一種弱爆破誘導(dǎo)的應(yīng)變型巖爆現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)方法，可廣泛應(yīng)用于水利水電工程、交通、礦山、國(guó)家戰(zhàn)略防護(hù)和深部基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域深埋地下工程應(yīng)變型巖爆現(xiàn)場(chǎng)模擬。

背景技術(shù)：

我國(guó)是世界第一能源消費(fèi)國(guó)，一次能源的80%煤炭提供。為保證國(guó)家能源和環(huán)境安全，十三五期間，我國(guó)將新增常規(guī)水電裝機(jī)6000萬(wàn)kw，我國(guó)西部陸續(xù)開(kāi)工建設(shè)一批采用深埋引水隧洞和地下廠房的大型水電樞紐。大埋深、高地應(yīng)力是我國(guó)西南地區(qū)深埋工程的最大特點(diǎn)。例如已建成投產(chǎn)的錦屏二級(jí)水電站4條引水隧洞最大埋深2525m，實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力約42mpa，預(yù)測(cè)隧洞軸線上的最大主應(yīng)力達(dá)72mpa；地處雅魯藏布江大拐彎的墨脫水電站，引水隧洞埋深達(dá)4000m，地應(yīng)力超過(guò)100mpa；同時(shí)，我國(guó)交通隧道建設(shè)、礦藏資源開(kāi)采也進(jìn)入到了1000～2000m的開(kāi)挖深度。這些工程均需在復(fù)雜地質(zhì)和高地應(yīng)力條件下進(jìn)行巖石高邊坡、大跨度地下洞室群或超長(zhǎng)深埋隧洞的大規(guī)模、高強(qiáng)度巖石開(kāi)挖。

高應(yīng)力巖體的開(kāi)挖將導(dǎo)致圍巖應(yīng)變能持續(xù)耗散與釋放，可能誘發(fā)巖爆、突發(fā)大變形等動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅深埋隧洞工程的施工安全。巖爆是地層中高地應(yīng)力區(qū)地下洞室開(kāi)挖中應(yīng)變能突然釋放時(shí)圍巖脆性破壞形成的一種動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象。當(dāng)?shù)叵露词业挠操|(zhì)脆性巖體由于高地應(yīng)力的作用積累了大量彈性應(yīng)變能，由于開(kāi)挖洞室和巷道，巖體內(nèi)的應(yīng)力發(fā)生重分布且洞壁附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)集中的應(yīng)力超過(guò)巖石的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)變能就會(huì)突然釋放，巖體發(fā)生猛烈的脆性失穩(wěn)破壞，破壞后的圍巖發(fā)生爆裂松脫、剝落,巖塊發(fā)生猛烈地彈射甚至拋射，直接威脅施工人員、設(shè)備的安全。

