锚杆支护参数对岩爆防治效果的影响研究

岩爆是一种严重威胁深埋地下工程施工安全的动力灾害,现有诸多岩爆判别指标,但均未考虑支护作用的影响。鉴于此,本文基于弹性应变能理论,结合锚固效应与锚杆吸能理论,提出了锚杆支护下的岩爆危险性判别准则。以草果山隧道为例,对不同锚杆支护参数下岩爆防治效果进行研究,选取锚杆间距、锚杆长度、锚杆直径和锚杆类型4个因素,在不同岩爆等级下进行正交数值模拟试验。试验结果表明:对岩爆判别准则影响大小次序依次为锚杆类型>锚杆间距>锚杆长度>锚杆直径。此外,试验结果还得出了不同岩爆等级下的锚杆支护的最优参数选择,为同类高地应力隧道支护措施设计提供了参考。     

深埋隧洞岩爆孕育规律与机制：即时型岩爆

论述深埋隧洞岩爆孕育过程的现场原位综合观测试验思路和方法,给出利用该方法观测到的岩爆孕育时空演化规律以及基于观测结果的关于岩爆孕育机制的认知成果。通过一系列现场深埋隧洞开挖过程中的多元信息综合观测试验,揭示深埋隧洞的即时型岩爆(隧洞开挖卸荷效应影响过程中的隧洞掌子面及其附近的围岩,开挖后几小时到几天内发生)的裂纹(萌生、扩展、张开和闭合过程)、变形、弹性波、声发射和微震时空演化规律及其在时空上的分布特征。通过对监测的微震信息进行矩张量分析,认识即时型岩爆中应变型和应变–结构面滑移型2类岩爆的孕育机制差异性：前者主要是拉张破裂引起,后者主要是拉张破坏、剪切破裂与拉剪–压剪破裂引起,剪切破裂主要沿着硬性结构面发生,形成爆坑边界。该研究成果为针对时空演化规律的深埋隧洞岩爆的预测和动态调控提供了重要基础。     

岩爆发生和烈度分级预测的距离判别方法及应用

岩爆是深部高地应力区岩石地下工程中的主要工程地质灾害之一，对其发生的可能性及其烈度分级的预测是工程建设过程中所必须解决的重大问题。基于距离判别分析理论，建立岩爆发生和烈度分级预测的距离判别分析模型。选取影响岩爆的主要因素如最大切向应力σθ、小单轴抗压强度σc、单轴抗拉强度σt和弹性能量指数Wet，并把σθ／σc，σc/σt和Wet作为判别因子建立岩爆预测的距离判别分析模型，利用国内外一些重大深部岩石工程实例作为学习的样本进行训练。经过训练后的模型回判估计的误判率为0。利用该模型对国内西康铁路秦岭隧道工程和铜陵冬瓜山深埋硬岩矿山的岩爆情况进行预测，结果与实际情况符合较好，说明该模型在研究岩爆发生可能性及烈度分级预测中具有良好的实用性和有效性。该方法可为深部地下工程岩爆发生可能性及其烈度分级预测提供一种新思路。     

深埋隧洞应变型岩爆倾向性评估的新数值指标研究

应变型岩爆是深埋隧洞常见且频发的岩爆类型,严重威胁深埋隧洞施工安全,其破坏位置和程度的准确评估对该类岩爆的防治具有极为重要的工程意义.在系统总结和分析国内外岩爆倾向性数值指标评估方法优势和不足的基础上,从局部能量释放率基本理论出发,提出新的岩爆倾向性评估数值指标,即相对能量释放指数(RERI).全面地阐述该指标的构建思想和基本原理及其物理意义,并将该指标成功应用于锦屏二级水电站引水隧洞应变型岩爆和加拿大Rm415试验洞脆性破坏等问题分析,验证新指标的合理性和适用性.研究表明,RERI指标能够较为准确地指出高应变型岩爆风险区域和位置,并能相对准确地指出深埋隧洞岩体开挖损伤区的范围,为深埋隧洞应变型岩爆灾害和脆性破坏的评估与防治提供新理论和分析工具.     

