CN118036365A - 一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，涉及隧道与地下工程技术领域，鉴于块体离散元数值方法在模拟连续－非连续变形和动力破坏上具备的独特优势，同时基于岩石能量与其全应力－应变的关系，通过对深埋隧道开挖卸荷后围岩应力调整过程应力、应变的量化，研究累积应变能在应力调整过程中的定量运移－转化－分配－释放规律，预测深埋隧道施工过程中岩爆发生的破坏情况与烈度等级，以期为后续隧道与地下工程岩爆灾害数值仿真方法开发、岩爆倾向性分析以及防控措施效果评估提供研究基础。

Description

一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法

技术领域

本发明涉及隧道与地下工程技术领域，尤其涉及一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法。

背景技术

隧道与地下工程在开挖卸荷后围岩内部将发生应力重分布与能量集中现象，引起围岩力学性质产生显著变化而致使岩体破裂与能量释放，诱发不同烈度等级的岩爆工程围岩岩爆灾害实质上是应变能瞬态释放所导致的一种动力破坏失稳现象，围岩中应变能的积聚、运移与释放是岩爆发生的必要条件；因此基于能量理论可较好地解释岩爆动力源问题，对于进一步深化研究和揭示岩爆灾变过程的破坏机理至关重要。

目前针对深埋隧道岩爆灾变过程的应变能量化缺乏有效的数值仿真计算方法与非连续介质动力学理论，以往研究多采用基于连续介质力学的数值分析方法定性模拟能量运移－转化－分配－释放过程多局限于静力学范畴，忽略了深埋隧道开挖过程对应变能积聚、传递、转换与释放的全应力状态研究；此外，也未能充分考虑深埋隧道开挖过程中地应力强卸荷对岩爆动力破坏过程的影响，难以有效解决岩灾害爆由静态孕育过程到动态失稳破坏的不足。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的主要目的在于提供一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，基于岩石能量与全应力－应变的关系，通过对深埋隧道开挖卸荷后围岩应力调整过程应力与应变的实时监测，研究累积应变能在全应力状态下的运移－转化－分配－释放规律，定量预测深埋隧道施工过程中岩爆发生的破坏情况与烈度等级。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案，

本发明为实现上述目的所采用的技术方案如下：基于三维块体离散元-多晶建模系统耦合数值仿真平台，构建深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型，按照深埋隧道围岩物理力学测试结果折算选取模型材料参数，定义能描述深埋硬岩力学行为且全面考虑岩石张拉和剪切破坏模式的三维破坏准则，规定沿模型边界区域的约束或控制条件及初始条件，继而进行地应力的初始平衡计算(模拟开挖扰动前的原岩应力状态)，随后模拟深埋隧道施工过程中的开挖卸荷工序，实时监测开挖卸荷作用下围岩的位移、应力与速度等多元信息，为揭示深埋隧道围岩应变能运移－转化－分配－释放规律提供数据支撑，继而基于岩爆能量判别指标，定量预测深埋隧道施工过程中岩爆地质灾害的发生情况与烈度等级。包括以下步骤：

步骤1：建立基于工程实际问题的三维多晶离散元模型；

步骤2：选择合适的三维破坏准则与模型材料力学参数；

步骤3：设置沿模型边界的约束或控制条件及初始条件；

步骤4：模拟工程现场未受到扰动前的初始应力平衡状态；

步骤5：揭示工程开挖扰动作用下围岩多元信息响应特征；

步骤6：研究围岩弹性应变能的运移－转化－分配－释放规律；

步骤7：预测深埋隧道施工过程中岩爆发生的情况与等级。

在步骤1中，为保证数值模拟结果的真实可靠，能够真实反映围岩的受力情况，依据圣维南原理和隧道开挖的影响范围，以及消除模拟计算所产生的边界效应，并将半无限理论、三维块体离散元理论和多晶建模系统进行耦合，建立的深埋隧道岩爆灾害情景推演模型左右边界取隧道总跨度的3～5倍、上下边界取隧道总高度的2倍以上，再对三维多晶离散元模型进行不同网格单元密度划分(随机离散裂隙网格)，合理求解精度下的极限纵横比应控制在1:5以内，以达到精确仿真工程岩爆现象的目的。