由于影響巖爆的因素眾多，除了受巖性條件和應(yīng)力條件控制外，開(kāi)采條件對(duì)巖爆的發(fā)生有很大影響。目前對(duì)巖爆的發(fā)生破壞機(jī)制和巖爆的預(yù)測(cè)還不夠準(zhǔn)確，為揭示巖爆的機(jī)理，才能夠?qū)崿F(xiàn)巖爆的預(yù)測(cè)和防治。而試驗(yàn)手段是揭示巖爆機(jī)制研究的重要基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)巖爆的模擬試驗(yàn)大致分為室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)方面，國(guó)外學(xué)者cook發(fā)明了剛性試驗(yàn)機(jī)，并獲得了第一條巖石全過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變曲線，用于解釋巖石峰后承載能力，并提出了巖爆預(yù)測(cè)的剛性理論。s.h.cho、t.j.a.wang、h.d.park提出用單軸循環(huán)加、卸載實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)巖爆發(fā)生的可能性。m.n.bagde和v.petor?a則是用單軸動(dòng)循環(huán)加、卸載實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)有巖爆傾向性的巖石在開(kāi)采過(guò)程中的穩(wěn)定性問(wèn)題。國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了許多加載、卸載和各種不同應(yīng)力狀態(tài)下的巖爆力學(xué)試驗(yàn)，為巖爆的剛度理論、強(qiáng)度理論、能量理論、沖擊傾向性理論及斷裂理論等提供了試驗(yàn)依據(jù)。室內(nèi)三軸試均表明卸荷速率對(duì)巖爆的發(fā)生及規(guī)模有重要影響；何滿潮利用自行設(shè)計(jì)的深部巖爆過(guò)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)花崗巖巖爆全過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力試驗(yàn)；李夕兵研制出中高應(yīng)變率段巖石動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行動(dòng)靜組合加載條件下的巖爆試驗(yàn)；殷志強(qiáng)進(jìn)一步從動(dòng)靜組合加載下巖石破壞過(guò)程中能量?jī)?chǔ)存和釋放特征出發(fā)，充分借鑒現(xiàn)有巖爆傾向性指標(biāo)的合理之處，提出動(dòng)靜組合加載下的巖爆的傾向性指標(biāo)；蘇國(guó)韶等利用自主研發(fā)的真三軸巖爆試驗(yàn)系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)低頻周期擾動(dòng)荷載與靜載聯(lián)合作用下巖爆過(guò)程模擬的前提下，開(kāi)展了不同加載速率的應(yīng)變型巖爆的室內(nèi)模擬試驗(yàn)。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面，?ileny和a.milev在南非kopanang金礦開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了巖爆模擬實(shí)驗(yàn)，在該金礦一廢棄隧洞外巖體內(nèi)布置五個(gè)與該洞室平行的=炮孔，利用炸藥的爆炸能來(lái)模擬圍巖中的應(yīng)變能，在洞室內(nèi)設(shè)計(jì)若干次可控爆破模擬微震源，并用高速攝影分析巖爆時(shí)彈射塊體的彈射速度。在震源附近布置微震組，在遠(yuǎn)區(qū)布置微震監(jiān)測(cè)設(shè)備，巖爆前后運(yùn)用映射和探地雷達(dá)對(duì)巖體條件（斷裂、接縫、巖石強(qiáng)度等）進(jìn)行考察以確定損傷的程度和類型，利用地震波監(jiān)測(cè)原理分析巖爆預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的巖爆實(shí)驗(yàn)工作，但是主要以室內(nèi)試驗(yàn)為主，通過(guò)單軸或者三軸加卸載試驗(yàn)在室內(nèi)模擬巖爆，分析產(chǎn)生巖爆的機(jī)理。但是在試驗(yàn)條件下很難再現(xiàn)巖爆整個(gè)過(guò)程，室內(nèi)試驗(yàn)通常很難模擬實(shí)際工程開(kāi)挖條件，巖石試樣的形式和尺寸也和實(shí)際巖體有較大差異，巖爆室內(nèi)試驗(yàn)方面還存在一定的不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)巖爆室內(nèi)試驗(yàn)的不足，本發(fā)明提出一種弱爆破誘導(dǎo)的應(yīng)變型巖爆現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)方法，通過(guò)在圍巖應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行弱爆破，誘導(dǎo)巖體發(fā)生應(yīng)變型巖爆，測(cè)試巖爆發(fā)生過(guò)程的振動(dòng)和應(yīng)變數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)巖爆的動(dòng)力效應(yīng)作出評(píng)價(jià)，進(jìn)而為應(yīng)變型巖爆預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論支撐。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種弱爆破誘導(dǎo)的應(yīng)變型巖爆現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

步驟一，在深埋隧洞最大埋深段開(kāi)挖試驗(yàn)支洞和監(jiān)測(cè)支洞；

步驟二，通過(guò)數(shù)值模擬確定試驗(yàn)支洞的圍巖應(yīng)力集中區(qū)，并通過(guò)巖爆判據(jù)確定圍巖應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)可能發(fā)生巖爆的區(qū)域；

步驟三，通過(guò)試驗(yàn)支洞向可能發(fā)生巖爆的圍巖應(yīng)力集中區(qū)鉆設(shè)若干炮孔，炮孔鉆設(shè)到試驗(yàn)支洞圍巖應(yīng)力集中區(qū)的內(nèi)部；通過(guò)監(jiān)測(cè)支洞向巖體內(nèi)鉆設(shè)若干振動(dòng)測(cè)試孔，通過(guò)試驗(yàn)支洞向巖體內(nèi)鉆設(shè)若干振動(dòng)測(cè)試孔和若干動(dòng)應(yīng)變測(cè)試孔，并且振動(dòng)測(cè)試孔和動(dòng)應(yīng)變測(cè)試孔布置在圍巖應(yīng)力集中區(qū)的四周；

步驟四，在振動(dòng)測(cè)試孔內(nèi)布置振動(dòng)測(cè)試傳感器，在動(dòng)應(yīng)變測(cè)試孔內(nèi)布置動(dòng)應(yīng)變片，現(xiàn)場(chǎng)布置振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和動(dòng)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，振動(dòng)測(cè)試傳感器與振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)電連接，動(dòng)應(yīng)變片與動(dòng)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)電連接；在炮孔底部進(jìn)行裝藥，堵塞炮孔；待測(cè)試系統(tǒng)調(diào)試完畢，起爆孔底藥卷，形成模擬巖爆，從而對(duì)巖爆的動(dòng)力效應(yīng)做出評(píng)價(jià)。

