CN110648082B - 一种深埋硬岩隧道岩爆等级评估的快速查表方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深埋硬岩隧道岩爆等级评估的快速查表方法，包括以下步骤：步骤1、建立深埋隧道岩爆等级评估表；步骤2、获取待评估区域内的地应力，并查询所述地应力分级表，得到待评区域的地应力等级；步骤3、获取待评估区域内的岩石的饱和单轴抗压强度，并查询所述岩石强度分级表，获得待评区域内的岩石强度等级；步骤4、分别获取待评估区域地质影响因素，并查询修正因素等级表，确定岩爆等级评估的修正等级；步骤5、根据步骤2‑4得到的结果查询所述岩爆等级评估表，得到潜在的岩爆等级。通过建立深埋硬岩隧道岩爆等级评估的快速查表方法，分别利用不同勘察阶段获取的有限信息，通过查表的方式对潜在的岩爆风险等级进行有效评估。

Description

一种深埋硬岩隧道岩爆等级评估的快速查表方法
技术领域
本发明属于深埋硬岩隧道岩爆等级评估技术领域，具体涉及一种深埋硬岩隧道岩爆等级评估的快速查表方法，适用于交通、水利水电等围岩等级为I-III类的深埋硬岩隧道，依据不同勘察阶段获取的信息，通过查表的方式快速、准确的开展岩爆评估工作。
背景技术
岩爆是在开挖或其他外界扰动下，地下工程岩体中聚积的弹性变形势能突然释放，导致围岩爆裂、弹射的动力现象。岩爆具有很强的突发性、随机性和危害性。由于孕育过程和机理复杂，对其准确预测、预报以及控制难度大，岩爆目前仍被列为现阶段岩石力学与工程领域的世界性难题之一。针对有潜在岩爆风险的深埋岩体工程，目前通用的做法是进行岩爆等级评估，通过岩爆评估预判岩爆发生的潜在位置及其等级。
由于不同阶段所能获取和掌握的地质信息和岩体信息的完整程度不同，因而岩爆等级评估工作一般分阶段开展。当所处勘察阶段掌握的信息较为充分且详细，尤其是可以获取较为详尽、准确的地应力场状态和地质条件时，该阶段开展的岩爆估计精细程度和准确性一般较高。相比该阶段，勘查设计初期阶段的岩体地质结构条件、局部应力场信息和岩体力学性质不能够全面准确获取，只能根据岩爆估计方法，初步预判潜在的岩爆风险等级，为制定初步的岩爆防治策略提供理论基础。现有的岩爆评估方法较多，主要分为单指标法、综合分析法和数值分析法。单指标岩爆经验判据无法综合分析岩爆的主要影响因素；综合分析法一般均需复杂的计算过程或是专门的计算软件才能获取结果，因一般从业人员难以直接使用，而导致其推广性和实用性受到限制；数值指标法同样受到资料完备程度的影响而实施较为困难。因此，针对线性深埋隧道工程不同勘察阶段所能获取的地质信息特点，建立一套能够综合考虑影响岩爆发生的多个因素，并能适用于不同阶段的快速、便捷、实用、可推广的岩爆等级评估方法具有重要理论与实际意义。
发明内容
本发明的目的是针对深埋硬岩隧道在不同勘察阶段获取的地质信息完整和详尽程度不同情况下的岩爆等级评估问题，提供一种考虑多因素的基于查表法的深埋硬岩隧道岩爆等级评估方法，以提高岩爆等级评估的准确性和合理性，为施工方案选择、支护方式选取等提供科学参考，确保隧道安全、高效施工。
为了实现上述目的，本发明采用技术方案是：
步骤1、建立深埋隧道岩爆等级评估表；
步骤1.1、根据以往地应力的最大主应力与地应力等级之间的关系建立地应力分级表；所述地应力分级表，如表1所示：
表1地应力等级表
地应力等级 最大主应力/MPa
S1 15≤σmax<20
S2 20≤σmax<30
S3 30≤σmax<45
S4 45≤σmax<65
S5 σmax≥65
