地下工程巖爆及其風險評估綜述

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1、地下工程巖爆及其風險評估綜述摘要：文章根據國內外的研究成果對巖爆進行數學描述，并根據巖性及工程地質條件、應力條件討論發(fā)生巖爆的內外因條件，據此對巖爆進行預測，指出巖爆并非單一因素導致的事件，而是典型的多因一果，在巖爆預測時應根據其發(fā)生的條件采用綜合判別準則。關鍵詞：巖爆模型能量應力預測1．前言巖爆是深埋地下工程施工過程中常見的動力破壞現象，它是由于巖石積聚的應變能大于巖石破壞所消耗的能量時，多余的能量導致巖石碎片從巖體中剝離、崩出。強烈的巖爆常常帶來災難性的后果，如人員傷亡、施工設備毀損甚至地下工程報廢等等。針對這一問題，很多學者根據現場調查及室內模型試驗對巖爆的發(fā)生機理

2、、預測方法、及控制手段等方面做了大量的工作[1-9]。但由于巖石固有的一些特性如各相異性、不均勻性，許多研究成果僅限于某些方面的事后驗證，沒有形成統(tǒng)一的認識。因此巖爆問題的研究還遠沒有形成系統(tǒng)的研究成果。本文簡要介紹了國內外目前在巖爆的數學描述、發(fā)生條件以及預測方面進行的工作，旨在為相關的研究工作提供借鑒。2．巖爆的數學描述在分析巖爆發(fā)生機制時，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)生變化導致巖石材料力學性質發(fā)生改變，從而導致巖體突然失穩(wěn)。這種失穩(wěn)是一種突變現象，它具有多個平衡位置、突跳、滯后、發(fā)散和不可達等特點。應用現代數學中的突變理論可以對此過程進行較

3、好的描述，例如初等突變理論中的尖點突變模型[10,11]。尖點突變模型的標準勢函數為[12]：（1）式中，為勢函數，為狀態(tài)變量，為控制變量。令，可以確定其平衡位置，如下式。（2）方程實根的數目由判別式決定。根據突變理論，為穩(wěn)定的平衡，為不穩(wěn)定平衡，為兩者間的轉折點。同時，在狀態(tài)－控制變量空間中，曲面Ｍ:稱為平衡曲面，參數空間曲面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尖點突變模型[12]用尖點突變模型可以對巖爆現象進行解釋。設為表征洞室穩(wěn)定狀態(tài)的變量，為影響洞室穩(wěn)定性的變量，在圖1中可以

4、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入破壞狀態(tài)，但這種破壞是一個連續(xù)的過程，如圍巖較軟，其單軸抗壓強度較低，高地應力區(qū)的應力值超過了巖石的長期強度，洞室出現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，當到達上葉與中葉的皺折時，系統(tǒng)由穩(wěn)定向非穩(wěn)定過渡。此時若圍巖受到輕微的擾動，如爆破振動導致控制變量發(fā)生微小變化，路徑繼續(xù)往前時，洞室的狀態(tài)不可能進入中葉，因為中葉是不穩(wěn)定的亦即不可能達到的狀態(tài)，洞室控制變量經過調整，其狀態(tài)直接跳躍到下葉，發(fā)生巖爆，洞室失穩(wěn)

5、。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存和釋放的能量有關，因此一般從能量角度對洞室和圍巖組成的系統(tǒng)進行定量分析。3．與巖爆事件相關的幾個因素巖爆的發(fā)生與很多因素有關，一般分為以巖性為主的內因條件和以圍巖應力、結構及施工荷載為主的外因條件。3.1巖性因素巖爆是由于圍巖儲存的彈性應變能大于巖石破碎所消耗的能量，引發(fā)巖石碎片從巖壁突然飛崩出來。因此，發(fā)生巖爆的圍巖必然有較高的儲存彈性應變能的能力。一般來講，堅硬、完整的巖體，其儲存應變能的能力高，發(fā)生巖爆的傾向性也高。判斷巖石發(fā)生巖爆的傾向性大小可以通過多種指標測試，目前較常用的指標有巖石的脆性系數，彈性

6、變形能指數，巖石沖擊能指標。人們很早就注意到巖爆與巖石脆性有很大的關系，巖石的脆性越大，巖爆的傾向越高。現代細觀力學通過室內試驗及現場采樣的斷口掃描電鏡分析[1，2]，也證明了這種關系。4．巖爆的預測預報以上分析可知，巖爆的影響因素很多。雖然各判別準則都是建立在室內試驗或現場調查的基礎上，但僅憑一兩個巖石指標就對巖體巖爆進行準確預測很不現實。因此，在預測巖爆時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，其工程力學行為及變形和破壞機制在主客觀兩方面的相當程度上都是隨機的，模糊的，也就是不確定的，且更由于獲取信息與數據等方面限制和不完全，不充分，它又是不確

7、知的，因此通過經典的力學方法對其描述往往不完備[17]，對于巖爆尤其如此。馮夏庭教授開創(chuàng)的智能巖石力學在巖爆預測方面獨樹一幟，它撇開數學力學對巖體的精確描述，通過專家經驗及工程實例，建立輸出模式到輸出模式的非線性映射，再通過網絡推理待識別巖爆發(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、巖體結構、洞室結構、開挖和支護方式等等，是其它方法無法比擬的。采用智能巖石力學方法開發(fā)的綜合智能系統(tǒng)成功地預測了南非金礦中的一些巖爆事件[16，17]。根據對一些巖爆事件的統(tǒng)計，巖爆一般發(fā)生在洞室開挖后幾小時到幾十小時，因此洞