一种时滞型极强岩爆地质判别方法

技术领域

本发明涉及深埋隧道工程技术领域，尤其涉及一种时滞型极强岩爆地质判别方法。

背景技术

交通隧道不断向深部发展，不可避免地穿越地质构造区，地应力极高。同时，深埋地下工程岩体赋存地质条件较为复杂，隧道开挖所处区域存在大量节理裂隙面。由于受到爆破施工影响导致应力重新分布往往发生开挖后几天至几个月范围内的时滞型岩爆，隐蔽性强。强烈或极强岩爆大多数为时滞型岩爆，严重威胁施工人员安全、设备损毁、工期延误。

时滞型岩爆是指深埋高地应力区地下工程开挖卸荷导致应力重新分布，洞室围岩径向应力减小、切向应力增大，应力重新调整平衡后，特别是在外界动力扰动作用下，硬脆性岩体积累大量弹性应变能突然释放引发的地质灾害。在时滞型岩爆发生过程中存在一定时间滞后性和空间滞后性，岩爆预测工作比较困难。国内外学者通过不同角度对岩爆的机理、岩爆的分类、岩爆的预测进行研究。其中，岩爆预测是确保地下工程安全施工的重要前提，并为支护体系和防治措施提供参考依据。目前岩爆预测方法主要有基于理论判据的岩爆预测方法、基于案例分析的岩爆预测方法、基于现场监测的岩爆预测方法等，这些方法均未考虑节理、断层组合形式对时滞型岩爆的影响。

时滞型岩爆通常滞后掌子面一定距离，发生时间难以确定，一般不处于现场岩爆监测范围内，基于现场监测的岩爆预测方法如声发射法，微震监测法等难以像即时型岩爆一样实现精确的时滞型岩爆预警。

基于理论判据的岩爆预测方法以及基于案例分析的岩爆预测方法等评价体系主要包括岩石单轴抗拉强度、单轴抗压强度、脆性指数、应力强度比、强度应力比等参数指标，主要预测方法有Hoek判据、Barton判据、Russense判据、陶振宇判据等。以上这些岩爆预测方法没有考虑到初始地应力主方向对于时滞型岩爆灾害影响，忽略了构造结构面及其组合对于时滞型岩爆孕育过程中的作用机制。

极强岩爆往往是由多组结构面共同切割作用造成。

结构面相对滑动形式以及与最大主应力交切关系是导致大规模时滞型岩爆灾害发生的重要影响因素。

由此可见，对于隧道开挖过程中地质构造进行早期识别统计，监测掌子面附近构造结构面信息，分析构造类型和结构面产状，掌握隧道发生岩爆区域的地质灾害孕育演化规律，为后期时滞型岩爆灾害的防治方法提供数据支持。隧道施工过程中，时滞型岩爆灾害预警工作比较滞后和匮乏，导致现场错过时滞型岩爆风险灾害的最佳治理时机。通过洞室开挖过程中工程地质条件信息收集，对不同结构面组合条件下隧道进行开挖模拟，通过数值计算，总结发生岩爆破坏时地质构造规律，为时滞型极强岩爆预警提供参考依据，对于时滞型岩爆灾害防控工作和机理研究具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种时滞型极强岩爆地质判别方法。

一种时滞型极强岩爆地质判别方法，具体包括以下步骤：

步骤1：对掌子面每个循环开挖里程段的工程地质条件进行分析，具体包括：

步骤1.1：对施工隧道每个循环进尺的掌子面前方地质信息进行现场记录，所述地质信息包括岩性、地形埋深、围岩完整性、围岩质量等级、围岩风化程度、渗水情况、地下水发育条件、节理发育程度；

步骤1.2：对隧道开挖后掌子面揭露围岩状态进行地质素描；

步骤1.3：使用地震波反射法对隧道工程地质概况进行超前地质预报，根据掌子面每个循环开挖里程段所布置的激发孔产生的地震波进行高精度接收器传播速度信息收集；

步骤1.4：使用超前地质预报系统AmbergTSPPlus处理地震波采集数据，获取隧道掌子面前方P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、物理力学参数以及岩石的反射层位；

