深埋隧洞岩爆孕育过程及预警方法研究

摘要

在我国社会经济高速发展的大环境下，社会生产对各类资源的需求水平不断提升，资源开采规模也不断扩大。无论是水利水电、矿山开采、国防工业、亦或交通运输等行业，其开发力度和建设规模已向地下深部发展。随之而来由深部问题带来的工程地质灾害日益增多，其中由高地应力诱发的岩爆问题最为突出。岩爆是地下工程尤其是深部地下工程一种常见的岩石失稳现象，其具体表现为围岩呈突发、猛烈弹射或抛掷到开挖空间。由于岩爆往往造成支护设备的破坏和开挖轮廓的变形，严重时还会导致工程基础设施的破坏及人员伤亡，甚至会导致局部地震而引发地表塌陷等灾害。目前，岩爆的预报与预防已经成为地下工程建设与岩石力学研究领域的共同课题。因此，开展对深埋隧洞在高应力条件下的岩爆孕育机制及预测预警的研究具有重要的理论价值和实践意义。
　　研究表明，岩石的失稳破坏（岩爆）与其内部微震活动性有着密切联系，微震活动的异常现象是岩石发生岩爆的微破裂前兆。鉴于此，本文以雅砻江锦屏二级水电站为工程依托，以高地应力、高埋深条件下的深埋硬岩隧洞为监测对象，利用微震监测技术构建了我国水利水电深埋隧洞工程具有独立性强、安装方便、移动灵活等特点的微震监测系统。结合开挖卸荷影响下的微震活动性时空分布特征及岩爆机理的研究成果，对锦屏二级水电站引水洞及施工排水洞经历强岩爆洞段的多个工作面进行岩爆的实时监测、分析及预警研究，取得的主要研究成果如下:
　　(1)成功构建锦屏二级水电站深埋硬岩隧洞群的微震监测系统，初步实现了对引水洞和排水洞潜在岩爆危险区的实时监测、分析和预警。通过对锦屏水电站复杂的地质构造条件、地貌特征、特殊施工方法及施工顺序的分析，因地制宜的制定合适的监测方案，包括监测系统的构建、传感器安装及改进方案、传感器阵列的布置及优化、噪声波形数据库的建立及分类等。通过微破裂信息数据实时采集，实现对隧洞岩爆展开24小时连续实时监测，获取大量围岩渐进破裂诱发岩爆过程中微震活动的数字化信息。
　　(2)基于锦屏二级水电站深埋隧洞大量岩爆统计记录和微震监测数据，对应变型岩爆和构造型岩爆的发展过程和发生规律展开研究。并根据微震活动相关参数，包括微震累积事件数、微震能量、微震事件密度及微震能量密度等，归纳和总结不同类型岩爆破坏过程中的微震活动性规律及动态迁移特征，揭示围岩渐进失稳破坏过程中微震活动时空演化规律与岩爆间的内在联系。
　　(3)基于微震活动空间分布规律及时序演化特征，将微震监测技术与数值模拟方法相结合，从动态裂纹扩展角度揭示了地下洞室的岩爆孕育过程及发展机制。并根据裂纹发展过程及微震活动性分布规律，将岩爆孕育过程细分为三个阶段和三种破坏模式，重点分析和探讨了岩爆孕育不同阶段的破坏机制及演化规律。同时，借助于地震学理论，将累积视体积、能量指数及b值等参数的变化规律作为岩爆前兆展开研究。
　　(4)根据岩爆孕育不同阶段，通过对微震相关参数演化规律的研究，包括微震事件密度、微震能量密度、应力积累，应力阴影及应力转移（3S原理）、能量指数和累积视体积及b值，提出高地应力条件下锦屏二级水电站深埋隧洞的岩爆多元预警方法。

目录

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摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 岩爆研究的国内外现状及进展

1．2．1 岩爆的定义

1．2．2 岩爆的研究方法

1．2．3 岩爆机理的研究

1．2．4 岩爆的发生准则与判据研究

1．3 微震监测及其应用研究

1．4 岩爆监测预警现阶段存在的问题及其局限性

1．5 研究内容

2 工程地质概况及施工概况

2．1 工程概况

2．2 地质条件

2．2．1 地形地貌

2．2．2 地层岩性

2．3 地质构造

2．4 地应力与岩爆概况

2．4．1 地应力条件

2．4．2 岩爆概况

2．5 施工概况

3 微震监测技术及系统的构建

3．1 引言

3．2 微震监测技术

3．3 微震监测系统的构建

3．3．1 微震监测原理

3．3．2 微震监测系统组成

3．4 微震监测系统网络布置及优化方案

3．4．1 微震监测系统网络布置及安装

3．4．2 微震监测系统的布置方案

3．5 微震信号分析与噪声识别

3．6 本章小结

4 锦屏深埋隧洞岩爆发生规律及微震活动性规律研究

4．1 引言

4．2 研究范围的选取

4．3 应变型岩爆发生规律及微震活动性规律

4．3．1 应变型岩爆的影响因素

4．3．2 应变型岩爆的发生规律

4．3．3 应变型岩爆发生过程的微震活动性规律

4．3．4 应变型岩爆与微震活动的关系

4．3．5 不同施工方法对应变型岩爆的影响

4．4 构造型岩爆发生规律及微震活动性规律

4．4．1 构造型岩爆的影响因素

4．4．2 构造型岩爆的发生规律

4．4．3 褶皱诱发构造型岩爆发生过程的微震活动性规律

4．4．4 断层诱发构造型岩爆发生过程的微震活动性规律

4．5 本章小结

5 基于微震监测的岩爆孕育过程的研究

5．1 引言

5．2 地质条件及研究范围的选取

5．3 TBM掘进3#引水洞微震监测结果

5．3．1 TBM开挖情况

5．3．2 微震活动的“时、空、强”分布特征

5．3．3 微震能量密度与岩爆危险区的圈定

5．4 岩爆孕育过程及破坏机制的研究

5．4．1 岩爆孕育过程研究

5．4．2 岩爆破坏机制

5．4．3 卸荷作用下岩爆破坏过程的数值模拟

5．5 岩爆孕育过程中微震活动相关参数的演化特征

5．5．1 岩爆孕育过程中微震能量和微震震级的变化特征

5．5．2 岩爆孕育过程中视体积与能量指数的变化特征

5．5．3 岩爆孕育过程中b值的变化特征

5．6 应力转移和能量转移对岩爆的影响

5．7 本章小结

6 基于微震监测的岩爆预警方法研究

6．1 引言

6．2 岩爆预警的力学基础

6．3 岩爆预警方法研究

6．3．1 岩爆预警的微震相关参数的选取

6．3．2 岩爆危险性及预警方法

6．4 岩爆预警方法的工程应用

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点摘要

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介