不同巖性隧道的微震特征參數及破壞前兆信息研究

中圖分類號： 文獻標識碼：A DOl：0.3282/j.cnki.wccst.2025.03.028

文章編號：673-4874（2025）03-0097-04

0 引言

隨著我國公路建設的不斷推進，由圍巖屬性、開挖擾動等因素引發的公路隧道巖體失穩災害日益增加，嚴重威脅了人民群眾的生命安全和國家的經濟發展。研究表明，巖石的基本分類和組成從根本上影響著巖石的物理力學性質，公路隧道開挖過程中所發生的巖體失穩災害孕育過程與工程巖體的圍巖屬性有著必然的聯系1。不同類型的巖體在工程性質上差別迥異，這些差異將顯著影響巖石發生脆性破壞的機理，巖性是影響圍巖失穩的內在因素2]。

在我國公路隧道的施工過程中，為了避免巖體失穩等工程災害的發生，應按國家技術規范要求，采用儀器實時監測圍巖的位移、應力等變化[3。目前，傳統監測技術尚無法實現隧道巖體突發性失穩的有效短期預報。而微震監測技術是一種可應用于巖體破裂活動發生時間、空間、強度的三維信息監測與預警的高新技術，并成功應用于我國錦屏二級水電站、川藏鐵路巴玉隧道和巴基斯坦N-J水電站等國內外多個深埋隧洞工程[4]。然而，在工程現場進行信號監測時，不可避免地會受到施工現場環境噪聲的影響，所采集到的微震信號可能會與實際值存在差異，不利于巖石破壞規律和特征的進一步探究[5]室內試驗研究能夠較好地規避各種環境噪音的產生，但自前對于不同巖性巖石破壞過程的微震信號參數演化特征的室內研究卻鮮有報道。

多年來，在不同巖性巖石破壞過程微震信號研究方面，國內外學者們取得了一系列的成果[6-8]?，F有的研究大多數偏向于以巖石物理力學性質或強度變形特征為主的單一特征研究9。然而，當前對巖石巖性影響巖石破壞過程的微震信號前兆特征關注較少，需進一步加強不同巖性巖石破壞前兆特征的試驗研究，以便于更好地揭示不同巖性巖石的破壞機理。因此，有必要開展在單軸加載條件下不同巖性巖石破裂過程的微震演化特征試驗研究。

1不同巖性巖樣的單軸壓縮試驗

1.1真三軸試驗系統

本次采用的是由大學自主研發的高壓伺服動真三軸試驗系統（見圖1）來進行不同巖性巖石的單軸壓縮試驗研究。該試驗機剛度高達9000kN/mm，豎直方向最大可以承受5000kN的荷載，水平方向最大可以承受3000KN的荷載，因此可以開展強度更大、尺寸更大、更符合工程實際應用情況的巖石受壓破壞試驗研究[10]。

1.2微震監測系統

此次試驗采用的設備為中國科學院武漢巖土力學研究所與湖北海震科創技術有限公司聯合研發的高精度智能微震監測系統。該加速度型微震傳感器各項性能參數為：頻響范圍為 50-5000Hz±3 dB；靈敏度為30∨/g 分辨率為0.00005g；測量范圍為 ±0. 16 g

1.3單軸壓縮破壞試驗

1.3.1巖樣制備

為了保證巖石巖性的多樣性和試驗結果與分析更具代表性，本次試驗選取的巖樣分別為高速公路隧道開挖常見的巖石，即紅砂巖、砂巖、大理巖、石灰巖和泥巖。試驗嚴格按照國際巖石力學與工程學會相關標準將巖樣分別篩選打磨成 100mm×100mm×200 mm的長方體試件。本次試驗所采用的所有巖石試樣如圖2所示。

1.3.2 加載方案

為更好地探究巖石巖性對地下洞室圍巖破裂失穩過程微震演化規律的影響，還原現實環境中巖石受壓緩慢開裂的過程，并盡可能地獲取更多的巖石破裂微震信號，本次試驗針對不同巖性巖石統一采用0.3MPa/s的力控加載的試驗方法，具體的加載方案如圖3所示。考慮到不同巖性巖石的巖樣具有一定的離散性，相同工況的試驗需重復至少兩次及以上，最后根據巖石最終破壞形態選取最具代表性的一個巖樣進行數據分析。

2試驗結果

開展5種不同巖性巖石的單軸壓縮微震信號試驗，每種巖石選取具有代表性的巖樣進行試驗結果分析。如圖4所示為5種不同巖性巖石典型巖樣的應力-應變曲線。由圖4可知，曲線可以分為3個階段：

（1）壓密階段，由于巖石試樣內部的原生孔隙和微裂縫被不斷壓密閉合，軸向應變速率隨著應力的攀升而不斷增加，砂巖、石灰巖、大理巖和泥巖的曲線呈現“上凹”的趨勢，而紅砂巖的曲線近似為一條直線。

（2）線彈性階段，巖石原生孔隙不斷受壓并產生一些新的微小裂隙，該階段巖石變形趨于穩定，5種巖石的應力應變曲線呈線性增加趨勢。

（3）裂紋擴展階段，曲線逐漸偏離直線，由于試驗加載采用力控的方式，當施加荷載達峰值強度時，強度較大的砂巖、紅砂巖和石灰巖試件瞬間發生脆性破壞，導致放置在軸向方向的變形計讀數失效，故應力一應變曲線未能體現試樣峰后階段的變形特征；而強度較小的大理巖和泥巖的應力應變曲線在峰后階段呈現緩慢下降的趨勢，強度最小的泥巖還出現了明顯的應力屈服平臺。這一現象表明，強度越大的巖石（如砂巖）通常脆性指數越高，故在整個加載過程發生的應變較小，所儲存的應變能較多，并在最終破壞時刻以彈性能的形式被完全釋放出來，發生了瞬態的巖板彈射破壞現象；而強度較小的巖石（如大理巖和泥巖）在整個加載過程巖石內部積聚的應變能不是很高，故在發生破壞后應力應變曲線表現出較好的延性。

