CN114943149A - 一种隧道内岩爆损伤岩体体积的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道内岩爆损伤岩体体积的计算方法，包括建立三维坐标系和初始速度模型，布设观测系统，微震观测前期进行噪声采集与分析，微震事件定位及震源参数解析，微震事件聚簇分析和事件簇的体积计算。本发明填补了计算岩爆引起岩体损伤体积计算的空白，可使岩爆的预报由定性转为定量预报，同时对于现场施工的风险评估以及后续工程的应对方案也有着极强的指导作用。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种隧道内岩爆损伤岩体体积的计算方法。
背景技术
随着我国经济的高速发展，地球表层的资源已经难以满足目前的发展需求。人们开始向地球深部寻求所必须的资源，除了常用的能源、矿产外，大量的地下空间也逐步成为开发利用的对象，地下洞室工程也越来越多，越建越大，越建约深。同时，诸如水利水电、引水隧道、各类矿山、交通隧道等大量基础建设工程也日渐呈现出“长、大、深”的特点。
随着埋深增加和地应力的增大，围岩的地质环境变的更为复杂，以岩爆为代表的地质灾害将会更加突出。岩爆是在高应力条件下，受开挖或其他扰动诱发的岩体中聚积高弹性应变势能的突然释放，具体表现形式为围岩的爆裂、弹射等动力现象。这种岩块弹射的现象在煤田或其他矿山中又被称为冲击地压、矿震等。岩爆分布范围较为广泛，不仅发生于硬脆性岩体中，在软弱围岩中也存在岩爆风险。岩爆的突发性和极强的破坏性，严重威胁施工人员和设备财产的安全。岩爆不但会造成超挖、初期支护失效、工期延后，还可能诱发地震，甚至摧毁整个隧道或矿坑，造成严重的经济损失，甚至人员伤亡。因此，如何能够准确预报岩爆成为工程领域中亟待解决的问题。
岩石在卸去载荷的过程中，应力场随之调整，积聚的应力或能量超过岩石所承受的临界值时，将以局部形变的方式释放，其表现形式为内部损伤或破裂。实验室内可以用声发射技术来对岩石内部的损伤进行定位，而在较大尺度的施工现场，可以借助微震监测进行记录。微震监测可以实时获取上述过程中微震事件即岩体内部损伤发生的时间、空间位置和释放能量等信息。研究人员利用上述信息或以上信息的衍生信息实现了岩爆的预报，但当前的岩爆预报仅能给出岩爆等级的大小，并不能对岩爆崩落岩体的体积进行估算。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种隧道内岩爆损伤岩体体积的计算方法，提高了岩爆预报的准确度，丰富了岩爆预报的信息。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种隧道内岩爆损伤岩体体积的计算方法，包括以下步骤：
(1)建立三维坐标系和初始速度模型：依据现场施工设计建立现场三维坐标系，同时利用声波测井仪进行现场波速测定或采用现场采样实验室测试的手段获取围岩波速信息，构建区域初始速度模型；
(2)布设观测系统：在隧道内布设N个震动传感器作为观测系统，且震动传感器个数不少于6个，并依次记作1，2，3，……i，……N号震动传感器，根据已有的坐标系标注震动传感器的三维坐标；
(3)微震观测前期进行噪声采集与分析：完成观测系统布设后，在隧道内进行背景噪声观测；
隧道内背景噪声具有明显的周期性，掘进施工期间会有大量人员、机械活动，整体噪声水平较高，而在维保休息期间人员、机械活动仅有零星活动，整体噪声水平较低。同时，长期的噪声观测将有助于后续的信号处理分析。通过现场记录可以对不同的噪声进行标定，根据其不同的信号特征对其进行区分，可以指导微震事件，特别是弱微震事件的识别或降噪工作；
(4)微震事件定位及震源参数解析：通过微震监测系统，将记录到的事件波形进行去噪处理并对识别到的事件进行解析后获得事件的时间、位置以及释放能量大小信息；
(5)微震事件聚簇分析：将已知的事件信息投影在隧道施工的三维坐标系下，对不同的事件进行两两相连并计算两点之间的距离，即键长，设置设计数值的键长后，断开大于该键长的事件连线，余下相连接的事件将聚集成簇，进行聚簇分析；
(6)事件簇的体积计算：对事件簇计算其包络和包含体积，该体积为岩爆损伤岩体体积。
优选的，步骤(1)中所述初始速度模型是依据地勘资料或现场围岩速度测试方法获取的围岩横纵波速度。
优选的，步骤(2)中所述震动传感器的布设呈非线性或面状。可提高观测结果的准确性。
优选的，步骤(3)中所述背景噪声观测不少于1天，且在隧道内设有时间台账。
优选的，步骤(6)中所述岩爆损伤岩体体积的计算方法为：对该簇在X、Y、Z三个方向进行网格化；在不同的Z方向进行切片并计算该切片在XY面上的投影面积；最后沿Z轴进行投影面积的积分即为该簇的体积。
本发明的有益效果是：
本发明能够根据微震事件的分布计算岩爆损伤岩体体积，有助于工作人员对现场岩爆风险进行评估，使设计人员选择更合适的支护方式；通过本发明的实施，可以突破目前的岩爆预测瓶颈，实现岩爆破坏岩体体积预测的定量化。
