秦嶺隧洞深部巖石力學性能及聲發射特征研究

趙力 李立民 張忠東 王家明 黨康寧

摘要：通過對引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞深部三類巖石片麻巖、花崗巖和石英片巖開展圍壓水平為0、5、10、15 MPa下的三軸壓縮試驗，分析研究了其力學性能變化，對深部花崗巖試件進行了單軸一次循環加卸載，并同步監測聲發射變化，分析了聲發射振鈴計數、聲發射能量和應力的特征規律。結果表明：秦嶺隧洞深部片麻巖、花崗巖和石英片巖三類巖石試件的峰值強度和彈性模量均隨著圍壓的增大而逐漸增大，彈性模量增幅隨圍壓增大有所減小。圍壓一定時，花崗巖的強度和彈性模量均最大，但隨著圍壓的增大，強度相差幅度有所減小，花崗巖的黏聚力和內摩擦角最大;花崗巖試件加載破壞后應力陡降，呈脆性破壞，巖爆傾向性較強;卸載再加載時，其累計聲發射振鈴計數和累積能量增長迅速，振鈴計數率和能量率隨應力增大迅速躍升，聲發射活動劇烈，卸載會加速巖石受荷不穩定破壞的進程：沖擊傾向性較高的巖石在單軸受壓時釋放較多的能量。

關鍵詞：深部巖石;三軸壓縮試驗;單軸加卸載;聲發射特征;巖爆傾向性

中圖分類號：TV672;TU45

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.02.026

隨著經濟的發展和人口的增長，水資源需求與地區分布不均衡之間的矛盾日益顯現和加劇，輸水隧洞作為長距離調配水資源的重要工程措施被廣泛采用[1]。大埋深復雜地質經常是現代長大輸水隧洞施工必須面對的嚴峻挑戰，隨著埋深的增大，地下深部巖石在高地應力環境下力學性能更趨復雜，不同巖性對應的性能表現有所不同[2-3]。在開挖卸載作用下，深部巖石容易產生巖爆、變形等不良災害，對施工速度、質量、安全等產生嚴重影響[4-6]。因此，有必要對大埋深輸水隧洞深部巖石進行性能研究，鑒于聲發射技術在巖石性能研究中的無損測試優勢[7-8].開展大埋深輸水隧洞深部巖石聲發射特征研究同樣具有重要的實際意義。

國內學者對巖石力學性能及聲發射特征進行了大量研究。陳亮等[9]對北山深部花崗巖不同應力狀態下的聲發射特征進行了試驗研究。劉文德等[10-11]對單軸壓縮下巖石聲發射特征進行了試驗研究。鄧朝福等[12]研究了單軸加卸載條件下巖鹽變形過程能量和聲發射特征。袁子清等[13]研究了有巖爆傾向巖石的聲發射事件數、頻譜等聲發射特征。樊軍偉等[14]基于聲發射率和能率建立模型來預測巖石的失穩破壞。張子健等[15]研究了基于聲發射試驗與線彈性能判據的玲南金礦巖爆。

筆者對引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞深部的片麻巖、花崗巖和石英片巖三類巖石試樣進行了三軸壓縮試驗，測試和分析不同巖性試件在不同圍壓（0、5、10、15 MPa）下的力學性能變化：通過對深部花崗巖試件進行單軸循環加卸載試驗，同步采集加卸載過程的聲發射信號，分析累計振鈴計數、累積能量和應力等參數的特征規律，并分析了由開挖卸載引起的秦嶺輸水隧洞深部巖石巖爆的發生過程：通過計算彈性能分析花崗巖試件巖爆傾向與聲發射活動的關聯關系：通過振鈴計數率和能率的突增來表征和預測秦嶺輸水隧洞深部掘進時巖爆的發生。

