CN111898244A - 一种线状工程勘察阶段岩爆风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线状工程勘察阶段岩爆风险评估方法。以在勘察设计初期确定线路总体走向条件下的岩爆随地下工程埋深之间的关系，从而确定高风险岩爆灾害的主要埋深范围，合理确定线路和工程方案。本发明步骤为1)利用沿线区域水压致裂法获取的最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h的实测数据，开展σ_H、σ_h与深度H之间的函数关系模拟；2)获取沿线典型硬质岩单轴饱和抗压强度平均值R_c；3)考虑圆形开挖断面，计算断面最大切向应力σ_θmax随深度H的变化的函数关系；4)利用获取的R_c和σ_θmax，使用Hoek判据岩爆评估方法，获取对工程区域内硬质岩岩爆系数L随深度H的变化关系，按照Hoek判据中岩爆风险等级划分的标准，确定高风险隧道的一般深度，指导选线。

Description

一种线状工程勘察阶段岩爆风险评估方法

技术领域

本发明属于工程勘察技术领域，具体涉及一种线状工程勘察阶段岩爆风险评估方法，特别适用于硬质岩隧道比例高的山区高速铁路、公路和引水隧洞等勘察阶段使用。

背景技术

铁路、公路、引水隧洞等线状工程的线性特点、坡度限制及绕避重大表生地质灾害的需求，往往要设计大量深埋长大隧道等地下工程，在硬质岩发育的地区不可避免的会遇到高地应力岩爆风险。因此，在大范围选线、工程选址等勘察设计阶段对线路穿越区地下工程进行岩爆风险评估至关重要。

西部某山区铁路正线设计长度约370公里，其中隧道总长约330公里，隧线比高达90％左右，其中一半为硬质岩。隧道埋深普遍超过1000m，最大埋深可达2100m左右。受区域高地应力影响，岩爆问题必然十分突出。勘察设计阶段的岩爆风险评估结论，将直接影响线路选择和隧道工程设置，进而从根本上决定施工阶段的工程难度和工期。因此，勘察阶段能否尽可能准确地评估工程岩爆风险，并确定高风险岩爆的埋深是极其关键和重要的，由此可满足合理的绕避地表灾害，保障地下工程施工安全。

现有岩爆风险评估方法主要包括三大类：

(1)在线路基本确定，且勘察进行到一定阶段的情况下，直接采用原位实测地应力数据和实测岩石抗压强度进行计算，这种方法仅能完成有原位实测数据的段落的岩爆风险评估，该方法适用于有实测数据的百米尺度的断面；

(2)在线路基本确定，且勘察进行到一定阶段的情况下，基于某个地下工程的实测地应力数据，采用数值模拟方法开展地下工程的地应力三维模拟，进而利用实测(或推测)的岩石抗压强度进行岩爆风险评估，该方法一般考虑数公里以内尺度的地下工程；

(3)在施工阶段，线路已经完全确定的情况下，采用综合地质法或微震监测等手段开展施工过程的岩爆实时监测预警好风险评估，该方法适用于数米-数十米的隧道断面。

综上，可以看出，上述已有方法都是在线路基本稳定的情况下，基于大量原位实测工作开展的评估。上述方法适用于工程方案基本确定或已经开工的阶段，需要有实测地应力和岩石抗压强度数据，且主要针对单个的地下工程甚至断面尺度的工作，尺度较小，这些特点难以满足勘察阶段辅助选线的需求。

根据实测资料统计研究表明：

(1)构造背景类似的条件下，同一区域的三轴地应力总体位于一个相似的水平，并随着深度的增大而逐渐增大，而不同构造背景的三轴应力则差异明显。事实上，同一地区水压致裂法获取的最大水平主应力σ_H和最小水平主应力σ_h与深度H之间存在一定的函数关系。通过已有实测数据可以模拟出其回归方程，从而获取相应深度的区域地应力的平均值；

(2)相同岩性的完整硬质岩类，其单轴饱和抗压强度一般都分布在特定的范围内，且具有相对稳定的平均值；

(3)Hoek判据(Hoek,1990；2010)是国际上通用的、较为可靠的反映硐室开挖过程影响和初始应力场的偏应力特征的岩爆判据，并将岩爆划分为轻微、中等、强烈、极强烈等四个等级，其中强烈和极强烈风险较高。

利用上述方法获取的简化的区域地应力结果(较为稳定的区域地应力平均值)、较为稳定的岩石单轴饱和抗压强度、国际或国内标准确定的岩爆判据，可以对线状工程整个区域岩爆总体等级进行计算。该方法可满足，在勘察阶段，总体评估线路穿越区内一定埋深条件下线状工程岩爆的风险；确定高风险岩爆的最小埋深，从而在尽量绕避地表地质灾害的前提下，减少该埋深以上的隧道段落在尽可能的降低岩爆风险，辅助选线。

