不同开挖方式下深埋隧洞微震特性与岩爆风险分析

在分析钻爆法和TBM法开挖下围岩应力状态的基础上,基于锦屏二级水电站深埋隧洞微震监测数据,对比研究了钻爆法和TBM法开挖条件下深埋隧洞的微震特性及岩爆风险。结果表明:1钻爆法开挖引起的围岩应力集中距洞壁较远,形成的应力梯度较小;而TBM法开挖引起的围岩应力集中临近洞壁,形成的应力梯度较大。2钻爆法开挖时围岩应变能主要集中在爆破后数小时,尤其是在1 h内释放,而TBM法以连续的方式开挖卸载,剧烈的能量释放伴随着施工全过程。3TBM法开挖导致的事件震级及震源破裂尺度均比钻爆法开挖引起的大。4钻爆法开挖时,围岩积聚的应变能大多以岩体破裂的形式耗散,以岩爆形式显现的较少;而TBM法开挖时,围岩应变能常逐次释放,导致事件频繁发生,而且部分应变能以岩爆形式显现,一般地,同一小范围内常多次发生轻微岩爆,高等级岩爆孕育过程中常伴有低等级岩爆,如中等岩爆发生前伴有轻微岩爆,强烈岩爆孕育过程中伴有轻微和(或)中等岩爆,以此类推。综合上述研究结果认为,在具有强岩爆风险的深埋隧洞中,就防治岩爆而言,钻爆法优于TBM法。     

秦岭输水隧洞微震活动特征研究

岩爆是深埋地下岩体工程中面临的世界性难题。针对秦岭输水隧洞岭南工程开挖过程中面临的岩爆问题,本文基于微震监测技术,分析了相邻洞段不同开挖方式、相同开挖方式不同洞段条件下的微震活动特征。结果表明:微震活跃性与岩爆风险高低密切相关,可作为岩爆防治的重要参考依据;埋深与岩性相近条件下,钻爆法比TBM法的微震能量相对更低,岩爆风险相对更低,但TBM法掘进效率更高;微震活跃性与开挖进尺、隧洞埋深不存在明显正相关性,围岩较好、微震活跃性较低时可适当增加掘进速度,提高开挖效率,当围岩变差、微震活跃性较高时宜适当降低掘进速度,延缓或降低岩爆风险。本研究结果可供类似工程岩爆防治和微震监测参考。     

秦岭隧洞4#支洞微震规律与岩爆预警研究

引汉济渭工程秦岭段4#支洞在开挖过程中多次遭遇岩爆的危害,为尽可能对岩爆风险区域进行有效的预报,减少开挖施工风险,利用微震监测技术对4#支洞进行了连续监测。构建秦岭隧洞4#支洞微震监测系统,实时监测开挖过程中隧洞围岩的微震信息,探究4#支洞围岩微震活动规律及其与岩爆灾害的关系。在此基础上,以岩爆经验预测为基础,提出基于微震前兆信息的岩爆要素综合预测方法,对岩爆的风险、范围、等级进行综合预测。研究结果表明:引汉济渭4#支洞岩爆大多数均存在明显的前兆信息,岩爆区域通常与微震事件的集中区域重合;岩爆发生前夕,高震级事件不断发生,同时b值有减小趋势;采用岩爆要素综合预测方法,在4#支洞测试洞段进行了17次预报,准确率达到76%。     

深埋隧洞岩爆孕育规律与机制:时滞型岩爆

根据锦屏II级水电站引水隧洞现场岩爆发生机制,提出时滞型岩爆概念,并对时滞型岩爆进行系统研究,发现:(1)时滞型岩爆一般发生在隧洞掌子面开挖应力调整扰动范围之外,是岩爆区开挖应力调整与外界扰动联合作用的结果。80%的时滞型岩爆时间上滞后该区开挖时间6～30 d,空间上在距离掌子面80 m的范围内。(2)时滞型岩爆区,一般节理、裂隙、夹层等原生结构面比较丰富,结构面类型以与洞轴线成小夹角的隐性结构面为主。(3)时滞型岩爆区开挖时,应力调整剧烈,围岩的破裂活动较频繁,微震事件时间上持续增加,空间上位置集中;视体积持续增加,有突增趋势;能量指数持续高位,有下降趋势;岩爆发生前夕,微震事件较少,存在一个明显的"平静期",且岩爆发生时视体积和能量指数变化不明显。(4)时滞型岩爆区开挖卸荷后,初期微震事件以拉伸、剪切及拉剪混合型破坏为主;接着,以沿破坏面扩展的拉伸破坏为主;随后,有一个明显的"平静期";最后岩爆发生时,以剪切破坏为主导。根据时滞型岩爆的特征、演化规律与机制,建议时滞型岩爆应采取"减少扰动,先喷,再锚,紧挂网,紧复喷"的联防策略。     

