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行业动态

岩爆孕育演化机制、规律、预测与动态调控
发布时间:2022年06月06日

以岩爆孕育过程为主线,介绍岩爆孕育过程的特征、规律、机制、预 警与如何调控方面的研究进展。岩爆是高应力和大埋深条件下,地下工程开挖诱 发的动力灾害。岩爆有多种类型,有应变型的,破裂面非常完整的,还有应变与结 构面滑移型。结构面控制岩爆爆裂形态的类型。从时间上,有开挖过程中很快发 生的即时型岩爆,还有时滞型的岩爆。不同类型的岩爆孕育的演化规律和机制是 不一样的,我们现场通过钻孔摄像观察的结果表明,在岩爆孕育的过程当中,它会 产生新的裂隙,也就是图中红色部分所表示的。开挖一天之后,很多红色所示的 裂隙产生,没有贯通的新生裂隙两天以后贯通,如图中蓝区域域所示的,直至岩爆 的发生。我们从裂隙的宽度来看,无论是开挖之前的原生裂隙,还是开挖引起的 新生裂隙,它的宽度都有可能增大,也有可能减小,这意味着在岩爆的孕育过程有 张拉破坏、剪切破坏,甚至二者的混合型破坏。从微震信息的演化规律来看,大多 数即时型岩爆,微震事件数持续增加,空间在不断地集中,而且它在发生之前没有 明显的平静期,多是轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆,表明岩爆越强烈,微破裂事件 越多,而且能量越大,这是一般性的规律。在能量释放方面,能量释放持续在高 位,有下降的趋势,在岩爆发生之前有增加的趋势。非弹性体积变形会持续增加, 而且有突然增加的趋势。 岩爆孕育的机制是什么呢?通过我们提出的分析方法对监测到的整个孕育 过程中微震事件进行分析,我们发现对于即时型、应变型岩爆主要是拉伸破裂事 件引起的,从观看爆坑的形态,也能看到非常光滑完整的爆坑。我们可以给出每 个微震事件产生的裂隙的长度及其产状,我们看到新生裂隙的产状的演化特征, 如果投影在断面图上可以定性分析到爆坑如何形成,岩片不断弹射出来,形成爆 坑。即时性应变结构面滑移型岩爆:多数微震事件是拉伸破坏引起的,除此之外 还有剪切破裂事件,还有绿色所表示的混合破裂事件,爆坑的形态比应变型岩爆的更为复杂。从破裂面的形态、长度来看,变化比较大,沿着隧道投影图来看,沿 着原来的硬性结构面有剪切滑移作用,从隧道断面来看,也可以看到爆坑大致的 形成过程。 这样的一个规律是否有自相似性?我们对它进行了时间分形行为的研究。 从这两个图可以看出,这六个不同等级的岩爆,包括轻微、中等和强烈岩爆,在岩 爆孕育过程中,时间分形维数都在不断增大,到发生的时候在减小。从微震的能 量释放方面,随着能量释放的增加,分形维数也在增大。如果一个区域多次发生 岩爆,其孕育过程同样存在着分形特征。在一个区域内,一天内发生的岩爆次数 的增加,能量分形维数也在增加,而且随着平均能量释放的增加,能量分形维度也 在增加,这表明即时型岩爆孕育过程有一定的自相似性,这为后面基于微震演化 信息的演化规律所建立的岩爆预警提供了科学的依据。 时滞型岩爆:在开挖过程中,它的孕育规律和即时型岩爆大致相当,但其之后 存在明显的一个平静期,很少或者没有微震事件发生,平静期可以有几天,甚至几 十天,这样对岩爆的预警产生了更大的困难。从能量的演化规律和非弹性体积变 形演化规律来看,同样存在这样一个平静期;从机制上,除了拉伸破裂事件以外, 还有多个剪切事件,以及多个绿色所示的混合破裂事件。从微破裂事件的分布来 看,时滞型岩爆比即时型岩爆要更加复杂,从爆坑的照片来看也是这样。 在这样一些规律和机制的认识基础上,如何进行合理的岩爆风险估计和预测 预警。风险估计和预测预警,希望在开挖之前有一个估计,在开挖的过程当中如 何根据实际的地质条件和微震实时监测的信息进行岩爆的即时预警。