综合考虑以上情况，为满足勘察初期线路和工程设置的基本需求，采用简化的区域应力计算结果和简化的圆形隧道断面进行整个线装工程尺度的岩爆风险评估，提出了一种线状工程勘察阶段岩爆风险评估方法。

发明内容

本发明提供一种线状工程勘察阶段岩爆风险评估方法。以在勘察设计初期快速、合理、高效的确定线路总体走向条件下的岩爆随地下工程埋深之间的关系，从而确定高风险岩爆灾害的主要埋深范围，合理确定线路和工程方案。

为解决现有技术存在问题，本发明的技术方案是：一种线状工程勘察阶段岩爆风险评估方法，其特征在于：所述方法步骤为：

S1：利用沿线区域水压致裂法获取的最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h的实测数据，开展σ_H、σ_h与深度H之间的函数关系模拟；

S2：获取沿线典型硬质岩单轴饱和抗压强度平均值R_c，R_c为常数；

S3：考虑圆形开挖断面，计算断面最大切向应力σ_θmax随深度H的变化的函数关系；

S4：利用S2、S3步中获取的R_c和σ_θmax，使用Hoek判据岩爆评估方法，获取对工程区域内硬质岩岩爆系数L随深度H的变化关系，按照Hoek判据中岩爆风险等级划分的标准，确定高风险隧道的一般深度，指导选线。

进一步，步骤S1中函数关系模拟具体方法为：

S1-1：获取同一构造单元内硬质岩地应力实测资料：开展工程区范围内硬质岩深孔水压致裂法地应力实测，或通过搜集水压致裂法获取的区域地应力实测资料，建立实测地应力数据集，其中包括实测点不同埋深的最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h的实测数据，及测点所在的位置、埋深、岩性、最大水平主应力方向。

S1-2：通过回归模拟获取σ_H、σ_h随深度H变化的函数关系：按照水压致裂法基本原理，计算获得垂向应力σ_V(σ_V＝0.0265×H(式1))，其中H为各个测点深度(单位为m)，根据步骤S1-1中获取的岩性，筛选出硬质岩中数据，利用excel、origin或MATLAB等软件按照

的函数关系反演模拟，获取常数a_H、b_H、a_h、b_h具体数值；

S1-3：依据获取的a_H、b_H、a_h、b_h具体数值，计算获取σ_H、σ_h与H之间的关系，σ_H＝0.0265(a_H+b_H×H)、σ_h＝0.0265(a_h+b_h×H)。

进一步，步骤S2的具体流程为：

S2-1：确定研究区主要岩石类型：

若以某一种硬质岩类为主，即考虑该岩类平均抗压强度；若以某几类硬质岩为主，则考虑这几种岩类平均抗压强度的平均值；

Rc有实测值时用实测值，无实测值时根据行业规范考虑常用参考值；

S2-2：在区域主要岩性不确定的情况下，按照R_c＝90Mpa进行计算。

进一步，步骤S3的具体方法步骤为：

S3-1，根据S1-1中的实测地应力角度，计算区域最大水平主应力平均值θ_H；

S3-2，考虑线路起点至终点角度θ_L，计算线路与最大水平主应力的夹角θ＝|θ_H-θ_L|，常数，单位°；

S3-3，计算垂直于线路方向的水平主应力分量

S3-4，考虑圆形开挖断面时，依据σ_Hh和σ_V，计算开挖阶段最大切向应力

进一步，工程区域内硬质岩岩爆系数L随深度H的变化关系的具体步骤为：

S4-1，根据公式

计算工程区域内硬质岩岩爆系数L随深度H的变化关系。

S4-2，按照Hoek判据中岩爆系数L与岩爆等级的划分方案，(见下表)，确定不同埋深条件下风险等级及高风险岩爆(严重岩爆)的最低埋深H₄

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、本发明方法在勘察阶段可满足，总体评估线路穿越区内一定埋深条件下线状工程岩爆的风险，尺度可达到数十至数百公里；而传统方法仅能评估数公里甚至数百米以内尺度的岩爆风险评估；

2、本发明方法可在勘察设计阶段确定高风险岩爆的一般埋深，从而在尽量绕避地表地质灾害的前提下，减少该埋深以上的隧道段落在尽可能的降低岩爆风险，辅助选线。

3、本发明方法特别适合于高等级山区铁路的早期勘察阶段和工程设置，保证了线路埋深、的合理性，最大限度的帮助合理确定绕避地表地质灾害与预防地下灾害之间的关系和合理性，而传统方法是在线路确定的情况下开展工作，无法有效辅助选线。