在步骤2中，数值计算模型的本构关系采用本发明所提出的能够描述深埋硬岩力学行为且全面考虑岩石张拉和剪切破坏模式的三维破坏准则(即：拉伸裂纹沿着最大主应变的方向扩展，当主应变ε达到临界值时，拉伸裂纹开始扩展；剪切裂纹沿着最危险应力状态方向扩展，当滑动面上的应力状态超过SMP破坏线时，剪切裂纹开始扩展)。在数值计算时，模型中的多面体与虚拟接触面被赋予相应的材料属性，并对岩石岩性作以下基本假设：岩石为均质、各向同性的连续体，符合弹塑性强度准则，材料参数满足弹塑性本构模型关系。所需的基本材料属性如下：密度、体积模量、剪切模量、内摩擦角、黏聚力、抗拉强度、法向刚度、切向刚度、接触面摩擦角等。

此外，体积模量K、剪切模量G与弹性模量E、泊松比v之间的关系为：

在步骤3中，力学边界条件通常采用BOUNDARY命令，使得力或应力可施加于任意边界或部分边界，该命令通常用来指定外力、应力、速度、位移等边界条件。初始边界条件能指定所有单元区域应力，命令INSITU用于初始应力的指定，采用该命令赋值初始应力时可施加应力梯度以加快模型的初始平衡收敛。

在步骤4中，初始应力平衡状态计算可采用SOLVE、STEP或CYCLE命令进行。使用STEP命令时，需指定进行计算的时序步以实现模型平衡，一般可直接使用SOLVE命令使得计算模型达到平衡，当每一个多面体重心处的节点力或网格点上节点力矢量为零或小于1e-5时，认为模型达到平衡状态。当STEP命令运行后，最大节点力矢量(即最大不平衡力)可由三维块体离散元平台进行追踪监测并在屏幕上显示，通过此种方式来评估计算模型是否达到初始平衡状态。实际上，数值模拟分析最大不平衡力无法完全达到理论上的零值，一般认为最大不平衡力与模型分析初始所施加的力相比足够小时，即可认为模型处于平衡状态。例如，当最大不平衡力从最初的1MN降至100N左右，即最大不平衡力仅为初始不平衡力的0.01％，此时可认为模型达到力学平衡状态。

在步骤5中，对达到初始应力平衡状态的计算模型进行开挖工序，开挖完成后继续维持隧道计算模型的应力状态，绘制出工程开挖扰动作用下深埋隧道岩爆孕灾过程中应力、位移、速度等多元信息的三维数据可视化云图或曲面图，确定隧道围岩应力、应变集中区域，阐述岩爆灾变过程中应力场、变形场及破坏场(塑性区)等时空演化特征，揭示岩爆灾害致灾多元信息突变与致灾机理间的关联规律，为研究深埋隧道岩爆应变能的运移－转化－分配－释放规律提供支撑。

在步骤6中，依据能量与应力、应变的关系，采用式(2)进行计算隧道开挖后围岩应变能。

式中：σ₁,σ₂,σ₃分别为最大、中间与最小主应力；ε₁,ε₂,ε₃分别为最大、中间与最小主应变；E为弹性模量；ν为泊松比。

在数值计算中，利用程序语言开发模块，编写计算代码传输接口程序将式(2)准确嵌入到三维块体离散元数值仿真平台中；对深埋隧道开挖卸荷后围岩应力调整过程中各个时刻各个监测点的信息数据进行处理，得到任一时刻所有多面块体单元的应力、应变数值，计算出应变能数值U_e，并将其转化为三维数据可视化云图或曲面图，研究深埋隧道岩爆应变能的运移－转化－分配－释放全过程。

在步骤7中，建立基于全应力状态弹性应变能的岩爆判别指标。

①受压情况

岩体发生整体破坏时，在主应力σ_i(i＝1,2,3)方向，弹性应变能与能量释放率成正比，并依据最小压应力差分配弹性应变能，假设能量释放率的表达式为：

G_i＝K(σ₁-σ_i)U_e (3)

式中：G_i为能量释放率，i＝1,2,3；K为材料常数。

由式(3)可知，最大能量释放率发生在最小压应力σ₃方向，即：

G₃＝K(σ₁-σ₃)U_e (4)

进一步分析可知，岩体发生岩爆的能量释放率满足：

G₃＝K(σ₁-σ₃)U_e≥G_c (5)