未确知测度模型在岩爆烈度分级预测中的应用

 针对岩爆烈度分级预测评价中诸多因素不确定性问题,应用未确知测度理论并结合工程实际,根据岩爆的特点及成因,选取最大切应力sθ、单轴抗压强度sc、单轴抗拉强度st及岩石的弹性能量指数Wet,并以应力系数sθ/sc、岩石脆性系数sc/st及弹性能量指数Wet作为岩爆烈度分级的评价指标,建立岩爆烈度分级预测的未确知测度评价模型。以国内外18组工程岩爆分析初始数据进行分级判别,根据实际情况建立各评价因子的未确知测度函数,对其进行定量分析,并利用熵计算各评价指标的权重,依照置信度识别准则进行等级判定,最后得出岩爆烈度分级预测的评价结果。并与模糊综合评判法、属性综合评判法、灰色聚类法、物元分析法及实际情况的结果进行比较。为进一步考察该模型的有效性与实用性,运用该模型对秦岭隧道工程的岩爆实例进行分析。研究结果表明：该模型判别预测结果与实际岩爆情况较吻合,且方法科学合理,意义明确,为岩爆烈度分级预测提供一种新思路。     

瀑布沟水电站地下厂房开挖过程中岩爆应力状态的数值模拟

瀑布沟水电站地下厂房赋存于复杂的地质环境中,厂房开挖过程中岩爆活动频繁。为分析围岩应力对岩爆活动的影响,研究初始地应力理论和计算方法,对厂房区域的地应力实测值进行线性回归,并在ANSYS中实现初始地应力的加载,得到与实际勘测结果相接近的初始地应力场。在此基础上,对地下厂房的开挖过程进行三维有限元数值模拟,根据岩爆判别准则对岩爆危险区域进行预测,并给出危险等级分类。岩爆模拟结果和现场监测结果基本吻合。研究结果表明,瀑布沟水电站地下厂房围岩区域的构造应力显著,且具有较强的方向性。地下厂房围岩整体上稳定,拱脚、洞室交口处围岩容易发生高等级岩爆。     

基于微震信息的岩爆体积分级与判别方法研究

深埋地下工程岩爆灾害的危害性与其爆坑规模直接相关,为进一步提高岩爆灾害的精细化表征及预测水平,开展基于微震信息的岩爆爆坑体积分级及判别方法研究。首先,通过对收集到的111个来源于锦屏二级水电站深埋隧洞群工程的岩爆案例进行统计分析可知,岩爆孕育过程中的累积微震事件数、累积微震释放能、累积微震视体积、微震事件率、微震能量释放率、微震视体积率这6个指标与岩爆爆坑体积之间具有较高相关性,即岩爆爆坑的体积分布与微震参数取值之间呈现出较为明显的从低到高的层次差异性。其次,利用层次聚类分析手段,从工程实用性与可预测性的角度构建一种岩爆体积分级划分方案,以锦屏隧洞工程为例,将岩爆体积等级划分为五级,并确定相应等级的体积阈值。最后,基于改进的分类回归树(classification and regression tree,简称为CART)算法,构建了用于确定不同岩爆体积等级下各微震参数判别阈值的决策树,形成岩爆体积等级的6个单微震参数判据;进一步,提出一种基于多微震参数的岩爆体积等级综合判别的蛛网图方法,并通过案例反分析确定相应的判别准则,利用该方法可快速实现洞室开挖过程中岩爆潜在规模等级的判别。对收集...     