1 試驗方案

1.1 三軸壓縮試驗

試驗所選用試件分別為片麻巖、花崗巖和石英片巖，采用MTS剛性試驗機，加載過程中圍壓恒定，施加軸向壓力直至試件破壞，測定試件加載過程的應力、應變和破壞時最大軸向應力。根據巖石賦存環境和工程實際情況，試驗圍壓取0、5、10、15 MPa四個等級，為減小離散性對試驗結果的影響，每種圍壓工況取不少于3個試件進行試驗。以軸向變形控制加載速率，試驗過程中，巖石應力應變全過程曲線由剛性壓力試驗機自動采集和記錄。

1.2 聲發射試驗

選用花崗巖試件，其取自深部高應力地區圍巖斷面，試件尺寸為φ50 mmxl00 mm。試驗采用美國MTS815.02電液伺服材料試驗機進行加載，加載方式為單軸一次循環加載。加載過程中實時采集試件的應力、應變和時間等數據。同時試驗中采用SAEU2S型全波形多通道聲發射檢測系統進行聲發射監測，記錄加載過程中幅度、能量、振鈴計數等聲發射參數。

加載采用位移控制，加載速率為0.15 mm/min，聲發射系統采樣頻率為25 MHz，門檻值為40 dB;檢測系統在100 N100 000 Hz范圍工作，前置放大器增益為

2 試驗結果分析

2.1 三軸強度測試結果

不同圍壓σ3作用下秦嶺隧洞深部三類巖石軸向峰值強度σ1的變化規律見圖1。由圖1可見，隨著圍壓的增大，不同巖性試件峰值強度均逐漸增大，圍壓為5、10、15 MPa時，片麻巖試件的峰值強度較單軸強度分別增大19.8%、57.5%、76.4%，花崗巖試件的峰值強度較單軸強度分別增大25.7%、48.5%、86.8%，石英片巖試件的峰值強度較單軸強度分別增大28.6%、55.0%、82.5%。三類巖石中，圍壓一定時花崗巖的強度最大，其單軸強度為石英片巖的1.92倍，圍壓為5、10、15 MPa時，花崗巖試件的峰值強度分別為石英片巖對應峰值強度的1.87、1.84、1.96倍，隨著圍壓的增大，其強度相差幅度有所減小。

秦嶺隧洞深部三類巖石的彈性模量E隨圍壓的變化情況見圖2。可以看出，不同巖性試件的彈性模量均隨著圍壓的增大逐漸增大，其增幅隨圍壓增大而變小。以花崗巖、片麻巖為例，不施加圍壓時，試件彈性模量分別為56.0、41.5 GPa;圍壓為5、10、15 MPa時，花崗巖對應的彈性模量較無圍壓時分別增大6.3%、7.1%、9.8%，片麻巖對應的彈性模量較無圍壓時分別增大6.0%、7.2%和9.6%。圍壓一定時，三類巖石中花崗巖的彈性模量遠大于其他兩類巖石。

由三類巖石三軸壓縮峰值強度σ1與圍壓σ3的關系可以看出，三類巖石試件峰值強度與圍壓之間均成較好的線性關系。因此，根據摩爾一庫侖強度準則，三類巖石試件的黏聚力與內摩擦角計算式為

三類巖石試件黏聚力和內摩擦角的變化情況見圖3。可以看出，花崗巖的黏聚力和內摩擦角均較大，而石英片巖的黏聚力最低。結合圖3中三類巖石的峰值強度可以看出，巖石黏聚力的大小關系與峰值強度相一致，因此黏聚力可以作為關鍵變量來表征巖石試件的三軸力學性能。

2.2 聲發射測試分析

微裂隙的閉合、擴展以及膠結物間的分離等都會產生聲發射信號，為分析秦嶺隧洞巖爆區巖樣的聲發射特征及規律，選取聲發射振鈴計數、聲發射能量和應力變化為測試采集參數。

試件加載破壞后的形貌特征如圖4所示。可以看出，卸荷破裂以張剪破裂為主，隨著圍壓的增大，試件的破裂面逐漸從張性向張剪性過渡。卸荷狀態下，試樣上出現由拉伸應變引起的豎向裂縫。剪切破裂面大多沿著隱伏拉裂縫生成，順階步錯動，產生剪切和擴容。

