王亞磊 徐金明 吳述寬

(上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院,上海 200444)

在易發(fā)生巖爆的地區(qū)進(jìn)行隧道開挖時,必須對巖爆等級進(jìn)行預(yù)判,以便提前采取適當(dāng)?shù)姆乐未胧r爆災(zāi)害準(zhǔn)確、快速地預(yù)判對于隧道工程的設(shè)計和施工具有重要意義。

巖爆災(zāi)害防治是目前亟需解決的問題,而巖爆機(jī)理的復(fù)雜性給巖爆等級快速準(zhǔn)確地預(yù)判帶來很大困難[1-2]。近年來,許多學(xué)者采用聲發(fā)射測試技術(shù)對巖石聲發(fā)射特征與巖爆活動的關(guān)系進(jìn)行了研究。例如,楊健等[3]利用聲發(fā)射試驗技術(shù)研究巖爆機(jī)理,依據(jù)聲發(fā)射特征劃分了巖性與巖爆類型的對應(yīng)關(guān)系;CHO等[4]進(jìn)行了巖石加載破壞過程聲發(fā)射模擬試驗;趙興東等[5]應(yīng)用聲發(fā)射定位技術(shù)研究了單軸加載條件下含不同預(yù)制裂紋的花崗巖樣破裂失穩(wěn)過程中內(nèi)部裂紋孕育、萌生、擴(kuò)展、成核和貫通的三維空間演化過程,并分析了巖石聲發(fā)射活動特性;李廷芥等[6]根據(jù)花崗巖及大理巖單軸壓縮電鏡掃描試驗結(jié)果,分析了巖石巖爆過程機(jī)理;苗金麗等[7]根據(jù)三亞花崗巖巖爆試驗前后樣品SEM(掃描電子顯微鏡)微觀結(jié)構(gòu)照片及巖爆過程中的聲發(fā)射參數(shù)特征值的不同,得出巖爆過程中產(chǎn)生的高頻低幅特征波對應(yīng)張裂紋,低頻高幅特征波對應(yīng)剪切裂紋;HE等[8]、譚云亮等[9]分別研究了巖石破裂過程中的聲發(fā)射特性,并提出了基于聲發(fā)射監(jiān)測預(yù)警的巖爆災(zāi)變理論;趙毅鑫等[10]、陸菜平等[11]分別從微震信號頻譜演化規(guī)律、能級與頻次關(guān)系等方面討論了巖爆機(jī)理及前兆信號特征;馬天輝等[12]應(yīng)用地震學(xué)上的“3S”(應(yīng)力集聚、應(yīng)力弱化和應(yīng)力轉(zhuǎn)移)原理,采用微震監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了錦屏二級引水隧洞群的巖爆監(jiān)測與預(yù)警工作,取得了比較理想的巖爆預(yù)測準(zhǔn)確率;張子健等[13]發(fā)現(xiàn)中等巖爆巖石的累積聲發(fā)射能量遠(yuǎn)大于低等巖爆傾向值;劉亞運(yùn)等[14]認(rèn)為巖石在單軸和三軸壓縮試驗過程中的聲發(fā)射規(guī)律基本一致,并提出可將聲發(fā)射累積振鈴計數(shù)應(yīng)用于巖爆等級預(yù)判;張艷博等[15]利用巖爆聲發(fā)射試驗數(shù)據(jù)和BP(誤差反向傳播算法)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了一種巖爆實時預(yù)判方法;WANG等[16]基于聲發(fā)射主頻分布特征和信息熵理論建立了主頻熵演化模型,提出將主頻熵最大點作為巖爆預(yù)判關(guān)鍵點。