步骤1.2、根据以往岩石的岩石饱和单轴抗压强度和岩石强度等级之间的关系建立岩石强度分级表；所述岩石强度分级表，如表2所示：
表2岩石强度等级表
岩石强度等级 岩石饱和单轴抗压强度/MPa
R1 RC≥150
R2 120≤RC<150
R3 90≤RC<120
R4 60≤RC<90
R5 30≤RC<60
步骤1.3、根据以往评估区域的地质影响因素对岩爆等级评估的影响关系建立修正因素等级表；在所述步骤1.3中，地质影响因素根据不同勘查阶段获取的地质影响因素不同而建立不同的修正因素等级表；
在设计初期的勘察阶段，根据以往评估区域的围岩质量等级、地质构造、最大主应力方向与隧道轴向方向夹角、岩性交界面情况对岩爆等级评估的影响关系建立初勘阶段的修正因素等级表；所述初勘阶段的修正因素等级表，如表3所示：
表3初勘阶段的修正因素等级表
Figure BDA0002225480610000031
在进一步详细的勘察阶段，根据以往评估区域的围岩揭露的结构面数量及产状、地质构造情况、地下水发育情况、最大主应力方向与隧道轴线方向夹角情况、岩性交界面情况对岩爆等级评估的影响关系建立详勘阶段的修正因素等级表；所述详勘阶段的修正因素等级表，如表4所示：
表4详勘阶段的修正因素等级表
Figure BDA0002225480610000032
步骤1.4、根据以往地应力等级、以往岩石强度等级、以往修正等级与以往岩爆等级之间的关系确定深埋隧道岩爆等级评估表；所述深埋隧道岩爆等级评估表，如表5所示：
表5深埋隧道岩爆等级评估表
Figure BDA0002225480610000041
步骤2、获取待评估区域内的地应力的最大主应力大小，并根据已获取的地应力的最大主应力大小查询所述地应力分级表，得到待评区域的地应力等级；
步骤3、获取待评估区域内的岩石的饱和单轴抗压强度大小，并根据已获取的岩石的饱和单轴抗压强度大小查询所述岩石强度分级表，获得待评区域内的岩石强度等级；
步骤4、分别获取待评估区域地质影响因素，并根据影响因素查询修正因素等级表，确定岩爆等级评估的修正等级；
步骤5、依据步骤2～4已获得的所述地应力等级、所述岩石强度等级和所述修正等级，查询所述岩爆等级评估表，得到待评价区域内潜在的岩爆等级。
在所述步骤4中，根据不同的勘查阶段选择相对应的修正因素等级表；
在待评估区域的设计初期的勘查阶段中，根据根据钻孔信息、物探资料、测试资料、现场勘查及调查资料确定待评估区的围岩质量等级、地质构造、最大主应力方向与隧道轴线夹角关系的情况，对照所述初勘阶段的修正因素等级表，得到岩爆等级评估的修正等级；
在待评估区域的详细勘查阶段中，根据该阶段勘察时围岩揭露的结构面数量及产状、地质构造情况、地下水发育情况、最大主应力方向与隧道轴线夹角情况、岩性交界面情况并对照所述详勘阶段的修正因素等级表，得到岩爆等级评估的修正等级。
所述步骤1.3中的围岩质量分级依据国家标准BQ分级法中的流程和内容进行分级，在此基础上III类围岩质量亚等级结合BQ值及工程地质特征标准划分，如表6所示：
表6围岩亚分级表
Figure BDA0002225480610000051
所述步骤1.3中的地质构造指断层、褶皱；
其中，长度数米到数十米，宽度数米的断层为小型断层；长度数十米到数千米，宽度数十米的断层为中型断层；长度数千米到数万米，宽度数十米到数百米的断层为大型断层；
褶皱的核部与翼部构造应力高。
所述步骤1.3中的结构面发育程度通过结构面组数和平均间距确定：结构面组数1～2组，平均间距大于1m为不发育；结构面组数2～3组，平均间距0.4m～1m为较发育；结构面组数大于或等于3组，平均间距0.2m～0.4m为发育。