锦屏二级水电站引水隧洞岩爆特征及微震监测规律研究

 通过对锦屏二级水电站引水隧洞施工期间大量岩爆记录的深入研究,分析总结出岩爆沿里程分布规律、岩爆围岩破坏方式、隧洞横断面岩爆位置规律、岩爆次数与距掌子面的距离关系、岩爆次数与开挖后暴露时间关系、岩爆烈度与其围岩破坏范围关系等岩爆特征规律。通过对这些规律及岩爆分布与地质构造之间关系的研究,总结地质构造和岩爆的相互作用规律。将微震监测技术用于引水隧洞工程施工,进行深埋隧洞的岩爆监测预警,实现对微震活动的全天候连续监测分析,并根据现场对岩爆的微震监测结果,对微震的时空演化与岩爆之间的关系进行初步探讨。研究结果表明：深埋岩体隧洞中,岩爆的时间、空间、强度等分布存在较明显的规律性,并且与地质结构、施工工法、施工扰动等影响因素之间有着必然的联系,其中地质结构对岩爆的发生起控制作用;岩爆发生之前普遍存在一个孕育过程,并伴随着大量微破裂的产生和微震能量的释放(微震前兆),微震活动对岩爆事件普遍具有时间优先性和空间一致性,可利用其指导安全施工。本文的工程实践验证了微震监测技术用于深埋岩体隧洞岩爆监测预警的可行性,并具有较高准确率,从而为隧洞的岩爆预测和安全施工提供新的研究思路。     

隧道围岩与支护结构变形协调控制机理及工程应用

为解决高应力下隧道岩爆以及软岩大变形控制难题,本文从隧道围岩荷载与支护平衡、变形协调控制及围岩能量守恒三方面进一步分析地下工程平衡稳定方法的特点;根据不同围岩级别总结地下工程平衡稳定方法中隧道支护结构抗力与围岩变形特征曲线,并提出隧道围岩支护的施工建议;通过分析围岩与支护结构有效荷载传递规律与功能转换特征,揭示围岩平衡与支护结构变形协调控制机理,并结合高应变吸能层材料设计一种表征为“吸能让压 支承抗压”的一体化新型隧道围岩支护工艺。通过工程应用表明,基于新型支护工艺在岩爆、软岩大变形隧道中围岩压力降低28.09%,保障了隧道安全高效施工。     

Preliminary engineering application of microseismic monitoring technique to rockburst prediction in tunneling of Jinping Ⅱ project

Monitoring and prediction of rockburst remain to be worldwide challenges in geotechnical engineering.In hydropower,transportation and other engineering fields in China,more deep,long and large tunnels have been under construction in recent years and underground caverns are more evidently featured by ＂long,large,deep and in group＂,which bring in many problems associated with rock mechanics problems at great depth,especially rockburst.Rockbursts lead to damages to not only underground structures and equipments but also personnel safety.It has been a major technical bottleneck in future deep underground engineering in China.In this paper,compared with earthquake prediction,the feasibility in principle of monitoring and prediction of rockbursts is discussed,considering the source zones,development cycle and scale.The authors think the feasibility of rockburst prediction can be understood in three aspects：（1） the heterogeneity of rock is the main reason for the existence of rockburst precursors;（2） deformation localization is the intrinsic cause of rockburst;and（3） the interaction between target rock mass and its surrounding rock mass is the external cause of rockburst.As an engineering practice,the application of microseismic monitoring techniques during tunnel construction of Jinping II Hydropower Station was reported.It is found that precursory microcracking exists prior to most rockbursts,which could be captured by the microseismic monitoring system.The stress concentration is evident near structural discontinuities（such as faults or joints）,which shall be the focus of rockburst monitoring.It is concluded that,by integrating the microseismic monitoring and the rock failure process simulation,the feasibility of rockburst prediction is expected to be enhanced.     