然而,利用巖石聲發(fā)射特征參數(shù)提出一種定量指標(biāo)并對不同巖爆等級(無、輕微、中等、強(qiáng)烈和劇烈)進(jìn)行預(yù)判的研究鮮有報道,且以往研究在巖爆分析過程中通常忽略了原巖巖芯在切割加工時不同的切割方向(縱向、斜向和橫向)對巖爆等級預(yù)判的影響?？紤]到巖石聲發(fā)射特征與巖爆等級高低密切相關(guān),具有高巖爆等級傾向性的巖石在單軸受壓時往往也釋放更多的能量。并且?guī)r爆等級較高的巖石在加載破壞前釋放較少量甚至沒有聲發(fā)射信號釋放,而在加載應(yīng)力接近峰值應(yīng)力時,聲發(fā)射信號出現(xiàn)較多,此后巖石發(fā)生猛烈破壞[17-18]。因此,本研究選用巖石的累積聲發(fā)射能量作為巖爆等級預(yù)判的關(guān)鍵參數(shù),并以我國西部某隧道為研究背景,在22個不同巖爆等級的巖爆區(qū),使用鉆孔取芯法獲取巖體原巖試樣,根據(jù)巖石單軸壓縮試驗和聲發(fā)射試驗結(jié)果,提出基于不同方向試樣在主破裂前的累積聲發(fā)射能量Eq與最終破裂后的累積聲發(fā)射能量E之比的巖爆等級預(yù)判新方法,并將該方法的預(yù)判結(jié)果與實際巖爆等級、傳統(tǒng)巖爆等級預(yù)判方法的預(yù)判結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 聲發(fā)射試驗過程

1.1 試樣制備

巖樣取自于我國西部某隧道22個不同的巖爆等級區(qū)域,如圖1所示。

圖1 不同巖爆等級區(qū)域Fig.1 Areas with different rockburst grades

試件制備如圖2所示,從現(xiàn)場取回的原始試塊為外徑130 mm、圓柱形的巖芯。由于現(xiàn)場取芯條件限制及運(yùn)輸中損壞,所得巖芯通常不足以加工成足夠數(shù)量的試件。實際操作中,在室內(nèi)將原始試塊沿3個方向加工成3件高×直徑為100mm×50mm的圓柱體試件。3個方向分別為試件軸線與原始巖芯軸線成0°(縱向)、45°(斜向)、90°(橫向)。 為保證試件端面平整,對其表面進(jìn)行磨滑處理,使試件不平行度與不垂直度控制在0.02 mm以內(nèi),且試件端面與其軸線垂直(最大偏差不超過0.2°),并保證試件沒有明顯裂縫。

圖2 試件制備Fig.2 Sample preparation

1.2 試件加載

對加工后的試件進(jìn)行單軸壓縮和聲發(fā)射試驗。試驗時,采用位移控制方式進(jìn)行單軸分級加載:一級加載速率為0.1 mm/s(加載至20 kN),二級加載速率為0.15 mm/s(加載至150 kN),三級加載速率為0.05 mm/s(加載至250 kN),四級加載速率為0.05 mm/s(加載至破壞)。每級加載后均保持45 s,加載方式如圖3所示。

圖3 試件加載方式Fig.3 Loading mode of samples

試驗所用設(shè)備為巖石液壓伺服試驗機(jī)與PXDAQ1672G聲發(fā)射測試系統(tǒng),如圖4所示。

圖4 聲發(fā)射實驗設(shè)備Fig.4 Acoustic emission test equipment

2 巖爆等級預(yù)判

2.1 巖爆等級預(yù)判指標(biāo)確定

整理聲發(fā)射試驗數(shù)據(jù),統(tǒng)計巖石試件在單軸壓縮過程中的AE能量。本研究以巖爆區(qū)1(強(qiáng)烈?guī)r爆)為例,分析巖爆等級預(yù)判指標(biāo)Eq/E的確定過程。巖爆區(qū)1中橫向試件、斜向試件和縱向試件的AE能量與加載時間的關(guān)系曲線如圖5所示。

由圖5可知:在荷載達(dá)到最大值前,不同方向試件表現(xiàn)均比較平靜,試件釋放能量非常少;在荷載達(dá)到最大值后,主裂縫開始產(chǎn)生,聲發(fā)射事件比較活躍,試件能量開始快速釋放。據(jù)此,將荷載達(dá)到最大值時對應(yīng)的時間點作為試件主裂縫開始產(chǎn)生的時刻,計算得到橫向、斜向和縱向試件主裂縫開始前累積AE能量Eq與試件最終破裂后累積AE能量E的比值分別為0.050 8、0.103 4和0.169 4。參照上述方法可得其他巖爆區(qū)的Eq/E值,見表1。

