一种用于地下洞室岩爆破坏模式的预报方法

摘要

本发明公开了一种用于地下洞室岩爆破坏模式预报的方法，该方法将地下洞室开挖后形成于洞壁压应力集中区域的破碎结构岩体定义为“岩爆爆裂体”。认为工程部位的最大初始地应力、洞壁岩体中的优势结构面以及岩爆爆裂体形成区域的洞壁临空面三者的组合关系决定了岩爆爆裂体的结构形式，即板裂化结构和切割化结构，这些结构的进一步破坏决定着岩爆的破坏模式。应用“赤平投影法”分析上述三者产状的组合关系，认为不同的组合对应着不同的岩爆爆裂体破坏模式，分别为板状、片状剥落和块状、碎块状剥落或弹射两种，以此实现岩爆破坏模式的预报。

说明书

技术领域

本发明属于地下工程技术领域，特别涉及一种用于地下洞室岩爆破坏模式的预报方 法。

背景技术

岩爆是一种地下洞室开挖过程中常见的地质灾害，一般发生于高地应力条件下的硬脆 性岩体的开挖过程中。岩爆发生时，破碎岩体一般会以板状、片状剥落或块状、碎块状弹 射的方式脱离母岩，因其发生具有突发性、滞后性等特点，常会对施工人员和设备产生较 大的影响，有时烈度等级高的岩爆会造成机会人亡的惨剧。

在岩爆的破坏模式方面，往往认为弹射与剥落的破坏形式与岩爆的烈度等级有关。然 而，破坏模式不同，譬如片状或板状剥落破坏时因破碎岩块质量大，岩体中剩余能量不足 以使片状或板状岩块弹射出来，但由于其破碎岩块规模较大，虽无弹射现象，但其破坏影 响是不容忽视的，若将此类岩爆划归为低烈度等级显然是不合理的；当碎块状或块状岩块 可能会以弹射的形式脱离母岩时，一般破碎岩块的数量较小、影响轻微，若以此将其划归 为高烈度等级高的岩爆也显然是不合理的。因此，准确的判断岩爆的破坏模式对于岩爆烈 度等级的划分具有显著的意义，也更有利于采用合理有效的岩爆防护与治理模式。

研究者们根据岩爆发生时破碎岩体的破坏模式不同，将其分为连续型、间断型、零星 型等空间模式类型，还包括松动脱落型、爆裂脱落型等破坏形式类型，这些分类基本上是 基于地下洞室开挖后破碎岩体的破坏形式而归纳总结出来的，如何在开挖之前较为准确地 预报岩爆的破坏模式尚未有一套成熟的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供了一种对岩爆的预报与防治能够起到很好的指导 作用的用于地下洞室岩爆破坏模式的预报方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于地下洞室岩爆破坏模式 的预报方法，包括以下步骤：

A、确定判断部位的最大初始地应力的产状T₁；

B、确定岩体中发育的优势结构面产状T₂；

C、确定压应力区洞壁的临空面产状T₃

利用有限元软件计算出隧洞开挖后的洞壁岩体应力等值线图，分析压应力区所在位 置，确定压应力区域范围内洞壁临空面的产状T₃；

D、确定三个产状之间的组合关系

根据步骤A、B、C得到的三个产状T₁、T₂和T₃，利用赤平投影法分析三个产状之间的 关系，分别得出T₁和T₃、T₂和T₃两种组合的交线产状，即T₁₃和T₂₃；

E、预报岩爆破坏模式

当T₁₃和T₂₃的夹角θ≥30°时，压应力区岩体易于沿优势结构面破坏形成板裂化结构 的岩爆爆裂体，以板状、片状岩块的形式脱离母岩，表现为剥落破坏，为板裂化破坏模式； 当T₁₃和T₂₃的夹角θ＜30°时，压应力区岩体内会形成除优势结构面以外新的破裂面，与 优势结构面组合形成切割化结构的岩爆爆裂体，以块状、碎块状岩块的形式脱离母岩，表 现为弹射破坏，为碎裂化破坏模式。

所述步骤A是依工程布置形式及地质构造的关系，采取水压致裂法或应力解除法测量 工程区的地应力场，得出工程区的最大初始地应力的产状T₁。

所述步骤B是通过现场地面调查与地质编录，确定岩体中的优势结构面产状T₂。

所述步骤岩爆爆裂体是指地下洞室开挖后形成于洞壁压应力集中区域的破碎结构岩 体。

本发明的有益效果是：本发明的岩爆破坏模式预报方法，是基于岩爆的形成机理提出 的。“岩爆爆裂体”概念将地下洞室开挖后和岩爆发生前的破碎结构岩体作为有岩爆发生 岩体的载体，对于认识岩爆的破坏模式起到了极大的帮助作用。基于不同的岩爆爆裂体结 构形式与岩爆的破坏模式对应起来，可以有效的降低岩爆造成的损失并针对性的采取岩爆 防治措施。