上述步驟一中，深埋隧洞最小埋深為800m。

上述步驟一中，試驗(yàn)支洞和監(jiān)測(cè)支洞洞軸線均垂直于隧洞主洞軸線。

上述步驟一中，試驗(yàn)支洞和監(jiān)測(cè)支洞的間距為24-26m。

上述步驟一中，試驗(yàn)支洞和監(jiān)測(cè)支洞的間距為25m。

監(jiān)測(cè)支洞的洞型從洞口向洞內(nèi)依次為：城門(mén)洞型、城門(mén)洞型、圓形，三種洞型對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度依次為14—16m，9-11m、9-11m，三種洞型的洞徑依次為4-6m、2.5-3.5m，2.5-3.5m，試驗(yàn)支洞的洞型為城門(mén)洞型，長(zhǎng)度為32-38m。

上述步驟一中，監(jiān)測(cè)支洞的洞型從洞口向洞內(nèi)依次為：城門(mén)洞型、城門(mén)洞型、圓形，三種洞型對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度依次為15m、10m、10m，三種洞型的洞徑依次為5m、3m、3m；試驗(yàn)支洞的洞型為城門(mén)洞型，長(zhǎng)度為35m。

上述步驟二中，數(shù)值模擬采用有限元或離散元方法。

上述步驟三中，只在圍巖應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的炮孔段進(jìn)行裝藥，圍巖應(yīng)力集中區(qū)外的炮孔段不進(jìn)行裝藥。

需要說(shuō)明的是，孔底裝藥段的長(zhǎng)度視圍巖應(yīng)力集中區(qū)的范圍而定；

需要說(shuō)明的是，炮孔鉆設(shè)到試驗(yàn)支洞圍巖應(yīng)力集中區(qū)的內(nèi)部，其目的是爆破時(shí)誘導(dǎo)應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)變能充分釋放；

需要說(shuō)明的是，為了盡可能獲取有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)巖爆的動(dòng)力效應(yīng)進(jìn)行動(dòng)應(yīng)變和誘發(fā)振動(dòng)測(cè)試，振動(dòng)測(cè)試孔和動(dòng)應(yīng)變測(cè)試孔布置在圍巖應(yīng)力集中區(qū)的四周；為了消除面波的影響，提高現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)精度，爆破振動(dòng)和動(dòng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置在試驗(yàn)支洞和監(jiān)測(cè)支洞之間的巖體內(nèi)，通過(guò)預(yù)埋振動(dòng)測(cè)試傳感器和動(dòng)應(yīng)變片來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

需要說(shuō)明的是，試驗(yàn)支洞與監(jiān)測(cè)支洞均與隧道主洞垂直，且監(jiān)測(cè)支洞和試驗(yàn)支洞間距為20m，若間距太短，會(huì)破壞試驗(yàn)支洞圍巖應(yīng)力集中區(qū)，間距太長(zhǎng)，會(huì)影響振動(dòng)和動(dòng)應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集，并且會(huì)延長(zhǎng)鉆設(shè)炮孔深度，增加試驗(yàn)費(fèi)用。

需要說(shuō)明的是，在利用振動(dòng)傳感器獲得實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)之后，需要對(duì)實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行解耦分離，分別獲得地應(yīng)力瞬態(tài)卸載誘發(fā)振動(dòng)信號(hào)和爆炸荷載激發(fā)振動(dòng)信號(hào)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)和有益效果：

1、實(shí)驗(yàn)條件良好。目前西南山區(qū)大量深埋地下工程的建設(shè)，提高了本發(fā)明的可操作性。振動(dòng)和動(dòng)應(yīng)變測(cè)試等相關(guān)技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，提高了試驗(yàn)成功的可能。

2、通過(guò)在施工現(xiàn)場(chǎng)弱爆破誘發(fā)應(yīng)變型巖爆，可以在深部地下洞室內(nèi)直接記錄巖爆過(guò)程中，伴隨著能量瞬態(tài)釋放誘發(fā)的振動(dòng)和動(dòng)應(yīng)變數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是研究巖爆動(dòng)力效應(yīng)最直接的手段。

3、通過(guò)巖爆現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可以為巖爆的數(shù)值試驗(yàn)提供現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，提高數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果的說(shuō)服性。

4、通過(guò)巖爆的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可以為揭示巖爆過(guò)程中能量釋放速率與誘發(fā)振動(dòng)大小和巖爆烈度的內(nèi)在聯(lián)系，為巖爆的預(yù)測(cè)和防治提供一種新的思路。

5.本發(fā)明方法為一種基于應(yīng)變型巖爆誘發(fā)圍巖振動(dòng)特性的巖爆烈度預(yù)測(cè)方法，通過(guò)采集并且處理由測(cè)試系統(tǒng)實(shí)測(cè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)和動(dòng)應(yīng)變數(shù)據(jù)，得到巖體振動(dòng)和動(dòng)應(yīng)變曲線，對(duì)這些曲線進(jìn)行分析，獲取巖爆誘發(fā)圍巖振動(dòng)的時(shí)能密度曲線，同時(shí)研究應(yīng)變型巖爆誘發(fā)圍巖振動(dòng)特性，從而對(duì)巖爆的動(dòng)力效應(yīng)做出評(píng)價(jià)。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明實(shí)施例現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)平面布置圖；