在所述步骤2中的地应力的最大主应力大小，一般情况下采用地应力测试结果确定，当无地应力测试结果时，采用地应力反演方法确定；
此外，深埋隧道应考虑区域构造因素对整体地应力方向及应力系数的影响，临江段考虑河谷切向应力对局部地应力方向和大小的影响。
所述步骤3中岩石为依据相关岩石坚硬程度划分方法确立的硬岩，岩石饱和单轴抗压强度大小通过在室内开展单轴压缩试验获得，取值时取实测单轴抗压强度的较高值，即介于不同岩样单轴抗压强度的平均值与最大值的平均值。
本发明的有益效果是：通过建立深埋硬岩隧道岩爆等级评估的快速查表方法，分别利用不同勘察阶段获取的多种信息，通过查表的方式快速、准确的对潜在的岩爆风险等级进行有效评估，为施工方案选择、支护方式选取等提供科学参考，确保隧道安全、高效施工。
基于上述理由本发明可在岩爆评估等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施方式中一种深埋硬岩隧道岩爆等级评估的快速查表方法流程图。
图2是本发明实施例1中某深埋隧道K10+500～k11+200段开挖过程中某中等岩爆发生位置图。
图3是本发明实施例2中某深埋隧道K9+660～K9+720段掌子面和围岩地质情况。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明具体实施方式实施例1中以某岩爆频发的深埋硬岩隧道在初步勘察阶段的岩爆情况为背景进行的岩爆等级评估方法，本发明具体实施方式实施例2中以该深埋硬岩隧道在详细勘察阶段的岩爆情况为背景进行的岩爆等级评估方法。
实施例1：
如图1-2所示，一种深埋硬岩隧道岩爆等级评估的快速查表方法，具体包括以下步骤：
步骤1、建立深埋隧道岩爆等级评估表；
步骤1.1、根据以往地应力的最大主应力与地应力等级之间的关系建立地应力分级表；所述地应力分级表如表1所示：
表1地应力等级
地应力等级 最大主应力/MPa
S1 15≤σmax<20
S2 20≤σmax<30
S3 30≤σmax<45
S4 45≤σmax<65
S5 σmax≥65
步骤1.2、根据以往岩石的岩石饱和单轴抗压强度和岩石强度等级之间的关系建立岩石强度分级表；所述岩石强度分级表如表2所示：
表2岩石强度等级表
岩石强度等级 岩石饱和单轴抗压强度/MPa
R1 RC≥150
R2 120≤RC<150
R3 90≤RC<120
R4 60≤RC<90
R5 30≤RC<60
步骤1.3、根据以往评估区域的地质影响因素对岩爆等级评估的影响关系建立修正因素等级表；在所述步骤1.3中，地质影响因素根据不同勘查阶段获取的地质影响因素不同而建立不同的修正因素等级表；
在设计初期的勘察阶段，根据以往评估区域的围岩质量等级、地质构造、最大主应力方向、岩性交界面情况对岩爆等级评估的影响关系建立初勘阶段的修正因素等级表；所述初勘阶段的修正因素等级表如表3所示：
表3初勘阶段的修正因素等级表
Figure BDA0002225480610000081
所述步骤1.3中的围岩质量分级依据国家标准BQ分级法中的流程和内容进行分级，在此基础上III类围岩质量亚等级结合BQ值及工程地质特征标准划分，如表4所示：
表4围岩亚分级表
Figure BDA0002225480610000082
步骤1.4、根据以往地应力等级、以往岩石强度等级、以往修正等级与以往岩爆等级之间的关系确定深埋隧道岩爆等级评估表；所述深埋隧道岩爆等级评估表如表5所示：
表5深埋隧道岩爆等级评估表