附图说明

图1为本发明用于地下洞室岩爆破坏模式的预报方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的用于地下洞室岩爆破坏模式的预报方法，包括以下步骤：

A、确定判断部位的最大初始地应力的产状T₁；

B、确定岩体中发育的优势结构面产状T₂；

C、确定压应力区洞壁的临空面产状T₃

利用有限元软件计算出隧洞开挖后的洞壁岩体应力等值线图，分析压应力区所在位 置，确定压应力区域范围内洞壁临空面的产状T₃；

D、确定三个产状之间的组合关系

根据步骤A、B、C得到的三个产状T₁、T₂和T₃，利用赤平投影法分析三个产状之间的 关系，分别得出T₁和T₃、T₂和T₃两种组合的交线产状，即T₁₃和T₂₃；

E、预报岩爆破坏模式

当T₁₃和T₂₃的夹角θ≥30°时，压应力区岩体易于沿优势结构面破坏形成板裂化结构 的岩爆爆裂体，以板状、片状岩块的形式脱离母岩，表现为剥落破坏，为板裂化破坏模式； 当T₁₃和T₂₃的夹角θ＜30°时，压应力区岩体内会形成除优势结构面以外新的破裂面，与 优势结构面组合形成切割化结构的岩爆爆裂体，以块状、碎块状岩块的形式脱离母岩，表 现为弹射破坏，为碎裂化破坏模式。

所述步骤A是依工程布置形式及地质构造的关系，采取水压致裂法或应力解除法测量 工程区的地应力场，得出工程区的最大初始地应力的产状T₁。

所述步骤B是通过现场地面调查与地质编录，确定岩体中的优势结构面产状T₂。

所述步骤岩爆爆裂体是指地下洞室开挖后形成于洞壁压应力集中区域的破碎结构岩 体。

本发明将地下洞室开挖后洞壁压应力集中造成的破碎结构岩体定义为“岩爆爆裂体”。 岩爆爆裂体的结构形式受到工程部位的最大初始地应力产状、洞壁岩体内的优势结构面产 状以及岩爆爆裂体形成范围内洞壁临空面的产状三者的组合关系的制约。采用赤平投影法 分析三个产状的关系，依据不同的组合关系提出了板裂化结构和切割化结构的岩爆爆裂体 的结构形式，这些结构的进一步破坏决定了岩爆的破坏模式。

下面以某工程实例对本方法的应用做一个详细说明。

实施例1

1、采用空心包体应力解除法测得地应力场实测结果表明，本工程的最大初始地应力 产状为253.1°/8.8°;

2、现场调查和地质编录表明本工程岩体中的优势结构面产状为240°/60°；

3、有限元软件计算确定隧洞开挖后的压应力区为洞壁起拱线-拱顶范围内，该处开挖 形成的洞壁临空面产状为324°/45°；

4、三者组合的“赤平投影法”分析结果如下表1；

表1三种组合元素及得到的组合交线产状

组合元素 产状 组合关系 交线产状 最大初始地应力T₁253.1°/8.8° T₁₂329°/2° 优势结构面T₂240°/60° T₁₃243°/9° 洞壁临空面T₃324°/45° T₂₃299°/42°

5、从表1看出，T₁₃和T₂₃两个组合的交线倾向的夹角θ为299°-243°=56°，可见 θ≥30°,依据上述方法，可以认为在洞壁压应力区形成板裂化结构的岩爆爆裂体，岩爆 破坏模式为板状或片状岩块剥落；

6、实际开挖过程中证明了这一结论。

实施例2

1、采用空心包体应力解除法测得地应力场实测结果表明，本工程的最大初始地应力 产状为253.1°/8.8°;

2、现场调查和地质编录表明本工程岩体中的优势结构面产状为240°/60°；

3、有限元软件计算确定隧洞开挖后的应力集中范围为洞壁边墙范围内，该处开挖形 成的洞壁临空面产状为202°/90°；

4、三者组合的“赤平投影法”分析结果如下表2；

表2三种组合元素及得到的组合交线产状

组合元素 产状 组合关系 交线产状 最大初始地应力T₁253.1°/8.8° T₁₂329°/2° 优势结构面T₂240°/60° T₁₃292°/7° 洞壁临空面T₃202°/90° T₂₃291°/47°°

5、从表2看出，T₁₃和T₂₃两个组合的交线倾向的夹角θ为292°-291°=1°，可见θ ＜30°,依据上述方法，可以认为在开挖洞壁形成切割结构的岩爆爆裂体，岩爆破坏模式 为块状、碎块状岩块剥落或弹射；

6、实际开挖过程中证明了这一结论。

以上所述的实例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术 人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实例来限定本发明的专利范围，即凡 本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。