步骤1.5：根据步骤1.4超前地质预报系统AmbergTSPPlus采集的地震波数据，预报隧道掌子面前方的地质情况包括裂隙、溶洞、断层、软弱岩层以及富水情况，及时获取隧道掌子面前方围岩不良地质体工程信息；

步骤1.6：对掌子面每个循环开挖里程段的地质构造情况，具体包括结构面的数量、结构面的类型、结构面的间距、结构面的位置、结构面的产状、结构面张开度、结构面填充情况、结构面的迹线长度以及结构面与隧道交切形式，进行记录并判断岩爆发生以及岩爆强度等级与结构面空间位置关系和结构面空间组合形式的对应关系；

步骤2：对岩爆破坏区域的爆坑形态和爆坑特征进行分析；

步骤2.1：对隧道岩爆情况进行实时描述，记录岩爆发生过程，并记录现场岩爆区域的爆坑形状以及分析岩爆特点，包括判断岩爆的时空类型以及岩爆的机制类型，根据岩爆规模确定岩爆等级，记录岩爆发生过程以及岩爆发生过程中的声响特征，以及断面位置和爆坑发生位置的桩号范围、爆坑大小、爆块的弹射距离、爆坑的最大深度、爆落岩石形态、断面面积以及爆坑体积，并判断爆坑形态以及爆坑范围与结构面空间位置关系和结构面空间组合形式的对应关系；

步骤2.2：对岩爆破坏断面进行超前地质钻孔，根据孔内钻探结果，记录发生岩爆区域钻孔内部地质构造条件信息，包括钻探过程中岩粉、转速、卡钻情况、钻杆震动情况探明岩性、硬度、风化程度、岩体完整程度、结构面粗糙程度、结构面张开充填情况、岩体出露状态以及地下水发育情况；

步骤2.3：使用断面扫描技术对隧道发生岩爆破坏区域进行超欠挖分析，记录爆坑的超挖面积和欠挖面积、最大超挖位置和最大欠挖位置以及线性平均超挖，识别爆坑形态特征、边界、深度和破坏分布范围；

步骤3：对爆坑与地质构造空间分布关系进行分析；

步骤3.1：根据爆坑区域节理走向与岩层走向和岩层倾向空间位置关系以及爆坑区域断层上盘和下盘相对滑动关系，对岩爆破坏特点进行分析，统计不同倾向和倾角结构面作用下以及正断层或走滑断层条件作用下岩爆的发生频率和强度等级，判断在当前条件下易发生岩爆的结构面危险倾向和危险倾角以及断层错动形式；

步骤3.2：根据结构面的空间分布形式、与隧道的相互位置关系，结合结构面产状特征和发育特征，通过对岩爆现场的观察统计结果，对岩爆破坏特点进一步分析，确定发育结构面处于掌子面每个循环开挖里程段更容易发生岩爆的位置，结构面与当前隧道出现平行、垂直、斜交以及斜交角度更容易发生岩爆的位置关系，以及结构面更容易发生岩爆时的倾向、倾角、间距和迹线长度；

步骤3.3：根据不同地质条件下岩爆破坏信息，当掌子面每个循环开挖里程段出现步骤3.2中的结构面危险位置、结构面危险交切形式、结构面危险倾向和结构面危险倾角、结构面危险间距和结构面危险迹线长度，初步预判掌子面开挖后不同构造特征出露洞室时滞型极强岩爆灾害风险；

步骤4：对隧道岩爆区域进行三维地应力测量；

步骤4.1：根据现场发生岩爆区域的地质构造，确定地应力测点数量、位置、孔深；

步骤4.2：采用应力解除法或水压致裂法确定岩爆区域三维地应力状态，通过在岩体测点位置处钻孔，在孔底位置粘贴应变传感器，钻出岩芯使孔底平面完全卸载，通过获取卸载后平面的恢复应变以及岩石的弹性常量求出孔底平面位置处的应力状态，通过将测试岩层的两端用封隔器密封起来，通过对封隔器的两端进行加入高压水，使钻孔两壁岩石产生裂痕，通过连续几个循环的施压，根据泵压的大小以及裂隙的方向确定原岩的应力状态；

