一种深埋大断面隧道下台阶开挖岩爆风险区判别方法

摘要

本发明公开了一种深埋大断面隧道下台阶开挖岩爆风险区判别方法，步骤是：A、在深埋大断面隧道上台阶开挖过程中开展微震监测研究，预判下台阶开挖过程岩爆风险区；B、针对步骤A，分析此区域开挖所揭露的硬性结构面、断裂的组数、倾角、组合关系、与隧道轴线的夹角；C、针对步骤A，分析其上断面的支护强度和效果；D、针对步骤A，根据掘进速率、开挖台阶高度预判下台阶开挖过程岩爆风险；E、针对步骤A，预判深埋大断面隧道下台阶开挖岩爆风险区域；F、对步骤A、B、C、D、E，判别深埋大断面隧道下台阶开挖过程岩爆风险区域。降低或避免深埋大断面隧道下台阶开挖过程的岩爆风险，确保了施工人员的安全和工程施工进度。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，更具体涉及一种深埋大断面隧道下台阶开挖岩爆风险区判别方法，适用于矿山、交通、水利水电、军工等深埋硬岩隧道工程。

背景技术

岩爆是深埋硬岩大断面隧道最常见的一种动力型灾害。为了降低岩爆风险，深埋硬岩大断面隧道经常采用分台阶开挖。很多实例表明，不论此区域上台阶开挖过程中是否发生岩爆，隧道下台阶开挖过程中仍然发生岩爆。发生的岩爆位置可能是下台阶的侧墙或底板，甚至造成底板开裂或隆起。这严重威胁着下台阶施工安全和影响施工进度。因此，预先判别下台阶开挖过程中岩爆风险发生区域，为采取针对性的防治措施提供依据，对于减轻或避免深埋大断面隧道下台阶开挖岩爆灾害的发生，确保施工安全和施工进度尤为重要。但是，尚未见一种高效的深埋大断面隧道下台阶开挖岩爆风险区判别方法。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种深埋大断面隧道下台阶开挖岩爆风险区判别方法，为采取针对性的防治措施提供科学参考依据，从而降低或避免深埋大断面隧道下台阶开挖过程的岩爆风险，确保施工人员的人身安全和工程施工进度。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种深埋大断面隧道下台阶开挖岩爆风险区判别方法，其步骤是：

步骤A、在埋深2500m（大于1000m），开挖直径为13m（大于10m）的隧道上台阶开挖过程中开展微震实时监测，采集岩体微震数据；通过分析上台阶开挖过程微震实时监测数据，圈定上台阶开挖过程中出现的微震事件聚集区；根据聚集区的微震事件能量和事件数，初步预判下台阶开挖过程岩爆风险区。

1、在埋深2500m（大于1000m），断面直径为13m（大于10m）的隧道上台阶开挖过程中开展微震实时监测，获得上台阶开挖过程微震事件分布情况并圈定微震事件聚集区；

2、对比分析微震事件聚集区与隧道上台阶开挖过程岩爆发生区的对应关系，圈定未发生岩爆或岩爆发生后重新形成的微震事件聚集区，初步预判深埋大断面隧道下台阶开挖过程存在岩爆风险区域。

步骤B、针对步骤A预判的深埋大断面隧道下台阶开挖岩爆风险区域，分析此区域开挖所揭露的硬性结构面、断裂的组（条）数、倾角（范围0~90°）、组合关系、与隧道轴线的夹角（范围0~90°），以及与下台阶开挖面推进方向的关系，预判这些硬性结构面、断裂对下台阶开挖过程岩爆风险的影响：若开挖部位硬性结构面、断裂存在交汇点，硬性结构面或断裂倾角（范围0~90°）（大于或等于70°，且与隧道轴线夹角30°以内等，则会增加此区域岩爆风险；

步骤C、针对步骤A预判的深埋大断面隧道下台阶开挖岩爆风险区域，分析其上断面的支护强度和效果是否满足要求。若支护强度和效果不能满足要求，则对下台阶开挖过程岩爆的孕育有促进作用；

步骤D、针对步骤A预判的深埋大断面隧道下台阶开挖岩爆风险区域，根据掘进速率、开挖台阶高度等预判下台阶开挖过程岩爆风险情况。若下台阶掘进速率或开挖台阶高度比上台阶的大，则下台阶开挖过程岩爆风险会增加；