圖2本發(fā)明圖1中的a-a截面縱剖面圖；

圖3本發(fā)明圖1中的b-b截面縱剖面圖；

圖4本發(fā)明實(shí)施例實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)地應(yīng)力瞬態(tài)誘發(fā)振動(dòng)波形圖；

圖5本發(fā)明實(shí)施例實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)爆炸荷載激發(fā)振動(dòng)波形圖。

圖中，1為隧洞主洞，2為監(jiān)測(cè)支洞，3為城門(mén)洞型監(jiān)測(cè)支洞，4為圓形監(jiān)測(cè)支洞，5為試驗(yàn)支洞，6為炮孔，7為振動(dòng)測(cè)試孔，8為動(dòng)應(yīng)變測(cè)試孔，9為應(yīng)力集中區(qū)，10為炮孔裝藥段。

具體實(shí)施方式

某深部隧洞主洞長(zhǎng)63.43km，直徑為8.4m，最大埋深1412m，本現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)依托該隧洞工程的施工開(kāi)展。

1、開(kāi)挖試驗(yàn)支洞和監(jiān)測(cè)支洞

在該深部隧洞的最大埋深段（1000~1300m）選擇較為巖性較為均勻的部位，分別開(kāi)挖試驗(yàn)支洞與監(jiān)測(cè)支洞，試驗(yàn)支洞與監(jiān)測(cè)支洞的相對(duì)位置如圖1所示。試驗(yàn)支洞與監(jiān)測(cè)支洞軸線均與主洞軸線正交。試驗(yàn)支洞長(zhǎng)度為35m，洞型從洞口依次為城門(mén)洞型、城門(mén)洞型、圓形，長(zhǎng)度依次為15m、10m、10m。洞徑分別為5m、3m、3m。監(jiān)測(cè)支洞長(zhǎng)35m，全段均為城門(mén)洞型。

2、確定應(yīng)力集中區(qū)

通過(guò)數(shù)值模擬，確定試驗(yàn)支洞的圍巖應(yīng)力集中區(qū)，并通過(guò)巖爆判據(jù)確定圍巖應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)可能發(fā)生巖爆的區(qū)域。

3、鉆孔、布置監(jiān)測(cè)設(shè)備和裝藥

從試驗(yàn)支洞的邊墻向圍巖的應(yīng)力集中區(qū)鉆設(shè)炮孔，炮孔直徑為70mm，在應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的炮孔段進(jìn)行連續(xù)裝藥，藥卷直徑?32mm。分別從試驗(yàn)支洞的邊墻向應(yīng)力集中區(qū)下部圍巖中鉆設(shè)振動(dòng)測(cè)試孔和動(dòng)應(yīng)變測(cè)試孔，從試驗(yàn)支洞的頂拱向應(yīng)力集中區(qū)的右上方鉆設(shè)振動(dòng)測(cè)試孔，從監(jiān)測(cè)支洞向應(yīng)力集中區(qū)的左上方鉆設(shè)振動(dòng)測(cè)試孔，如圖2-3所示。所有的振動(dòng)和監(jiān)測(cè)測(cè)試孔均圍繞著應(yīng)力集中區(qū)的布置，并且與應(yīng)力集中區(qū)保持一定距離，防止起爆時(shí)對(duì)測(cè)試孔造成損壞，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

4、布置監(jiān)測(cè)設(shè)備和起爆雷管

分別在振動(dòng)測(cè)試孔和動(dòng)應(yīng)變測(cè)試孔內(nèi)布置振動(dòng)測(cè)試傳感器和動(dòng)應(yīng)變片，現(xiàn)場(chǎng)布置振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和動(dòng)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，振動(dòng)測(cè)試傳感器與振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)電連接，動(dòng)應(yīng)變片與動(dòng)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)電連接；在炮孔裝藥段布置起爆雷管，堵塞炮孔。

5、起爆

待整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)布置完成后，檢查無(wú)誤，起爆，形成模擬巖爆。

6、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理

弱爆破起爆誘發(fā)巖爆的過(guò)程中，可以收集振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)和動(dòng)應(yīng)變數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行解耦分離，獲得地應(yīng)力瞬態(tài)卸載誘發(fā)振動(dòng)信號(hào)和爆炸荷載激發(fā)振動(dòng)信號(hào)，分析巖爆誘發(fā)圍巖振動(dòng)特性，從而對(duì)巖爆的動(dòng)力效應(yīng)做出評(píng)價(jià)。