本发明填补了计算岩爆引起岩体损伤体积计算的空白，可使岩爆的预报由定性转为定量预报，同时对于现场施工的风险评估以及后续工程的应对方案也有着极强的指导作用。
附图说明
图1为隧道内震动传感器布设示意图；
图2为聚簇分析示意图；
图3为一岩体损伤体积示意图。
图中：1.掌子面、2.监测断面、3.震动传感器、4.微震事件、5.微震事件簇。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
一种隧道内岩爆损伤岩体体积的计算方法，包括：
(1)建立三维坐标系和初始速度模型：根据现场施工图纸建立施工现场的三维坐标系，查阅地勘记录中岩石的波速信息同时利用声波测井仪或现场采样实验室测定的方法对围岩波速进行校正，以此构建区域初始速度模型。
(2)布设观测系统：在隧道内从掌子面1开始依次设有多个监测断面2，在监测断面2上共布设12个震动传感器3(检波器)，如图1，并依次记作第1，2，3……12号检波器，。在已有的坐标系下分别记录检波器的三维坐标。该观测系统为立体式。
(3)微震观测前期进行噪声采集与分析：完成观测系统布设后，先要在隧道内进行1天的背景噪声采集。在该案例中隧道内的噪声具有明显的周期性，掘进施工期间的噪声水平约为停工休息期间的5倍。施工期间，人员活动和机械活动频繁，同时破岩过程机械与围岩相互作用又会产生较高水平的噪声。不同的噪声源具有不同的特性，噪声监测可以帮助我们更好的识别弱的微震信号。
(4)微震事件定位及震源参数解析：利用微震监测系统，将记录到的事件波形进行去噪处理并对识别到的事件进行解析，随后获得一周内微震事件4的空间分布，如表1所示。
(5)微震事件聚簇分析：将已知的震源信息投影在隧道三维坐标系下，图2所示，针对不同的事件进行两两相连并计算其距离，该距离即为键长。选择3米的键长作为微震事件簇5并进行聚簇分析。首先选取任意两个键长小于3米的事件作为一组，再分别计算两事件与周围事件的距离，凡是与这两事件距离小于3米的微震事件4，都可以划分到该组。重复以上过程，直到周围没有键长满足约束条件的新事件。再余下的事件中重复上述分组过程，直到没有新组成立。
(6)事件簇的体积计算：针对不同的簇计算其包络和包含体积，以最大簇为例，如图3所示。首先计算其包络，其包络体积即为岩爆损伤岩体体积。对包络体在X、Y、Z三个方向进行网格化；在不同的Z方向进行切片并计算该切片在XY面上的投影面积；最后沿Z轴进行投影面积的积分即为该簇的体积43.411m3。
表1：事件空间分布
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种隧道内岩爆损伤岩体体积的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）建立三维坐标系和初始速度模型：依据现场施工设计建立现场三维坐标系，同时利用声波测井仪进行现场波速测定或采用现场采样实验室测试的手段获取围岩波速信息，构建区域初始速度模型；
（2）布设观测系统：在隧道内布设N个震动传感器作为观测系统，且震动传感器个数不少于6个，并依次记作1，2，3，……i，……N号震动传感器，根据已有的坐标系标注震动传感器的三维坐标；
（3）微震观测前期进行噪声采集与分析：完成观测系统布设后，在隧道内进行背景噪声观测；
（4）微震事件定位及震源参数解析：通过微震监测系统，将记录到的事件波形进行去噪处理并对识别到的事件进行解析后获得事件的时间、位置以及释放能量大小信息；
（5）微震事件聚簇分析：将已知的事件信息投影在隧道施工的三维坐标系下，对不同的事件进行两两相连并计算两点之间的距离，即键长，设置设计数值的键长后，断开大于该键长的事件连线，余下相连接的事件将聚集成簇，进行聚簇分析；
（6）事件簇的体积计算：对事件簇计算其包络和包含体积，该体积为岩爆损伤岩体体积。
2.根据权利要求1所述的隧道内岩爆损伤岩体体积的计算方法，其特征在于，步骤（1）中所述初始速度模型是依据地勘资料或现场围岩速度测试方法获取的围岩横纵波速度。
3.根据权利要求1所述的隧道内岩爆损伤岩体体积的计算方法，其特征在于，步骤（2）中所述震动传感器的布设呈非线性或面状。
4.根据权利要求1所述的隧道内岩爆损伤岩体体积的计算方法，其特征在于，步骤（3）中所述背景噪声观测不少于1天，且在隧道内设有时间台账。
5.根据权利要求1所述的隧道内岩爆损伤岩体体积的计算方法，其特征在于，步骤（6）中所述岩爆损伤岩体体积的计算方法为：对该簇在X、Y、Z三个方向进行网格化；在不同的Z方向进行切片并计算该切片在XY面上的投影面积；最后沿Z轴进行投影面积的积分即为该簇的体积。
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|---|---|---|---|---|
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