文摘

岩爆仍然是一个顽固的疾病领域的工程地质。目前的研究更多关注地质条件对岩爆的影响和更少的类型和刚度的影响岩爆的工程支持。我们探索支持刚度的影响从弱到强岩爆和显示骨折的特点并通过微震的微震动在岩爆监测和数值模拟。可以得出的主要结果和结论:(1)刚度的大力支持使得围岩岩爆之前积累更高的能源。微震动的演变及其索引可以作为潜在的前身强烈岩爆。(2)强大的刚度支持很容易集中高应力作用下的围岩压力,这是外部负载扰动下容易失败。这将产生一个“突然卸载效应”对围岩和可能导致更严重的岩爆。数值模拟验证这种效应的存在和符合实际的失败的迹象。我们的研究有助于阐明工程地质领域的岩爆问题,具体揭示岩爆机制和岩爆灾害的预警标准支撑结构的作用下,它可以提供实际数据和理论支持科学合理的预防和控制在隧道和地下工程岩爆风险。

1。介绍

岩爆是一种地质灾害与复杂的发展机制,这是受地层岩性、地质构造、地应力和多领域耦合因素,极大地威胁着地质工程和岩土工程领域。当隧道或地下开实现硬脆岩石在高地应力、围岩应力调整将导致损坏,因此,岩体中存储的弹性应变能将突然公布,导致了放松、剥落、弹射甚至扔。岩爆是一种动态不稳定和地质灾害唐突和暴力性质的特征。岩爆的预测和预警是具有挑战性的,对施工安全构成重大挑战,因此,需要不断的探索发展法律、早期预警技术,支持方法深深地质灾害为安全建设工程(1- - - - - -5]。

由于缺乏深入理解岩爆,工程师可以设计的高强度和高刚度支持隧道控制岩爆的风险,这与普遍接受的原则的岩爆释放能量。这可能会导致围岩的失败的能不能充分发挥压力调整,从而增加围岩应变能的积累和岩爆的破坏性。例如,当最初的支持系统是加强通过缩短钢拱的间距,Bamiao隧道岩爆的Taoba高速公路的加剧,和最初的衬砌隧道附近的脸出现大面积剥落。钢筋(刚性)支持系统进行了隧道岩爆段Micangshan巴珊的高速公路,构成重大影响岩爆的特点和微震动。

迄今为止,大多数研究岩爆的影响因素,如地应力、地层岩性、岩体结构、地形、水文、开挖,等等,取得了优异的成绩(6- - - - - -11];然而,非常有限的研究探讨了支撑结构对岩爆的影响。例如,风扇等。12)的影响进行了探讨隧道在开挖strainburst特征的方法。胡(13]分析了响应支持厚度岩石破裂的数值模拟,表明支持产生岩爆的抑制作用,但过度支持厚度可能促进岩爆。李等人。14)确定岩爆的力学效应数值改变支护参数。陈(15)研究了不同密度下的岩爆锚安排,并认为岩爆高密度下锚定会导致围岩的整体破坏。此外,Ortlepp [16,17)描述了岩爆的特点和程度失败在不同力量的支持,他认为这是徒劳的改进的支持力量抵制岩爆时可能发生强烈岩爆。黄(18]研究岩爆发展在不同支持优势通过数值模拟和现场测试。上述研究显示在某种程度上支持系统对岩爆的影响,但这些结论大多是定性或半定量。

岩爆的发展伴随着一系列的微裂缝(微震的事件)。微震确定岩爆的破坏特征和机制(19- - - - - -24]。迄今为止,微震的活动和支撑结构之间的互动机制仍然不调查,和微震的活动很少用于指导支持策略。在一些具有代表性的研究,支持系统确定基于微震的数据在水电站的地下洞穴25]。胡锦涛et al。(26)利用微地震监测研究围岩变形和破坏的一个地下实验室,并提出合理的开挖方案和支持。盖尔(27)提高了支撑结构通过比较微震的数据和数值模拟不同的矿区。事实上,最初支持隧道的结构(如支持类型,支持力量,支持刚度,并支持时间)产生显著影响微震的活动和岩爆。必须学习支持系统的影响机制在骨折或围岩微震的活动。