步骤4.3：确定岩爆区域最大主应力方向与构造结构面空间位置分布关系，包括垂直、平行、斜交以及斜交角度；

步骤5：时滞型极强岩爆地质条件判别；

步骤5.1：对时滞型极强岩爆地质条件判别；

根据步骤4中地应力的测量结果，采用步骤1、步骤2、步骤3现场地质调查获取的岩石和结构面的物理力学参数，采用离散元软件建立隧道三维数值模拟计算模型；

所述隧道三维数值模拟计算模型为一个弹塑性平面应变模型，隧道在围岩荷载作用下，横向位移远大于纵向位移；洞室开挖后，岩体初始应力的平衡状态被破坏，围岩发生位移，洞室岩体应力重新调整，应力重分布的影响范围为3-5倍洞径，即数值计算模型的几何尺寸选择在3-5倍洞径范围，洞室上部边界受到开挖卸荷的影响，竖直方向约束被解除，隧道模型上部不受约束，洞室左右边界受到水平方向约束，洞室下部边界受到水平方向约束和竖直方向约束，结合隧道工程实际情况，确定洞室形状、洞室宽度、洞室高度，建立数值计算的几何模型，对掌子面每个循环开挖里程段出现的不同结构面组合形式进行隧道模拟开挖，具体包括多组节理组合作用、多组断层组合作用、节理-断层组合作用，模型中结构面的物理力学参数包括结构面的位置、结构面的倾向、结构面的倾角、结构面的间距以及结构面走向和隧道轴线空间位置关系，包括垂直、平行、斜交以及斜交角度；通过建立不同结构面组合条件下的数值计算几何模型获取二维弹塑性平面应变模型的主应力矢量图和最大主应力图，得到最大主应力数值以及高应力区域，根据最大主应力数值和应力集中情况评估洞室岩爆潜在风险，并结合隧道实际开挖出现岩爆情况时所揭露的结构面组合条件进行验证，通过数值计算获取的最大主应力数值较高以及应力集中明显的危险结构面空间位置组合关系、危险结构面位置、危险结构面倾向、危险结构面倾角、危险结构面间距，在隧道实际开挖过程中发生岩爆时的出现频率；

步骤5.2：根据初始地应力测试结果以及现场地质调查获取的岩石和结构面的物理力学参数，通过建立不同结构面组合条件包括多组节理组合作用、多组断层组合作用、节理-断层组合作用以及相应的结构面物理力学参数包括结构面的位置、结构面的间距、结构面的长度、结构面的倾向、结构面的倾角下的数值模拟计算的几何模型，采用离散元数值模拟软件获取不同工况条件下隧道模型的主应力矢量图和最大主应力云图，进而获取隧道开挖后应力集中情况以及最大主应力数值，得到容易造成应力集中以及最大主应力数值较高的危险结构面空间位置组合关系以及危险结构面位置、危险结构面间距、危险结构面长度、危险结构面倾向、危险结构面倾角，并根据当前开挖区域掌子面所揭露的围岩状态和出露的结构面条件，通过结合不同结构面工况下的几何模型数值计算结果作为后续发生时滞型岩爆灾害风险的判别依据。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明提供一种时滞型极强岩爆地质判别方法，通过分析掌子面、构造结构面、岩爆破坏区域、边界以及最大主应力方向空间位置关系判别掌子面当前所处位置开挖后发生时滞型极强岩爆灾害风险。针对不同地质构造条件采取相应的防控措施，可以一定程度上降低工程风险，提高经济效益，保障施工作业人员安全，对于岩爆灾害频发的地下工程具有较好的应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例中时滞型极强岩爆地质判别方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中掌子面附近区域构造结构面信息统计示意图；

