深埋隧洞巖爆段巖石聲發(fā)射特征研究

張浩男， 王 鷹， 王仁和

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 四川成都 611756)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，深埋長(zhǎng)隧洞的建設(shè)越來(lái)越多，深埋隧洞面臨的地質(zhì)環(huán)境更加復(fù)雜，地應(yīng)力更高，因開挖誘發(fā)的巖爆等工程災(zāi)害更加突出、嚴(yán)重[1]。巖爆是巖體破壞的一種形式，巖體在開挖活動(dòng)的擾動(dòng)下，巖體內(nèi)部存儲(chǔ)的應(yīng)變能瞬間釋放，造成開挖空間周圍部分巖石從母體中急劇、猛烈地突出或彈射出來(lái)的一種動(dòng)態(tài)力學(xué)現(xiàn)象[2]。對(duì)巖爆問(wèn)題的科學(xué)有效地預(yù)測(cè)，對(duì)于提高施工的預(yù)見性和科學(xué)性，減少經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡具有深遠(yuǎn)的意義。本文以引漢濟(jì)渭工程引水隧洞為工程背景，探討了引水隧洞巖爆段典型圍巖花崗巖在單軸加卸載條件下的聲發(fā)射特征及其規(guī)律。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭工程是陜西省規(guī)劃的省內(nèi)南水北調(diào)三條跨流域調(diào)水工程中調(diào)水規(guī)模最大的骨干工程。該工程以漢江干流黃金峽水庫(kù)及其支流子午河三河口水庫(kù)為水源，由黃金峽泵站自黃金峽水庫(kù)提水，通過(guò)無(wú)壓引水隧洞自流輸水至黑河金盆水庫(kù)下游黃池溝，連接關(guān)中供水網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)向關(guān)中地區(qū)供水。整個(gè)工程中引水隧洞全長(zhǎng)97.37 km，其中：“黃三段”引水隧洞全長(zhǎng)15.79 km，“越嶺段”引水隧洞全長(zhǎng)81.58 km，隧道最大埋深2 012 m，具有巖性復(fù)雜、水平應(yīng)力大和埋深大等特點(diǎn)。勘察結(jié)果顯示，隧洞最大水平地應(yīng)力預(yù)計(jì)超過(guò)50～60 MPa，屬于高地應(yīng)力場(chǎng)區(qū)，圍巖施工開挖易產(chǎn)生巖爆災(zāi)害。

2 聲發(fā)射試驗(yàn)

巖石在受力變形過(guò)程中，由于內(nèi)部微裂的萌生、擴(kuò)展和斷裂將產(chǎn)生的能量并快速釋放，進(jìn)而形成瞬態(tài)的彈性波向外擴(kuò)散[3]。聲發(fā)射檢測(cè)通過(guò)捕捉巖石內(nèi)部在巖石受力變形過(guò)程中因局部損傷而產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波而達(dá)監(jiān)測(cè)巖石損傷破裂過(guò)程的目的，已經(jīng)在巖石力學(xué)領(lǐng)域有了比較廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)秦嶺引水隧洞巖爆段的花崗巖進(jìn)行單軸加卸載條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)，力求為此類巖體的巖爆預(yù)測(cè) 、預(yù)報(bào)提供一定的依據(jù)[4]。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)儀器是由MTS815.02電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)和SAEU2S型全波形多通道聲發(fā)射檢測(cè)儀組成。試驗(yàn)加載設(shè)備包含加載系統(tǒng)、控制器、測(cè)量系統(tǒng)等部分，是由美國(guó) MTS公司生產(chǎn)的專門用于巖石及混凝土實(shí)驗(yàn)的多功能電液伺服控制的剛性試驗(yàn)機(jī)，加載的全過(guò)程可實(shí)時(shí)采集巖石的應(yīng)力、應(yīng)變和時(shí)間等的數(shù)據(jù)。聲發(fā)射系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)和示波器建立通訊可同時(shí)采集記錄幅度、能量、振鈴計(jì)數(shù)等聲發(fā)射參數(shù)。試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)裝置如圖1、圖2所示。

