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        隧道巖爆與TSP法彈性參數(shù)關系的探討

        2021-12-13 04:48:34牟元存
        工程地球物理學報 2021年6期

        王 凱,牟元存,李 星

        (中鐵二院工程集團有限責任公司,四川 成都 610031)

        1 引 言

        隨著我國隧道建造水平的不斷提高,鐵路隧道已向深埋長大隧道的方向發(fā)展。在深埋長大隧道的施工過程中不可避免會遇到各種地質(zhì)問題,巖爆就是其中之一,它不僅對施工人員及設施設備的安全造成嚴重威脅,同時往往導致工期延誤和工程費用的增加。TSP(Tunnel Seismic Prediction)法作為目前廣泛使用的一種彈性波超前地質(zhì)預報方法,該方法通過計算圍巖的地震波速度、泊松比、彈性模量等參數(shù),分析掌子面前方的地質(zhì)情況,多年來在預測預報斷層破碎帶、巖溶、軟弱地層等方面取得了豐碩的成果,但是在預測巖爆方面,還存在很大困難,國內(nèi)外也鮮有相關文獻。眾所周知,巖爆現(xiàn)象同巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地下水、地質(zhì)構(gòu)造、隧道埋深等因素存在關系[1,2],而上述因素必定對圍巖波速、彈性模量等巖石彈性參數(shù)產(chǎn)生影響[3]。那么,巖爆現(xiàn)象同TSP法得到的彈性參數(shù)是否存在關系,TSP法在巖爆的預測過程中能否發(fā)揮作用?針對此問題,本文以川藏鐵路拉林段某隧道為依托,在統(tǒng)計眾多TSP預報數(shù)據(jù)的基礎上,總結(jié)分析TSP法得到的彈性參數(shù)同隧道巖爆的關系。

        2 地質(zhì)概況

        隧道位于沃卡地塹東側(cè),巖性以閃長巖、花崗巖為主,圍巖完整性較好,以Ⅱ~Ⅲ級圍巖為主,夾少量Ⅳ、Ⅴ級圍巖。隧道范圍內(nèi)發(fā)育一條斷層,破碎帶寬度10~20 m,具剪張性質(zhì)。受區(qū)域構(gòu)造影響,構(gòu)造裂隙發(fā)育,多呈“X”型,局部可見填充物。地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水,但含量較小。隧址區(qū)地面標高3 260~5 500 m,高差約2 300 m,為典型的高山峽谷地貌,最大埋深約2 100 m,巖性以極硬巖為主,地應力較高,且地質(zhì)構(gòu)造復雜,存在巖爆等工程地質(zhì)問題。

        3 巖爆段落的TSP物性參數(shù)特征

        本次分析研究以數(shù)據(jù)統(tǒng)計為基礎,共統(tǒng)計了某隧道的38次TSP預報數(shù)據(jù),長度約3.5 km。統(tǒng)計數(shù)據(jù)從原始資料的采集到處理,全程采用了嚴格的質(zhì)量控制措施。原始地震記錄具有較高信噪比,干擾信號未影響初至讀取和波形對比,反射波同相軸清晰,不工作道比例低于20 %,且不連續(xù)出現(xiàn);資料處理過程中參數(shù)選取合理,處理成果道間一致性強。資料滿足相關規(guī)程規(guī)范要求,可靠性高。將TSP數(shù)據(jù)進行分析之后,發(fā)現(xiàn)縱波速度、體積模量等彈性參數(shù)同巖爆存在相關性。

        3.1 縱波速度

        統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,實測縱波速度的分布范圍為3 800 m/s

        圖1 縱波速度與巖爆關系示意圖Fig.1 Correlation between rockburst and longitudinal wave velocity

        根據(jù)施工現(xiàn)場統(tǒng)計情況,本次分析段落內(nèi)共有25個巖爆段落,共計1 431 m,各段落地震波速度沿隧道掘進方向的變化情況如表1所示:

        表1 巖爆段落縱波速度變化趨勢Table 1 Variation tendency of longitudinal wave velocity in rockburst area

        3.2 體積模量

        統(tǒng)計數(shù)據(jù)中體積模量的分布范圍為10 GPa<κ<120 GPa。采用同樣的分析方法對體積模量進行分析,可得到與波速類似的規(guī)律:巖爆段落的體積模量通常大于40 GPa,最大可達100 GPa,而體積模量低于40 GPa的段落,巖爆現(xiàn)象減少,在發(fā)生巖爆的段落,體積模量往往呈現(xiàn)上升趨勢,如圖2所示。