圖5 不同方向試件的AE能量Fig.5 AE energy of samples various at different directions

表1 不同巖爆區(qū)的E q/E值Table 1 E q/E values in different rockburst areas

根據(jù)表1中22個不同巖爆區(qū)不同方向試件Eq/E值的計算結(jié)果,任意選擇其中14個匹配實際的巖爆情況。按照上述方法,分別基于橫向試件、斜向試件和縱向試件的Eq/E值提出相應(yīng)的巖爆等級預(yù)判方法,并使用剩余8個巖爆區(qū)的Eq/E值分別對巖爆預(yù)判方法的準(zhǔn)確率進(jìn)行驗證分析。本研究以橫向試件為例分析不同方向試件的巖爆等級預(yù)判過程。從表1中任意選擇14個巖爆區(qū)數(shù)據(jù)并進(jìn)行重新編號,結(jié)果如表2所示。域,將Eq與E的比值取0,暫作為一個劇烈?guī)r爆的測點值。將表2中橫向試件的Eq/E值與相應(yīng)的巖爆等級進(jìn)行匹配,得到巖爆等級預(yù)判標(biāo)準(zhǔn),如圖6所示。

圖6 不同巖爆區(qū)E q/E值的變化Fig.6 E q/E values various at different rockburst areas

表2 橫向試件中不同巖爆區(qū)E q/E值Table 2 E q/E values of transverse samples various at different rockburst zones

如表2所示,任意選取的14個巖爆區(qū)中,輕微巖爆、中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆以及劇烈?guī)r爆的個數(shù)分別為1,9,4和0。由于劇烈?guī)r爆個數(shù)為0,這給準(zhǔn)確確定劇烈?guī)r爆的范圍帶來了困難。為方便劃分巖爆的區(qū)由圖6可知:Eq/E值較大時巖爆等級較輕,較小時巖爆較重。據(jù)此可使用4條水平線按Eq/E值大小分成5個區(qū)域,并且這5個區(qū)域?qū)?yīng)的巖爆等級分別為無巖爆、輕微巖爆、中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆、劇烈?guī)r爆。這4條水平分界線的確定過程如下:

(1)無巖爆與輕微巖爆的分界線。屬于輕微巖爆的測點只有1個,且無巖爆的個數(shù)為0,取巖爆區(qū)2的值y2(0.857 1)作為無巖爆與輕微巖爆的分界值,即分界線y=0.857 1。

(2)輕微巖爆與中等巖爆的分界線。屬于輕微巖爆的測點只有1個,屬于中等巖爆的測點有9個。巖爆區(qū)2的值表示輕微巖爆區(qū)域的最小值y3(0.8571),巖爆區(qū)13的值代表中等巖爆區(qū)域中測點的最大值y13(0.794 8)。取y3與y13之和的1/2作為兩種巖爆范圍的分界值,即分界線y=0.826 0)。

(3)中等巖爆與強(qiáng)烈?guī)r爆的分界線。巖爆區(qū)4的值表示中等巖爆區(qū)域的最小值y4(0.583 3),巖爆區(qū)14的值代表這強(qiáng)烈?guī)r爆區(qū)域中測點的最大值y14(0.322 5)。取y4與y14之和的1/2作為兩種巖爆范圍的分界值,即分界線y=0.452 9。

(4)中等巖爆與強(qiáng)烈?guī)r爆的分界線。巖爆區(qū)3的值表示中等巖爆區(qū)域的最小值y3(0.042 8),劇烈?guī)r爆區(qū)域中測點的最大值取0。取y3與0之和的1/2作為兩種巖爆范圍的分界值,即分界線y=0.021 4。

按照從無巖爆到劇烈?guī)r爆的次序,5個被劃分的區(qū)域分別為＞0.857 1,(0.826 0,0.8571],(0.452 9,0.826 0],(0.021 4,0.452 9]和≤0.021 4。為方便工程應(yīng)用,保留兩位小數(shù)可得巖爆等級劃分標(biāo)準(zhǔn)為＞0.86,(0.83,0.86],(0.45,0.83],(0.02,0.45]和≤0.02。參照上述方法可得到基于不同方向試件Eq/E值的巖爆等級預(yù)判方法,如表3所示。