圖1 聲發(fā)射及壓力系統(tǒng)

圖2 試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)樣品及試驗(yàn)方法

此次試驗(yàn)所選用的巖石為秦嶺引水隧洞中深部的高應(yīng)力地區(qū)的圍巖斷面上所取得的巖塊，巖性為花崗巖，利用磨石機(jī)和巖石切片機(jī)將其加工成φ50 mm×100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，并對(duì)試樣表面進(jìn)行了拋光處理(圖3)。

圖3 隧洞巖爆段花崗巖試樣

在試驗(yàn)時(shí), 保持加載過(guò)程與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)同步。加載系統(tǒng)采用位移控制加載,加載速率為 0.15 mm/min, 聲發(fā)射系統(tǒng)采樣頻率為25 MHz;數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的門檻值為 40 dBAE; 監(jiān)測(cè)統(tǒng)在100Hz～100 k Hz范圍工作 , 其濾波器波頻率10～100 k Hz，前置放大器的傳感器增益 40 dB。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康? 采用一次循環(huán)單軸加卸載方式。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

聲發(fā)射事件的形成主要是由于張開型結(jié)構(gòu)面的或者微裂隙的逐漸閉合、礦物及膠結(jié)物間的分離所造成，通常情況下在分析聲發(fā)射數(shù)據(jù)的過(guò)程中，聲發(fā)射計(jì)振鈴數(shù)率、聲發(fā)射時(shí)間數(shù)、振幅以及能量等是研究分析聲發(fā)射事件的主要參數(shù)，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率是單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的聲發(fā)射活動(dòng)的數(shù)量[5]。本文通過(guò)選取聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率計(jì)數(shù)率、聲發(fā)射能量累積計(jì)數(shù)率以及應(yīng)力為參數(shù)，結(jié)合時(shí)間的變化，來(lái)分析秦嶺隧洞巖爆區(qū)巖樣應(yīng)力、聲發(fā)射、破壞形態(tài)三者之間的共性與差異性。

3.1 應(yīng)力、聲發(fā)射參數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系特征

這里主要探討的是應(yīng)力、應(yīng)變與聲發(fā)射數(shù)和能量之間的關(guān)系特征。從圖4可以看出該類巖石具有明顯的Kaiser效應(yīng)。在單軸加卸載條件下，以卸載點(diǎn)為界(85 %最大載荷)，花崗巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致經(jīng)過(guò)初始?jí)好芏魏头菑椥运苄云茐亩蝺蓚€(gè)階段，沒有其它巖石具有的彈性變形階段，同樣也測(cè)不出峰值后的應(yīng)力-應(yīng)變變化曲線，說(shuō)明這種巖石表現(xiàn)出典型的脆破壞特征，巖爆傾向性很強(qiáng)。可以看到，試樣從一開始加載就出現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象，在初始?jí)好芏危m然巖石經(jīng)歷了加載和卸載兩個(gè)過(guò)程，但其聲發(fā)射數(shù)增長(zhǎng)幅度卻較小,沒有大的突增,巖石產(chǎn)生的應(yīng)變也較小；而在整個(gè)初始?jí)好芏危芰吭鲩L(zhǎng)緩慢，釋放較小。這主要是因?yàn)榛◢弾r內(nèi)部存在許多微裂隙，在剛開始加載時(shí)，巖石內(nèi)部的微裂隙逐漸被壓密和閉合，從而產(chǎn)生一定的聲反射活動(dòng)，在卸載時(shí), 被壓密與閉合的裂隙由于受力反彈，又逐漸松弛和張開，同樣伴隨著一定的聲反射活動(dòng)和產(chǎn)生一定的巖石變形，但總的來(lái)講，其變化不大。隨著應(yīng)力的逐漸增大，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)卸載點(diǎn)應(yīng)力水平時(shí)，巖石內(nèi)部微裂隙迅速處于不穩(wěn)定的擴(kuò)張和發(fā)展?fàn)顟B(tài)，裂紋得到延伸和貫通，產(chǎn)生大的失穩(wěn)破壞，聲發(fā)射事件和能量呈明顯增長(zhǎng),但在應(yīng)力快達(dá)到其峰值時(shí) ,巖石聲發(fā)射數(shù)卻并沒有達(dá)到最大值，出現(xiàn)短暫的平靜期，直到巖石破壞后, AE數(shù)和能量才呈跳躍式的增長(zhǎng)變化，最終達(dá)到最大值。

