CN116698579A - 一种基于三维地应力场和能量的岩爆风险评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于三维地应力场和能量的岩爆风险评估方法，涉及工程勘察设计技术领域。该方法首先获取工程区域三维六分量原始地应力场，计算工程开挖后围岩弹性应变能密度U；再取隧道地质勘察钻孔不同钻孔、不同岩性、不同深度的岩芯制作岩石试样，进行室内岩石单轴抗压强度试验和岩石劈裂实验，确定隧道工程区域岩爆倾向指数Wet和最大弹性应变能ES；最后根据隧道开挖后围岩的弹性应变能密度U、岩样最大弹性应变能ES和岩爆倾向指数Wet，判断隧道工程开挖后围岩是否可能发生岩爆，以及岩爆等级。该方法从三维地应力场反演和围岩弹性应变能出发，同时考虑围岩岩爆倾向性与极限储能能力，进行岩爆风险的评估。
Description
技术领域
本发明涉及工程勘察设计技术领域，尤其涉及一种基于三维地应力场和能量的岩爆风险评估方法。
背景技术
随着地下工程的建设不断向深部发展，地下工程施工建设过程中岩爆灾害也更加突出。岩爆风险评估工作的开展对地下工程的选线、工程轴线方向的确定、以及施工阶段岩爆监测和应急预案的制定等都具有重要的参考作用。可靠的岩爆风险评估可以降低地下工程施工过程中岩爆灾害的风险保证施工安全。
目前在深埋硬岩高地应力隧道设计中，主要采用仍然是强度应力比法对岩爆风险进行评估。如：以洞周最大切向应力为主要因素的Hoek判据、Russenes判据、Turchaninov判据和二郎山隧洞判据，在确定判据量值时需要评估洞周最大切向应力量值。而Barton判据、陶振宇判据和国标GB50218-94判据则仅以原岩应力场的最大主应力为特征参量。上述岩爆评估指标普遍是采用单个应力分量或两个应力分量与岩石强度建立联系，而没有从三维六分量应力场与围岩弹性应变能密度方面考虑，实际上深部地下工程围岩处于高围压状态，三个方向主应力对围岩能量的积聚均会产生重要影响；弹性变形能指数Wet、冲击性指数和脆性判据以岩石的力学性质为评判标准，无法反映隧道开挖过程影响。因此，考虑岩体本身岩爆倾向性与极限储能能力，利用三维地应力的能量判据评估岩爆风险结果往往更可靠。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于三维地应力场和能量的岩爆风险评估方法，基于三维地应力场反演计算工程开挖后围岩弹性应变能，同时考虑围岩岩爆倾向性与极限储能能力，实现岩爆风险的评估。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于三维地应力场和能量的岩爆风险评估方法，包括如下步骤：
步骤1：获取工程区域三维六分量原始地应力场；
步骤1-1：根据工程实际情况，在工程区域布置若干地应力测点，开展地应力测量工作，获得实测地应力数据；
步骤1-2：根据实测地应力数据，考虑工程区域地形地貌及地质构造，建立工程区域的三维数值计算模型，进行三维初始地应力场反演回归分析，获得工程区域原始地应力场数据；
步骤2：计算工程开挖后围岩弹性应变能密度U；
步骤2-1：对于完整、均匀、坚硬的岩体，开挖半径为a的圆形隧道，并以隧道轴线方向为Z轴建立空间直角坐标系，其二维平面状态下的扰动应力状态用弹性力学中的基尔希公式求解，具体计算公式如下：
式中，和/>分别为工程区域初始地应力场正应力应力分量，/>为工程区域初始地应力场剪应力应力分量，可根据地应力反演结果取值；σr和σθ分别为工程开挖后扰动应力场正应力应力分量；τrθ为工程开挖后扰动应力场剪应力应力分量；a为隧道半径；r为所求点位到隧道中心点距离；θ为绕隧道轴线方向Z轴旋转空间直角坐标系形成的夹角；
步骤2-2：绕隧道轴线方向Z轴旋转空间直角坐标系，使新旧坐标系之间夹角成θ度，根据弹性力学新旧坐标系下的应力转换关系，得到与Z轴方向相关的两个应力分量：
式中，和/>为初始地应力场剪应力应力分量，可根据地应力反演结果取值；τθz和τrz为工程开挖后扰动应力场剪应力应力分量；