不同巖性巖石典型巖樣在單軸壓縮條件下的最終破壞形態如圖5所示。由圖5可知，不同巖石試樣在單軸加載作用下表現出不同的破壞形態。砂巖和紅砂巖均屬于砂巖，破壞時雖沒有前兩者劇烈，但破壞過程中也有片石彈射而出，并伴隨著清脆的破裂聲，碎屑以塊狀為主。其中，砂巖試件端部出現了明顯的“端部效應”，試件的端部在荷載的不斷施加下先于其他部位發生破壞，隨著荷載的不斷增大，該試件的端部有部分巖塊崩出，只殘留了端部以下的少部分試件；而紅砂巖試件表面產生了兩條與加載方向存在較大傾角的貫穿裂縫。兩種砂巖試件在破壞形態上均呈現出以剪切破壞趨勢為主導的破壞形態。從石灰巖試件的本身可以看出，其造物結構致密，顆粒較細，試件端部出現了多條劈裂破壞裂紋，并在試件中部出現了兩條自上而下的貫通整個試件的“倒Y形\"裂紋，破壞形態以剪切和劈裂破壞趨勢為主導。大理巖和泥巖為強度相對較小的延性巖石，試件表面破裂過程有少部分的碎屑顆粒彈出，所產生的碎屑以薄片狀為主。其中大理巖在試件端部出現了少量的劈裂裂紋，在試件中部出現了兩條不對稱的Y形裂紋，而泥巖出現了兩條自上而下的貫通整個試件的丫形裂紋，試件下方還出現了多條平行于加載方向的劈裂破壞裂紋。由此可見，大理巖和泥巖的最終破壞形態以剪切和劈裂混合破壞趨勢為主導。綜上，不同巖石在單軸加載條件下的最終破壞形態差別迥異，這與巖石的礦物結構、強度和脆性大小等巖石內部因素存在密不可分的聯系。

3微震信號演化特征

3.1 b 值演化過程

通過地震震級及頻率的相關參數 b 值，可以分析巖石變形破壞過程的特征（見圖6）。

1994年，Gutenber和C.F.Richter在研究世界地震活動性時提出了地震震級與頻度之間統計關系的 G-R 關系式[12]：

lgN=a-bm

式中： m 一 地震震級；

N —震級在 Δm 范圍內的地震次數， a，b 為常數。

綜上所述，在單軸荷載作用下，不同巖石試件破裂過程的微震 b 值演化規律總結歸納如下：

（1）5種不同巖石試件在臨近失穩前夕微震 b 值均產生了連續下降至1以內的演化趨勢，這可以作為不同巖石試樣發生失穩破壞的前兆特征。

（2）在加載后期，即失穩破壞D階段，砂巖、紅砂巖的微震 b 值呈現出從較高點急劇下降至1以內的演化趨勢，而石灰巖、大理巖和泥巖在該階段呈現出先經歷大幅度波動后再連續下降至1以內的演化態勢。

（③）針對大部分巖石（泥巖除外）來說，巖石最終失穩時刻的微震 b 值最小值、下降幅度隨著巖石峰值強度的遞增而減小。

3.2 主頻演化過程

不同巖石破裂失穩過程中的微震信號演化過程存在顯著規律。本節主要對不同巖石試樣單軸壓縮全過程的微震波形信號進行快速傅里葉變換，計算其主頻值[13]，進而得到不同巖石微震信號主頻分布的演化過程（如圖7所示）。其中，散點的大小和顏色代表著該時刻對應的微震波形幅值大小。

由圖7可知，不同巖石破裂失穩過程的微震主頻演化過程存在如下規律：

（1）在巖石最終失穩前夕，砂巖和紅砂巖的主頻在低頻段集中出現大量的高幅值信號點，而石灰巖、大理巖和泥巖未出現高幅值信號在低頻段匯聚的現象。

（2）強度較高的砂巖、紅砂巖、石灰巖和大理巖微震 信號主頻在加載初期出現了低幅值信號在多頻段集中 分布的現象，而強度較小的泥巖在該階段未出現明顯的 低幅值信號點。

4結語

本文開展了5種不同巖性巖石試樣的單軸壓縮試驗，在對比分析不同巖性巖石試樣單軸壓縮過程的微震信號演化特征的基礎上，分析了不同巖性巖石試樣微震信號演化特征的主要差異，具體的結論如下：

（1）巖石的強度與脆性對單軸壓縮條件下的微震信號演化特征具有重要影響。強度較高的脆性巖石（砂巖）與低強度的延性巖石（大理巖、泥巖）相比，在加載初期，前者微震 b 值未出現明顯的波動起伏，且其微震開始活躍的應力占比較大，后者的微震 b 值出現較大幅度的突增突降，微震 b 值連續下降至1以內可作為脆性與延性不同巖石即將發生失穩破壞的統一前兆特征。

（2）與傳統聲發射方法相比，本文是基于微震信號的不同巖性破裂前兆特征研究，為當前室內運用微震技術提供了一種新的途徑。此外，現場大規模巖體的破裂活動監測通常采用的是微震設備，因此本文所提出的前兆特征也可應用于工程現場，為不同巖性高速公路隧道開挖下的巖體失穩預測預警技術應用提供了重要的科學思路。 ⑦

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