隧道硬质岩岩爆的判断、等级划分及处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种隧道硬质岩岩爆的判别与治理的技术，具体地说是一种隧道硬质 岩岩爆的判断、等级划分及处理方法，属于隧道硬质岩岩爆领域。
【背景技术】
[0002] 岩爆主要是通过对岩石的强度进行试验，主要包括室内岩石单轴强度试验及三轴 强度试验、现场岩体弹性模量测试、现场地质调查。地应力大小进行实测之后，一般情况下 岩爆预测评估方法会采用强度理论中普遍采用的工程岩体分级标准判别法、Russenes判 别法、Turchaninov判别法、Hoek判别法中的一种进行判别，然而上述传统的方法安全性较 低，安全费用投入较大，工期长，增加了生产成本。
【发明内容】
[0003] 为了解决上述问题，本发明设计了一种隧道硬质岩岩爆的判断、等级划分及处理 方法，能够高地应力隧道施工，对降低隧道施工中岩爆造成的安全风险、减少安全费用有着 积极的经济效益，极大的降低了安全风险，缩短了工期，降低了成本，减少了安全费用的投 入。
[0004] 本发明的技术方案为：
[0005] 一种隧道硬质岩岩爆的判断、等级划分及处理方法，包括以下步骤：
[0006] (1)地质调查，包括自然地理状况、底层岩性、地质构造地形、不良地质及特殊岩 土、水文地质条件；
[0007] (2)根据地质调查结果，设计方案；
[0008] (3)通过室内岩块力学实验、地应力测试及弹模测试、工程区地应力研宄即岩爆评 估，得到地质概化和数值仿真模型；
[0009] (4)通过围岩力学劣化研宄和隧道围岩稳定性分析，得到岩爆防控建议措施。
[0010] 其中，室内岩块力学实验为隧道围岩的岩块及岩体强度测试，包括室内岩石单轴 强度试验及三轴强度试验、现场岩体弹性模量测试、现场地质调查。
[0011] 实验过程采用位移控制的方式，采用逐级一次连续加载法，连续记录载荷和应变 值，直至试件破坏。实验中的轴向压力通过标定的测力柱量测，试样的纵向、横向变形通过 应变片量测。试验中记录试样所受的应力与纵向和横向应变关系曲线。试样的破坏强度即 为应力~应变中的峰值应力，弹性模量E定义为应力与纵向应变关系曲线上直线段起始点 与终点应力差值与所对应的的应变差值之比；泊松比定义为应力与纵向应变关系曲线上直 线段起始点与终点横向应变差值与纵向应变差值之比。
[0012] 岩体弹性模量测试采用钻孔弹模法：钻孔弹模实验采用BJ-91A钻孔弹模计进行， 该钻孔弹模计主要由二路加压系统、位移量测系统及压力量测系统组成。实验时利用仪器 内部的四个千斤顶活塞推动两块刚性承压板对钻孔壁岩体施加一对称的条带载荷。在承压 板上装有LVDT线性差动变压器式位移传感器，用来测量钻孔孔壁岩体在加载时的径向变 形，用安装在活塞上的测力计直接测定出力。
[0013] 其中，地应力测试：包括对典型洞段进行详细测绘及取样，并进行实地测量，结合 现场数据对隧道不同埋深围岩岩爆进行评估，给出围岩岩爆等级以及隧道区软岩大变形埋 深深度。
[0014] 岩体地应力测试采用水压致裂法进行实测。水压致裂法地应力测量利用一对可膨 胀的橡胶封隔器，在预定的测试深度封隔一段钻孔，然后泵入液体对该段钻孔施压，根据压 裂过程曲线的压力特征值计算地应力。
[0015] 当液压增加时，钻孔岩壁切向应力逐渐下降为拉应力状态，随着液压的增加，拉应 力也逐渐增加，当拉应力等于或大于围岩的抗拉强度时，钻孔岩壁出现裂缝。这时承压段的 液压就是破裂压力。
[0016] 水压致裂法地应力测量中，根据试验过程中可以确定钻孔最大、最小水平主应力 大小，同时可以根据印模器记录的裂纹破裂方向确定最大水平主应力方向。
[0017] 其中，隧道围岩力学性质劣化判断：包括对隧道围岩不同位置进行现场声波测试， 结合试验数据利用数值模拟手段分析在特定地应力条件下围岩应力分布规律以及围岩力 学性质劣化规律。
[0018] 采用各向同性损伤模型，根据《水工建筑物岩石基础开挖工程技术规范》中规定， 当η > 10%时，即判定岩体受到爆破损伤破坏。对应的岩体损伤阈值为D = 0. 19。
[0019] 其中，隧道围岩稳定性分析及岩爆防控：包括在先前建立的计算模型基础上进行 围岩弱化试验研宄在高地应力条件下围岩应力调整的规律性，并针对可能发生的岩爆破 坏进行预测并划分岩爆等级，提出针对性的措施。
[0020] 本发明结合室内岩块力学试验、水压致裂法测试的地应力大小、工程区地应力研 宄及岩爆评估以及超前地质预测预报的结果，综合判断岩爆发生地段和岩爆划分等级的区 域；通过围岩力学性质劣化研宄、隧道围岩稳定性分析综合制定不同岩爆等级下的处理措 施。
[0021] 本发明结合超前地质预测预报情况、钻孔揭示情况、岩体强度等情况进行综合判 断岩爆是否存在；采用水压致裂法对隧道内的岩体进行了地应力大小的实测；采用工程岩 体分级标准判别法、Russenes判别法、Turchaninov判别法、Hoek判别法这四种判别法进行 定性、定量分析，并结合实际开挖揭示情况进行综合评价，划分岩爆等级。