        圖2 體積模量與巖爆關系示意圖Fig.2 Correlation between rockburst and volume modulus

        對巖爆段落體積模量沿掘進方向的變化趨勢統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

        表2 巖爆段落體積模量變化趨勢Table 2 Variation tendency of volume modulus in rockburst area

        前人對地震波速、彈性模量與地應力的關系進行了研究,結(jié)果表明:地震波速和彈性模量與應力的大小存在依存關系。巖石是礦物和地質(zhì)構(gòu)造的綜合體,其地震波速度和彈性模量等物性參數(shù)受巖石骨架、裂隙等因素的影響。然而,應力的大小控制圍巖中裂隙的開合,應力增大時,裂隙在應力作用下會趨于閉合,孔隙度降低,巖石強度增大,巖石特性將體現(xiàn)出巖石骨架的特性,波速與彈性模量增大;反之,應力減小時,裂隙張開,孔隙度增大,波速和彈性模量減小[4,5]。隧道施工過程中,由于開挖卸荷,掌子面附近一定范圍內(nèi)的應力得到釋放[6],導致掌子面前方的應力沿開挖方向逐漸上升,從而使得波速和彈性模量均呈增大趨勢。本次巖爆段落的統(tǒng)計資料中,地震波速和體積模量等數(shù)據(jù)特征基本符合以上規(guī)律,因此,在巖爆的預測預報過程中,可將TSP法得到的地震波速和體積模量作為參考。

        4 彈性參數(shù)相互之間的關系

        TSP數(shù)據(jù)處理過程中,體積模量、泊松比等參數(shù)的計算以波速為基礎。為了分析巖爆段落體積模量、泊松比隨地震波波速的變化情況,進一步對波速和體積模量、泊松比的相互關系進行了分析。

        體積模量[7]與圍巖波速之間存在如下關系

        (1)

        查閱文獻可知,火成巖的密度[8]與圍巖波速之間關系滿足如下經(jīng)驗公式

        (2)

        式中,κ為體積模量(Pa);ρ為巖石密度(kg/m3);VP為縱波速度(m/s);VS為橫波速度(m/s)。根據(jù)以上關系,可得出理想狀況下,即當VP=1.73VS時,花崗巖、閃長巖的體積模量和圍巖波速之間的關系。

        圖3 非巖爆段落體積模量與縱波速度關系Fig.3 Correlation between volume modulus and longitudinal wave velocity in non-rockburst area

        圖4 巖爆段落體積模量與縱波速度關系Fig.4 Correlation between volume modulus and longitudinal wave velocity in rockburst area

        圖5和圖6表明,巖爆段和非巖爆段圍巖的泊松比總體分布于0.1~0.4之間,不同之處在于非巖爆段落的總體趨勢趨于一個穩(wěn)定的值(約為0.25),但是巖爆段落,其值隨縱波速度的增大而逐漸增大。

        圖5 非巖爆段泊松比與縱波速度的關系Fig.5 Correlation between poisson’s rate and longitudinal wave velocity in non-rockburst area

        圖6 巖爆段泊松比與縱波速度的關系Fig.6 Correlation between poisson’s rate and longitudinal wave velocity in rockburst area

        體積模量、泊松比和縱波速度的關系特征可解釋為:在應力作用下,巖石裂隙趨于閉合,導致縱波速度明顯增大,但橫波速度僅與巖石骨架有關,故上升幅度較縱波小[9],因此,縱橫波速比增大。泊松比與縱橫波速比呈正相關關系,故泊松比隨縱波速度的增大而增大。體積模量與泊松比同樣呈正相關關系,理論計算時,考慮縱橫波速比恒定為1.73,但計算實測體積模量時,縱橫波速比往往大于1.73,使得體積模量的實測值將大于理論計算值。

        5 結(jié) 論

        1)地震波速、彈性模量等彈性參數(shù)與應力大小存在相關性,對于存在巖爆現(xiàn)象的高應力段落,縱波速度通常大于5 000 m/s,體積模量往往大于40 GPa。

        2)巖爆段落內(nèi),掌子面附近一定范圍內(nèi)的波速和彈性模量均呈增大趨勢,泊松比變化趨勢不明顯,但依然表現(xiàn)出隨波速緩慢上升趨勢。

        3)地應力增大使巖石裂隙逐漸閉合,縱波速度大幅上升,但是橫波速度僅與巖石骨架有關,故其上升幅度小于縱波波速,由此得到體積模量的理論計算小于實測值。而非巖爆段落TSP法得到的彈性模量值,與理論計算值較為吻合。

        4)巖爆與TSP法彈性參數(shù)關系的探討對巖爆的預測預報具有借鑒意義。

        通過統(tǒng)計分析,認為高地應力段落的巖爆現(xiàn)象同TSP法得到的波速、體積模量、泊松比等參數(shù)存在相關性,但是參數(shù)的變化與巖爆現(xiàn)象之間是否存在量化關系,以及巖爆的等級同參數(shù)的變化幅度之間是否有關等問題,并未得到明確結(jié)果,尚需進一步分析研究。

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