抛掷型岩爆机制与模拟试验技术

 为探讨高地应力隧洞岩爆机制,在岩爆试件试验的基础上,对抛掷型岩爆机制提出4点新的认识,即围岩中要发生抛掷型岩爆,单靠岩爆体本身积蓄的能量还不够,必须要有周围岩体对其破坏过程进行能量补充;工程中发生岩爆时,洞壁围岩会对岩爆体产生能量汇聚,这是抛掷型岩爆发生的重要前提;在抛掷型岩爆发生过程中,动、静状态转化是由洞壁围岩对岩爆体释放的能量有剩余造成的;在岩爆应力判据中,围岩在 = 0.3～0.7的条件下就可能发生岩爆,甚至可能发生强烈岩爆,这是因为围岩不是均质体,围岩内存在应力集中区和软弱结构区。现有的岩爆模拟试验采用油压控制系统加载无法实现抛掷型岩爆,这是因为油路供油速度缓慢所致。对抛掷型岩爆模拟试验技术,提出新的试验方案,研发新的试验装置,开展新的岩爆模拟试验。实践证明提出的试验技术和试验装置均能较好地模拟抛掷型岩爆现象,可供岩爆机制研究、教学及相关工程建设参考。     

深埋隧洞TBM施工过程围岩损伤演化声发射试验

锦屏二级水电站深埋引水隧洞处于西南高应力区,地质条件复杂,岩爆、突水、塌方等工程地质灾害突出,掌握TBM开挖围岩损伤演化规律,设计有效的支护方案防治TBM施工过程地质灾害的发生是非常重要的。为此,开展TBM施工过程中声发射监测试验,研究TBM开挖过程中围岩损伤的演化规律。试验结果表明:沿洞轴线方向,TBM开挖时掌子面前约10m的范围内围岩已受到不同程度的损伤,TBM开挖后围岩损伤破裂主要集中在掌子面后7m的范围内,其中以掌子面后3m时为最;沿洞径方向,围岩受损伤的范围约9m,根据损伤程度的不同,划分为松动区、损伤区和扰动区,依次为距洞壁3,3～9和9～22m的范围。从力学的角度揭示损伤演化的机制和松动区、损伤区和扰动区划分的依据,为支护措施设计与支护时机的选取提供科学依据。分析讨论传感器选取、传感器布置、现场噪音及地质条件等各种因素对围岩损伤结果的影响及进一步发展和研究的方向。     

深部圆形隧洞板裂屈曲岩爆的模拟试验研究

 为了深入认识深部圆形隧洞中板裂屈曲岩爆的发生机制,采用大尺寸真三轴岩石试验系统对含预制孔洞红砂岩立方体(100 mm×100 mm×100 mm)试样进行模拟试验研究。首先根据地应力随深度分布规律,在水平向垂直隧洞轴向方向设定最小主应力,竖直向垂直隧洞轴向方向设定最大主应力,在3个方向分别加载到初始应力状态。然后保持另外2个方向应力不变,在竖直向垂直隧洞轴向方向进行加载直至隧洞洞壁围岩发生破坏,并且在保证试样整体不发生破坏条件下,逐级加载至洞壁发生岩爆。利用安装的微型摄像机对试验过程中洞壁围岩破坏全过程进行实时监测和记录,结合三维加载和洞壁受力情况,再现了深埋硬岩圆形隧洞板裂屈曲岩爆全过程。研究结果表明：岩爆过程可划分为平静期、细颗粒弹射和剥落期、板裂屈曲破坏和强烈破坏四个时期。岩爆可滞后应力发生,具有时间效应,并且受加载率影响明显。岩爆破坏深度达到更高静应力水平下的稳定状态,形成的V–型槽具有应力不敏感期;通过合理优化隧洞断面几何参数,可发挥结构强度尺寸效应,对岩爆发生起一定抑制作用。     

Rockburst response in hard rock owing to excavation unloading of twin tunnels at great depth

This study aims to investigate the rockburst characteristics of hard rock during the successive excavation unloading of twin circular tunnels subjected to high active stresses. The entire evolution process of the rockburst phenomena around the tunnels is reproduced. The numerical results indicate that the unloading rates, burial depths, and presence of structural planes between the twin tunnels play important roles in the occurrence and damage degrees of rockbursts. The failure intensity and dynamic responses are aggregated with the increase of the unloading rate of the subsequent adjacent tunnel. The rockburst damage degree is exacerbated with increasing buried depth, and the rock response of the twin tunnels becomes more sensitive to the dynamic disturbance (as compared to a single tunnel at a great depth). The presence of a structural plane between the twin tunnels has both favourable and unfavourable effects on the stability of the surrounding rock. When the structural plane is parallel to the maximum tangential stress, the dynamic disturbance from the adjacent tunnel can be attenuated by the structural plane or rock joints via reflection and scattering, thus reducing the dynamic response between the twin tunnels. However, for those structural planes oblique to the maximum tangential stress, a violent rockburst is more prone to be induced, owing to the integrated response to shearing and sliding along the structural plane, and slabbing from the excavation unloading process. It is also found that the effect of the structural plane on the rockburst response is largely dependent on the burial depth.

