大凉山地区深埋高地应力公路隧道岩爆机理及防治对策

本文以乐西高速大凉山2号隧道工程为依托,对大凉山地区深埋高地应力公路隧道岩爆机理及防治对策进行研究。从深埋隧道岩爆孕育力学角度出发,结合能量及应力条件,运用有限元分析软件MIDAS-GTS-NX分别建立隧道在不同埋深、进深及断面形状的三维有限元模型,对围岩应力特征进行比较分析。研究结果表明：从力学角度来看,岩爆的孕育过程是由弹性转换为塑性,并发生在塑性岩体中,周围弹性岩体负责为其提供能量,围岩储存的能量和开挖导致的应力集中分别是岩爆发生的根本条件和触发条件;隧道埋深、进深以及断面形状是影响隧道岩爆的重要因素,其中埋深对其影响最为明显,围岩最大主应力与隧道埋深、开挖进深及断面大小呈正相关性;隧道埋深在600 m左右时,围岩最大主应力达到45.90 MPa。根据强度应力比法,结合施工钻孔取芯参数,最终结果表明大凉山隧道属于极高地应力区,具有发生岩爆的风险,施工时应当采取相关防范措施。     

隧道施工期岩爆超前地质预报方法探讨

为解决硬质岩隧道高地应力环境下岩爆预测方法少,预测准确度不高的难题,本文通过分析隧道勘察期地应力和施工期岩爆特征,基于沟谷型岩爆首次提出TSP物性参数预测岩爆段落的方法,并形成了一套岩爆分析的全序列预测体系(岩爆环境分析、物探长距离预测、微震监测近距离预警、现场观听),可远、中、近有层次预测岩爆风险。研究成果表明：(1)小于500 m埋深的沟谷型岩爆有沿洞轴向呈“链式”发生的特点,深埋大于800 m的深埋型岩爆具有一定离散性。(2)满足动态弹性模量>70 GPa,静态弹性模量>60 GPa,密度>2 800 kg/m³,泊松比<0.25,横波波速v_S>3 200 m/s,纵波波速v_P>5 500 m/s,发生岩爆可能性更高;(3)掌子面炮孔钻进明显缓慢,少量有堵孔现象,爆落有效进尺小于炮孔深度,人耳偶尔可听到围岩表层有爆裂声,声响剧烈且持续时间长,发生岩爆风险更高;本文研究成果和手段可为类似高地应力环境下岩爆预测和防控提供参考,具有推广意义。     

深埋公路隧道高地应力场特征分析及岩爆预测

深埋隧道岩体中有较高地应力,在岩石强度较高的围岩处易发生岩爆,影响围岩稳定性。笔架山公路隧道埋深大,为降低其安全建设风险,通过工程区岩样岩体力学实验对围岩性质进行研究,结合地应力资料建立三维有限元地质模型反演隧址区地应力场,最终利用谷-陶岩爆判据和强度应力比岩爆判据对笔架山隧道岩爆状态进行预测。结果表明：隧道工程区内岩体有中等-强烈岩爆倾向;隧道沿线地应力场由自重应力场主导,大多数区段岩体处于极高应力状态,且水平最大主应力与隧道夹角较小,有利于围岩稳定;开挖后沿线围岩最大主应力峰值为63.2 MPa,均发生在断面侧壁,因此在该部位发生岩爆的可能性较大;隧道沿线24%区段有发生岩爆的可能,且以中等-高岩爆活动为主,岩爆预测结果可为隧道开挖施工和灾害防治提供参考。     

大岗山深埋硬岩公路隧道岩爆预测

位于川西和青藏高原接触带的长大深埋硬岩公路隧道建设面临极大的岩爆危害,对其岩爆倾向性的准确预测是解决这一瓶颈问题的关键手段。以泸石高速大岗山隧道为工程背景,基于地勘中地形地貌、地质构造、岩石力学参数和地应力实测数据资料,采用数值模拟和数理统计相结合的方法,反演分析隧址区全线初始地应力场,系统分析了大岗山隧道各断面开挖洞周围岩二次应力,基于应力判据法对其岩爆发生情况进行了综合预测。结果表明:隧道全线地应力场分布规律以竖向应力为主,竖向应力量值最大达33.25 MPa,且局部地应力复杂,水平构造作用明显,以NWW-SEE向挤压作用为主,具备发生岩爆条件;隧道埋深大于408 m时有中等、强烈岩爆活动,中等岩爆段长度占隧道全长的13.8%,强烈岩爆段长度占隧道全长的39.7%,且埋深大于450 m时岩爆在边墙部位发生;岩爆发生受地形地貌、地质构造影响显著,由于地应力在软弱岩体中得到释放,断裂带、辉绿岩脉内部无岩爆活动,而断裂带和沟谷地形会使其附近完整花岗岩段内出现地应力集中现象,从而加剧其岩爆烈度。     