表3 基于不同方向試樣E q/E值的巖爆等級預(yù)判方法Table 3 Estimation criteria of rockburst grade based on E q/E values of samples from different directions

為驗證上述巖爆等級預(yù)判方法的準(zhǔn)確率,取相應(yīng)方向上剩余8個巖爆區(qū)的Eq/E值分別進(jìn)行驗證,結(jié)果見表4。

表4 巖爆等級預(yù)判結(jié)果Table 4 Estimation results of rockburst grade

將表4中列出的基于不同試件Eq/E值的巖爆等級預(yù)判結(jié)果與實際巖爆等級進(jìn)行詳細(xì)的對比分析,結(jié)果見表5。

表5 巖爆等級預(yù)判結(jié)果與實際巖爆等級對比Table 5 Comparison of the estimated results of rockburst grade and actual rockburst grade %

由表5可知:基于橫向試件Eq/E值的巖爆等級預(yù)判方法的準(zhǔn)確率超過80%,錯估率為12.5%,巖爆等級預(yù)判結(jié)果與實際基本一致;基于橫向試件Eq/E值的巖爆等級預(yù)判結(jié)果存在過高估計情況,巖爆等級過高估計一個等級,過高估計率為12.5%,不存在過低估計情況;基于斜向和縱向Eq/E值的巖爆等級預(yù)判的準(zhǔn)確率達(dá)到100%,錯估率為0%,巖爆等級預(yù)判結(jié)果與實際一致;與橫向試件相比,基于斜向試件或縱向試件Eq/E值的巖爆等級預(yù)判方法的準(zhǔn)確率較高。

2.2 巖爆等級預(yù)判標(biāo)準(zhǔn)的適用性

為進(jìn)一步分析基于不同方向試件Eq/E值的巖爆等級預(yù)判方法的適用性,將22個巖爆測區(qū)3個方向上所有的Eq/E值全部作為測試數(shù)據(jù)。以基于橫向試件Eq/E值的巖爆等級預(yù)判方法為例,分析巖爆等級預(yù)判過程,結(jié)果見表6和表7。

表6 基于橫向試件E q/E值的巖爆等級預(yù)判結(jié)果Table 6 Estimated results of rockburst grades based on transverse sample E q/E values

參照上述方法可得基于斜向和縱向試件Eq/E值的巖爆等級預(yù)判結(jié)果,將其與實際巖爆等級進(jìn)行對比,結(jié)果見表7。

由表7可知:基于不同方向試件Eq/E值的巖爆等級預(yù)判方法的準(zhǔn)確率較高,均達(dá)到了80%,預(yù)判結(jié)果準(zhǔn)確率從高到低依次為縱向、斜向和橫向;基于橫向試件Eq/E值的巖爆等級預(yù)判方法的過高估計率較高,超過了10%,工程應(yīng)用時適當(dāng)注意;基于縱向試件Eq/E值的巖爆等級預(yù)判方法不存在過低估計率。綜上所述,基于縱向試件Eq/E值的巖爆等級預(yù)判方法對不同方向Eq/E值的適用性均較好,進(jìn)行巖爆等級預(yù)判時,可優(yōu)先考慮選用基于縱向試件Eq/E值的巖爆等級預(yù)判方法。

表7 不同方向巖爆等級預(yù)判結(jié)果與實際巖爆等級對比Table 7 Comparison of the estimated results of rockburst grade and actual rockburst grade for different directions %