式中：G_c为岩体在受压状态时岩爆临界应变能释放率，为材料常数，可由室内岩石力学试验确定，令σ₁＝σ_c,σ₂＝σ₃＝0，代入式(5)，并联立式(2)可得：

联立式(5)和式(6)并消去K，得到岩体三向受压时整体破坏准则：

令U₀＝U_e，可得岩石在受压状态时的极限储能值U₀为：

②受拉情况

岩体发生整体破坏时，在主应力σ_i方向的弹性应变能与能量释放率成正比，考虑到任何大小的拉应力都可能会对单元体的能量释放起着促进的作用，故而此时弹性应变能不再按照最小压应力差进行分配，而是依据主应力值的大小来分配弹性应变能，假设能量释放率G_i的表达式为：

G_i＝Kσ_iU_e(i＝1,2,3) (9)

类比受压情况，由式(9)可知，最大能量释放率G_i发生在最主应力σ₃方向，即：

G₃＝Kσ₃U_e (10)

岩体发生岩爆的能量释放率满足：

G₃＝Kσ₃U_e≥G_t (11)

式中：G_t为岩体在受拉状态时岩爆临界应变能释放率，为材料常数，可由室内岩石力学试验确定，令σ₃＝σ_t,σ₁＝σ₂＝0，代入式(11)，联立式(2)可得：

联立式(11)和式(12)并消去K，得到岩体三向受拉时整体破坏准则：

令U₀＝U_e，可得岩石在受拉状态时的极限储能值U₀为：

综上所述，岩爆能量判别指标F_e的表达式为：

为了量化F_e对岩爆倾向性的影响，且便于实际应用，参考已有岩爆判别指标—总能量U与岩石极限储能U₀的比值，见式(16)。

进一步结合前期试验结果，得到岩石在真三轴试验下的弹性应变能U_e与总能量U之比为56.97％，继而得到F_e的界限指标取0.17、0.23和0.40。因此，基于全应力状态弹性应变能的岩爆判别指标F_e的烈度分级如下：

与现有技术相比较，本发明的有益效果为：提供了一种基于全应力状态弹性应变能的深埋隧道岩爆灾害过程数值计算方法，采用三维多晶离散元模型能够准确再现深埋隧道围岩弹射剥落(灾害可视化)与能量释放实时演化、岩爆发展与形成全过程，并通过对计算模型任一时刻所有多面块体单元的应力、应变数值进行监测以计算应变能，避免了单纯使用应力和应变作为岩爆判别指标的片面性，且更为重要的是全面考虑了围岩单元体受力的各种状态；同时该方法具有完备的力学理论基础，计算精度高于借助数字图像处理技术提取相关变量而确定应变能的方法。

附图说明

图1为本发明三维多晶离散元模型及隧道断面尺寸(单位：mm)；

图2为本发明模型边界条件与尺寸(单位：mm)；

图3为本发明多元信息数据监测点与测线布置，其中图3(a)为监测点位置，图3(b)为隧道测线布置；

图4为本发明初始的应力场云图(单位：Pa)，其中图4(a)为竖向应力云图，图4(b)为水平应力云图；

图5为本发明隧道拱顶与拱底位移变化曲线；

图6为本发明隧道两帮位移变化曲线；

图7为本发明隧道拱肩竖向位移曲线；

图8为本发明隧道边墙水平位移曲线；

图9为本发明围岩竖向与水平位移等值线云图(单位：m)，其中图9(a)为竖向位移等值线云图，图9(b)为水平位移等值线云图；

图10为本发明隧道拱顶与拱底应力变化曲线；

图11为本发明隧道两帮应力变化曲线；

图12为本发明隧道拱肩竖向应力曲线；

图13为本发明隧道边墙水平应力曲线；

图14为本发明围岩竖向与水平应力等值线云图(单位：Pa)，其中图14(a)为竖向应力等值线云图，图14(b)为水平应力等值线云图；

图15为本发明隧道围岩应变能分布特征(单位：kJ/m³)；

图16为本发明隧道拱肩与边墙监测点应变能变化曲线，其中图16(a)为隧道拱肩监测点应变能变化曲线，图16(b)为隧道边墙监测点应变能变化曲线；

图17为本发明隧道围岩岩爆能量判别指标分布特征；

图18为本发明隧道围岩岩爆块体弹射特征；

图19为本发明的框架结构示意图；

图20为本发明的流程结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1：

参阅图1-20，一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，包括以下步骤：

采集现场围岩地质相关数据，构建深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型；

根据所述深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型模拟开挖工序，获取开挖卸荷作用下围岩的位移、应力与速度的多元信息响应特征，得到开挖卸荷作用下关于围岩的数据库，并作为组寻找深埋隧道围岩应变能的运移－转化－分配－释放规律的数据库；