基于能量原理的卸围压试验与岩爆判据研究

 岩爆是高地应力区地下工程开挖卸荷产生的地质灾害现象。按照地下硐室开挖过程中围岩的实际受力状态,开展脆性花岗岩常规三轴、不同控制方式、不同卸载速率条件下峰前、峰后卸围压试验,研究岩石破坏的全过程,从能量的原理探讨岩石破坏过程能量积聚–释放的全过程,研究岩石的变形破坏特征、能量集聚–耗散–释放特征和基于能量原理的岩爆判据。试验结果表明：无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现脆性破坏的特征,峰前卸围压时岩样破坏表现出的脆性比峰后卸围压更为强烈;且无论是加载还是不同控制方式卸围压条件下,岩石在破坏前所能够储存的最大应变能受围压和卸载速率的控制。从能量的观点和工程应用的角度出发,提出一种新的能量判别指标：岩体实际储存能量与极限能量之比为U/U0,该指标真实合理地反映地下工程开挖卸荷过程中围岩的能量变化过程,围岩能量的积聚程度以及岩爆的发生程度,通过数值仿真计算可以更合理地定量预测高应力下地下工程开挖过程中岩爆发生的强度和位置。     

基于微震监测的锦屏二级水电站深埋隧洞岩爆孕育过程分析

为研究锦屏二级水电站深埋隧洞岩爆孕育及发展过程,利用构建的微震监测系统对^#3引水洞的TBM掘进过程进行全天候连续实时监测。通过获取大量微震监测数据,分别从微震事件的时空序列分布、事件活动率、微震能量、能量密度及视体积对隧洞岩爆前各参数变化特征进行分析,并从动态裂纹扩展角度揭示了岩爆孕育过程中微破裂的萌生、发展、扩展直至相互贯通的宏观破坏机制,初步探讨了微震活动演化规律与岩爆间的时空内在联系。监测与分析结果表明：多数岩爆都存在有可被微震监测定位的微破裂前兆,微震活动率、微震能量及累积视体积均有不同程度的上升趋势。部分岩爆的驱动源由本地岩爆能量与转移能量之和获得,即E_驱动=E_本地+E_转移,强岩爆可再次诱发邻近位置产生岩爆。研究结果,初步证明了利用微震监测系统对深埋隧洞岩爆进行实时监测的可行性。     

岩爆孕育过程的动态调控

针对岩爆孕育过程的特征、规律和机制,提出“优化开挖方案减少应力和能量聚集→预释放和转移能量→设计合理的支护参数吸收能量”的岩爆“三步走”防控理论以及在此基础上基于开挖过程中微震信息时空演化的岩爆动态调控理论.在施工过程中,根据实测到的微震信息演化规律进行岩爆等级预警,据此进行反馈分析和动态调控,运用“三步走”防控对策进行及时的开挖速率和支护措施动态调控,以尽可能避免岩爆的发生、降低岩爆发生的等级或延迟岩爆发生的时间.所建议的方法成功地应用于埋深1 900～2 525 m的锦屏二级水电站深埋引水隧洞和排水洞的施工开挖过程中,应用过程和结果验证了所建议方法的适用性.     

局部能量释放率与微震相结合的岩爆动态预警指标

基于锦屏二级水电站引水隧洞、排水洞施工过程中的大量的微震信息以及不同等级的岩爆实例,运用数值计算与微震信息相结合的手段的对岩爆灾害进行研究。结果表明,局部能量释放率可以作为高地应力条件下隧洞开挖过程中围岩能量释放的指标,将其与微震监测数据相结合可以对深埋隧洞开挖过程中岩爆的强度、发生位置及范围进行预警:当局部能量释放率指标达到4×10⁵ J/m³以上,同时最大能量微震事件的能量值大于10⁵ J时,将发生强烈岩爆;当局部能量释放率指标介于10⁵~4×10⁵ J/m³之间,最大微震能量值在10⁴~10⁵ J之间时,具有中等或轻微岩爆风险;当局部能量释放率低于10⁵ J/m³,微震能量均值小于10⁴ J时,无岩爆风险。最后在施工过程中对上述预警指标进行运用,有效的抑制了岩爆灾害的发生。     