Figure BDA0002225480610000091
步骤2、获取待评估区域内的地应力的最大主应力大小，并根据已获取的地应力的最大主应力大小查询所述地应力分级表，得到待评区域的地应力等级；在所述步骤2中的地应力的最大主应力大小，一般情况下采用地应力测试结果确定，当无地应力测试结果时，采用地应力反演方法确定；此外，深埋隧道应考虑区域构造因素对整体地应力方向及应力系数的影响，临江段考虑河谷切向应力对局部地应力方向和大小的影响。
本实施例通过以隧道的K10+500～k11+200段进行举例，该隧道的K10+500～k11+200段处于未开挖阶段，即初勘阶段；对其开展地应力反演，得到其最大主应力为22.8MPa，最大主应力与隧道夹角为81°，对应查询表1的地应力分级表，确定该区域的地应力等级为S2；
步骤3、获取待评估区域内的岩石的饱和单轴抗压强度大小，并根据已获取的岩石的饱和单轴抗压强度大小查询所述岩石强度分级表，获得待评区域内的岩石强度等级；所述步骤3中岩石为依据相关岩石坚硬程度划分方法确立的硬岩，岩石饱和单轴抗压强度大小通过在室内开展单轴压缩试验获得，取值时取实测单轴抗压强度的较高值，即介于不同岩样单轴抗压强度的平均值与最大值的平均值。
本实施例中在隧道的k10+500～k11+200区域取具有代表性的一定数量岩芯，开展室内单轴压缩试验，对比多次试验结果，在其平均值与最大值之间取实测单轴抗压强度的较大值，为160MPa，并对应查询表2的岩石强度分级表，确定该区域内的岩石强度等级为R1；
步骤4、在待评估区域的设计初期的勘查阶段中，根据钻孔信息、物探资料、测试资料、现场勘查及调查资料确定待评估区的围岩质量等级、地质构造、最大主应力方向与隧道关系的情况，对照所述初勘阶段的修正因素等级表，得到岩爆等级评估的修正等级；
本实施例中通过地质雷达等物探手段对该区域的勘察发现，该区域岩体较完整、地下水不发育，对应围岩完整性好，结合BQ法及围岩亚分级表(表4)划分出该区域属II类围岩。但该区域穿越1条大型断层，结合以上因素，对应查询表3的修正因素等级表，确定该区域的岩爆等级评估的修正因素等级为M4；
步骤5、依据步骤2～4已获得的所述地应力等级、所述岩石强度等级和所述修正等级，查询所述岩爆等级评估表，得到待评价区域内潜在的岩爆等级。本实施例中该区域内的地应力等级为S2、岩石强度等级为R1、修正因素等级为M4，对应查询岩爆等级评估表5，可获取该区域内潜在的岩爆等级为中等岩爆。
该区域在实际开挖过程中，实际发生了中等岩爆，岩爆持续时间较短，爆坑形状为“V”型，深度约0.6m，爆落的岩石呈块片状。附图2所示，为该中等岩爆发生位置。因此，基于勘察设计阶段所获取的信息，利用本发明建立的岩爆等级评估方法对岩爆等级的评估结果与真实情况相符。
实施例2：
如图1和3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，该隧道K9+660～720段的处于开挖过程阶段，一种深埋硬岩隧道岩爆等级评估的快速查表方法，具体包括以下步骤：
步骤1、建立深埋隧道岩爆等级评估表：
步骤1.1、根据以往地应力的最大主应力与地应力等级之间的关系建立地应力分级表；所述地应力分级表，如表1所示：
表1地应力等级表
地应力等级 最大主应力/MPa
S1 10≤σmax<20
S2 20≤σmax<30
S3 30≤σmax<45
S4 45≤σmax<65
S5 σmax≥65
步骤1.2、根据以往岩石的岩石饱和单轴抗压强度和岩石强度等级之间的关系建立岩石强度分级表；所述岩石强度分级表，如表2所示：