调查最初支持系统对岩爆的影响,本研究旨在探索岩爆特征和微震的活动支持基于弱和强刚度下的现象和数据收集Micangshan川陕高速公路的隧道,结合数值模拟机制的阐明影响岩爆特征和强度的支护结构。本研究将提供实际数据和理论指导的合理战略支持的岩爆和考虑岩爆预警标准支持刚度的影响。相关结果有助于揭示岩爆机制下深工程活动,有效地预防和控制地下工程灾害。

2。隧道岩爆影响最初的支持

2.1。综合刚度评估隧道围岩和支持

为了区分岩爆特征对应不同的支撑刚度,有必要建立一个方法来确定支持刚度。然而,由于隧道是一个综合的系统的初始支持组成的各种支撑结构(如喷射混凝土和钢拱架),这是非常具有挑战性的提出一种定量方法评估综合刚度。出于这个原因,这项工作是基于经验判断各种类型和支持参数的有效性Micangshan实际施工的隧道(这可能会改变由于工程特点和地质类型),复合系统的半定量评价方法考虑围岩刚度和初始刚度提出了支持模式。如表所示1,刚度评价方法包括两个部分:基本价值和施工参数b .这些基本价值是经验值考虑刚度的类型和支持规范。工程的施工参数B认为贡献剂量每个支持类型的刚度。围岩的刚度评价没有基本的价值,取决于岩性质量等级的贡献刚度(28]。

规范的结构:钢拱-类型I18,高度180毫米,宽度94毫米,厚度10.7毫米;锚-直径22毫米,长度3米;喷射混凝土——甜型。A / B值的测定也应该指的是每个项目的具体地质条件。

2.2。隧道岩爆特征影响的初步支持

Micangshan超长隧道川陕高速公路约13.8公里的长度,这是第二个中国最长的高速公路隧道设计为第三世界上最长的。开挖的K46 + 170 - k45 + 800里程的隧道,岩爆灾害造成的高地应力发生频繁。如图1岩爆发生岩爆发生“12.17”,“12.29”,“01.14”岩爆,岩爆发生“03.12”等等。岩爆区域有下列条件:埋深530 - 760米,岩性主要是辉长岩和构造麻粒岩;围岩等级主要是三级(介质)和二级(更好的)或第四级(贫穷)在当地;辉长岩和构造麻粒岩交错和岩爆一般发生在地壳麻粒岩的位置。根据识别,构造麻粒岩的原岩应辉长岩,经过压缩破裂和再结晶形成麻粒岩。有很多裂隙的岩体,但是它仍然有残留地应力高,满足岩爆的发生条件。由于不同程度的岩爆的发生,在施工现场采取了各种支持措施。为了区分各种支持措施的刚度变化的影响和研究最初支持刚度对岩爆的特点,综合刚度评价方法在表1用于评估“12.17”岩爆的刚度变化,岩爆发生岩爆发生“12.29”、“01.14”和“03.12”岩爆。如表所示2相比之下,周围的分数rock-support复合刚度岩爆发生的“1.14”和“3.12”岩爆是高于12.17“岩爆和“12.29”岩爆。因此,岩爆发生“12.17”和“12.29”岩爆只是表示为弱刚度岩爆,岩爆发生“1.14”和“3.12”岩爆只是表示为强大的刚度岩爆。

隧道可分为初始支持和辅助支持。最初的支持是隧道的开挖后立即进行,和主要结构围岩的压力。专家建议采用灵活的支持系统的初始支持岩爆和后吸收高能量的原则,也就是说,支护结构不仅要满足一定的强度还可以变形,从而吸收岩爆的动能(17,29日]。然而,高强度和高刚度的支持通常用于岩爆岩体由于缺乏全面了解骨折。这样的治疗缺乏理论依据,往往是有争议的。例如,Micangshan隧道显示了岩爆强度与初始支撑刚度的变化不同。为了进一步探讨这一变化规律,建立了微震监测系统在隧道Micangshan捕获微震的事件和岩爆进化。如图2微震的传感器阵列是部署为三行:主要隧道两行,一行在接下来的隧道,在每一行和三个传感器,保证了精度微震的源位置和源参数的有效性。