从数据库中获取全应力状态下的弹性应变能，根据弹性应变能确定岩爆能量等级；基于岩爆能量等级，建立岩爆判别指标，根据岩爆判别指标预测深埋隧道施工过程中岩爆发生的情况与等级。

其中，更为具体的是构建深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型的左右边界取隧道总跨度的3～5倍、上下边界取隧道总高度的2倍以上；并且对所述深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型进行不同网格单元密度划分，所述网格单元的极限纵横比应控制在1:5以内。

其中对于深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型进一步细化，还包括：

根据所述深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型，选择合适的三维破坏准则与所述深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型的材料力学参数；

设置沿深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型边界的初始条件及约束条件；

所述深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型模拟工程现场未受到扰动前的初始应力平衡状态。

其中，初始应力平衡状态为所述深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型中的每一个多面体重心处的节点力或网格点上节点力矢量为零或小于1e-5时。

具体的，开挖卸荷作用下围岩的位移、应力与速度的多元信息的三维数据可视化为云图或曲面图，确定隧道围岩应力、应变集中区域，得到岩爆灾变过程中应力场、变形场及破坏场时空演化特征，进一步得到岩爆灾害致灾多元信息突变与致灾机理间的关联规律。

对于，深埋隧道围岩应变能的运移－转化－分配－释放规律通过计算得到隧道开挖后围岩应变能，计算公式如下：

其中，σ₁,σ₂,σ₃分别为最大、中间与最小主应力；ε₁,ε₂,ε₃分别为最大、中间与最小主应变；E为弹性模量；ν为泊松比。

其中，建立岩爆判别指标，包括以下步骤：

岩体发生整体破坏时，在主应力σ_i(i＝1,2,3)方向，弹性应变能与能量释放率成正比，并依据最小压应力差分配弹性应变能，假设能量释放率的表达式为：

G_i＝K(σ₁-σ_i)U_e (3)

其中：G_i为能量释放率，i＝1,2,3；K为材料常数。

由式(3)可知，最大能量释放率发生在最小压应力σ₃方向，即：

G₃＝K(σ₁-σ₃)U_e (4)

当岩体发生岩爆的能量释放率满足：

G₃＝K(σ₁-σ₃)U_e≥G_c (5)

其中：G_c为岩体在受压状态时岩爆临界应变能释放率，为材料常数，通过室内岩石力学试验确定，令σ₁＝σ_c,σ₂＝σ₃＝0，代入式(5)，并联立式(2)可得：

联立式(5)和式(6)并消去K，得到岩体三向受压时整体破坏准则：

令U₀＝U_e，得到岩石在受压状态时的极限储能值U₀为：

岩体发生整体破坏时，在主应力σ_i方向的弹性应变能与能量释放率成正比，任何大小的拉应力会对单元体的能量释放起着促进的作用，此时，根据主应力值的大小来分配弹性应变能，假设能量释放率G_i的表达式为：

G_i＝Kσ_iU_e(i＝1,2,3) (9)

类比受压情况，由式(9)可知，最大能量释放率G_i发生在最主应力σ₃方向，即：

G₃＝Kσ₃U_e (10)

岩体发生岩爆的能量释放率满足：

G₃＝Kσ₃U_e≥G_t (11)

其中：G_t为岩体在受拉状态时岩爆临界应变能释放率，为材料常数，通过室内岩石力学试验确定，令σ₃＝σ_t,σ₁＝σ₂＝0，代入式(11)，联立式(2)可得：

联立式(11)和式(12)并消去K，得到岩体三向受拉时整体破坏准则：

令U₀＝U_e，可得岩石在受拉状态时的极限储能值U₀为：

综上所述，岩爆能量判别指标F_e的表达式为：

为了量化F_e对岩爆倾向性的影响，参考已有岩爆判别指标—总能量U与岩石极限储能U₀的比值，见式(16)。

进一步结合前期试验结果，得到岩石在真三轴试验下的弹性应变能U_e与总能量U之比为56.97％，得到F_e的界限指标取0.17、0.23和0.40；因此，基于全应力状态弹性应变能的岩爆判别指标F_e的烈度分级如下：