新旧坐标系下的应力转换关系如下公式所示：
σ(r,θ,z)＝Qij×σ(x,y,z)×Qij T
式中，σ(r,θ,z)为柱坐标系下的应力分量矩阵；Qij为新旧坐标系应力变换矩阵；σ(x,y,z)为空间直角坐标系下的应力分量矩阵；
步骤2-3：计算隧道开挖后隧道轴线方向扰动应力；
设定在隧道Z轴方向沿隧道轴线没有开挖引起的变形，即：
式中，ν为围岩泊松比；Δεz为隧道z方向沿隧道轴线开挖引起的变形；Δσz为隧道开挖前后隧道轴线应力增量，如下公式所示：
式中，σx和σy为隧道开挖后的扰动应力分量；和/>为初始地应力场应力分量；
根据第一应力不变量σy+σx＝σr+σθ，则
最终得到隧道开挖后隧道轴线方向扰动应力σz，计算公式如下：
步骤2-4：计算隧洞开挖后围岩弹性应变能密度U；
隧洞开挖后围岩弹性应变能密度U如下公式所示：
式中，E为围岩弹性模量；
步骤3：取隧道地质勘察钻孔不同钻孔、不同岩性、不同深度的岩芯制作岩石试样，进行室内岩石单轴抗压强度试验和岩石劈裂实验，确定隧道工程区域岩爆倾向指数Wet和最大弹性应变能ES；
步骤3-1：岩爆倾向指数Wet是岩石试件在受力变形过程中，达到峰值强度以前积累的弹性应变能E2与卸载所得的耗损应变能E1之比，Wet＝E2/E1；
步骤3-2：岩样最大弹性应变能ES计算公式如下：
式中，ES为最大弹性应变能；Rb为岩样饱和单轴抗压峰值强度；
步骤4：根据隧道开挖后围岩的弹性应变能密度U、岩样最大弹性应变能ES和岩爆倾向指数Wet，判断隧道工程开挖后围岩是否可能发生岩爆，以及岩爆等级；
步骤4-1：通过室内岩石力学试验，确定岩爆倾向指数Wet，若岩爆倾向指数Wet≥2.0，则继续执行步骤4-2判断隧道开挖后围岩所积累围岩弹性应变能密度U能否触发岩爆；
步骤4-2：设定地质体强度指标GSI在60～75范围内时，围岩的最大弹性应变能与岩样的最大弹性应变能比值为k，则当U/ES>k时，隧道开挖后围岩弹性应变能密度U大于围岩储能能力，可能触发岩爆。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种基于三维地应力场和能量的岩爆风险评估方法，相较于现有技术，给出了基于三维地应力场反演计算工程开挖后围岩弹性应变能的计算理论公式，目前采用的指标普遍是采用单个应力分量或两个应力分量；目前的岩爆评估方法主要考虑实际地应力能否触发岩爆灾害，本发明方法先考虑围岩岩爆倾向判别岩石是否具有岩爆潜力，再根据围岩极限储能能力判别实际地应力能否触发岩爆；区别于一般强度应力比岩爆评估方法，本方法方法采用的是全应力分量并结合Hoek-Brown强度准则，将围岩储能能力与岩样储能能力建立联系，对于地应力场复杂的构造区域和河谷应力区域地下工程岩爆评估结果更准确。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于三维地应力场和能量的岩爆风险评估方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的该地下工程所在区域的三维数值计算模型图；
图3为本发明实施例提供的该工程原始地应力场反演结果最大主应力分布云图；
图4为本发明实施例提供的以隧道轴线方向为Z轴建立的空间直角坐标系示意图；
图5为本发明实施例提供的坐标变换新旧坐标系之间夹角成θ度的示意图；
图6为本发明实施例提供的该工程岩石饱和单轴压缩试验应力应变曲线图；
图7为本发明实施例提供的该工程现场左拱肩位置岩爆爆坑照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例以我国西南地区某圆形隧道为例，采用本发明的基于三维地应力场和能量的岩爆风险评估方法，对该圆形隧道的岩爆风险进行评估。该隧道工程地下埋深约400m，围岩主要为花岗岩，围岩弹性模量为E＝30GPa，泊松比为v＝0.25，隧洞直径为2a＝8m。
本实施例中，一种基于三维地应力场和能量的岩爆风险评估方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1：获取工程区域三维六分量原始地应力场；