风险评估 和预警力争能够做到定量化,包括岩爆可能发生的区域、等级及其概率。我们更 关心岩爆发生断面的位置及其爆坑的深度,这样使岩爆防治具有更好的针对性。 从这个图可以看出,岩爆可能会发生在顶板、左拱肩、右拱肩、左侧墙、右侧墙、左 拱角、右拱角,甚至底板开裂。这样一来,我们需要给出断面具体位置上岩爆风险 估计。岩爆等级的划分有很多方法,包括国家标准。我们在前人工作基础上,重 点对支护破坏程度和工程影响程度给予了具体的划分方法,并且对声响特征、围 岩破裂特征和破坏深度,以及支护破坏程度和工程影响程度等四个方面分别进行 评分,根据总分的多少,给出岩爆的等级:轻微、中等、强烈、极强。利用微震能量 指标,也建立了一个岩爆等级划分的方法。有了这样一个等级,对岩爆的预警就 有了一个基础和可以参照的指标。首先在开挖之前要对岩爆的倾向性做估计,我 们建立了 RVI新的指标,它考虑到水平与垂直的应力比系数、开挖洞型、应力偏转 以及矿物成分、含量、平均颗粒尺寸,起裂强度、损伤强度,还有开挖一起引起的包 括单双向开挖、单多洞开挖,以及地质构造方面的褶皱、断层、硬性结构面等等,综合对岩爆的倾向性给出 RVI的评分,基于 RVI评分我们可以通过大量分析,统计 得出其与爆坑深度的关系。 第二个方面,我们关心隧洞洞室开挖以后,其断面位置上不同处围岩体的破 坏程度。所以,我们提出了破坏接近度的新指标,可以给出不同位置上的围岩破 坏程度。下台阶开挖以后会引起围岩损伤程度、破坏程度的增加。对岩爆来说, 是有能量释放的问题,局部能量释放率可以给出围岩不同部位破坏时能量释放的 大小。而且下台阶开挖以后,局部位置可以看到危险性在增加。在这基础上,再 考虑到体积,可以得到该区域总的释放能量,有这样一个指标可以对岩爆断面上 可能的风险给予估计。 第三个方面,是基于微震信息演化规律的岩爆预测预警。我们现场监测获得 了微震事件随时间演化规律,包括微震事件及其每天的增长速率、能量及其速率、 非弹性体积变形及其每天变化的速率。这六个指标,每个指标分别建立隶属度函 数,包含岩爆四个等级:强烈、中等、轻微,甚至无岩爆的隶属度函数。一个实际数 据输入后,可以得到这六个指标所隶属度的概率,将其相加起来,就可以得到每个 等级岩爆可能发生的概率。这是基于微震信息的岩爆预警。如果有明显的前兆 规律,岩爆预警能给出的比较好。但是有些情况下,尤其是时滞型的岩爆,前兆规 律很不明显。我们考虑到既然有大量的工程实例在手,是不是可以基于工程实例 学习的神经网络方法。比如说考虑到埋深、应力比、区域构造、强度应力比、岩体 完整性、支护效果等等,建立其与爆坑深度和岩爆等级的关系。这里给出八个例 子表明,在不同的深度、不同的地质条件下,神经网络可以给出好的结果。这样一 来,在开挖前,用 RVI、神经网络和数值分析方法,可以预计爆坑的深度和岩爆等 级,以及断面上哪个位置岩爆风险可能比较高。然后,在开挖过程中,根据现场实 际揭示的地质信息,可以及时运用这三个方法,对预测结果进行及时的动态更新。 在实际应用过程中,在这一区域得到的微震演化信息,用刚才介绍概率的方法,可 以用前几天的数据来预测这个区域岩爆的等级和概率。 在岩爆预警之后,最关键是如何防止和避免岩爆的发生。针对岩爆孕育过程 提出了相应的动态调控的方法,利用前面的方法可以对岩爆的区域和等级进行风 险估计。我们考虑是不是可以有三步走的策略?第一步是减少能量释放,通过不 断优化开挖断面的形状、尺寸、台阶的数量、开挖的速率、导洞形状、尺寸、超前距 离等等,通过这样的优化,尽可能减少开挖过程中的能量聚集水平。如果需要考 虑预释放和转移能量,通过优化应力释放孔位置、长度、间距,以及应力和能量集 中转移优化,尽可能一定程度上预释放和转移一部分能量。