实施例2

参阅图1-20，基于实施例1的基础上，一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，是基于全应力状态弹性应变能所设计，具体包括以下步骤：

步骤1：建立基于工程实际问题的三维多晶离散元模型

步骤1-1：以我国西南地区某深埋隧道典型岩爆灾害为例，基于三维块体离散元-多晶建模系统耦合模拟技术，同时充分考虑现场围岩地质条件，构建深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型横向长80m、竖向高60m、纵向宽20m，即左右边界为6.2倍左右隧道总跨度、上下边界为6.6倍左右隧道总高度(参见附图1)。

步骤2：选择合适的三维破坏准则与模型材料力学参数

步骤2-1：三维多晶离散元模型的本构关系采用最大拉应变准则和SMP准则，以判别多面体接触面的拉伸和剪切破坏(见式(3))。

式中：F_t为拉伸破坏判别因子，F_t＞0时，岩体将会发生拉伸破坏；F_s为剪切破坏判别因子，F_s＞0时，岩体将会发生剪切破坏；ε_t为临界线应变；σ₀为“黏聚应力”参数，其表达式为/>其中c为黏聚力、/>为摩擦角；C为SMP准则中的材料常数。

步骤2-2：在数值计算中，采用自定义本构关系模块编译相应的数值计算代码程序，将式(3)准确嵌入到三维多晶离散元模型中。

步骤2-3：围岩块体与虚拟接触面的物理力学参数根据室内试验测试结果折算选取，具体见表1和表2。

表1围岩块体力学参数

表2虚拟接触面力学参数

步骤3：设置沿模型边界的约束或控制条件及初始条件

步骤3-1：三维多晶离散元模型的上边界为应力约束边界条件，下边界、前后和左右边界均为位移约束边界条件(参见附图2)。

步骤3-2：三维多晶离散元模型的初始地应力条件参照现场地应力测试及反演结果，三个方向的初始应力状态为σ₁/σ₂/σ₃＝74.58/54.96/39.51MPa。

步骤3-3：在数值模拟过程中，对所有多面块体单元的变化过程进行实时监测，以此获得深埋隧道岩爆孕灾过程中应力、位移、速度、能量等多元信息的基础数据(参见附图3)。

步骤4：模拟工程现场未受到扰动前的初始应力平衡状态

步骤4-1：为保证模拟计算结果的精确性，在隧道开挖计算之前，首先进行地应力平衡计算，在这一过程中会产生初始位移。

步骤4-2：在隧道开挖后把初始位移清零，保证在之后计算过程中隧道所产生的位移是由开挖卸荷所引起，以上称为地应力的初始平衡。初始地应力场所形成的应力云图(参见附图4)。

步骤5：揭示工程开挖扰动作用下围岩多元信息响应特征

步骤5-1：围岩位移场演化特征分析

说明：拱顶变形量为负代表下沉，拱底变形量为正代表隆起。隧道左帮位移量为正代表围岩向隧道右侧产生位移，隧道右帮位移量为负代表围岩向隧道左侧产生位移。拱肩变形量为负代表下沉。隧道左边墙位移量为正代表围岩向隧道右侧产生变形，隧道右边墙位移量为负代表围岩向隧道左侧产生变形。

由附图5～9分析可知，(1)深埋隧道在开挖卸荷效应影响下，瞬间发生的强卸荷导致围岩破裂，使得能量突然释放，进而诱发岩爆。(2)隧道两帮位移曲线基本呈现对称分布特征，距隧道中心距离越近围岩变形越大，由此表明隧道轮廓面边缘位置受开挖扰动效应最为显著。(3)隧道拱肩处各测点的竖向位移与边墙处各测点的水平位移都具有较好的对称性，总之，在高应力地区开挖隧道时，围岩产生的变形量较大，不利于隧道围岩稳定性，易引发岩爆等地质灾害。(4)隧道的竖向与水平位移主要发生在拱顶、拱底及边墙处。此外，隧道两侧径向变形由内向外发生移动，且两侧变形大致对称，并呈花瓣状分布。