圖4 試樣應(yīng)力、應(yīng)變與聲發(fā)射數(shù)、能量關(guān)系曲線

從以上敘述看出，秦嶺隧洞花崗巖在單軸加卸載條件下進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)時(shí)，AE曲線和能量曲線在初始?jí)好芏魏头菑椥运苄云茐亩蔚淖兓旧弦恢隆r石在破壞之前，其聲發(fā)射出現(xiàn)一定的相對(duì)平靜期，這非常有利對(duì)巖石的巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)。

3.2 應(yīng)力、聲發(fā)射參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系特征

由于本試驗(yàn)在加載過(guò)程中采用的是等速位移控制，所以整個(gè)過(guò)程中的應(yīng)力并不呈線性變化，而是呈非線性的變化。從圖5可以看出，巖石在第1次加載過(guò)程中，累計(jì)聲發(fā)射數(shù)和能量增長(zhǎng)較慢；在卸載過(guò)程中，其繼續(xù)保持穩(wěn)定的小幅增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度較第1次加載要大；在第2次加載過(guò)程中，累計(jì)AE數(shù)與能量增長(zhǎng)幅度急劇增大，兩者都呈直線跳躍式增長(zhǎng)，巖石發(fā)生破壞時(shí)，有效地累計(jì)AE數(shù)和能量達(dá)到最大值，破壞后區(qū)兩者基本上保持不變。主要原因是第1次加載階段，是初始?jí)好芏危暟l(fā)射活動(dòng)主要是由于微裂隙的壓密和閉合而產(chǎn)生的，產(chǎn)生的都是些較小的聲發(fā)射事件，因此其累計(jì)的AE數(shù)和能量輻射都不大，而在第2次加載時(shí)，由于經(jīng)過(guò)了卸載過(guò)程中巖石受力反彈松弛、擴(kuò)張的作用，在高外力作用下，巖石內(nèi)的微裂隙迅速不穩(wěn)定擴(kuò)張和貫通，形成大的裂隙，最終到巖石發(fā)生大的破壞，這過(guò)程中的聲發(fā)射活動(dòng)劇烈，AE數(shù)和能量輻射均達(dá)到最大值。

3.3 AE率和能率的變化情況

圖5 試樣應(yīng)力、聲發(fā)射數(shù)、能量與時(shí)間關(guān)系曲線

3.1、3.2是從時(shí)間上AE數(shù)和能量的累計(jì)大小來(lái)分析的，反映的是某時(shí)間段內(nèi)的AE數(shù)與能量變化情況，無(wú)法反映每個(gè)時(shí)刻的AE數(shù)和能量大小的變化情況，為此還需分析AE率和能率的變化情況。從圖6可以看出，第1次加載過(guò)程中AE率與能量率曲線的斜率都很小，即單位時(shí)間的AE數(shù)和能量變化率不大，說(shuō)明巖石聲發(fā)射活動(dòng)不強(qiáng)；在卸載過(guò)程中，雖然AE率與能率迅速降低，但其值卻仍然很大，說(shuō)明此過(guò)程中的聲發(fā)射活動(dòng)仍然很強(qiáng)烈，甚至比第1次加載期過(guò)程中的都要強(qiáng)烈；而在第2次加載過(guò)程中，隨著應(yīng)力逐漸增大，AE率和能率迅速陡增，說(shuō)明此過(guò)程中的聲發(fā)射活動(dòng)達(dá)到最強(qiáng)烈，巖石內(nèi)部產(chǎn)生了大的裂隙，巖石失穩(wěn)破壞即將來(lái)臨，峰值強(qiáng)度之后，AE率和能率才逐漸降低。針對(duì)這種巖石在發(fā)生破壞之前其AE率與能率迅速增大的特點(diǎn) ,可以用聲發(fā)射率與能率來(lái)表征巖石的破壞特征,把聲發(fā)射率和能率突增作為巖石發(fā)生巖爆的前兆特征。