如果还不行的话,就 是走第三步:吸收能量,及时喷混凝土增加岩体的延性,通过锚杆等支护系统的参数优化来尽可能地吸收一定的能量。当然可以通过一些实例的分析得到开挖与 支护措施优化建议,在开挖之前进行设计。在开挖过程当中,根据新揭示的信息, 可以做进一步开挖和支护的调整,以及基于微震信息的演化规律,进行开挖支护 过程的动态修正,尽可能地降低和避免岩爆的发生。 对于同样的断面尺寸,圆形硐室有利于减少岩爆的风险。对于同样直径的深 埋隧洞,在降低岩爆风险方面,台阶高度小的要比大的好一些。室内的实验结果 表明,在一定应力范围内,随着卸荷速率的增加,岩石强度在增加。这意味着一旦 岩体发生破坏,它释放的能量就会更大。随着卸荷速率的增加,剪胀角增加得很 快,这表明可能产生更多的宏观裂纹。所以要适当控制开挖卸荷速率,来减少岩 爆的发生风险。关于开挖步长的影响,从能量的角度来看,随着开挖步长的减少, 能量在减少,但是塑性区域变化不大,这表明合适的开挖步长和速率有利于减少 岩爆的发生。以局部能量释放率和 ERE为指标,以粒子群和数值计算进行开挖 参数的优化,可以获得满足工程施工可能和工程要求的开挖方案。 实验结果表明,在单轴压缩情况下,硬岩的脆性比较大,施加小的围压力,延 性有一定的增加。这表明即时喷层可以提供一定的表面围压,来提高围岩的延 性。如何设计锚杆的参数?基于爆坑深度和超过破坏范围的有效锚杆长度,可以 给出锚杆的长度设计。单位面积锚杆所吸收的能量与单个锚杆所吸收的能量、锚 杆的间距、面积相关。对于一个支护系统来说,它到底能够吸收多少能量,包括锚 杆、钢筋喷射混凝土、永久性锚杆等,给出相应的能量计算方法。只要永久性锚杆 的长度达到围岩长期安全系数等于 1的边界,即可。单位面积内支护系统的吸能 要大于岩爆发生时单位面积释放的能量,这样的能量从一定角度可以基于局部能 量释放计算。为了现场使用方便,针对四个不同岩爆的等级,分别对地质勘察、开 挖和监测预警、支护给予了相应的对策,包括开挖的优化、支护设计的优化、性能 的要求,是不是要形成微震监测等等给出了建议。 这样一套方法先后在锦屏二级水电站深埋隧洞和排水洞进行了成功的实践。 锦屏二级水电站四条深埋引水隧洞,单洞长 167公里左右,最大埋深是 2525米。 排水洞 7米左右的直径,在 2009年 11月 28日发生了极强岩爆,在这之后对岩爆 的现场监测预警给予了高度的重视。我们的工作一个是在前面研究的基础上,建 立一个强烈与极强岩爆的 TBM开挖洞段上导洞开挖方案,通过对 TBM全断面开 挖、中导洞开挖、不同断面尺寸的上导洞开挖方案进行比选和优化,从降低能量聚 集水平的角度,建议了上导洞开挖的方法。从现场微震监测结果来看,这一边是 有导洞开挖方案,这一边是没有导洞开挖方案;从微震事件的演化,以及能量的演 化来看,有导洞的明显得到改善;从岩爆事件发生的速率和大小也可以看到这一 点。从岩爆实际发生的情况也可以看到,有导洞的情况下,这一区域发生两次轻 微岩爆;在没有导洞的情况下,这一区域发生了多次轻微岩爆、两次中等岩爆和一 次强烈岩爆,从微震事件的大小也可以看出这样一个规律。这表明导洞取得了一 定的效果。 强岩爆洞段应力释放孔的深度和位置确定。我们的计算结果表明,掌子面前 方,应力释放孔长度可在 6m左右,断面位置上可以是 9m左右。对 3号 TBM 2 -1实验洞的现场观测结果表明,TBM开挖诱发的声发射主要集中在断面的 9m 区域和掌子面前方的 6m左右的范围内,这说明现场的结果和计算结果比较吻 合。优化建议了不同等级岩爆洞段支护参数,分为轻微、中等、强烈、极强岩爆,包 括初喷、锚杆、钢筋网以及护坑等分别进行了建议。