4、本发明方法也可用于一般铁路、公路、引水隧洞的线路确定和工程设置。

附图说明

图1是一种线状工程勘察阶段岩爆风险评估方法的流程图；

图2是典型地应力K_H与埋深H函数关系模拟图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

1.一种勘察阶段线状工程岩爆风险评估方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1、利用沿线区域水压致裂法获取的最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h的实测数据，开展σ_H、σ_h与深度H之间的函数关系模拟；

开展σ_H、σ_h与深度H之间的函数关系模拟，模拟的具体流程为：

S1a1，获取同一构造单元内硬质岩地应力实测资料：开展工程区范围内少量硬质岩深孔水压致裂法地应力实测，或通过搜集水压致裂法(水利水电、铁路、公路隧道等)获取的区域(同一大地构造单元)地应力实测资料，建立实测地应力数据集，包括实测点不同埋深的最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h等实测数据，及测点所在的位置(经纬度或地名)、埋深、岩性、最大水平主应力方向等；

S1a2，通过回归模拟获取σ_H、σ_h随深度H变化的函数关系：按照水压致裂法基本原理，计算获得垂向应力σ_V(σ_V＝0.0265×H(式1))，其中H为各个测点深度(单位为m)。根据步骤S1a1中获取的岩性，筛选出硬质岩中数据，利用excel、origin或MATLAB等软件按照

的函数关系反演模拟，获取常数a_H、b_H、a_h、b_h具体数值；

S1a3，依据S1a2获取的a_H、b_H、a_h、b_h具体数值，计算获取σ_H、σ_h与H之间的关系，σ_H＝0.0265(a_H+b_H×H)、σ_h＝0.0265(a_h+b_h×H)；

S2、获取沿线典型硬质岩单轴饱和抗压强度平均值R_c(常数)：

S2a1，确定研究区主要岩石类型：若以某一种硬质岩类为主，即考虑该岩类平均抗压强度；若以某几类硬质岩为主，则考虑这几种岩类平均抗压强度的平均值。R_c有实测值时用实测值，无实测值时根据行业规范考虑常用参考值；

S2a2，在区域主要岩性不确定的情况下，按照R_c＝90Mpa进行计算；

S3、考虑圆形开挖断面，计算断面最大切向应力σ_θmax随深度H的变化的函数关系的具体步骤为：

S3a1，根据S1a1中的实测地应力角度，计算区域最大水平主应力平均值θ_H；

S3a2，考虑线路起点至终点角度θ_L，计算线路与最大水平主应力的夹角θ＝|θ_H-θ_L|，常数，单位°；

S3a3，计算垂直于线路方向的水平主应力分量

S3a4，考虑圆形开挖断面时，依据σ_Hh和σ_V，计算开挖阶段最大切向应力

S4、利用S2、S3步中获取的R_c和σ_θmax，使用Hoek判据这一国际、国内认可的岩爆评估方法，获取对工程区域内硬质岩岩爆系数L随深度H的变化关系。按照Hoek判据中岩爆风险等级划分的标准，确定高风险隧道的一般深度，指导选线，

其中，利用S2、S3步中获取的R_c和σ_θmax，使用Hoek判据这一国际、国内认可的岩爆评估方法，获取对工程区域内硬质岩岩爆系数L随深度H的变化关系，具体步骤为：

S4a1，根据公式

计算工程区域内硬质岩岩爆系数L随深度H的变化关系。

S4a2，按照Hoek判据中岩爆系数L与岩爆等级的划分方案(见下表)，确定不同埋深条件下风险等级及高风险岩爆(严重岩爆)的最低埋深H₄

实施例：

西部某复杂山区的铁路勘察设计项目中，某硬质岩段落以片麻岩、砂岩、大理岩为主，根据相关规范及工程经验，单轴饱和抗压强度平均值可直接按照R_c＝90Mpa考虑(参考S2a2)，该段落线路总体走向约为θ_L＝N65°W。测量的地应力参数包括：最大水平主应力方向约为θ_H＝N45°E，实测95m～715m埋深范围内的3个深孔共19个测点最大水平主应力范围σ_H＝5.41～17.17MPa(见附图2)、σ_h＝4.45～12.39MPa，计算的垂向应力范围为σ_V＝2.61～16.43MPa。据此，模拟获取当L＝0.7时，埋深约为1250m。也就是说埋深超过1250m的硬质岩段落就存在高风险岩爆的可能，埋深越大，风险相对来说也越高。因此，在选线和隧道设置时，应尽量降低1250m以上埋深隧道段落。