图3记录在以下隧道岩爆演化的孪生管Micangshan隧道。岩爆灾害的三个案例发展时期2017/12/16-2018/01/14(五角星形表示岩爆时间)。第一个“12.17岩爆”发生在第三级围岩。最初的支持是由钢拱和喷射混凝土锚(弱刚度)。类似雷声的岩爆发生爆炸和随后的声音,分裂和破碎的岩石被驱逐或崩溃。岩爆区中的大多数都是由一组主要控制结构的飞机,提出了楔形或穹窿形状由两个或两个以上的组结构控制飞机,最大深度为3米。第二个“12.29岩爆”发生在三级或IV围岩。使用先进的灌浆在当地破碎围岩,和支持系统的刚度略高于之前的岩爆(弱刚度)。微地震事件的最大能量可以达到一百万焦耳,甚至与隧道爆破。强大的能量释放影响的设备和围岩隧道,导致大型机械震动或推翻,开裂的隧道层(底),开裂的侧壁(侧壁胀)和初始支持失败。 The third “01.14 rock burst” occurred in grade-II or III surrounding rock. Because of the frequent rockburst, the number of bolts in each construction period increased, the double-layer steel arch was adopted in local, and the support stiffness was the highest at this time. During the rockburst, the frequency of thunderous roar and splitting sound increased significantly, and the development period of the third rockburst was prolonged, the energy release was increased, and the crack range of lining caused by rockburst was enlarged.

2.3。解释的支持刚度对岩爆的影响微震的特征

介绍了微震的指标,阐明岩爆的特点和机制,和过程划分发展阶段和发生的阶段。岩爆的发生时间很容易由微震监测系统记录,和岩石破裂前的一小段时间内被认为是发展阶段。例如,岩爆发生“12.29”是一个weak-stiffness岩爆和岩爆发生“1.14”是一个strong-stiffness岩爆。这些岩爆是在相似的环境中开发的岩性、埋深和地应力,空间距离很近(图1);因此,我们认为主要因素导致岩爆强度的变化和特点是刚度的支持。图4显示的特点,微震事件的数量和高能的发病率在岩爆过程强和弱刚度的支持。地震能量E表示弹性应变能释放的岩体破裂:

ρ表示岩体密度;表示微震的速度;R表示震源距离;t_年代表示微震的信号的时间跨度;u_相关系数表示微震的波的位移函数在接收端(25]。每日累计微震事件的数量的岩爆条件下的强刚度显然是更比弱刚度。每日发生岩爆的高能率高于弱刚度条件下的强刚度在第一个3天前岩爆的发生。但强大的刚度条件下的岩爆,岩爆的日常高能的发生率低于弱刚度。

图5显示了微地震事件的时刻变化特征级大力支持下岩爆过程中刚度和刚度弱的支持。矩震级M_w是由地震矩的计算,可以直接代表微震事件的强度(30.]:

米₀是地震的时刻,点源时刻相当于源断层位错引起的地震( )。为了探索时刻的特征级的微震的事件每小时在岩石破裂前,本研究定义了力矩之和的大小微震的事件每小时每小时累积时刻大小: 其中M_h是每小时累积的震级,n是微震事件的数量在一个小时,和M_w的大小是一个单一的微震的事件。可以发现微地震事件的每小时累积的震级强大的刚度条件下的岩爆前(发展阶段)是高于弱刚度条件。弱刚度条件下的岩爆的发生后,每小时的微地震事件的累积矩震级岩爆显然高于强大的刚度。值得注意的是,每小时累积时刻级后在两个条件下岩爆的发生明显减少。