步骤5-2：围岩应力场演化特征分析

说明：应力值为负表明隧道处于受压状态。由附图10～14分析可知，(1)隧道拱顶与拱底的应力值随至隧道中心距离的增加而逐渐减小，并逐渐趋于原岩应力，隧道拱底的应力作用范围略大于隧道拱顶。(2)隧道围岩左右两侧的应力曲线大致呈对称分布，两侧水平应力对隧道影响较大的范围大致距离隧道中线左右两侧16m处，由此表明隧道轮廓面边缘位置易引起高应力集中和能量积聚，故发生岩爆的可能性较大。(3)在开挖卸荷影响下，隧道围岩应力会发生分异，即切向应力增大、径向应力降低，使得表层或浅层围岩将可能发生岩爆现象。隧道开挖卸荷后，易在隧道典型部位处产生高应力集中与能量积聚，促使裂纹快速发展与贯通，导致积聚的能量骤然释放，诱发岩爆。(4)围岩应力状态的变化是围岩产生变形和失稳的根本原因，同时地下工程在开挖形成隧道空间过程中，岩体赋存的空间环境和初始应力状态发生了改变，导致应力重新分布与应力集中以及围岩内积累大量弹性变性能，为岩爆的发生提供了空间条件和动力条件。

步骤6：研究围岩弹性应变能的运移-转化-分配-释放规律

说明：在数值模拟中，利用程序语言开发模块，编写计算数据传输接口程序以实时监测所有计算多面体单元的应变能演化过程。

由附图15～16分析可知，(1)因开挖强卸荷效应，隧道轮廓面附近围岩的弹性应变能较高；同时围岩中弹性应变能主要聚集于隧道拱顶、拱肩、拱底、边墙以及拱脚影响区域，已超过了其储能极限，部分弹性应变能被释放，造成岩体破坏；因此，隧道顶底板、边墙及拱脚部位易发生岩爆。(2)隧道开挖过程中，各测点处弹性应变能在较短时间内经历了运移－转化－分配－释放的过程，并且各测点处弹性应变能积聚－释放程度剧烈，这也解释了在高地应力下开挖直墙拱隧道在边墙、拱脚及拱腰与边墙交接处常出现鼓胀、抛掷、片帮、弹射等岩爆现象。(3)当岩体在应力调整过程中积聚的弹性应变能达到一定的量后，即弹性应变能超过岩石破坏的表面能的值后，典型部位的岩体将有可能发生岩爆。隧道在边墙、拱脚及拱腰与边墙交接处易发生岩爆。

步骤7：预测深埋隧道施工过程中岩爆发生的情况与等级

步骤7-1：岩爆能量判别指标分布特征

由附图17分析可知，隧道左右两边墙以及拱顶、拱底、拱肩及拱腰与边墙交界部位围岩F_e指标量值较大、分布范围较广，此时因围岩中弹性应变能积聚程度的增强，上述典型部位作为深埋隧道岩爆灾害主要动力源的能力增强，深埋隧道岩爆倾向性、强度等级及发生范围增加。

步骤7-2：围岩岩爆块体弹射特征分析

由附图18分析可知，(1)岩爆主要发生在隧道拱顶、拱肩、拱底、边墙以及底板与拱脚交界处，空间上易对隧道结构产生拉扯效应，导致隧道发生局部畸变或岩爆，这也与围岩能量较大值分布区域相一致。(2)在开挖卸荷效应下，隧道轮廓面表层围岩一定深度范围内的岩石单元发生劈裂，形成片状或板状的岩板，随后岩板向自由空间鼓胀弯曲，稳定性逐渐降低；在薄岩板弯折断裂前，轮廓面较深层处围岩为其提供一定的抗力，导致该区域岩板发生剪切破坏，使得围岩存储的剩余弹性应变能转化为动能，迫使折断的薄岩板以及轮廓面表层围岩潜在岩爆坑范围内的岩石碎块迅速向自由空间发生弹射，形成剧烈的岩爆破坏。

需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集现场围岩地质相关数据，构建深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型；

根据所述深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型模拟开挖工序，获取开挖卸荷作用下围岩的位移、应力与速度的多元信息响应特征，得到开挖卸荷作用下关于围岩的数据库，并作为寻找深埋隧道围岩应变能的运移－转化－分配－释放规律的数据库；

