資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除。地下工程巖爆及其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估綜述作者:snowsw(原創(chuàng))上傳:yeguiren來源:水利工程網(wǎng)-04-1900:001．

巖爆的數(shù)學(xué)描述在分析巖爆發(fā)生機(jī)制時(shí),人們注意到,地下洞室?guī)r爆是巖體由于幾何及力的邊界條件發(fā)生變化導(dǎo)致巖石材料力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變,從而導(dǎo)致巖體突然失穩(wěn)。這種失穩(wěn)是一種突變現(xiàn)象,它具有多個(gè)平衡位置、突跳、滯后、發(fā)散和不可達(dá)等特點(diǎn)。應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)中的突變理論能夠?qū)Υ诉^程進(jìn)行較好的描述,例如初等突變理論中的尖點(diǎn)突變模型[10,11]。尖點(diǎn)突變模型的標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)函數(shù)為[12]:

(1)式中,為勢(shì)函數(shù),為狀態(tài)變量,為控制變量。令,能夠確定其平衡位置,如下式。

(2)方程實(shí)根的數(shù)目由判別式?jīng)Q定。根據(jù)突變理論,為穩(wěn)定的平衡,為不穩(wěn)定平衡,為兩者間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。同時(shí),在狀態(tài)－控制變量空間中,曲面Ｍ:

稱為平衡曲面,參數(shù)空間曲面B:稱為分叉集,如圖1所示。在平衡曲面的上、中、下三葉分別代表可能的三個(gè)平衡位置,其中上下葉為穩(wěn)定平衡,中葉為不穩(wěn)定平衡。圖1尖點(diǎn)突變模型[12]用尖點(diǎn)突變模型能夠?qū)r爆現(xiàn)象進(jìn)行解釋。設(shè)為表征洞室穩(wěn)定狀態(tài)的變量,為影響洞室穩(wěn)定性的變量,在圖1中能夠觀察到不同的路徑上洞室的穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生的變化。路徑始終處于上葉,在該路徑上洞室一直處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。雖然該路徑上洞室也有可能進(jìn)入破壞狀態(tài),但這種破壞是一個(gè)連續(xù)的過程,如圍巖較軟,其單軸抗壓強(qiáng)度較低,高地應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力值超過了巖石的長期強(qiáng)度,洞室出現(xiàn)加速蠕變直至破壞的一種流變過程,而不是突然失穩(wěn)。路徑開始處于穩(wěn)定平衡的上葉,當(dāng)?shù)竭_(dá)上葉與中葉的皺折時(shí),系統(tǒng)由穩(wěn)定向非穩(wěn)定過渡。此時(shí)若圍巖受到輕微的擾動(dòng),如爆破振動(dòng)導(dǎo)致控制變量發(fā)生微小變化,路徑繼續(xù)往前時(shí),洞室的狀態(tài)不可能進(jìn)入中葉,因?yàn)橹腥~是不穩(wěn)定的亦即不可能達(dá)到的狀態(tài),洞室控制變量經(jīng)過調(diào)整,其狀態(tài)直接跳躍到下葉,發(fā)生巖爆,洞室失穩(wěn)。該路徑下洞室的狀態(tài)的不連續(xù)變化稱之為突變。由于巖爆與圍巖的儲(chǔ)存和釋放的能量有關(guān),因此一般從能量角度對(duì)洞室和圍巖組成的系統(tǒng)進(jìn)行定量分析。文獻(xiàn)[10]根據(jù)最小位能原理建立圓形洞室的尖點(diǎn)突變模型并定量地研究了巖爆的發(fā)生過程,得出了巖爆發(fā)生時(shí)系統(tǒng)必須滿足的條件。假設(shè)外力作用在圓形洞室外的無限遠(yuǎn)處,在圍巖應(yīng)力作用下,圍巖分為彈性區(qū)和軟化區(qū),相應(yīng)的應(yīng)變能分別為e和s。

(3)

(4)總應(yīng)變能:

(5)系統(tǒng)的勢(shì)能由應(yīng)變能和外力功組成,外力作用點(diǎn)在無限遠(yuǎn)處,該處位移為零,故外力勢(shì)能為零,。當(dāng)勢(shì)能取極值時(shí),系統(tǒng)處于平衡位置即,或

(6)將(6)式變換成(2)相同的形式:

(7)

(8)

(9)各符號(hào)的意義見文獻(xiàn)[10]。為圍巖彈性區(qū)廣義剛度與軟化區(qū)廣義剛度絕對(duì)值之比。發(fā)生巖爆時(shí),系統(tǒng)處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài),此時(shí),得。由(8)可知,若,則。根據(jù)的定義,發(fā)生巖爆時(shí)彈性區(qū)廣義剛度小于軟化區(qū)廣義剛度。廣義剛度不但與巖石參數(shù),,而且與外荷載有關(guān)。由于該條件是在發(fā)生巖爆的前提下得出的,故稱為圍巖發(fā)生巖爆的必要條件。