梯度应力作用下模型试件声发射-红外特征及岩爆孕育演化研究

为研究不同梯度应力作用对岩体岩爆特性的影响及岩爆孕育的时空演化规律,借助YB-A型岩爆模拟试验装置对具有岩爆倾向性的模型试件进行梯度应力作用下的加卸载试验,利用高速摄像机、红外热像仪和声发射(AE)等监测手段,捕捉试件在加载作用下的AE变化特征及红外辐射特征,对模型试件加载过程中AE特征参数进行处理并对热像进行图像增强处理与能量演化分析,分析梯度应力作用下模型岩爆孕育过程的时空演化规律。研究结果表明：模型试件受均布加载、低梯度加载与高梯度应力下的岩爆孕育演化特征存在明显差异;模型试件在梯度应力作用下的岩爆孕育过程中呈现出的AE特征、红外辐射时空演化特征与岩爆孕育发生过程具有良好的同步性,且其AE特征与红外辐射特征随应力梯度作用的不同而存在明显的差异;随着模型加载应力梯度的增大,模型加载过程中能量累积段时间增加、耗散阶段时间变短、能量释放率变大,能量积累-耗散-释放各个阶段的差异是模型岩爆烈度随加载应力梯度增强的原因。     

高海拔地区隧道岩爆影响因素及防治措施探讨

隧道岩爆段施工仍是个重大难题,高海拔隧道施工环境中岩爆现象既危害作业人员安全,又使机械设备的工作条件恶化,故障增多,甚至造成施工无法进行。分析了岩爆发生的特征及影响因素,并提出了岩爆防治措施,包括注水或喷水减压湿化掌子面、围岩应力分散及支护参数加强等,基于施工实践,指出本隧道防治措施为达嘎山隧道安全施工和支护设计优化提供了数据,也为高海拔地区复杂地质条件下的岩爆防治提供了一定的参考。     

深埋隧道白云岩试样岩爆模拟实验研究

基于深埋隧道开挖工程的高应力条件及构造应力发育特征,利用深部岩爆实验系统,模拟了两种构造应力条件下白云岩的岩爆过程:三向应力作用下板状试件瞬间卸载一个方向应力,保持其他两向应力不变或保持其中一向应力,增加另一向应力.实验获得了应力-时间、应力-应变、声发射特征及岩爆破坏规律.研究表明:本工程区内构造应力引发白云岩岩爆的可能性较大,岩爆临界深度为290m.竖向构造应力引发的岩爆表现为局部片状崩落,从卸载后发生时间看属于滞后岩爆;水平构造应力引发的岩爆强度更高,表现为块状弹射后整体破碎,属于瞬时岩爆.声发射峰值均出现在岩石裂隙发育段,而密集度最高值对应岩石破裂段.声发射峰值处的最大主应力约为岩石破裂时最大主应力的77.4%.     

深埋隧道强烈岩爆孕育微震主频演化规律

岩爆是深埋隧道施工过程中常见的一种地质灾害,严重制约深埋隧道开挖的安全和效率。本研究从岩爆孕育相关的岩体破裂所释放微震波频率的角度出发,建立了基于微震波频率衰减特征的隧道岩体破裂微震主频计算方法。分析了锦屏二级水电站引水隧洞群大埋深大理岩洞段,隧道掘进机(TBM)和钻爆法两种施工方法下的典型强烈岩爆案例。研究结果表明:TBM强烈岩爆孕育时岩体破裂微震主频由高向低交替变化,且在岩爆发生当日降低到最小,钻爆法强烈岩爆的微震主频演化则是无序的;TBM和钻爆法强烈岩爆孕育过程中单日最小微震主频一般低于200Hz,且TBM单日最小微震主频呈逐渐降低的趋势。微震主频的演化规律可为深埋隧道岩爆预警预测提供参考。     

桑珠岭特长隧道初始地应力场反演分析

桑珠岭隧道是拉萨-林芝铁路的控制性工程,工程区地质条件复杂,面临着深埋隧道高地应力灾害问题。因此,对其展开初始地应力场分析为保障隧道安全施工及优化结构设计具有重要意义。以现场勘察工作为基础,综合分析工程区地质资料,利用工程类比法和Anderson理论估算了隧址区主应力方向与量值范围;结合现场地应力实测数据,利用多元线性回归分析方法,进行了隧道工程区地应力场的三维反演计算分析。结果表明:测点地应力反演值与实测值在量值与方向上存在较好拟合关系;且同区域构造背景相一致,说明计算结果具有一定的合理性与可靠性。最后,通过分析桑珠岭隧道沿轴向的地应力分布规律,对隧道沿线的易发岩爆段及岩爆等级进行了初步预测,为后期隧道开挖及支护结构设计提供依据。     

爆破开挖扰动作用下深埋隧洞的微震分布规律

基于地应力高、开挖断面大、日炮次多、爆破扰动强的施工环境下的微震监测数据,研究了爆破开挖扰动作用下深埋隧洞的微震分布规律.结果表明:爆破开挖卸荷影响范围内的微震活动既与围岩应力重分布有关,又与爆破扰动密不可分;爆破扰动是开挖卸荷影响范围之外微震活动的主要诱因,是时滞型岩爆孕育发生的重要影响因素之一;微震分布区域与爆破地点的相对位置及距离密切相关.研究结果可为钻爆法开挖下的隧洞岩爆防治提供参考.     

