器为一个，则应力-时间拟合直线与岩爆发生应力阈值线相交处对应的时间即为岩爆发生的时间；
若岩爆发生处应力传感器为多个，计算每个岩爆发生处应力传感器的应力-时间拟合直线与岩爆发生应力阈值线相交处对应的时间，所有计算时间中与当前时间最接近的时间为岩爆发生的时间。
在预警预报段，应力的增长可近似看作直线。对预警预报期时间段内应力值用一条直线进行拟合，可判断应力的变化规律并对应力作出预测。根据应力拟合线8与岩爆发生应力阈值9的交点所对应时间，判定该位置发生岩爆的时间，完成岩爆发生时间的判定。
需要说明的是，不同的隧道工程所处的岩性等条件不同，岩爆发生前应力上升到达的水平也不相同，岩爆发生应力阈值9可通过现场若干次岩爆发生时的应力水平确定。
下面举一实例来说明如何判断岩爆发生的具体位置和时间。
某工程现场按照前述做法获得了某岩爆风险区域微震事件能量指数EI和微震事件视体积VA随时间演化曲线图，如图5所示，对应时间①②③④号应力传感器6处的应力变化趋势分别如图6、图7、图8和图9所示。
由图5可以看出，6月5日之前，能量指数EI维持在较高水平，而视体积VA处于缓慢上升状态，处于岩爆孕育期；6月5日至6月8日，能量指数水平EI下降，视体积VA依然上升，处于预警预报期；根据前述理论，此时意味着监测区域发生岩爆风险较高；但具体将在何处、何时发生仍未知道，需要结合应力作进一步判断。
接着，结合各处应力传感器6测到的应力变化趋势作进一步分析。6月5日之前①②号应力传感器6处的应力值缓慢上升，③④号应力传感器6处的应力值略有下降。6月5日至6月8日，①号应力传感器6处的应力值加速上升，且增幅超过10MPa；②号应力传感器6处的应力值仍缓慢上升，③④号应力传感器6处的应力仍处于缓慢下降状态，变化幅度均不超过10MPa；说明此时应力在向①号应力传感器6所在位置集中，②号应力传感器6所在位置收到一定影响，③④号应力传感器6处的应力仍处于缓慢下降状态。此时意味着外界能量在向①号应力传感器6所在位置及附近输入，发生岩爆的风险极高；此时判定①号应力传感器6所在位置附近发生岩爆的风险最高，完成对岩爆发生位置的判断。
最后，对6月5日至在6月8日段预警预报期的①号应力传感器6的应力变化曲线，采用应力-时间拟合直线进行拟合；应力-时间拟合直线与岩爆发生应力阈值60MPa的交点在6月9日附近，意味着将在6月9日发生岩爆，完成岩爆发生时间的预警。现场最终在6月9日发生岩爆。
需要说明的是，根据现场微震监测判定的岩爆风险高低情况，可动态增加或减少应力传感器6的数量，以达到更精准判定的目的。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明专利精神作举例说明。本发明专利所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种隧洞施工时滞型岩爆时空预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在施工的隧洞中，距掌子面不同距离的第一断面和第二断面布置微震传感器(7)，第一断面相较于第二断面靠近掌子面，第一断面和第二断面上布置的所有微震传感器(7)均接入同一微震监测系统；
步骤2、微震监测系统通过微震传感器(7)获得微震事件的数据，并根据微震事件的数据对微震事件进行定位，获得岩爆风险区域(5)对应的桩号范围及其岩爆风险区域(5)，还获得微震事件能量E、微震事件体变势P和微震事件视体积VA；
步骤3、在岩爆风险区域(5)内布置若干应力传感器(6)，应力传感器(6)与数据采集仪连接，
步骤4、随着掌子面(3)向前推进，第一断面和岩爆风险区(5)到掌子面(3)的距离变大，在距离最接近掌子面的应力传感器5～10m且更靠近掌子面的区域再布置应力传感器(6)，新布置的应力传感器(6)与数据采集仪连接；
数据采集仪获得各个应力传感器(6)测量的应力σ；
步骤5、根据微震事件能量E计算微震事件能量指数EI；
步骤6、获得岩爆风险区(5)位置的微震事件能量指数EI、微震事件视体积VA和各应力传感器(6)的应力σ随时间演化曲线图，分析判断岩爆发生的位置和时间，
步骤1中第一断面和第二断面的距离为30～50m，第一断面到掌子面(3)的距离为50～80m，4个微震传感器(7)分别布置在第一断面的拱顶、拱底、左腰、右腰，4个微震传感器(7)分别布置在第二断面的左肩、右肩、左脚、右脚，
微震传感器(7)安装时，微震传感器(7)的安装深度穿过隧洞内壁的松动区进入基岩1～3m，
步骤6中分析判断岩爆发生的位置和时间包括以下步骤：
步骤6.1、若岩爆风险区(5)的微震事件能量指数EI随时间先呈逐步增加，再开始下降的趋势，且微震事件视体积VA始终呈逐步增加趋势，则进入步骤6.2；
步骤6.2、若其中一个或相邻的两个应力传感器(6)所测应力值的增幅超过10MPa，其他位置应力传感器(6)所测应力值的微增或下降或不变，则确定应力值的增幅超过10MPa的一个应力传感器(6)所处的位置或者相邻两个应力传感器之间的位置为岩爆发生的位置，
步骤6.3、定义所测应力值的增幅超过10MPa的应力传感器(6)为岩爆发生处应力传感器，对最近的设定时间段内的岩爆发生处应力传感器的应力值进行直线拟合获得应力-时间拟合直线，
若岩爆发生处应力传感器为一个，则应力-时间拟合直线上岩爆发生应力阈值对应的时间即为岩爆发生的时间；
若岩爆发生处应力传感器为两个，选取两个岩爆发生处应力传感器的应力-时间拟合直线上岩爆发生应力阈值对应的时间中与当前时间最接近的时间为岩爆发生的时间。
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