步骤1-1：根据工程实际情况，在工程区域布置若干地应力测点，开展地应力测量工作，获得实测地应力数据；
步骤1-2：根据实测地应力数据，考虑工程区域地形地貌及地质构造，建立工程区域的三维数值计算模型，进行三维初始地应力场反演回归分析，获得工程区域原始地应力场数据；
本实施例中，建立该工程考虑地表和主要地质构造的三维数值计算模型，如图2所示。结合实测地应力数据开展三维地应力场反演分析，通过多元线性回归反演分析方法，获得该区域三维地应力场数据，如图3所示。
步骤2：计算工程开挖后围岩弹性应变能密度U；
步骤2-1：对于完整、均匀、坚硬的岩体，开挖半径为a的圆形隧道，并以隧道轴线方向为Z轴建立空间直角坐标系，隧道与坐标系之间的关系如图4所示，其二维平面状态下的扰动应力状态用弹性力学中的基尔希(G.Kirsch)公式求解，(本实施例中，隧道开挖前的初始地应力分量用应力分量符号加上角标“o”表示，开挖后的扰动应力分量正常表示)具体计算公式如下：
式中，和/>分别为工程区域初始地应力场正应力应力分量，/>为工程区域初始地应力场剪应力应力分量，可根据地应力反演结果取值；σr和σθ分别为工程开挖后扰动应力场正应力应力分量；τrθ为工程开挖后扰动应力场剪应力应力分量；a为隧道半径；r为所求点位到隧道中心点距离；θ为绕隧道轴线方向Z轴旋转空间直角坐标系形成的夹角；
步骤2-2：绕隧道轴线方向Z轴旋转空间直角坐标系，使新旧坐标系之间夹角成θ度，如图5所示，根据弹性力学新旧坐标系下的应力转换关系，得到与Z轴方向相关的两个应力分量：
式中，和/>为初始地应力场剪应力应力分量，可根据地应力反演结果取值；τθz和τrz为工程开挖后扰动应力场剪应力应力分量；
新旧坐标系下的应力转换关系如下公式所示：
σ(r,θ,z)＝Qij×σ(x,y,z)×Qij T
式中，σ(r,θ,z)为柱坐标系下的应力分量矩阵；Qij为新旧坐标系应力变换矩阵；σ(x,y,z)为空间直角坐标系下的应力分量矩阵；
步骤2-3：计算隧道开挖后隧道轴线方向(Z轴方向)扰动应力；
设定在隧道Z轴方向沿隧道轴线没有开挖引起的变形，即：
式中，ν为围岩泊松比；Δεz为隧道z方向沿隧道轴线开挖引起的变形；Δσz为隧道开挖前后隧道轴线(Z轴方向)应力增量，如下公式所示：
式中，σx和σy为隧道开挖后的扰动应力分量；和/>为初始地应力场应力分量；
根据第一应力不变量σy+σx＝σr+σθ，则
最终得到隧道开挖后隧道轴线方向(z方向)扰动应力σz，计算公式如下：
则隧道开挖后围岩任意一点的扰动应力(即三维六分量应力)如下公式所示：
式中，和/>为初始地应力场三维六分量应力，可根据地应力反演结果取值；σr、σθ、σz、τrθ、τθz和τrz为开挖后扰动应力场三维六分量应力；
步骤2-4：计算隧洞开挖后围岩弹性应变能密度U；
隧洞开挖后围岩弹性应变能密度U如下公式所示：
式中，E为围岩弹性模量；
本实施例中，根据反演所得断面初始地应力场三维六分量应力张量，利用上述步骤2-4隧道开挖后扰动应力场计算公式，得到隧道开挖后洞周最大应力为隧洞左拱肩洞壁位置，该位置扰动应力分量为：σr＝0.40MPa、σθ＝51.00MPa、σz＝22.36MPa、τrθ＝0.18MPa、τθz＝4.00MPa和τrz＝-0.82MPa，利用步骤2-5求得该位置围岩弹性应变能密度U＝44.58kJ/m3。
步骤3：取隧道地质勘察钻孔不同钻孔、不同岩性、不同深度的岩芯制作岩石试样，进行室内岩石单轴抗压强度试验和岩石劈裂实验，确定隧道工程区域岩爆倾向指数Wet和最大弹性应变能ES；
步骤3-1：岩爆倾向指数Wet是岩石试件在受力变形过程中，达到峰值强度以前积累的弹性应变能E2与卸载所得的耗损应变能E1之比，Wet＝E2/E1；在单轴压缩试验中先加载到0.7～0.8倍峰值强度，再卸载到0.05倍峰值强度时，卸载释放的弹性应变能E2与耗散的弹性应变能E1之比。当Wet≥2.0时候，隧道开挖后可能发生岩爆。