表2岩石强度等级表
岩石强度等级 岩石饱和单轴抗压强度/MPa
R1 RC≥150
R2 120≤RC<150
R3 90≤RC<120
R4 60≤RC<90
R5 30≤RC<60
步骤1.3、根据以往评估区域的地质影响因素对岩爆等级评估的影响关系建立修正因素等级表；在所述步骤1.3中，地质影响因素根据不同勘查阶段获取的地质影响因素不同而建立不同的修正因素等级表；
在进一步详细的勘察阶段，根据以往评估区域的围岩揭露的结构面数量及产状、地质构造情况、地下水发育情况、最大主应力方向情况、岩性交界面情况对岩爆等级评估的影响关系建立详勘阶段的修正因素等级表；所述详勘阶段的修正因素等级表，如表3所示：
表3详勘阶段的修正因素等级表
Figure BDA0002225480610000121
所述步骤1.3中的地质构造指断层、褶皱；
其中，长度数米到数十米，宽度数米的断层为小型断层；长度数十米到数千米，宽度数十米的断层为中型断层；长度数千米到数万米，宽度数十米到数百米的断层为大型断层；
褶皱的核部与翼部构造应力高。
所述步骤1.3中的结构面发育程度通过结构面组数和平均间距确定：结构面组数1～2组，平均间距大于1m为不发育；结构面组数2～3组，平均间距0.4m～1m为较发育；结构面组数大于或等于3组，平均间距0.2m～0.4m为发育。
步骤1.4、根据以往地应力等级、以往岩石强度等级、以往修正等级与以往岩爆等级之间的关系确定深埋隧道岩爆等级评估表；所述深埋隧道岩爆等级评估表，如表4所示：
表4深埋隧道岩爆等级评估表
Figure BDA0002225480610000131
步骤2、获取待评估区域内的地应力的最大主应力大小，并根据已获取的地应力的最大主应力大小查询所述地应力分级表，得到待评区域的地应力等级；在所述步骤2中的地应力的最大主应力大小，一般情况下采用地应力测试结果确定，当无地应力测试结果时，采用地应力反演方法确定；此外，深埋隧道应考虑区域构造因素对整体地应力方向及应力系数的影响，同时考虑断层、褶皱等对局部地应力方向和大小的影响；临江段考虑河谷切向应力对局部地应力方向和大小的影响。
本实施例中隧道的K9+660～720段在开挖过程中，在围岩中开展了地应力测量，其最大主应力为28MPa，最大主应力方向与隧道轴线夹角为75°，对应查询地应力等级表，确定该区域的地应力等级为S2；
步骤3、获取待评估区域内的岩石的饱和单轴抗压强度大小，并根据已获取的岩石的饱和单轴抗压强度大小查询所述岩石强度分级表，获得待评区域内的岩石强度等级；所述步骤3中岩石为依据相关岩石坚硬程度划分方法确立的硬岩，岩石饱和单轴抗压强度大小通过在室内开展单轴压缩试验获得，取值时取实测单轴抗压强度的较高值，即介于不同岩样单轴抗压强度的平均值与最大值的平均值。
本实施例中在隧道的K9+660～720区域取具有代表性的一定数量岩芯，开展室内单轴压缩试验，对比多次试验结果，在其平均值与最大值之间取实测单轴抗压强度的较大值，为155MPa，并对应查询岩石强度等级表，确定该区域内的岩石强度等级为R1；
步骤4、在待评估区域的详细勘查阶段中，根据该阶段勘察时围岩揭露的结构面数量及产状、地质构造情况、地下水发育情况、最大主应力方向与隧道轴线夹角情况、岩性交界面情况并对照所述详勘阶段的修正因素等级表，得到岩爆等级评估的修正等级。
