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。     

中国锦屏地下实验室二期工程安全原位综合监测与分析

 中国锦屏地下实验室是目前世界上埋深最大的实验室。以中国锦屏地下实验室二期(CJPL–II)工程为研究对象,通过变形、开裂、弹性波、扰动应力、微震、声发射、三维激光扫描、岩体结构面遥测、爆破振动测试等原位综合监测手段,实时获取深部地下实验室开挖全过程的岩体响应及其演化特性,实现对深部岩体微观到宏观多尺度破裂、隧洞表面到岩体深部变形的综合监测。研究工程场址的地质辨识方法,给出深部复杂地质结构条件下的地质分区,结合真三轴、结构面实验和地应力测试,揭示各实验室开挖过程中不同的变形特征和破坏模式,实时捕获了深部工程灾害变形破裂的前兆信息,有效预警了岩爆和塌方工程灾害,确保了实验室施工全过程的工程安全。研究成果和基础数据为中国锦屏地下实验室安全建设运行、探讨深部岩体力学与工程科学难题均具有十分重要的意义。     

基于微震监测技术的深埋长大隧洞群岩爆时空分布规律分析

以锦屏二级水电站深埋引（排）水隧洞群为工程背景,介绍了微震监测系统的组成,并根据隧洞工程的特点,优选出紧跟掌子面移动整体协同传感器优化布置方案;利用现场微震数据,探讨了微震事件和岩爆的时空相关性。研究结果表明：微震活跃及平静时段与岩爆显现频繁及稀少时段相吻合,微震事件和岩爆的空间分布规律相一致,表明微震事件时空演化规律与岩爆时空分布规律具有良好的相关性。通过分析和研究微震事件时空分布规律,可以对岩爆灾害进行有效预测,为岩爆防治提供科学依据。     

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。     

岩爆孕育过程研究

以岩爆孕育过程为主线,论述了各个方面的最新进展。首先,阐述岩爆的主要类型、4个等级、TBM和钻爆法诱发的岩爆特征、不同岩性发生的岩爆的特征。分析研究岩爆孕育过程的室内岩样试验、室内物理模型试验、数值模拟、现场综合观测、现场监测等技术手段,揭示了不同类型岩爆孕育过程的机制和不同施工方法诱发不同类型岩爆的微震演化规律,讨论岩爆估计方法和基于微震信息的岩爆区域和等级的定量预警方法,给出不同施工方法诱发不同类型岩爆的动态防控技术:开挖优化设计方法、应力释放优化设计方法、吸能支护设计优化方法和动态调控方法,用一个实际工程的岩爆监测预警与动态控制案例,介绍了提出方法的应用效果。最后,讨论了岩爆孕育过程研究的主要发展方向。     

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。     

Controllable theory and applications for the wall bolting reinforcement in the roadway of seam

By using the Radar penetrating technology and numerical simulations, the fractured zone could be easily determined. Both wall fractured zone and mining action of coal seam roadway were considered, and the bolt reinforcing criteria for wall including low limit condition and up limit condition were put up, which supply a basis for the bolt reinforcement design. For a particular engineering, there existed a bolt reinforcing controllable range which can be determined by the method put up in this paper. For the out of controllable range of bolt reinforcement in engineering, it is necessary to seek for other kind rein forcing technology, because the bolt reinforcing technology is not omnipotent.     

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.     

Propagation simulation and attenuation law analysis of seismic wave in elastoplastic tunnel rock medium

The energy caused by the dynamic impact in mining engineering forth release and spread by the way of seismic waves, monitoring is an effective way for forecasting mine dynamical disasters, such as rockburst and coal and gas outburst. Three-dimensional dynamic model was built to simulate the propagating progress of seismic waves in the elastoplastic tunnel rock and analyzed the propagating law of perturbation acceleration around tunnel, based on the finite element dynamic analysis software ANSYS/L S-DYNA. The simulation results indicate that： （1） The propagation attenuation of seismic wave is a negative index relationship; （2） The acceleration amplitude of seismic wave decays rapidly in near-field and decays slowly in far-field; （3） When the perturbation is generated in the dead ahead of tunnel, the acceleration of seismic wave become smaller and smaller away from the roadway-rib;（4） The elastic and plastic stress state of tunnel rock is also an important factor for propagation process of wave, the energy of seismic wave is mainly consumed for geometric spreading and plastic deformation in propagation in the elastoplastic medium model.     

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。