     

公路隧道微震监测系统构建与微震特性分析

以紫荆隧道为研究对象,结合钻爆法施工过程建立了紫荆隧道微震监测系统。通过现场仪器设备的安装布设、信号采集识别及分析处理和围岩微震特性的分析,对交通隧道钻爆法施工开挖岩体微破裂萌生、发育、扩展的全过程进行监控,实现了微震活动的全天候全时段监测,并采用RFPA2D模拟隧道开挖过程中的岩体破裂行为,建立了一套适用于隧道钻爆法施工的微震监测体系与技术方法。微震监测结果表明,隧道开挖后拱顶和右拱脚区域微震活动活跃、震级较大,其余区域零散的分散着微震事件,微震事件在拱顶区域更为集中。模拟结果显示,开挖后拱顶区域破坏事件较多,声发射能力较大,最终发生似“X”型破坏,且破坏前出现了事件数量的突增现象。     

深埋特长公路隧道岩爆预测综合研究

岩爆预测一直是地下工程世界性难题之一。以台缙高速公路苍岭隧道的岩爆预测为例,从隧道区围岩的岩体特征和隧道区初始应力场两方面着手,通过工程地质调查研究和区域地质资料分析,对隧道区进行工程地质分类。划分隧道沿线各洞段隧道围岩类别,通过室内岩石力学试验,掌握隧道沿线围岩的物理力学特性;分析区域地震震源机制解、地应力实测资料,揭示区域构造地应力场环境。在研究过程中选取典型部位,采用水压致裂法实测工程区地应力的大小和方向。通过三维有限元反演工程区的初始应力场,在初始应力场和隧道围岩岩石力学性质研究的基础上,结合各洞段隧道断面开挖数值分析结果和现有国内外多种岩爆判别准则,对苍岭隧道岩爆发生的部位和等级进行预测,为制定合理的开挖支护方案提供依据。     

锦屏二级水电站1#引水隧洞岩爆洞段数值分析

以锦屏二级水电站1#引水隧洞强岩爆洞段为例,运用RFPA对隧洞上半断面开挖进行数值分析,通过对隧洞破坏模式及其围岩的应力分析,在强岩爆洞段上半断面开挖过程中,围岩首先在边墙附近出现破坏,然后不断向拱肩方向扩展,即应力首先在洞壁附近产生应力集中,导致围岩产生损伤,随着损伤范围的扩大,高应力场向远离洞壁的方向发展,同时洞壁...     

Acoustic emission monitoring of rockbursts during TBM-excavated headrace tunneling at Jinping Ⅱ hydropower station

To better understand the mechanical properties of marble at Jinping II hydropower station, this paper examines the changes of brittle rocks in excavation damaged zones(EDZs) before and after excavation of tunnel with the tunnel boring machine(TBM). The paper attempts to employ the acoustic emission(AE) to study the AE characteristics and distribution of rockburst before and after TBM-excavated tunnel. It is known that the headrace tunnel #2, excavated by the drill-and-blast(D&B) method, is ahead of the headrace tunnel #3 that is excavated by TBM method. The experimental sub-tunnel #2–1, about 2000 m in depth and 13 m in diameter, between the two tunnels is scheduled. In the experimental sub-tunnel #2–1, a large number of experimental boreholes are arranged, and AE sensors are installed within 10 m apart from the wall of the headrace tunnel #3. By tracking the microseismic signals in rocks, the location, frequency, quantity, scope and intensity of the microseismic signals are basically identifed. It is observed that the AE signals mainly occur within 5 m around the rock wall, basically lasting for one day before tunnel excavation and a week after excavation. Monitoring results indicate that the rockburst signals are closely related to rock stress adjustment. The rock structure has a rapid self-adjustment capacity before and after a certain period of time during tunneling. The variations of rock stresses would last for a long time before reaching a fnal steady state. Based on this, the site-specifc support parameters for the deep tunnels can be accordingly optimized.     

卸压爆破下强冲击危险巷道围岩振动规律试验分析

 针对目前参数设计不合理的卸压爆破常常导致巷道围岩损伤破坏,降低防冲效率的问题,采用PASAT-M型便携式微震探测系统,在煤矿井下现场原位开展煤层爆破振动试验,并结合预先加窗短时Fourier变换技术,定量研究卸压爆破下强冲击危险巷道围岩的振动规律。研究表明：(1) 在距震源20 m范围内,爆破帮的振动主频随距震源距离的增大呈指数关系增大,顶板的振动主频随距震源距离的增大呈线性关系单调递增,而非爆破帮的振动主频随距震源距离的增大呈二次曲线关系先升高再降低;(2) 爆破帮的振幅随距震源距离的增大呈指数关系衰减,超过20 m范围卸压爆破对围岩的损伤破坏效应变得十分微弱;(3) 由于巷道各个方位的围岩受到面波和体波的影响程度各不相同,导致了不同方位围岩振动特征(类型、主频和振幅)的差异性;(4) 卸压爆炸下巷道各方位围岩的振动类型、主频和幅值并不一致,由此爆破震动波下的损伤破坏效应也有较大区别。结合上述现场实测结果和现有理论,从控制卸压爆破振动的幅值、频率和持续时间3个指标以及增加巷道围岩抗震性能方面,提出优化爆破参数,防止卸压爆破对巷道围岩损伤的建议。     