图6显示平均位移的特点下的岩爆过程中微震的源强支撑刚度和弱支撑刚度。源岩体的破裂引起的变形位移可以表示,可以表示如下:

μ岩体的剪切模量,米₀是地震的时刻,r₀是断层面的半径25]。它可以很明显发现累积源的平均位移强刚性岩爆远远高于弱刚度岩爆,强大的刚度岩爆的特点和趋势是更重要;岩爆的发生后,强刚度岩爆基本上不会改变,弱刚度岩爆继续增加缓慢。

图7显示了明显的体积发生一系列岩爆发育和强和弱的支持刚度下阶段。明显的物量指数V_一个反映了岩体的非弹性剪切变形量:

μ岩体的剪切模量,米₀是地震的时刻,E是微震的能量(31日]。在发展阶段,平均表观体积strong-stiffness岩爆(370 m³)是高于weak-stiffness岩爆(330 m³)。在发生阶段,明显体积strong-stiffness岩爆明显增加,但随后迅速衰减,和平均值(397米³)低于weak-stiffness岩爆(438 m³)。

图8描述了微地震事件的源参数空间中岩爆的发展阶段;微震的参数空间的横坐标是明显的体积,纵坐标是地震能量,和微震的事件(小点)位于这个空间。支持系统的刚度变化时从弱到强,微震事件向图中箭头的方向迁移,表明小能量的比例和大体积明显事件增加。基于发展阶段的统计(表3),耗能小事件的比例增加时,支持刚度变化从弱到强,和中型和大型能源活动的比例减少。同时,小额事件的比例减少,但中批量事件的比例增加。

能源的分类:小能量事件(≤10⁴J),中能事件(10⁴-10年⁵J)和大型能源事件(≥10⁵J) [32]。视容积分类:小规模事件(≤200米³(200 -400),中批量事件³)和大型事件概况(≥400³)[28]。

根据总结在表索引4支持刚度提出了岩爆影响很大,他们可以描述如下:(1)支持刚度的加固围岩实施更为严格的限制,这意味着更强的围压对围岩(支持压力)。岩石破裂过程中,压力调整活动的高能发病率增加,岩爆的开发时间延长和微震事件的数量增加。(2)与刚性约束的增加,围岩更容易积累能量。矩震级越大的微地震事件的过程中压力的调整。(3)支持的钢筋刚度表明,围岩的应力调整需要一个更大的明显的来源。这类似于这样一个事实:变形的过程中,破坏和均分的失败需要伴随着围岩大变形的增加围压。平均表观体积在岩爆开发增加,和平均位移累积来源也大大增加。(4)源参数空间中由地震能量和体积明显,微震事件的运动路径指向右下方的增强支持刚度,这表明类型的微地震事件的比例变化和事件与低能量和大体积明显增加。岩爆应力调整活动发展倾向于产生能量积累和能量传递,并导致更强的能量释放在岩爆的发生阶段。

3所示。数值模拟和岩爆的解释效果

3.1。建模与仿真方案

我们建立了一个隧道模型来模拟岩石破裂的影响钻探和爆破方法Micangshan隧道(图9)。Block-Dyna, block-dynamic仿真软件基于continuous-discontinuous (CDEM)方法,用于模拟整个过程的损伤与断裂的作用下隧道围岩的静态和动态负载。软件模拟材料的渐进破坏过程通过使用连续介质块的特征描述材料和材料的不连续介质特性的特点是模块之间的接口。软件不仅可以模拟各种伤害和失败的过程,静态和动态载荷作用下的材料,还批量粉碎后的一系列的机械过程。模型的总体规模是50米(高)×50米(宽度)和隧道尺寸是8米×12米,包括节点和元素的数量,分别为29302和54900。隧道长度为40米,设计成一步一步挖掘每一步(5米)。模型由开挖,围岩和衬砌的隧道;内壁设置为20厘米的厚度和实施后立即开挖步骤;衬砌和围岩的监视点设置。实际应力条件应用于模型:最大主应力σ₁在垂直方向为25.2 MPa;中间主应力σ₂附近的轴向方向隧道是13.1 MPa;最小主应力σ₃在水平方向上是12.9 MPa。最后,我们设计了两种方案的岩爆模拟根据实际工程情况。