[0022] 本发明的优点在于：在高地应力区域深埋长大隧道出现岩爆灾害的可能性很大， 做好地应力的测试及岩爆灾害的预防工作，有效地保证了现场施工人员的人身安全，为隧 洞尽早贯通提供了有力的技术支撑，对地质工程灾害的预测预报及实时控制提供了有效的 手段，对安全生产具有指导意义；能够高地应力隧道施工，对降低隧道施工中岩爆造成的安 全风险、减少安全费用有着积极的经济效益，极大的降低了安全风险，缩短了工期，降低了 成本，减少了安全费用的投入。
[0023] 下面结合附图和实施对本发明作进一步说明。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明实施例的岩体中含一钻孔的应力分布图；
[0025] 图2为图1的放大图；
[0026] 图3为本发明实施例的技术线路图。
【具体实施方式】
[0027] 以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用 于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028] 实施例1
[0029] 一种隧道硬质岩岩爆的判断、等级划分及处理方法，包括以下步骤：
[0030] 1)隧道围岩的岩块及岩体强度测试：包括室内岩石单轴强度试验及三轴强度试 验、现场岩体弹性模量测试、现场地质调查。
[0031] 岩块力学性质试验在RMT-150岩石实验系统上进行，试样为花岗岩，取自梅花山 隧道DK223+100处的地应力钻孔岩芯，试样均在中科院武汉岩土力学研宄所实验工厂加 工，试样直接偏差小于〇· 2mm，断面不平行度小于0· 02mm，端面与轴线垂直度的偏差小于 0. 001弧度，所有试样轴向与岩芯轴向一致。根据要求，分别进行了单轴和常规三轴的岩石 抗压强度试验，试样尺寸均为Φ 50mmX 100mm。
[0032] 实验过程采用位移控制的方式，采用逐级一次连续加载法，连续记录载荷和应变 值，直至试件破坏。实验中的轴向压力通过标定的测力柱量测，试样的纵向、横向变形通过 应变片量测。试验中记录试样所受的应力与纵向和横向应变关系曲线。试样的破坏强度即 为应力~应变中的峰值应力，弹性模量E定义为应力与纵向应变关系曲线上直线段起始点 与终点应力差值与所对应的的应变差值之比；泊松比定义为应力与纵向应变关系曲线上直 线段起始点与终点横向应变差值与纵向应变差值之比，如式所示：
【主权项】
1. 一种隧道硬质岩岩爆的判断、等级划分及处理方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 地质调查，包括自然地理状况、底层岩性、地质构造地形、不良地质及特殊岩土、水 文地质条件； (2) 根据地质调查结果，设计方案； (3) 通过室内岩块力学实验、地应力测试及弹模测试、工程区地应力研宄即岩爆评估， 得到地质概化和数值仿真模型； (4) 通过围岩力学劣化研宄和隧道围岩稳定性分析，得到岩爆防控建议措施。
2. 根据权利要求1所述的隧道硬质岩岩爆的判断、等级划分及处理方法，其特征在于： 室内岩块力学实验为隧道围岩的岩块及岩体强度测试，包括室内岩石单轴强度试验及三轴 强度试验、现场岩体弹性模量测试、现场地质调查。
3. 根据权利要求1所述的隧道硬质岩岩爆的判断、等级划分及处理方法，其特征在于， 地应力测试：包括对典型洞段进行详细测绘及取样，并进行实地测量，结合现场数据对隧道 不同埋深围岩岩爆进行评估，给出围岩岩爆等级以及隧道区软岩大变形埋深深度。
4. 根据权利要求1所述的隧道硬质岩岩爆的判断、等级划分及处理方法，其特征在于， 隧道围岩力学性质劣化判断：包括对隧道围岩不同位置进行现场声波测试，结合试验数据 利用数值模拟手段分析在特定地应力条件下围岩应力分布规律以及围岩力学性质劣化规 律。
5. 根据权利要求1所述的隧道硬质岩岩爆的判断、等级划分及处理方法，其特征在于， 隧道围岩稳定性分析及岩爆防控：包括在先前建立的计算模型基础上进行围岩弱化试验研 宄在高地应力条件下围岩应力调整的规律性，并针对可能发生的岩爆破坏进行预测并划分 岩爆等级，提出针对性的措施。
【专利摘要】本发明公开了一种隧道硬质岩岩爆的判断、等级划分及处理方法，包括地质调查、设计方案、地质概化和数值仿真模型、最后得到岩爆防控建议措施；本发明的优点在于：能够高地应力隧道施工，对降低隧道施工中岩爆造成的安全风险、减少安全费用有着积极的经济效益，极大的降低了安全风险，缩短了工期，降低了成本，减少了安全费用的投入。
【IPC分类】G01N3-00, G01N33-24
【公开号】CN104655820
【申请号】CN201410458207
【发明人】李卫兵, 高周俊, 李建新, 陈杰华, 胡亮, 郭雷, 孟伟, 赵曼
【申请人】中铁十六局集团第五工程有限公司
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2014年9月11日