高地应力隧道岩爆破坏特征物理模型试验研究

采用岩爆相似材料制作大尺寸物理模型,自主研制隧道开挖装置,进行二维应力隧道岩爆物理模型试验,研究高地应力条件下(侧压力系数λ=2)隧道围岩岩爆等脆性破坏特征。试验结果表明:隧道开挖后,围岩有较明显的压应变波动和突变现象,拱墙处局部出现拉应变;同时,声发射能量表现出剧烈增大现象,在应变、声发射特征这两方面均表现出高应力区隧道岩爆的征兆。高地应力条件下(侧压力系数λ=2),隧道拱顶和拱底压应力集中明显而最早发生破坏,拱墙出现拉应力作用,产生张拉裂缝。围岩脆性破坏从颗粒弹射开始,随后变为碎块剥落和裂缝扩展,其变形破坏特征表现出一定的岩爆特性。     

平面三向应力场中隧洞位移解及变化规律研究

为了揭示复杂应力场中隧洞围岩位移变化规律,基于平面三向应力场中圆形隧洞析解理论,推导了平面三向应力场中隧洞围岩位移解析解,并通过Matlab软件编程,研究了围岩位移随应力场环境的变化规律.结果表明:平面三向应力场中各因素对塑性区半径的影响规律与双向应力场中相似;平面三向应力场中当应力场比例系数λ1=1.0,λ2从1.0...     

深部高应力圆形隧洞内部卸荷条件下岩爆模拟试验和强度弱化效应研究

为了模拟深部高应力圆形隧洞在内部卸荷条件下洞壁发生岩爆的过程,以具有中等岩爆倾向性的红砂岩作为试验材料,利用TRW–3000岩石真三轴电液伺服诱变试验系统,对100 mm×100 mm×100 mm立方体红砂岩试样开展了先加载后钻孔卸荷条件下的岩爆模拟试验。试验模拟500 m深度的二维应力状态,首先对试样加载至设定的初始应力状态,然后利用自主研发的岩石钻孔卸荷试验装置进行岩石内部钻孔卸荷(孔洞直径为25mm),之后在竖直方向加载至洞壁发生破坏,达到模拟效果后主动卸载。试验过程中,利用微型摄像机监控并记录洞壁的整个破坏过程。为了对比卸荷作用的影响,对预先贯穿孔洞(孔洞直径为25mm)的同尺寸红砂岩试样开展了先开孔后加载条件下的岩爆模拟试验。试验结果表明,2种试验条件下均可实现岩爆过程的模拟,整个试验过程均可以划分为平静阶段、颗粒弹射阶段、岩片剥落阶段,最终在洞壁两侧形成V型槽。与先开孔后加载试验相比,先加载后开孔试验中洞壁的初始破坏应力较低,洞壁更容易发生破坏,并且洞壁发生岩爆破坏的严重程度较强,产生的岩片尺寸较大,洞壁剥落岩片的总质量较高,形成的V型槽深度较深,破坏范围较广。试验对比结果表明,高应力岩石内部卸荷会对围岩造成一定程度和范围的损伤,诱发围岩产生明显的强度弱化效应。     

金甬铁路鲍村特长隧道初始应力场特征及岩爆预测分析

金甬铁路鲍村隧道长度长、局部埋深大,具有较高建设安全风险。隧址区初始地应力场是影响围岩稳定性的重要因素,是隧道工程的设计及施工的主要依据之一。根据现场实测地应力值,利用FLAC3D进行多元线性回归,反演出隧道初始地应力场,并利用FISH编程计算隧道岩爆分级,结果表明:反演结果与地应力实测结果拟合度较高,计算结果较为可靠;该区地应力场为σ_H≥σ_h≥σ_v型;中主应力值为3~11MPa,随里程增加而呈降低趋势;水平最大主应力值在10~18MPa之间,方向多与隧道轴线呈小角度相交,对隧道围岩稳定性有利;鲍村隧道岩爆级别系数低,开挖中岩爆危害小。