圖5為巖樣軸向應力一應變曲線。可以看出，在單軸加卸載條件下，花崗巖的應力一應變曲線主要表現為初始壓密和塑性變形過程，彈性變形階段不顯著，加載破壞后應力陡降，呈現脆性破壞，巖爆傾向性較強。試驗過程中可以觀察到，在第1次加載變形階段，軸向應變增長較快，體積縮小，巖石處于壓縮狀態;第2次加載時，隨著加載進行，橫向應變增長較快，偏離直線段，體積逐漸增大，巖石進入擴容狀態，橫向應變迅速增大，巖石破壞后，應力跌落，巖石體積急劇增大，變形繼續發展。

圖6為應力、累計振鈴計數與時間關系曲線，圖7為應力、累積能量與時間關系曲線，聲發射數量和能量曲線在初始壓密段和塑性變形破壞段的變化基本上一致。由圖6、圖7可以看出，第1次和第2次加載過程中，試件的累積聲發射數和能量均隨應力增大而增大，第1次加載中，初始壓密段伴隨微裂隙的壓密閉合產生的聲發射數和能量均較小，加載中累計聲發射數和能量增長較平緩;第2次加載前期，聲發射能量出現一定的相對平靜期，之后其增長迅速，呈跳躍式陡增，趨于最大值，聲發射活動劇烈，試件發生破壞，原因是經歷卸載的巖石反彈松弛、擴展，在較高外力作用下，易形成較大裂隙，聲發射數和能量顯著增大。

圖8為聲發射振鈴計數率和能量率隨加載時間的變化。可以看出，第1次加載過程中，初始壓密段隨著原生裂隙的壓密產生振鈴計數率和能量率，之后其隨加載進行逐漸增大，增長斜率較小，聲發射活動不劇烈：卸載過程聲發射振鈴計數率和能量率迅速減小，但未消失，聲發射活動依然存在：第2次加載的初期聲發射活動相對平靜，之后振鈴計數率和能量率隨應力增大迅速躍升，聲發射活動劇烈，表明巖石試件內部出現較大裂隙，隨著裂隙的擴展和貫通，試件破壞，聲發射振鈴計數率和能量率趨于峰值。可見，在加卸載過程中巖石的破壞程度不同，其聲發射特征也不同。第1次加載時巖石破壞程度較小，而第2次加載時巖石破壞程度顯著增大，可以通過振鈴計數率和能量率的突增來表征和預測秦嶺輸水隧洞巖爆段巖爆的發生。

分析巖爆的發生過程，秦嶺輸水隧洞巖爆段巖石的加載可近似描述為以下3個階段：①能量積聚階段。巖石加載后、卸載前積蓄有較大的能量。該階段對應隧洞開挖前圍巖的能量積聚狀態。②微裂縫形成與擴展階段。隨著圍巖壓力的持續減小，環向變形急劇增大，微裂紋不斷形成與擴展，試樣逐漸產生擴容。該階段對應隧洞開挖后應力重新調整，圍巖產生新的微裂縫，應變能得到少量釋放。③破壞階段。巖石被剪斷或拉斷，裂紋貫通，巖石破壞，破裂面以張剪性破裂為主。該階段對應巖爆的產生，隧洞圍巖中的彈性應變能轉化為動能釋放。可以看出，卸載過程是巖石顆粒松弛和裂隙張開的軟化過程，對巖石的穩定性會產生很大影響，因此秦嶺輸水隧洞的開挖中，應該盡量減少巖體的暴露空間，進行及時支護，并保證支護與巖體充分接觸，以減少巖體長時間暴露，增強巖體的穩定性。

根據達到峰值強度前儲存的彈性能的大小，可將巖石分為無巖爆傾向、低巖爆傾向、中巖爆傾向和高巖爆傾向4個等級[15]。單軸壓縮條件下，巖石加載到峰值強度所儲存的彈性能W可表示為