步骤3-2：岩样最大弹性应变能ES计算公式如下：
式中，ES为最大弹性应变能；Rb为岩样饱和单轴抗压峰值强度；
岩样存储最大弹性应变能ES与岩爆等级程度标准如下表：
表1岩爆程度标准表
本实施例中，取隧道地质勘察钻孔400m深度工程位置的岩芯制作岩石试样，开展室内岩石单轴压缩试验，获得应力应变曲线，如图6所示。测得该工程区域围岩饱和单轴抗压强度σc为140MPa，弹性模量为30GPa，爆倾向指数Wet≥2.0，隧道开挖后围岩具有岩爆潜力。
根据室内岩石压缩试验计算岩石极限弹性应变能，最大弹性应变能ES计算如下：
根据表1的岩样存储最大弹性应变能ES与岩爆倾向性强烈程度标准，该工程围岩可能被触发形成轻微岩爆。
步骤4：根据隧道开挖后围岩的弹性应变能密度U、岩样最大弹性应变能ES和岩爆倾向指数Wet，判断隧道工程开挖后围岩是否可能发生岩爆，以及岩爆等级；
步骤4-1：通过室内岩石力学试验，确定岩爆倾向指数Wet，若岩爆倾向指数Wet≥2.0，则继续执行步骤4-2判断隧道开挖后围岩所积累围岩弹性应变能密度U能否触发岩爆；
步骤4-2：设定地质体强度指标GSI在60～75(即Ⅱ、Ⅲ类围岩)范围内时，围岩的最大弹性应变能与岩样的最大弹性应变能比值为k，则当U/ES>k时，隧道开挖后围岩弹性应变能密度U大于围岩储能能力，可能触发岩爆。
根据相关学者统计岩爆主要发生在地质体强度指标GSI＝60～75(即Ⅱ、Ⅲ类围岩)范围内。由于地下工程围岩存在大量地质结构，岩体储能能力远小于岩块储能能力。参考Hoek-Brown强度准则在GSI＝60～75时，围岩的最大弹性应变能与岩样的最大弹性应变能比值k约为0.135(结合实际工程适当调整)。即当U/ES>k时，隧道开挖后围岩弹性应变能密度U大于围岩储能能力，可能触发岩爆。
本实施例中，该工程的地质体强度指标GSI＝70，外界因素对原位岩体的扰动程度D＝0.5，参考Hoek-Brown强度准则判别工程开挖后围岩储存的弹性应变能能否达到岩爆阈值。
因此，可以判定此工程该断面在开挖后可能产生轻微岩爆现象，隧道开挖后左拱肩位置发生轻微岩爆现象，现场照片如图7所示。
本实施例从三维地应力场反演和围岩弹性应变能出发，同时考虑围岩岩爆倾向性与极限储能能力，评估了该工程的岩爆风险程度，为地应力场复杂的构造区域和河谷应力区域地下工程岩爆风险评估提供了重要的依据和支撑。
最后应说明的是：以上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权利要求所限定的范围。
Claims (9)
1.一种基于三维地应力场和能量的岩爆风险评估方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：获取工程区域三维六分量原始地应力场；
步骤2：计算工程开挖后围岩弹性应变能密度U；
步骤3：取隧道地质勘察钻孔不同钻孔、不同岩性、不同深度的岩芯制作岩石试样，进行室内岩石单轴抗压强度试验和岩石劈裂实验，确定隧道工程区域岩爆倾向指数Wet和最大弹性应变能ES；
步骤4：根据隧道开挖后围岩的弹性应变能密度U、岩样最大弹性应变能ES和岩爆倾向指数Wet，判断隧道工程开挖后围岩是否可能发生岩爆，以及岩爆等级。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维地应力场和能量的岩爆风险评估方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：
步骤1-1：根据工程实际情况，在工程区域布置若干地应力测点，开展地应力测量工作，获得实测地应力数据；
步骤1-2：根据实测地应力数据，考虑工程区域地形地貌及地质构造，建立工程区域的三维数值计算模型，进行三维初始地应力场反演回归分析，获得工程区域原始地应力场数据。
3.根据权利要求2所述的一种基于三维地应力场和能量的岩爆风险评估方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：