3．

巖爆的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)以上分析可知,巖爆的影響因素很多。雖然各判別準(zhǔn)則都是建立在室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上,但僅憑一兩個(gè)巖石指標(biāo)就對(duì)巖體巖爆進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)很不現(xiàn)實(shí)。因此,在預(yù)測(cè)巖爆時(shí)有必要全面綜合考慮這些因素。眾所周知,巖體是一種多相不連續(xù)介質(zhì),其工程力學(xué)行為及變形和破壞機(jī)制在主客觀兩方面的相當(dāng)程度上都是隨機(jī)的,模糊的,也就是不確定的,且更由于獲取信息與數(shù)據(jù)等方面限制和不完全,不充分,它又是不確知的,因此經(jīng)過經(jīng)典的力學(xué)方法對(duì)其描述往往不完備[17],對(duì)于巖爆特別如此。馮夏庭教授開創(chuàng)的智能巖石力學(xué)在巖爆預(yù)測(cè)方面獨(dú)樹一幟,它撇開數(shù)學(xué)力學(xué)對(duì)巖體的精確描述,經(jīng)過專家經(jīng)驗(yàn)及工程實(shí)例,建立輸出模式到輸出模式的非線性映射,再經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)推理待識(shí)別巖爆發(fā)生的可能性及烈度。該方法綜合考慮了各方面的因素,如巖石的性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)、洞室結(jié)構(gòu)、開挖和支護(hù)方式等等,是其它方法無法比擬的。采用智能巖石力學(xué)方法開發(fā)的綜合智能系統(tǒng)成功地預(yù)測(cè)了南非金礦中的一些巖爆事件[16,17]。根據(jù)對(duì)一些巖爆事件的統(tǒng)計(jì),巖爆一般發(fā)生在洞室開挖后幾小時(shí)到幾十小時(shí),因此洞室開挖過程中的巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)對(duì)保證施工安全有重要的意義。從巖爆發(fā)生的機(jī)制可知,巖爆發(fā)生的過程實(shí)際上是圍巖應(yīng)變能釋放、應(yīng)力重新分布的過程,能夠經(jīng)過對(duì)洞室的微地震事件(或聲發(fā)射)的監(jiān)測(cè)來反映能量釋放過程[18,19]。然而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明,微地震事件的頻度與巖爆事件并不存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系。文獻(xiàn)[20]發(fā)現(xiàn),地下洞室開挖過程中的微地震事件的位置分布具有分形特征,其分形維數(shù)與能量釋放率間存在某種關(guān)系。用分形幾何對(duì)巖爆描述為:巖爆實(shí)際上等效于巖體內(nèi)破裂的一個(gè)分形集聚,這個(gè)破裂的分形集聚所需能量耗散隨分形維數(shù)的減少而按指數(shù)率增加,即:如果將其監(jiān)測(cè)結(jié)果采用分形幾何進(jìn)行處理,能夠較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)巖爆事件。5．

結(jié)語現(xiàn)有的研究結(jié)果表明,巖爆的產(chǎn)生過程是一個(gè)突變過程,能夠經(jīng)過尖點(diǎn)突變模型進(jìn)行解釋;巖爆產(chǎn)生的最主要因素包括巖石性質(zhì),圍巖應(yīng)力狀態(tài),水文與工程地質(zhì)條件等;地下工程巖爆預(yù)測(cè)必須綜合考慮各種相關(guān)因素。隨著能源地下儲(chǔ)存、核廢料深埋處理、深部礦產(chǎn)資源開采及高地應(yīng)力地區(qū)的隧道建設(shè)等大量地下工程建設(shè)的發(fā)展,巖爆問題成為人們成為當(dāng)前巖石力學(xué)研究的焦點(diǎn)問題之一。深入分析巖爆發(fā)生機(jī)理、條件、提出巖爆的預(yù)測(cè)和控制方法對(duì)于確保工程安全具有非常重要的意義。

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(1)巖爆的產(chǎn)生條件1)圍巖應(yīng)力條件判斷巖爆發(fā)生的應(yīng)力條件有兩種方法:一是用洞壁的最大環(huán)向應(yīng)力σθ與圍巖單軸抗壓強(qiáng)度σc之比值作為巖爆產(chǎn)生的應(yīng)力條件;一是用天然應(yīng)力中的最大主應(yīng)力σ1與巖塊單軸抗壓強(qiáng)度σc之比進(jìn)行判斷。1)圍巖應(yīng)力條件經(jīng)驗(yàn)公式:σ1／σc大于0.165～0.35的脆性巖體最易發(fā)生巖爆。2)巖性條件彈性變形能系數(shù)ω:加載到0.7σc后再卸載至0.05σc時(shí),卸載釋放的彈性變形能與加載吸收的變形能之比的百分?jǐn)?shù)。

當(dāng)ω＞70％時(shí),會(huì)產(chǎn)生巖爆,ω越大發(fā)生巖爆的可能性越大。

(2)影響巖爆的因素1)地質(zhì)構(gòu)造巖爆大都發(fā)生在褶皺構(gòu)造中。巖爆與斷層、節(jié)理構(gòu)造密切相關(guān)。當(dāng)掌子面與斷裂或節(jié)理走向平行時(shí),容易觸發(fā)巖爆。巖體中節(jié)理密度和張開度對(duì)巖爆有明顯的影響。據(jù)南非金礦觀測(cè)表明,節(jié)理間距小于40cm,且張開的巖體中,一般不發(fā)生巖爆。掌子面巖體中有大量巖脈穿插時(shí),也將發(fā)生巖爆。2)洞室埋深隨著洞室埋深增加,巖爆次數(shù)增多,強(qiáng)度也增大。發(fā)生巖爆的臨界深度H可按下式估算:(3)巖爆形成機(jī)理和圍巖破壞區(qū)分帶巖爆漸進(jìn)破壞過程示意圖A、劈裂;B、剪斷;C、彈射1)劈裂成板階段(巖爆孕育)垂直洞壁方向受張應(yīng)力作用而