从数据库中获取全应力状态下的弹性应变能，根据弹性应变能确定岩爆能量等级；基于岩爆能量等级，建立岩爆判别指标，根据岩爆判别指标预测深埋隧道施工过程中岩爆发生的情况与等级。

2.根据权利要求1所述一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，其特征在于，所述构建深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型的左右边界取隧道总跨度的3～5倍、上下边界取隧道总高度的2倍以上；并且对所述深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型进行不同网格单元密度划分，所述网格单元的极限纵横比应控制在1:5以内。

3.根据权利要求1所述一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，其特征在于，还包括：

根据所述深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型，选择合适的三维破坏准则与所述深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型的材料力学参数；

设置沿深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型边界的初始条件及约束条件；

所述深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型模拟工程现场未受到扰动前的初始应力平衡状态。

4.根据权利要求1所述一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，其特征在于，所述初始应力平衡状态为所述深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型中的每一个多面体重心处的节点力或网格点上节点力矢量为零或小于1e-5时。

5.根据权利要求1所述一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，其特征在于，所述开挖卸荷作用下围岩的位移、应力与速度的多元信息的三维数据可视化为云图或曲面图，确定隧道围岩应力、应变集中区域，得到岩爆灾变过程中应力场、变形场及破坏场时空演化特征，进一步得到岩爆灾害致灾多元信息突变与致灾机理间的关联规律。

6.根据权利要求1所述一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，其特征在于，所述深埋隧道围岩应变能的运移－转化－分配－释放规律通过计算得到隧道开挖后围岩应变能，计算公式如下：

其中，σ₁,σ₂,σ₃分别为最大、中间与最小主应力；ε₁,ε₂,ε₃分别为最大、中间与最小主应变；E为弹性模量；ν为泊松比。

7.根据权利要求1所述一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，其特征在于，所述建立岩爆判别指标，包括以下步骤：

岩体发生整体破坏时，在主应力σ_i(i＝1,2,3)方向，弹性应变能与能量释放率成正比，并依据最小压应力差分配弹性应变能，假设能量释放率的表达式为：

G_i＝K(σ₁-σ_i)U_e (3)

其中：G_i为能量释放率，i＝1,2,3；K为材料常数。

由式(3)可知，最大能量释放率发生在最小压应力σ₃方向，即：

G₃＝K(σ₁-σ₃)U_e (4)

当岩体发生岩爆的能量释放率满足：

G₃＝K(σ₁-σ₃)U_e≥G_c (5)

其中：G_c为岩体在受压状态时岩爆临界应变能释放率，为材料常数，通过室内岩石力学试验确定，令σ₁＝σ_c,σ₂＝σ₃＝0，代入式(5)，并联立式(2)可得：

联立式(5)和式(6)并消去K，得到岩体三向受压时整体破坏准则：

令U₀＝U_e，得到岩石在受压状态时的极限储能值U₀为：

岩体发生整体破坏时，在主应力σ_i方向的弹性应变能与能量释放率成正比，任何大小的拉应力会对单元体的能量释放起着促进的作用，此时，根据主应力值的大小来分配弹性应变能，假设能量释放率G_i的表达式为：

G_i＝Kσ_iU_e(i＝1,2,3) (9)

类比受压情况，由式(9)可知，最大能量释放率G_i发生在最主应力σ₃方向，即：

G₃＝Kσ₃U_e (10)

岩体发生岩爆的能量释放率满足：

G₃＝Kσ₃U_e≥G_t (11)

其中：G_t为岩体在受拉状态时岩爆临界应变能释放率，为材料常数，通过室内岩石力学试验确定，令σ₃＝σ_t,σ₁＝σ₂＝0，代入式(11)，联立式(2)可得：

联立式(11)和式(12)并消去K，得到岩体三向受拉时整体破坏准则：

令U₀＝U_e，可得岩石在受拉状态时的极限储能值U₀为：

综上所述，岩爆能量判别指标F_e的表达式为：

为了量化F_e对岩爆倾向性的影响，参考已有岩爆判别指标—总能量U与岩石极限储能U₀的比值，见式(16)。

进一步结合前期试验结果，得到岩石在真三轴试验下的弹性应变能U_e与总能量U之比为56.97％，得到F_e的界限指标取0.17、0.23和0.40；因此，基于全应力状态弹性应变能的岩爆判别指标F_e的烈度分级如下：