其中图(a)-开挖边界附近较大尺度断，图(b)-开挖边界附近一定尺度结构面，图(c)-开挖边界附近较小尺度裂隙；

图3为本发明实施例中掌子面附近区域构造结构面空间位置示意图；

其中图(a)-结构面与边墙垂直并与掌子面垂直，图(b)-结构面与边墙平行并与掌子面垂直，图(c)-结构面与边墙垂直并与掌子面平行；

图4为本发明实施例中多组断层组合切割岩爆形式；

图5为本发明实施例中多组节理组合切割岩爆形式；

图6为本发明实施例中节理—断层组合切割岩爆形式；

图7为本发明实施例中与边墙平行并与掌子面垂直结构面受力示意图；

其中图(a)-与边墙平行并与掌子面垂直正断层最大主应力受力方向示意图，图(b)-与边墙平行并与掌子面垂直走滑断层最大主应力受力方向示意图；

图8为本发明实施例中与边墙垂直并与掌子面平行结构面受力示意图；

其中图(a)-与边墙垂直并与掌子面平行正断层最大主应力受力方向示意图，图(b)-与边墙垂直并与掌子面平行走滑断层最大主应力受力方向示意图；

图9为本发明实施例中与边墙垂直并与掌子面垂直结构面受力示意图；

其中图(a)-与边墙垂直并与掌子面垂直正断层最大主应力受力方向示意图，图(b)-与边墙垂直并与掌子面垂直走滑断层最大主应力受力方向示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种时滞型极强岩爆地质判别方法，通过分析掌子面、构造结构面、岩爆破坏区域以及最大主应力方向空间位置关系，建立相应的三维地质模型，对不同结构面组合作用下隧道地质模型进行模拟开挖，通过数值计算结果判别掌子面当前所处位置开挖后发生时滞型极强岩爆灾害风险。如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1：对掌子面每个循环开挖里程段的工程地质条件进行分析，具体包括：

步骤1.1：对施工隧道每个循环进尺的掌子面前方地质信息进行现场记录，所述地质信息包括岩性、地形埋深、围岩完整性、围岩质量等级、围岩风化程度、渗水情况、地下水发育条件、节理发育程度；

步骤1.2：对隧道开挖后掌子面揭露围岩状态进行地质素描；

步骤1.3：使用地震波反射法对隧道工程地质概况进行超前地质预报，根据掌子面每个循环开挖里程段所布置的激发孔产生的地震波进行高精度接收器传播速度信息收集；

步骤1.4：使用超前地质预报系统AmbergTSPPlus处理地震波采集数据，获取隧道掌子面前方P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、物理力学参数以及岩石的反射层位；

步骤1.5：根据步骤1.4超前地质预报系统AmbergTSPPlus采集的地震波数据，预报隧道掌子面前方的地质情况包括裂隙、溶洞、断层、软弱岩层以及富水情况，及时获取隧道掌子面前方围岩不良地质体工程信息；

步骤1.6：对掌子面每个循环开挖里程段的地质构造情况，具体包括结构面的数量、结构面的类型、结构面的间距、结构面的位置、结构面的产状、结构面张开度、结构面填充情况、结构面的迹线长度以及结构面与隧道交切形式，进行记录并判断岩爆发生以及岩爆强度等级与结构面空间位置关系和结构面空间组合形式的对应关系；

本实施例中根据掌子面地质素描以及超前地质预报等方法获取施工区域岩体地质信息条件，如图2所示对隧道开挖后掌子面附近区域构造结构面的类型、数量、分布范围等进行统计分析。确定隧道开挖后构造结构面相对于边墙和掌子面的分布情况如图3所示。根据超前地质钻孔以及断面扫描技术记录岩爆破坏区域的地层岩性、地质构造、岩爆破坏范围、边界，进而对爆坑、掌子面、构造结构面空间相对位置关系进行分析。记录构造结构面对于爆坑组合切割形式，包括多组断层组合切割岩爆形式如图4所示、多组节理组合切割岩爆形式如图5所示、节理—断层组合切割岩爆形式如图6所示，作为当前开挖所处区域风险判断依据，并建立相应条件下的三维地质模型，对时滞型极强岩爆风险实现初步判别。