步骤E、针对步骤A预判的深埋大断面隧道下台阶开挖岩爆风险区域，根据其周围爆破扰动情况预判下台阶开挖过程岩爆风险情况。若周围有超过以往的大爆破，或有强度相当的爆破多次发生，则会增加此区域岩爆风险；

步骤F、对步骤A、B、C、D、E得出的预判结果进行综合评价，判别深埋大断面隧道下台阶开挖过程岩爆风险区域。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1) 岩爆往往发生在高应力集中区，而微震事件聚集区是高应集中区的客观反映，所以，利用深埋大断面隧道上台阶开挖过程形成的微震事件聚集区来预判下台阶开挖时岩爆风险位置，增强了下台阶开挖过程中关注岩爆风险区域的针对性，提高了岩爆风险区预先判别的准确性。

(2)岩爆是诸多因素综合作用的结果，其中硬性结构面的产状、组合关系及其与工程的位置关系对岩爆的发生具有很强的控制作用。上断面强有力的支护作用导致弹性应变能向底板转移，频繁爆破扰动以及下台阶开挖参数是下台阶岩爆极为重要的影响因素。在利用微震监测结果初步判别下台阶岩爆风险区的基础上，对这些信息进行综合分析并给出岩爆风险预判，可进一步提高深埋大断面隧道下台阶开挖过程中岩爆风险区预先判别的准确性。

(3)岩爆风险发生位置的预先判别为采取针对性的防治措施提供了科学依据，可大大增强岩爆处理效果，从而有效地避免或降低岩爆灾害的发生，确保深埋大断面隧道下台阶开挖施工安全和加快工程施工进度。

附图说明

图1为一种（实施例2中）深埋隧道横断面图；

图2为一种（实施例2）中微震事件在图1所示A-A剖视图上的投影分布；

图3为一种（实施例2中）的现场岩爆。

图中：1－隧道上台阶；2－隧道下台阶；3－微震事件；4－微震事件聚集区，                                               表示下台阶掌子面掘进方向。

具体实施方式

实施例1：

一种深埋大断面隧道下台阶开挖岩爆风险区判别方法，它包括以下步骤：

步骤A、在深埋大断面隧道上台阶开挖过程中开展微震实时监测，采集岩体微震数据；通过分析上台阶开挖过程微震实时监测数据，圈定上台阶开挖过程中出现的微震事件聚集区；根据聚集区的微震事件能量和事件数，初步预判下台阶开挖过程岩爆风险区。

1、在埋深2500m(大于1000m)，断面直径为13m（大于10m）的隧道上台阶开挖过程中开展微震实时监测，获得上台阶开挖过程微震事件分布情况并圈定微震事件聚集区；

2、对比分析微震事件聚集区与隧道上台阶开挖过程岩爆发生区的对应关系，圈定未发生岩爆或岩爆发生后重新形成的微震事件聚集区，初步预判深埋大断面隧道下台阶开挖过程存在岩爆风险区域。

步骤B、针对步骤A预判的深埋大断面隧道下台阶开挖岩爆风险区域，分析此区域开挖所揭露的硬性结构面、断裂的组（条）数、倾角（范围0或10或20或30或40或50或60或70或90°，具体根据实际情况）、与隧道轴线的夹角（范围0或15或25或35或45或55或65或75或90°，具体根据实际情况），以及与下台阶开挖面推进方向的关系，预判这些硬性结构面、断裂对下台阶开挖过程岩爆风险的影响：若开挖部位出现硬性结构面、断裂存在交汇点，硬性结构面或断裂倾角大于或等于70°与隧道轴线夹角30°以内，则会增加此区域岩爆风险；

步骤C、针对步骤A预判的深埋大断面隧道下台阶开挖岩爆风险区域，分析其上断面的支护强度和效果是否满足《锚杆支护设计规范》要求。若支护强度和效果不能满足要求，则对下台阶开挖过程岩爆的孕育有促进作用；

步骤D、针对步骤A预判的深埋大断面隧道下台阶开挖岩爆风险区域，根据掘进速率、开挖台阶高度等预判下台阶开挖过程岩爆风险情况：若下台阶掘进速率或开挖台阶高度比上台阶的大，则下台阶开挖过程岩爆风险会增加；