2.3 不同巖爆等級預(yù)判方法對比

為分析本研究所提巖爆等級預(yù)判方法的可靠性,分別使用 Barton判據(jù)[19]、Rehman判據(jù)[20]、Hoek判據(jù)[21]、陶振宇判據(jù)[22]、規(guī)范法[23]與本研究方法對文中8個驗證測點進(jìn)行巖爆等級估算。不同方法的巖爆判據(jù)如表8所示,表中SRF和SRFQ分別代表應(yīng)力折減系數(shù)和改進(jìn)的應(yīng)力折減系數(shù),σc和σmax分別代表單軸抗壓強(qiáng)度和最大地應(yīng)力。Barton判據(jù)將巖爆等級簡單地分為中等巖爆和嚴(yán)重巖爆,且缺少對強(qiáng)度應(yīng)力比大于5的分級,巖爆等級分級不夠精確;文獻(xiàn)[20]認(rèn)為SRF僅考慮了完整巖石與主應(yīng)力的比值,忽略了巖體的節(jié)理,從而提出了SRFQ,但同樣存在分類不精確的問題;陶振宇等[22]以Barton判據(jù)為基礎(chǔ),將中等巖爆分為輕微巖爆和中等巖爆,未對嚴(yán)重巖爆進(jìn)一步細(xì)分;規(guī)范法[23]將嚴(yán)重巖爆進(jìn)一步劃分為強(qiáng)烈?guī)r爆和劇烈?guī)r爆兩個等級,并將巖爆等級劃分為輕微巖爆、中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆和劇烈?guī)r爆,但是忽略了無巖爆的情況;本研究方法考慮了聲發(fā)射特征與巖爆傾向性強(qiáng)弱的關(guān)系,使用Eq/E值將巖爆劃分為無巖爆、輕微巖爆、中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆和劇烈?guī)r爆。

表8 不同方法的巖爆等級判據(jù)Table 8 Rockburst grade criterias for different methods

使用上述巖爆等級預(yù)判方法對8個驗證點分別進(jìn)行了巖爆等級預(yù)判,結(jié)果見表9。

表9 不同判據(jù)的巖爆預(yù)等級判結(jié)果Table 9 Estimation results of rockburst grades based on different rockburst criteria

將不同方法的巖爆等級預(yù)判結(jié)果與實際巖爆等級進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析,結(jié)果見表10。

由表10可知:不同方法的預(yù)判結(jié)果中均存在巖爆等級被高估的情況,規(guī)范法預(yù)判結(jié)果過高估計率最高,達(dá)到了50%;Barton判據(jù)、Rehman判據(jù)、陶振宇判據(jù)和規(guī)范法預(yù)判結(jié)果的準(zhǔn)確率不高,均未達(dá)到80%;Barton判據(jù)、Rehman判據(jù)、陶振宇判據(jù)和規(guī)范法預(yù)判結(jié)果不存在過低估計的情況,而本研究方法的預(yù)判結(jié)果存在過低估計巖爆等級的現(xiàn)象,但是過低估計率較小。綜上所述,與其他巖爆等級預(yù)判方法相比,本研究方法的預(yù)判結(jié)果與實際巖爆等級更為接近。

表10 5種方法的巖爆等級預(yù)判結(jié)果與實際巖爆等級對比Table 10 Comparison of the estimated results of rock- burst grade and actual rockburst grade of five methods %

3 結(jié) 論

本研究以我國西部某隧道為例,使用聲發(fā)射測試技術(shù)獲取了不同巖爆等級區(qū)、不同方向(橫向、斜向和縱向)標(biāo)準(zhǔn)巖石試件在單軸壓縮荷載作用下的聲發(fā)射特征,提出了基于試件主破裂前的累積聲發(fā)射能量Eq與最終破裂后的累積聲發(fā)射能量E之比的巖爆等級預(yù)判方法,得到如下結(jié)論:

(1)使用不同方向試件的Eq/E值將巖爆等級細(xì)分為無、輕微、中等、強(qiáng)烈和劇烈?guī)r爆,并分別得到了基于橫向試件Eq/E值的巖爆等級預(yù)判方法(＞0.86、0.83～0.86、0.45～0.83、0.02～0.45 和≤0.02),基于斜向試件Eq/E值的巖爆等級預(yù)判方法(＞0.88、0.84～0.88、0.32～0.84、0.04～0.32 和≤0.04)和基于縱向試件Eq/E值的巖爆等級預(yù)判方法(＞0.94、0.88～0.94、0.38～0.88、0.07～0.38 和≤0.07)。

(2)基于不同方向試件Eq/E值的巖爆等級預(yù)判結(jié)果準(zhǔn)確率均達(dá)到了80%,該方法相對于傳統(tǒng)巖爆等級預(yù)判方法而言,其預(yù)判結(jié)果與實際巖爆等級更為接近。

(3)基于不同方向試件Eq/E值的巖爆等級預(yù)判準(zhǔn)確率由高到低依次為縱向、斜向和橫向。