步骤2：对岩爆破坏区域的爆坑形态和爆坑特征进行分析；

步骤2.1：对隧道岩爆情况进行实时描述，记录岩爆发生过程，并记录现场岩爆区域的爆坑形状以及分析岩爆特点，包括判断岩爆的时空类型以及岩爆的机制类型，根据岩爆规模确定岩爆等级，记录岩爆发生过程以及岩爆发生过程中的声响特征，以及断面位置和爆坑发生位置的桩号范围、爆坑大小、爆块的弹射距离、爆坑的最大深度、爆落岩石形态、断面面积以及爆坑体积，并判断爆坑形态以及爆坑范围与结构面空间位置关系和结构面空间组合形式的对应关系；

步骤2.2：对岩爆破坏断面进行超前地质钻孔，根据孔内钻探结果，记录发生岩爆区域钻孔内部地质构造条件信息，包括钻探过程中岩粉、转速、卡钻情况、钻杆震动情况探明岩性、硬度、风化程度、岩体完整程度、结构面粗糙程度、结构面张开充填情况、岩体出露状态以及地下水发育情况；

步骤2.3：使用断面扫描技术对隧道发生岩爆破坏区域进行超欠挖分析，记录爆坑的超挖面积和欠挖面积、最大超挖位置和最大欠挖位置以及线性平均超挖，识别爆坑形态特征、边界、深度和破坏分布范围；

步骤3：对爆坑与地质构造空间分布关系进行分析；

步骤3.1：根据爆坑区域节理走向与岩层走向和岩层倾向空间位置关系以及爆坑区域断层上盘和下盘相对滑动关系，对岩爆破坏特点进行分析，统计不同倾向和倾角结构面作用下以及正断层或走滑断层条件作用下岩爆的发生频率和强度等级，判断在当前条件下易发生岩爆的结构面危险倾向和危险倾角以及断层错动形式；

步骤3.2：根据结构面的空间分布形式、与隧道的相互位置关系，结合结构面产状特征和发育特征，通过对岩爆现场的观察统计结果，对岩爆破坏特点进一步分析，确定发育结构面处于掌子面每个循环开挖里程段更容易发生岩爆的位置，结构面与当前隧道出现平行、垂直、斜交以及斜交角度更容易发生岩爆的位置关系，以及结构面更容易发生岩爆时的倾向、倾角、间距和迹线长度；

步骤3.3：根据不同地质条件下岩爆破坏信息，当掌子面每个循环开挖里程段出现步骤3.2中的结构面危险位置、结构面危险交切形式、结构面危险倾向和结构面危险倾角、结构面危险间距和结构面危险迹线长度，初步预判掌子面开挖后不同构造特征出露洞室时滞型极强岩爆灾害风险；

本实施例中根据现场发生岩爆区域的地质构造复杂程度，确定地应力测点数量。采用应力解除法或水压致裂法确定岩爆区域三维地应力状态。通过岩爆破坏区域三维地应力测量确定构造结构面与最大主应力方向空间位置分布关系。如图7、图8、图9所示，通过分析构造结构面相对滑动方向与最大主应力方向空间位置关系，进一步评估当前开挖所处区域后续时滞型岩爆灾害风险。综合地质素描、超前地质钻孔、超前地质预报等建立隧道开挖三维地质模型，根据地质构造条件以及地应力场条件进行隧道三维数值模拟开挖，分析不同结构面组合条件下洞室围岩变形特征、应力特征以及弹性应变能特征，判断具有时滞型极强岩爆灾害隐患的结构面类型、位置、组合形式等；

步骤4：对隧道岩爆区域进行三维地应力测量；

步骤4.1：根据现场发生岩爆区域的地质构造，确定地应力测点数量、位置、孔深；

步骤4.2：采用应力解除法或水压致裂法确定岩爆区域三维地应力状态，通过在岩体测点位置处钻孔，在孔底位置粘贴应变传感器，钻出岩芯使孔底平面完全卸载，通过获取卸载后平面的恢复应变以及岩石的弹性常量求出孔底平面位置处的应力状态，通过将测试岩层的两端用封隔器密封起来，通过对封隔器的两端进行加入高压水，使钻孔两壁岩石产生裂痕，通过连续几个循环的施压，根据泵压的大小以及裂隙的方向确定原岩的应力状态；