西部山区地下工程已有岩爆案例发生，如锦屏引水隧洞、拉林铁路巴玉隧道、桑珠岭隧道等。其中锦屏引水隧洞主要岩性为大理岩、砂岩、板岩、灰岩等，与所述某硬质岩段落岩性接近，情况较为接近。根据隧洞开挖情况，其发生强烈岩爆的主要段落桩号为4880～10600m，该段埋深约在1500至2525m(最大埋深)之间，其余段落相对较少(据张文东等，2014，岩石力学与工程学报)。显然，上述某隧道的计算结果显示1250m以上存在强烈岩爆的风险，埋深越大，风险越高，这一埋深与锦屏引水隧洞的1500m较为接近，说明本发明方法的可靠性，可用于勘察初期大范围选线、选址阶段的风险评估。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种线状工程勘察阶段岩爆风险评估方法，其特征在于：所述方法步骤为：

S1：利用沿线区域水压致裂法获取的最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h的实测数据，开展σ_H、σ_h与深度H之间的函数关系模拟；

S2：获取沿线典型硬质岩单轴饱和抗压强度平均值R_c，R_c为常数；

S3：考虑圆形开挖断面，计算断面最大切向应力σ_θmax随深度H的变化的函数关系；

S4：利用S2、S3步中获取的R_c和σ_θmax，使用Hoek判据岩爆评估方法，获取对工程区域内硬质岩岩爆系数L随深度H的变化关系，按照Hoek判据中岩爆风险等级划分的标准，确定高风险隧道的一般深度，指导选线。

2.根据权利要求1所述的一种线状工程勘察阶段岩爆风险评估方法，其特征在于：所述步骤S1中函数关系模拟具体方法为：

S1-1：获取同一构造单元内硬质岩地应力实测资料：开展工程区范围内硬质岩深孔水压致裂法地应力实测，或通过搜集水压致裂法获取的区域地应力实测资料，建立实测地应力数据集，其中包括实测点不同埋深的最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h的实测数据，及测点所在的位置、埋深、岩性、最大水平主应力方向。

S1-2：通过回归模拟获取σ_H、σ_h随深度H变化的函数关系：按照水压致裂法基本原理，计算获得垂向应力σ_V(σ_V＝0.0265×H(式1))，其中H为各个测点深度(单位为m)，根据步骤S1-1中获取的岩性，筛选出硬质岩中数据，利用excel、origin或MATLAB等软件按照

的函数关系反演模拟，获取常数a_H、b_H、a_h、b_h具体数值；

S1-3：依据获取的a_H、b_H、a_h、b_h具体数值，计算获取σ_H、σ_h与H之间的关系，σ_H＝0.0265(a_H+b_H×H)、σ_h＝0.0265(a_h+b_h×H)。

3.根据权利要求2所述的一种线状工程勘察阶段岩爆风险评估方法，其特征在于：所述步骤S2的具体流程为：

S2-1：确定研究区主要岩石类型：

若以某一种硬质岩类为主，即考虑该岩类平均抗压强度；若以某几类硬质岩为主，则考虑这几种岩类平均抗压强度的平均值；

R_c有实测值时用实测值，无实测值时根据行业规范考虑常用参考值；

S2-2：在区域主要岩性不确定的情况下，按照R_c＝90Mpa进行计算。

4.根据权利要求3所述的一种线状工程勘察阶段岩爆风险评估方法，其特征在于：所述步骤S3的具体方法步骤为：

S3-1，根据S1-1中的实测地应力角度，计算区域最大水平主应力平均值θ_H；

S3-2，考虑线路起点至终点角度θ_L，计算线路与最大水平主应力的夹角θ＝|θ_H-θ_L|，常数，单位°；

S3-3，计算垂直于线路方向的水平主应力分量

S3-4，考虑圆形开挖断面时，依据σ_Hh和σ_V，计算开挖阶段最大切向应力

5.根据权利要求4所述的一种线状工程勘察阶段岩爆风险评估方法，其特征在于：所述工程区域内硬质岩岩爆系数L随深度H的变化关系的具体步骤为：

S4-1，根据公式

计算工程区域内硬质岩岩爆系数L随深度H的变化关系。

S4-2，按照Hoek判据中岩爆系数L与岩爆等级的划分方案，(见下表)，确定不同埋深条件下风险等级及高风险岩爆(严重岩爆)的最低埋深H₄

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