(1)模拟weak-stiffness静载荷下岩石破裂。弱变形和强度参数用于衬里的支持,和应变软化模型用于围岩和衬砌。岩爆发生的五步开挖后隧道。(2)在静态和动态负载下模拟strong-stiffness岩爆。因为强烈的高强度、刚度的支持也是岩爆一般不会发生在一个静态加载条件下,但需要在提供的额外的能量干扰动态加载。在这个模拟过程中,强烈的变形和强度参数用于衬里的支持,和应变软化模型用于围岩和衬砌。岩爆发生的五步开挖后隧道开挖面炸。表中给出的计算参数5。

介绍了莫尔-库仑应变软化模型来描述岩体的损伤与断裂行为:

的公式,C,C₀,T和T₀代表当前的凝聚力和初始值和抗拉强度,分别;γ_p,γ_lim,ε_p和ε_lim代表当前和极限剪切塑性应变和拉伸塑性应变值,分别。根据实验和推荐值,γ_lim= 0.03,ε_lim= 0.01。应变软化模型实现线性恶化的凝聚力和抗拉强度与塑性应变。

介绍了朗道爆炸源模型实现隧道爆破模拟:

爆破源模型是基于Landau-Stan Newkovic公式。γ= 3,γ₁= 4/3;P,P₀,V和V₀代表当前和初始值的爆炸性气体压强和体积,分别;P_k和V_k代表爆炸性气体的压强和体积两级绝缘边界的过程;ρ_w表示电荷密度(公斤/米³);D表示爆炸速度(米/秒);问_w表示单位质量的爆炸性的热(J /公斤)。爆破动载荷的随时间的变化曲线如图10通过设置爆破参数,生成的吗ρ_w= 1630公斤/米³,D= 6930米/秒,问_w= 4.23 MJ /公斤和总费用250公斤。

在静态计算隧道开挖,水平位移约束应用于周围的边界和垂直位移约束应用于底部边界。隧道爆破计算,模型边界改变粘性边界消除虚假反射。

3.2。模拟岩石破裂受到支撑刚度的影响

我们引入进化压力,损害因素和应变能指标以精致的岩石破裂,在静态和动态负载下岩爆的影响。图11比较了模拟岩爆的影响通过使用累积应变能和损伤因子(强度参数的恶化在应变软化模型)。在弱刚度(图的支持11()),围岩的破坏区域主要集中在隧道开挖的脸,位于隧道地板和右隧道屋顶。隧道附近的围岩应变能的表面明显减少;应变能的释放,在区域伤害系数提高到1(围岩)的一个完整的失败。应变能量浓度转移到深部围岩。在强大的刚度支持(图11(b)),失败和围岩的破坏范围逐渐扩大。隧道开挖面附近的能量释放区隧道穿透屋顶,右侧壁和隧道层;最大能量释放达到0.25 MJ / m³。

为了进一步揭示岩爆灾害的断裂特征条件下的强和弱刚度。块速度和骨折类型的岩爆模拟不连续模型(图12)。条件下的弱刚度(图12(一个)),右上角和地板上的岩爆发生的隧道,和块弹射的最大速度是9.46米/秒。条件下的强刚度(图12 (b)),岩爆的破坏强度和范围明显增强,和物体的最大弹射速度是13.9米/秒。此外,在岩爆的骨折类型图块,值0表示没有失败,值1表示拉伸断裂,和值2表明剪切破坏。它可以发现岩爆的主要故障是张力条件下的弱刚度、和混合故障类型的紧张和剪切增加明显强条件下的刚度。