本实施例中从该区域开挖过程中掌子面和两侧围岩所揭露的地质情况(见附图3)可以发现：掌子面岩体为整体状，未风化。掌子面发育一组节理，倾向10°，倾角55°，间距0.2～0.5m，节理闭合，节理面平直，节理宽约1cm，充填墨绿色矿物，延伸长，贯穿整个隧道，从南侧围岩拱肩延伸到北侧围岩拱脚，两侧岩体无风化现象。节理处渗水严重，掌子面呈潮湿状。综合上述因素，对应查询详勘阶段的修正因素等级表，确定该区域的岩爆等级评估的修正因素等级为M1；
步骤5、依据步骤2～4已获得的所述地应力等级、所述岩石强度等级和所述修正等级，查询所述岩爆等级评估表，得到待评价区域内潜在的岩爆等级。本实施例中该区域内的地应力等级为S1、岩石强度等级为R1、修正因素等级为M1，对应查询岩爆等级评估表，可获取该区域内潜在的岩爆等级为无岩爆。
该区域在实际开挖过程中，未发生岩爆。因此，基于详细勘查阶段所获取的信息，利用本发明建立的岩爆等级评估方法对岩爆等级的评估结果与真实情况相符。
由上述不同勘察阶段岩爆等级评估方法的实施例可以看出，本发明建立的深埋硬岩隧道岩爆等级评估方法具有较好的适用性和可靠性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种深埋硬岩隧道岩爆等级评估的快速查表方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立深埋隧道岩爆等级评估表；
步骤1.1、根据以往地应力的最大主应力与地应力等级之间的关系建立地应力分级表；
步骤1.2、根据以往岩石的岩石饱和单轴抗压强度和岩石强度等级之间的关系建立岩石强度分级表；
步骤1.3、根据以往评估区域的地质影响因素对岩爆等级评估的影响关系建立修正因素等级表；
步骤1.4、根据以往地应力等级、以往岩石强度等级、以往修正等级与以往岩爆等级之间的关系确定深埋隧道岩爆等级评估表；
步骤2、获取待评估区域内的地应力的最大主应力大小，并根据已获取的地应力的最大主应力大小查询所述地应力分级表，得到待评区域的地应力等级；
步骤3、获取待评估区域内的岩石的饱和单轴抗压强度大小，并根据已获取的岩石的饱和单轴抗压强度大小查询所述岩石强度分级表，获得待评区域内的岩石强度等级；
步骤4、分别获取待评估区域地质影响因素，并根据影响因素查询修正因素等级表，确定岩爆等级评估的修正等级；
步骤5、依据步骤2~4已获得的所述地应力等级、所述岩石强度等级和所述修正等级，查询所述岩爆等级评估表，得到待评价区域内潜在的岩爆等级；
在所述步骤1.3中，地质影响因素根据不同勘查阶段获取的地质影响因素不同而建立不同的修正因素等级表；
在设计初期的勘察阶段，根据以往评估区域的围岩质量等级、地质构造、最大主应力方向、岩性交界面情况对岩爆等级评估的影响关系建立初勘阶段的修正因素等级表；
在进一步详细的勘察阶段，根据以往评估区域的围岩揭露的结构面数量及产状、地质构造情况、地下水发育情况、主应力方向情况、岩性交界面情况对岩爆等级评估的影响关系建立详勘阶段的修正因素等级表。
2.根据权利要求1所述的深埋硬岩隧道岩爆等级评估的快速查表方法，其特征在于：在所述步骤4中，根据不同的勘查阶段选择相对应的修正因素等级表；
在待评估区域的设计初期的勘查阶段中，根据钻孔信息、物探资料、测试资料、现场勘查及调查资料确定待评估区的围岩质量等级、地质构造、最大主应力方向与隧道关系的情况，对照所述初勘阶段的修正因素等级表，得到岩爆等级评估的修正等级；在待评估区域的详细勘查阶段中，根据该阶段勘察时围岩揭露的结构面数量及产状、地质构造情况、地下水发育情况、主应力方向情况、岩性交界面情况并对照所述详勘阶段的修正因素等级表，得到岩爆等级评估的修正等级。
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