步骤2-1：对于完整、均匀、坚硬的岩体，开挖半径为a的圆形隧道，并以隧道轴线方向为Z轴建立空间直角坐标系，其二维平面状态下的扰动应力状态用弹性力学中的基尔希公式求解；
步骤2-2：绕隧道轴线方向Z轴旋转空间直角坐标系，使新旧坐标系之间夹角成θ度，根据弹性力学新旧坐标系下的应力转换关系，得到与Z轴方向相关的两个应力分量；
步骤2-3：计算隧道开挖后隧道轴线方向扰动应力；
步骤2-4：计算隧道开挖后围岩弹性应变能密度U。
4.根据权利要求3所述的一种基于三维地应力场和能量的岩爆风险评估方法，其特征在于：所述步骤2-1使用弹性力学中的基尔希公式求解二维平面状态下的扰动应力状态的具体计算公式如下：
式中，和/>分别为工程区域初始地应力场正应力应力分量，/>为工程区域初始地应力场剪应力应力分量，可根据地应力反演结果取值；σr和σθ分别为工程开挖后扰动应力场正应力应力分量；τrθ为工程开挖后扰动应力场剪应力应力分量；a为隧道半径；r为所求点位到隧道中心点距离；θ为绕隧道轴线方向Z轴旋转空间直角坐标系形成的夹角。
5.根据权利要求4所述的一种基于三维地应力场和能量的岩爆风险评估方法，其特征在于：步骤2-2所述新旧坐标系下的应力转换关系如下公式所示：
σ(r,θ,z)＝Qij×σ(x,y,z)×Qij T
式中，σ(r,θ,z)为柱坐标系下的应力分量矩阵；Qij为新旧坐标系应力变换矩阵；σ(x,y,z)为空间直角坐标系下的应力分量矩阵；
得到与Z轴方向相关的两个应力分量如下公式所示：
式中，和/>为初始地应力场剪应力应力分量，可根据地应力反演结果取值；τθz和τrz为工程开挖后扰动应力场剪应力应力分量。
6.根据权利要求5所述的一种基于三维地应力场和能量的岩爆风险评估方法，其特征在于：所述步骤2-3的具体方法为：
设定在隧道Z轴方向沿隧道轴线没有开挖引起的变形，即：
式中，ν为围岩泊松比；Δεz为隧道z方向沿隧道轴线开挖引起的变形；Δσz为隧道开挖前后隧道轴线应力增量，如下公式所示：
式中，σx和σy为隧道开挖后的扰动应力分量；和/>为初始地应力场应力分量；
根据第一应力不变量σy+σx＝σr+σθ，则
最终得到隧道开挖后隧道轴线方向扰动应力σz，计算公式如下：
7.根据权利要求6所述的一种基于三维地应力场和能量的岩爆风险评估方法，其特征在于：步骤2-5所述隧道开挖后围岩弹性应变能密度U如下公式所示：
式中，E为围岩弹性模量。
8.根据权利要求7所述的一种基于三维地应力场和能量的岩爆风险评估方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：
步骤3-1：岩爆倾向指数Wet是岩石试件在受力变形过程中，达到峰值强度以前积累的弹性应变能E2与卸载所得的耗损应变能E1之比，Wet＝E2/E1；
步骤3-2：岩样最大弹性应变能ES计算公式如下：
式中，ES为最大弹性应变能；Rb为岩样饱和单轴抗压峰值强度。
9.根据权利要求8所述的一种基于三维地应力场和能量的岩爆风险评估方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：
步骤4-1：通过室内岩石力学试验，确定岩爆倾向指数Wet，若岩爆倾向指数Wet≥2.0，则继续执行步骤4-2判断隧道开挖后围岩所积累围岩弹性应变能密度U能否触发岩爆；
步骤4-2：设定地质体强度指标GSI在60～75范围内时，围岩的最大弹性应变能与岩样的最大弹性应变能比值为k，则当U/ES>k时，隧道开挖后围岩弹性应变能密度U大于围岩储能能力，可能触发岩爆。
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| CN117195594B (zh) * | 2023-11-06 | 2024-01-30 | 中国矿业大学(北京) | 隧道岩爆等级评估方法、装置、电子设备及存储介质 |
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