由式（3）計算可得秦嶺隧洞深部花崗巖彈性能為130.8 kJ/m，滿足100 kJ/m≤We<200 kJ/m的要求，預測為中等巖爆傾向。結合聲發射振鈴計數和能量的變化規律可以看出，沖擊傾向性較高的巖石，在單軸受壓時釋放較多的能量。可見，基于線彈性能的巖爆傾向與聲發射能量參數存在一定的驗證關系，在隧洞開挖工程實踐中可借助聲發射監測技術加強巖爆的預測預報。

3 結論

（1）秦嶺隧洞深部片麻巖、花崗巖和石英片巖三類巖石試件的峰值強度和彈性模量均隨著圍壓的增大而逐漸增大，彈性模量增幅隨圍壓增大而變小。圍壓一定時，三類巖石中花崗巖的強度和彈性模量均最大，但隨著圍壓的增加，其強度相差幅度有所減小，花崗巖的黏聚力和內摩擦角最大，

（2）花崗巖試件加載破壞后應力陡降，呈脆性破壞，巖爆傾向性較強。卸載再加載時，其累計聲發射振鈴計數和累積能量增長迅速，振鈴計數率和能量率也隨應力增大迅速躍升，聲發射活動劇烈，卸載會加速巖石受荷不穩定破壞的進程。沖擊傾向性較高的巖石，在單軸受壓時釋放較多的能量。可以通過振鈴計數率和能量率的突增來表征和預測秦嶺輸水隧洞巖爆段巖爆的發生。

參考文獻：

[1]羅濤，王大川，王燦，引漢濟渭大型深埋無壓隧洞斷面優化設計[J].人民黃河，2014，36（12）：97-100.

[2] 鄔愛清，朱杰兵，深部巖石工程力學特性及地應力測試研究綜述[J].長江科學院院報，2014，31（10）：43-50.

[3] 蘇承東，付義勝，紅砂巖三軸壓縮變形與強度特征的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2014，33（sl）：3164-3169.

[4] 趙延喜，劉中憲，尼珂，南水北調西線工程深埋隧洞巖爆分析及預測[J].人民黃河，2015，37（12）：92-95.

[5]夏冬，楊天鴻，王培濤，等，干燥及飽和巖石循環加卸載過程中聲發射特征試驗研究[J].煤炭學報，2014，39（7）： 1243-1247.

[6] 許國安，牛雙建，靖洪文，等，砂巖加卸載條件下能耗特征試驗研究[J].巖土力學，2011，32（ 12）：3611-3617.

[7]吳剛，翟松韜，孫紅，等，高溫下鹽巖的聲發射特性試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2014，33（6）：1203-1211.

[8]劉娟紅，趙力，宋少民，等，混凝土硫酸鹽腐蝕損傷的聲波與聲發射變化特征及機理[J].工程科學學報，2016，38（8）：1075-1081.

[9] 陳亮，劉建鋒，王春萍，等，北山深部花崗巖不同應力狀態下聲發射特征研究[J].巖石力學與工程學報，2012，31（s2）：3618-3624.

[10] 劉文德，朱星，許強，等，單軸壓縮下巖石聲發射及其分形特征[J].水利水電技術，2017，48（9）：181-185.

[11] 陳宇龍，魏作安，許江，等，單軸壓縮條件下巖石聲發射特性的實驗研究[J].煤炭學報，2011，36（ s2）：237-240.

[12] 鄧朝福，劉建鋒，徐慧寧，等，單軸加卸載條件下巖鹽變形過程能量和聲發射特征研究[J].工程科學與技術，2017，49（ s2）：150-156.

[13] 袁子清，唐禮忠，楊小聰，有巖爆傾向巖石的聲發射特征試驗研究[J].金屬礦山，2008（7）：132-135.

[14] 樊軍偉，唐禮忠，聲發射率和能率在巖石失穩破壞預測中的應用[J].金屬礦山，2010（7）：140—142.

[15] 張子健，紀洪廣，張月征，等，基于聲發射試驗與線彈性能判據的玲南金礦巖爆研究[J].巖石力學與工程學報，2015，34（ sl）：3249-3255.