支护系统的性能计算结果表 明,仅仅靠支护很难解决锦屏大埋深情况下的岩爆风险控制问题,也就表明需要 通过开挖优化策略来降低能量的聚集和释放。对强烈岩爆和极强岩爆,给出了不 同类型的锚杆长度建议,基本上都被设计所采纳。在典型洞段进行了岩爆的微震 监测和预测预警,我们开始工作的洞段埋深在 2150~2525m,涉及 1、2、3、4号引 水隧洞和排水洞,在这个工作取得较好的效果之后,因施工单位的强烈要求,增加 了对 3号、4号引水隧洞和排水隧洞 1600~2100m埋深的洞段进行了微震监测和 岩爆预警,整个监测预警的总长是 124km。 总体的效果是,微震连续监测期间发生了 275次岩爆,预测并发生岩爆有 243 次,占实际发生岩爆次数的 88%左右,其中岩爆预测的区域与实际发生的区域相 一致的占 854%,区域有点差别的占将近 3%。这可能有几个原因:一是预测有 偏差;二是预测这个区域有高等级的岩爆,加强支护后,岩爆转移到其相邻区域支 护比较弱的区域发生;三是前兆规律不明显。基于微震信息的岩爆预警,前兆规 律不明显而未预测到的岩爆有 32次,占 1164%,少数是强烈岩爆,多数是轻微岩 爆,还有接近应力型塌方等等。这样预警之后,通过调整开挖速率和加强支护,来 预防岩爆的发生,或者降低岩爆的等级。这里给出三个实例,第一个例子,我们预 警是强烈岩爆,通过调控之后降为中等岩爆。随着开挖的进行,微震的事件数和 能量在不断地聚集,我们在 9月 8日预警是强烈岩爆,开挖进尺由 9月 8日的 1625m降到 955m,而且局部增加了 6m长的系统锚杆,发生了中等强度岩爆。 在 10日掘进速率又降到 625m,发生了中等强度的岩爆,随后这个区域得到很好 的控制。第二个例子,预警是中等岩爆,结果是没有发生岩爆。随着微震活动性 不断增加,在 10月 28日预警是中等岩爆,建议补充系统锚杆,三天连续加强系统 支护,微震活动性得到很好的控制,也避免了岩爆的发生。第三个例子,在隧洞贯 通之前,两个掌子面相向掘进,何时改为单相掘进?我们的数值计算结果表明,随着两个掌子面不断掘进,应变能不断地集中,岩爆的风险不断增加。10月 25日, 我们预警在 2-1-E掌子面附近,在两个掌子面贯通之前有发生中等岩爆的可能 性,并建议停止这个掌子面的掘进,改为仅由 1-1-W 掌子面单向掘进,并加强 支护。一天之后果然发生了中等岩爆,我们强烈建议改为单掌子面掘进,然后微 震活动性得到很好的控制。29日,施工单位又恢复 2-1-E掌子面的掘进,它的 微震活动性增加。30日,仅仅 1-1-W 掌子面掘进并加强支护,直至掌子面贯 通,取得较好的效果。总体来说,对整个 241个洞段累计洞长 76公里进行了不 同等级的岩爆预警,避免了 135个强岩爆洞段,累计 4公里不同等级岩爆的发生, 降低了近 13个洞段 400多米长的不同等级岩爆的强度。在整个区域中,微震监 测和岩爆预警对岩爆的防治、指导施工发挥了重要的作用,各监测洞段施工过程 中,未发生岩爆造成的严重后果,确保了施工过程中人员与设备的安全和工期, 2011年 11月 4条引水隧洞和排水洞都贯通了。 总体来说,通过现场实时综合观测实验,揭示了两种不同类型的岩爆孕育过 程中裂纹、变形、波速、微震信息和演化规律及其机制,在这个基础上提出了信息 动态更新岩爆风险评估和预警方法,包括 RVI方法、数值方法、工程实例类比神经 网络方法,以及微震信息演化概率方法,在这个基础上考虑动态调控的方法,也就 是三步走的策略,减少能量聚集,预释放和转移能量、吸能,再加上微震信息动态 演化规律的动态调控方法。在这个过程中,得到相关单位和项目的大力支持,而 且通过学术交流,也得到更多的鼓励,特别要感谢二滩公司、华东设计院、施工单 位、矿山等一起合作,使这个项目进展非常的顺利。