基于GD-DNN模型的岩爆烈度等级预测方法与应用

岩爆是深埋隧道施工过程中开挖时形成临空面，引起能量突然释放的现象，轻则岩片剥落，重则造成人员伤亡和财产损失，其危害程度取决于岩爆烈度等级，因此岩爆烈度等级预测是急需解决的难题之一。本文针对单一指标预测法预测效果不理想的问题，首先设计并实现了综合指标法和针对多分类问题的分类器，其次提出并建立了基于梯度下降(Gradient Descent)算法优化深度神经网络(Deep Neural Network)的GD-DNN岩爆烈度等级预测模型。实验结果表明：GD-DNN模型预测的准确率达到95.8%，相比机器学习算法K最近邻(K-nearest neighbor，KNN)、支持向量机（support vector machine，SVM)和深度学习算法DNN分别提高了45.8%、38.7%和8.3%，同时在精确率、召回率和??1值三项指标上均优于其他模型。最后在秦岭隧道、大相岭隧道、通渝隧道和马路坪矿井4个实际工程中检验模型的预测效果，检验结果证明GD-DNN模型能够精准预测岩爆烈度等级，研究成果可应用于深埋隧道工程中。     

岩爆岩石断裂机理的电镜分析

为探讨岩爆形成机理,应用扫描电镜对岩爆岩石断口微观形态进行了观察研究．结果表明：岩石解理断裂存在一个明显的主断裂路径,岩爆断裂的微观机制主要是在拉伸、剪切作用下岩石发生低应力脆性断裂;从岩石断裂微观形态研究岩爆岩石断裂,可以更好地揭示岩石断口微观形貌特征、裂纹生核、扩展及断裂方式与岩爆演进过程的联系     

冲击地压震源机理研究

为了进一步理解冲击地压发生的机理,解释冲击地压发生的过程,本文在论述了冲击地压发生的刚度理论、能量理论和失稳理论的统一性的基础上,提出了冲击地压的震源机理,认为冲击地压是一个动力学过程,它包括冲击地压震源的形成,冲击地压应力波的形成及传播和在应力波作用下自由面处岩体的破坏及冲出三个子过程,冲击地压发生所需能量由震源提供,而冲击地压的破坏作用是应力波造成的。利用震源机理分析了冲击地压的发生过程,揭示了震源形成的规律,推导出了应力波最大应力峰值的计算公式,给出了应力波传播衰减规律,解释了应力波在自由面处对煤体的破坏作用。     

深井硬岩岩爆倾向性评价

岩爆是深井硬岩矿山开采中的主要灾害,岩性是决定岩石能否发生岩爆的内在固有因素,根据岩石室内力学性质试验结果来评价岩爆的倾向性,是一种既有效又经济的方法·对取自凡口铅锌矿深部的矿岩石进行了单轴抗压强度、抗拉强度、全应力-应变曲线、加卸载曲线等试验研究,从岩性角度用脆性系数、应变能储存指标、岩爆能量比、DT法等方法评价了凡口铅锌矿矿石和岩石的岩爆倾向性,结果表明该矿矿石和岩石均具有明显的岩爆倾向性·     

玉维高速科色特长隧道地应力特征及工程地质意义

玉维高速紧邻金沙江西岸,全程共30座隧道,隧道占总里程的52.55%,隧道建设中极有可能遇到复杂地质问题及地应力的影响。以玉维高速科色特长隧道地应力特征为研究对象,完成了6个点的地应力测试工作及岩石室内物理力学测试,结合构造稳定性、岩爆分级、隧道空间布置分析理论完成了该隧道工程地质意义研究。研究结果表明：地应力在垂直方向上随深度以似线性增长趋势,整体表现为“浅部以走滑型地应力场为主、深部以正断型地应力场为主”的规律;地应力特征表现为“浅部区域以水平构造应力为主,深部以垂直应力为主”;各测点的最大剪应力与平均应力之比值均未达到稳定临界值,隧道周边的构造相对稳定;岩爆级别随深度逐渐增大,但级别为中等至轻微;隧道方位分析表明,隧道（右幅）K24+995至K25+730段隧道方位不利,K25+730至K28+200段隧道方位有利。