圖6 試樣AE率、能率曲線

從以上分析可以看出，有巖爆傾向的巖石在1次循環(huán)加卸載作用下時(shí)，不同過(guò)程中其破壞的程度是不同的，巖石的聲發(fā)射的特征也是不同的。第1次加載巖石破壞較小，卸載次之,第2次加載時(shí)的破壞程度最大，卸載過(guò)程可以看作是一個(gè)巖石彈性反彈引起的巖石顆粒松弛和裂隙張開的軟化過(guò)程，它促使了巖石向更加不穩(wěn)定的方向發(fā)展，巖石卸載作用對(duì)巖石的穩(wěn)定性影響很大。因此，在工程施工過(guò)程中,應(yīng)該盡量減少巖體的暴露空間，及時(shí)進(jìn)行支護(hù), 且支護(hù)接觸要充分。

4 結(jié)論

(1)以引漢濟(jì)渭工程引水隧洞花崗巖為例，進(jìn)行室內(nèi)單軸加卸載條件下破壞全過(guò)程的聲發(fā)射特征研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，巖石單軸壓縮破壞過(guò)程中具有典型的聲發(fā)射特征階段。

(2)試驗(yàn)中，AE曲線和能量曲線在初始?jí)好芏魏头菑椥运苄云茐亩蔚淖兓旧弦恢隆ｋS著應(yīng)力的逐漸增大，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)卸載點(diǎn)應(yīng)力水平時(shí)，巖石內(nèi)部微裂隙迅速處于不穩(wěn)定的擴(kuò)張和發(fā)展?fàn)顟B(tài)，裂紋得到延伸和貫通，產(chǎn)生大的失穩(wěn)破壞，聲發(fā)射事件和能量呈明顯增長(zhǎng),但在應(yīng)力快達(dá)到其峰值時(shí) ,巖石聲發(fā)射數(shù)卻并沒有達(dá)到最大值，巖石在破壞之前，其聲發(fā)射出現(xiàn)一定的相對(duì)平靜期，這非常有利對(duì)巖石的巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)。

(3)試樣在單循環(huán)加卸載過(guò)程中大致經(jīng)歷了初始?jí)好芏魏头菑椥云茐亩蝺蓚€(gè)階段,表現(xiàn)出典型的脆性破壞特征。初始?jí)好芏? 巖石AE數(shù)和能量增長(zhǎng)平緩;巖石在發(fā)生破壞前,AE率與能率突然急劇增大 ,可以把聲發(fā)射率和能率突增作為巖石發(fā)生巖爆的前兆特征。卸載條件比初始加載條件下的聲發(fā)射活動(dòng)要強(qiáng)烈 ,卸載作用進(jìn)一步促進(jìn)了巖石非穩(wěn)定性破壞。在加載-卸載-加載過(guò)程中,聲發(fā)射活動(dòng)的主頻表現(xiàn)出了先低頻再中頻, 最后到高頻并伴次高頻出現(xiàn)的這樣一個(gè)發(fā)展過(guò)程,這為此類巖體的巖爆預(yù)報(bào)提供了一定的依據(jù)。