步骤E、针对步骤A预判的深埋大断面隧道下台阶开挖岩爆风险区域，根据其周围爆破扰动情况预判下台阶开挖过程岩爆风险情况：若周围有超过以往的大爆破，或有强度相当的爆破多次发生，则会增加此区域岩爆风险；

步骤F、对步骤A、B、C、D、E得出的预判结果进行综合评价，判别深埋大断面隧道下台阶开挖过程岩爆风险区域：若现场施工过程有与步骤A、B、C、D、E吻合的区域存在，则此区域被认定为潜在岩爆区。

实施例2：

某深埋大断面隧道全长约17千米，断面为圆形，设计开挖直径为13m，隧道中部埋深为1500-2500m，穿越区地层岩性为NNE向分布的白山组大理岩，具有强岩爆倾向性。隧道分上下台阶开挖，如图1所示，上台阶开挖断面尺寸为宽13m，高8m。本实施例以埋深为2100m、隧道里程桩号为5730-5790m下台阶开挖岩爆风险判别为例加以说明。

一种深埋大断面隧道下台阶开挖岩爆风险区判别方法，其步骤如下：

步骤A、在深埋大断面隧道上台阶开挖过程中开展微震实时监测，采集岩体微震数据；通过分析上台阶开挖过程微震实时监测数据，圈定上台阶开挖过程中出现的微震事件聚集区；根据聚集区的微震事件能量和事件数，初步预判下台阶开挖过程岩爆风险区。

1在深埋大断面隧道上台阶开挖过程中开展微震实时监测，获得上台阶开挖过程微震事件分布情况并圈定微震事件聚集区，如图2所示，对应的里程桩号为5730-5790m；

2对比分析结果表明，图2所示的微震事件聚集区在上台阶开挖过程中未发生岩爆，由此初步预判5730-5790m区域在后续下台阶开挖过程中潜在岩爆风险；

步骤B、根据上台阶开挖过程所揭露的工程地质情况，由步骤A预判的5730-5790m岩爆风险区域发育1条倾角为85度的硬性结构面，且与隧道轴向夹角为18-25度；另外，下台阶掌子面位于结构面的下盘，如图2所示。根据这些工程地质及施工信息，进一步判别5730-5790m范围在下台阶开挖过程中潜在岩爆风险；

步骤C、现场勘查结果表明，与步骤A预判的5730-5790m岩爆风险区域相对应的上断面的系统锚杆、钢筋网和钢纤维混凝土结合良好，符合《锚杆支护设计规范》要求，对围岩具有很强的加固作用，有效地提高了岩体强度和抗冲击能力，使得高地应力向强度相对薄弱的隧道上断面拱脚和底板转移，进而使这些部位成为高应力集中区，为下台阶开挖扰动诱发岩爆提供能量来源，导致下台阶开挖扰动下岩爆风险程度增加；

步骤D、步骤A预判的桩号5730-5790m范围下台阶实施一次开挖，爆破循环进尺为4-6m，平均为4.87m，大于上台阶开挖过程中的2.8m。研究亦表明，在岩爆风险区，钻爆法开挖速率应控制在3m以内（《岩石力学与工程学报》，2012年第10期，冯夏庭，“岩爆孕育过程的动态调控”）。因此，按原设计参数实施下台阶开挖时，桩号5730-5790m范围潜在岩爆风险；

步骤E、步骤A预判的桩号5730-5790m周围存在多个开挖面，频繁受到爆破扰动的作用，尤其是桩号5730-5790m自身在开挖过程中，循环爆破进尺大，平均达4.87m，每循环爆破平均药量为120kg，单段最大起爆药量（是指在分段爆破中装药量最多的某一段别的总装药量，它与此次爆破所引起爆破震动的强度有直接关系。）约30kg；由此预判，在频繁爆破扰动作用下，桩号5730-5790m具有潜在岩爆风险；

步骤F、对步骤A、B、C、D、E得出的预判结果进行综合评价，发现此开挖段满足A、B、C、D、E所提出的岩爆所有风险指标，因此判别深埋隧道里程桩号5730-5790m范围在下台阶开挖过程潜在岩爆风险；岩爆实录显示，桩号5730-5790m范围在下台阶开挖过程发生强烈岩爆，如图3所示。

其它实施步骤与实施例1相同。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。