图13记录的最大主应力演化的围岩和衬砌。在弱刚度(图的支持(13日)),最大主应力逐渐增加在五步开挖,到达峰值后下降。内壁压力下降背后的围岩压力,这是影响岩体的损伤和失败。围岩进一步失去力量和二次衬砌后压力下降支持失败。当支持刚度加强(图13 (b)),最大主应力比weak-stiffness增加更严重的情况,达到峰值,随后迅速下降(代表岩爆的影响)。

3.3。机理分析

为了解释岩爆影响刚度的大力支持下,我们将应力分类进化(图13 (b))分为三个阶段:开挖阶段(静态计算),爆破振动阶段B(动态计算)和岩爆阶段C(静态和平衡计算)。围岩完成分步开挖和衬砌的强烈支持开挖阶段。衬砌应力高度集中,远远超过了围岩压力,这表明衬砌应力方法失败的临界状态。在爆破振动阶段,内壁没有由于爆破压力波动,和衬里压力降低到一个较低的值。衬里的失败导致的损失在围岩的支持,这是类似于围岩突然卸载效应和结果的应力再分配和岩爆的阶段。

图14介绍了前阶段(开挖和爆破阶段)strong-stiffness岩爆。强劲的衬里很大程度上限制了围岩的变形在开挖阶段,和一个大能量集中发生在衬砌(压力方法严重故障状态);围岩的损伤值不明显。在爆破振动阶段,在围岩衬砌裂缝,裂缝数量的衬里远远超过围岩(图15);衬里释放的能量浓度及其损伤值达到一个,这将导致突然卸载和周围岩体的岩爆影响。

图16网站介绍了隧道衬砌的损伤和失败。内壁通常裂缝即使没有岩爆由于强大的刚度支持应用于高压围岩(图(16日)),它提供了存在的证据突然卸载效应。岩爆发生时,大规模的围岩和衬砌裂缝裂缝发生,可能达到30米(图及其范围16 (b)),包括衬砌裂缝在前面阶段的岩爆和衬砌裂缝造成的强烈的岩爆能量释放。

4所示。结论

(1)研究表明,在强烈的Micangshan隧道岩爆,最初的设计支持系统可大大提高其强度和刚度和岩爆特性造成了重大的影响。大型能源的频率微震的事件和岩爆发育时期的增加。岩爆的特点是强度高,强大的能量释放和影响范围广。(2)岩爆具有独特的裂缝和微震的特征选择评估从弱到强支撑刚度的影响。刚度的大力支持使得围岩无法充分发挥其自营能力的挖掘,从而积累更高的能源。在岩爆的发展,很大程度上微震动的频率增加;微地震事件的强度增加明显;累计微震的平均位移增加明显(突然)来源。的特点,这些指标可以作为潜在的强岩爆的先兆。(3)理解支持系统之间的关联和围岩的微震动有助于判断支持系统的适用性。强大的刚度变化微震的事件类型的支持,和事件的比例低能量和大体积明显增加,这表明岩爆的发展往往会产生能量积累和能量转移。同时,围岩微震的活动导致更大的围岩压力,和支持结构附近的高应力集中和失败状态。这些现象表明,支持系统的选择应使围岩发挥自营能力和释放围岩的压力。(4)岩爆的影响数值模拟说明强大的刚度支持对岩爆的影响。衬砌的应力高度集中在隧道开挖和衬砌的影响下很容易失败的外部负载(如隧道爆破),导致一个“突然卸载”对围岩的影响,导致一个更强的岩爆的影响。网站的照片证实了衬砌的围岩卸荷的影响。(5)本研究有助于阐明机制地下工程围岩断裂上支持系统,建立早期预警和支持深工程岩爆判据,可确保安全、高效的工程活动。然而,我们的研究结果可能受到工程和地质条件的特殊性。有必要进一步探索机械支持系统对岩爆的影响,揭示支持系统之间的交互和微震动。

数据可用性

底层数据支持我们的研究结果不可用。

的利益冲突

没有报告的作者潜在的利益冲突。

确认

作者承认金融支持合作项目的军事科学院国防工程研究所(合同编号2019 - jkgf c01 - 1003);中国国家自然科学基金(批准号41807255)。