隧道岩爆预测与防治技术探讨

隧道施工中发生强烈岩爆,将严重威胁施工人员安全,影响施工进度,为减小岩爆对隧道建设的影响,岩爆预测与防治工作非常必要和紧迫。文章通过国内外资料调研、数值计算、现场实测分析等,归纳了国内外一些常用的岩爆判据和现场预测方法,并根据岩爆实例对岩爆判据进行验证,最终总结出了适合超深埋大断面隧洞施工的强至极强岩爆的岩爆预报及防治措施。研究成果可供类似工程参考。     

模糊概率模型在岩爆烈度分级预测中的应用

 岩爆是深部高地应力区岩石地下工程中的一种常见地质灾害,对其发生的可能性及其烈度分级预测是地下工程建设中亟待解决的重大课题之一。以模糊概率理论为基础,选取影响岩爆的一些主要因素,如洞壁最大切向应力sq、岩石单轴抗压强度sc、岩石单轴抗拉强度st以及岩石弹性能量指数Wet,并以sq /sc,sc /st和Wet作为评价影响因子,同时将岩爆烈度划分为无岩爆、弱岩爆、中岩爆和强岩爆4个等级,建立岩爆烈度分级预测的模糊概率模型。在此模型中,提出了模糊权重的概念,可充分考虑权重的模糊性。模糊概率模型不仅继承了经典模糊综合评判法的思想和优点,同时也克服了其在实际应用中评价影响因子权重取值的局限性,因而具有明显的合理性。应用该模型对冬瓜山深埋硬岩矿山、秦岭隧道工程以及某大型水电站地下厂房3个典型工程岩爆的实例分析表明,其预测结果与实际情况符合较好。为进一步考察该模型的可靠性与实用性,对国内外23个大型岩石地下工程实例进行计算分析,其预测结果与实际岩爆情况也相当吻合。由此可见,模糊概率模型为深部岩石地下工程岩爆预测问题提供了一种新途径。     

不同侧压系数的深埋洞室岩爆破坏特征研究

为了探讨深埋地下洞室在岩体自重应力作用下的岩爆破坏特征,采用自主研制的岩爆模型试验装置进行了室内模型试验,分析了洞室岩爆的宏观破坏现象及围岩的应变特征;在此基础上通过数值计算方法模拟分析了不同侧压系数对深埋洞室岩爆破坏过程及破坏区域的影响。研究结果表明:洞室围岩在加载过程中的变形规律基本呈对称状态,侧压系数λ为1/3模型试验,洞室侧壁部位是发生岩爆破坏的主要区域,其破坏范围约为20%的洞室直径,模型试验的宏观破坏范围与数值计算的破坏区域及影响范围基本一致;当侧压系数λ发生改变,深埋洞室发生岩爆破坏时的荷载和区域也随之变化,洞室发生破坏时的临界荷载随λ的增加而增大;当λ为1/3和1/2时,破坏区域主要集中于洞室两侧壁;当λ为1时,破坏区域集中于洞室顶部,并由洞顶向洞壁扩展。采用物理模型和数值分析相结合的方法,进行不同应力状态下的岩爆破坏特征研究具有一定的可行性。     

基于粒子群算法优化支持向量机的岩爆预测研究

由于地下工程的复杂性,岩爆的发生受到多种因素的影响,目前尚没有一种可靠的预测方法来对其进行预报,进而有针对性地进行工程灾害的风险控制。笔者提出将应力强度比(σ_θ/σ_c)、脆性系数(σ_c/σ_t)和弹性能量指数(Wet)作为影响岩爆的主要指标,并根据粒子群优化算法的参数选取和收敛速度快的优势及支持向量机的小样本、高维度、非线性的特性,提出了用粒子群优化算法对影响支持向量机分类性能的两个主要参数进行优化,进而获得优化的支持向量机分类器。利用PSO-SVM对在建二广九标茅田界隧道深埋变质砂岩岩爆发生情况进行预测,定量地判断该标段不存在岩爆现象,预测结果与茅田界隧道的实际情况基本相符。     

深埋隧洞围岩应力分析及岩爆预测

采用有限元软件,数值模拟分析了相同侧压系数、不同埋深工况下的深埋隧洞围岩应力变化规律,初步判别了岩爆可能性及岩爆发生部位,对隧洞的设计及施工过程中岩爆的防治具有一定的指导作用。     

岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测技术——以乌兹别克斯坦卡姆奇克隧道为例

地下洞室施工期间的岩爆预测对保证施工人员安全,合理安排施工进度具有重要意义。提出一种岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测方法,实施过程中先通过开挖面及其附近岩体结构的观察,初步判断可不可能发生岩爆,然后对初步判断可能发生岩爆的部位采用便携式电磁辐射仪进行监测,通过电磁辐射能量及脉冲的变化进一步预测会不会发生岩爆及岩爆的强度。该方法综合考虑了岩爆发生的岩体结构条件和岩爆孕育过程中的能量转换及岩体微破裂频次,具有易于现场技术人员掌握、测试方便等优点,实践证明是地下洞室施工期间岩爆预测的可行方法。结合"中亚第一长隧"--乌兹别克斯坦卡姆奇克隧道,系统介绍了岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测方法中涉及的岩爆发生的岩体结构条件、电磁辐射重点监测部位及监测方法、岩爆的电磁辐射判释指标及基准值等主要内容。     

深埋硬岩隧洞岩爆的结构面作用机制分析

 岩爆是深埋硬岩隧洞开挖过程中常遇到的动力地质灾害,从锦屏二级水电站深埋隧洞施工中发现结构面对岩爆具有重要控制作用。本文在总结国内外结构面型岩爆研究现状、列举典型结构面型岩爆案例的基础上,分析了不同结构面类型、产状、不同生产环境、施工方法等条件下结构面对岩爆的作用机制;提出了依据不同作用机制的结构面型岩爆分类方法。分析认为：结构面型岩爆可分为滑移型、剪切破裂型和张拉板裂型;边墙竖直产状的结构面易使围岩压制拉裂而诱发张拉板裂型岩爆,倾斜产状的结构面则会诱发滑移型或剪切破裂型岩爆;未揭露的倾斜产状的结构面诱发的剪切破裂型岩爆强度可能要大于相同条件下揭露出的结构面诱发的滑移型岩爆;采矿工程中容易发生大尺度的滑移型岩爆,而水电交通隧洞更容易发生小尺度的滑移型岩爆,且结构面控制爆坑深度和边界;对剪破坏主导的结构面型岩爆,结构面的力学性质、强度特征因控制所诱发岩爆的能量来源,因而影响岩爆的强度等级。本研究将对深埋硬岩隧洞结构面型岩爆的发生机制、控制方法等具有一定指导意义。     

基于证据理论的岩爆预测

岩爆是高地应力地区岩石开挖中的一种动力破坏现象,其机理复杂、影响因素众多,单一的评价指标无法准确描述岩爆发生的可能性。基于信息融合思想,提出一种能够综合考虑多指标共同作用的岩爆预测方法。该方法以证据理论为基础,以岩爆等级为识别框架,根据岩爆发生所需条件,选取最大切向应力与岩石单轴抗压强度比值、岩石单轴抗压强度与抗拉强度比值、岩石弹性能量指数为证据体,采用粗糙集理论客观确定了各证据体的确定信度,建立了基于证据理论的岩爆烈度预测模型。12组工程实例的预测结果表明该模型具有较好的预测精度。将该模型应用于苍岭隧道和锦屏二级水电站探硐岩爆预测,预测结果与实际情况完全吻合,说明该模型具有较好的实用性。     

深埋引水隧洞岩爆预测及防治措施

岩爆作为深埋地下工程在开挖后常见的一种地质灾害,极大地威胁着施工人员和设备的安全。在全面分析岩爆影响因素的基础上,从众多岩爆预测判据中,有针对性地选取了Rb／σ1判据、陶振字判据和卢森判据对某深埋引水隧洞进行了岩爆预测,结果表明整个工程以中等岩爆为主,局部洞段会发生强岩爆,同时针对不同岩爆等级提出了合理的防治措施。