步骤4.3：确定岩爆区域最大主应力方向与构造结构面空间位置分布关系，包括垂直、平行、斜交以及斜交角度；

步骤5：时滞型极强岩爆地质条件判别；

步骤5.1：对时滞型极强岩爆地质条件判别；

根据步骤4中地应力的测量结果，采用步骤1、步骤2、步骤3现场地质调查获取的岩石和结构面的物理力学参数，采用离散元软件建立隧道三维数值模拟计算模型；

所述隧道三维数值模拟计算模型为一个弹塑性平面应变模型，隧道在围岩荷载作用下，横向位移远大于纵向位移；洞室开挖后，岩体初始应力的平衡状态被破坏，围岩发生位移，洞室岩体应力重新调整，应力重分布的影响范围为3-5倍洞径，即数值计算模型的几何尺寸选择在3-5倍洞径范围，洞室上部边界受到开挖卸荷的影响，竖直方向约束被解除，隧道模型上部不受约束，洞室左右边界受到水平方向约束，洞室下部边界受到水平方向约束和竖直方向约束，结合隧道工程实际情况，确定洞室形状、洞室宽度、洞室高度，建立数值计算的几何模型，对掌子面每个循环开挖里程段出现的不同结构面组合形式进行隧道模拟开挖，具体包括多组节理组合作用、多组断层组合作用、节理-断层组合作用，模型中结构面的物理力学参数包括结构面的位置、结构面的倾向、结构面的倾角、结构面的间距以及结构面走向和隧道轴线空间位置关系，包括垂直、平行、斜交以及斜交角度；通过建立不同结构面组合条件下的数值计算几何模型获取二维弹塑性平面应变模型的主应力矢量图和最大主应力图，得到最大主应力数值以及高应力区域，根据最大主应力数值和应力集中情况评估洞室岩爆潜在风险，并结合隧道实际开挖出现岩爆情况时所揭露的结构面组合条件进行验证，通过数值计算获取的最大主应力数值较高以及应力集中明显的危险结构面空间位置组合关系、危险结构面位置、危险结构面倾向、危险结构面倾角、危险结构面间距，在隧道实际开挖过程中发生岩爆时的出现频率；

步骤5.2：根据初始地应力测试结果以及现场地质调查获取的岩石和结构面的物理力学参数，通过建立不同结构面组合条件包括多组节理组合作用、多组断层组合作用、节理-断层组合作用以及相应的结构面物理力学参数包括结构面的位置、结构面的间距、结构面的长度、结构面的倾向、结构面的倾角下的数值模拟计算的几何模型，采用离散元数值模拟软件获取不同工况条件下隧道模型的主应力矢量图和最大主应力云图，进而获取隧道开挖后应力集中情况以及最大主应力数值，得到容易造成应力集中以及最大主应力数值较高的危险结构面空间位置组合关系以及危险结构面位置、危险结构面间距、危险结构面长度、危险结构面倾向、危险结构面倾角，并根据当前开挖区域掌子面所揭露的围岩状态和出露的结构面条件，通过结合不同结构面工况下的几何模型数值计算结果作为后续发生时滞型岩爆灾害风险的判别依据。

本实施例中通过不同结构面组合作用条件下隧道开挖数值模拟计算结果，分析现场出现的结构面组合切割形式的变形特征、应力特征以及弹性应变能特征等，并结合当前开挖区域现场岩爆情况进行验证，进一步判断隧道出现何种形式的结构面组合切割时，有较大概率发生时滞型极强岩爆灾害风险。本发明方法提供一种时滞型极强岩爆地质判别方法，根据隧道开挖后揭露围岩地质条件，对当前位置时滞型岩爆灾害风险做出判断。通过不同结构面组合条件下，隧道开挖数值模拟计算，评估洞室开挖过程中出现的风险较高结构面切割组合形式，并及时调整支护设计方案，适当加强时滞型极强岩爆高风险区域支护系统强度，能够一定程度上避免时滞型极强岩爆灾害的发生风险，提高隧道开挖的施工安全与施工效率，保证施工人员和设备的安全。

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。