岩体隧洞岩爆过程微震特征及其扩展机制

发布时间：2019-10-15 07:13

【摘要】：基于深部岩体隧洞不同开挖方式下的岩爆现场情况及微震监测数据,确立了最大能量微震事件岩爆发生时间、等级的判定标准。在此基础上,对深埋隧洞即时型岩爆的孕育及发生过程进行了研究,结果表明:即时型岩爆孕育过程中围岩岩体处于破坏加速集聚并不断扩展的过程,此过程中微震事件数量不断增加、能量参数不断增大,当岩爆发生时达到最大值;TBM开挖过程可近似为准静态卸荷,受到开挖方式的影响其裂隙扩展范围相对较小,围岩承载力也较强;而钻爆法开挖是初始应力的动态卸荷,爆破冲击荷载造成的裂隙扩展范围较大,同时其围岩储能能力相对较差。
【图文】：

锦屏二级水电站,位置

第1期于洋:岩体隧洞岩爆过程微震特征及其扩展机制图1锦屏二级水电站位置Fig.1LocationofdiversiontunnelsofJinpingⅡhydropowerstation头最高、装机容量最大的引水发电站，属于雅砻江梯级开挖中的骨干水电站。工程枢纽主要由首部抵闸、引水系统以及尾部地下厂房3部分组成。水电站深埋隧道围岩以Ⅱ，Ⅲ类大理岩为主，岩石坚硬完整致密，少有结构面发育，单轴抗压强度为55～114MPa，弹性模量为25～40GPa，变形模量为8～16GPa。施工过程中发生规模不等的岩爆数百次，岩爆发生区占隧洞总长的18.68%，累计长度达8km以上，，对施工进度及工程安全造成了巨大影响。本研究根据岩爆发生时所发出的声响级别、爆坑断面尺寸及其孕育过程中的破坏特征，将岩爆划分为轻微、中等、强烈3个级别，具体划分标准详见文献［7］。依据上述标准纵观整个引水隧洞的开挖过程，轻微～中等岩爆区域累计长度达6km，强烈的达到2km以上。运用南非ISS监测系统，对锦屏二级水电站深埋隧洞钻爆法及TBM两种不同开挖方式下的整个开挖过程展开连续性微震实时监测研究。2岩爆孕育过程的微震特征分析2.1微震事件的评价指标岩石破裂过程中会以弹性波的形式向外辐射能量，理论上每一个破裂产生时都会向外界辐射弹性波，即为一个微震事件。微震监测过程中获得的微震事件主要有以下两方面评价参数:(1)微震辐射能E岩体开裂是弹性变形向非弹性变形转化的过程，在开裂的同时会向外界辐射能量，经常用以描述地震发生前岩体的变化特征，微震能量的表达式为:EP，S=85πρvPＲ2∫tS0u2corr(t)dt+85πρvSＲ2∫tS0u2corr(t)dt(1)式中:EP，S(EP+ES)是微震事件能量;ρ为岩体的密度;vP，vS分别为P波及S

微震事件,岩爆,钻爆法,演化特征

水利水运工程学报2017年2月图2钻爆法开挖诱发即时型岩爆最大微震事件演化特征Fig.2Evolutionofmaximummicro-seismiceventswithimmediaterockbursts为1.6m。此次岩爆造成了现场设备的损坏，但所幸并无人员伤亡。此次即时型中等及强烈岩爆孕育及发生过程中最大能量微震事件及其所对应的震级演化特征见图2。从图2可见，钻爆法开挖方式下:①中等岩爆发生过程中，最大能量微震事件的能量为105～106J，震级为0～0.6;②强烈岩爆发生时，微震事件最大能量大于106J，震级则大于0.6;③对于一个完整的岩爆孕育过程，最大能量微震事件向高能量、大震级方向移动，当岩爆发生时所对应的能量、震级均达到最大值。2011年1月25日至2月1日期间，上述1－P-E工作面施工过程中无岩爆发生，图3为2011年1月25日至2月1日最大能量微震事件的能量、震级演化特征。从图3可见:无岩爆发生时，每日最大微震事件能量均图3钻爆法开挖无岩爆的最大微震事件演化特征Fig.3Evolutionofmaximummicro-seismiceventswithoutrockburst小于105J;而最大震级也均小于－0.6，甚至达到了－1以下。这表明无岩爆发生时围岩较为稳定，仅有较小尺度的岩石破裂发生。钻爆法开挖方式下多次岩爆孕育及发生过程中的微震事件率随时间变化如图4。从图4可见:钻爆法开挖即时性岩爆孕育过程中岩爆活动区的微震事件数在岩爆发生的前4日至前2日的微震事件率相对平稳并且均小于20%，而在岩爆发生前一日微震事件率迅速上升到25%左右，岩爆发生当天微震事件率达到最大值均约为30%。由于微震事件是围岩破裂的真实反映，因此即时型岩爆孕育过程中的围岩岩体主要经历裂隙的稳定发展阶段、加速集聚、岩爆的发生3个阶段;同时说明图4岩爆孕育及发生过程中微震事件变化规律Fig.4C
【作者单位】：华东交通大学土木与建筑学院岩土工程研究所;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(51509092)
【分类号】：TV554

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