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

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

隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，深埋長隧洞的建設(shè)越來越多，深埋隧洞面臨的地質(zhì)環(huán)境更加復雜，地應力更高，因開挖誘發(fā)的巖爆等工程災害更加突出、嚴重[1]。巖爆是巖體破壞的一種形式，巖體在開挖活動的擾動下，巖體內(nèi)部存儲的應變能瞬間釋放，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的一種動態(tài)力學現(xiàn)象[2]。對巖爆問題的科學有效地預測，對于提高施工的預見性和科學性，減少經(jīng)濟損失和人員傷亡具有深遠的意義。本文以引漢濟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及其支流子午河三河口水庫為水源，由黃金峽泵站自黃金峽水庫提水，通過無壓引水隧洞自流輸水至黑河金盆水庫下游黃池溝，連接關(guān)中供水網(wǎng)絡，實現(xiàn)向關(guān)中地區(qū)供水。整個工程中引水隧洞全長97.37 km，其中：“黃三段”引水隧洞全長15.79 km，“越嶺段”引水隧洞全長81.58 km，隧道最大埋深2 012 m，具有巖性復雜、水平應力大和埋深大等特點?？辈旖Y(jié)果顯示，隧洞最大水平地應力預計超過50～60 MPa，屬于高地應力場區(qū)，圍巖施工開挖易產(chǎn)生巖爆災害。

2 聲發(fā)射試驗

巖石在受力變形過程中，由于內(nèi)部微裂的萌生、擴展和斷裂將產(chǎn)生的能量并快速釋放，進而形成瞬態(tài)的彈性波向外擴散[3]。聲發(fā)射檢測通過捕捉巖石內(nèi)部在巖石受力變形過程中因局部損傷而產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波而達監(jiān)測巖石損傷破裂過程的目的，已經(jīng)在巖石力學領(lǐng)域有了比較廣泛的應用。本文對秦嶺引水隧洞巖爆段的花崗巖進行單軸加卸載條件下的聲發(fā)射試驗，力求為此類巖體的巖爆預測 、預報提供一定的依據(jù)[4]。

2.1 試驗設(shè)備

試驗儀器是由MTS815.02電液伺服材料試驗機和SAEU2S型全波形多通道聲發(fā)射檢測儀組成。試驗加載設(shè)備包含加載系統(tǒng)、控制器、測量系統(tǒng)等部分，是由美國 MTS公司生產(chǎn)的專門用于巖石及混凝土實驗的多功能電液伺服控制的剛性試驗機，加載的全過程可實時采集巖石的應力、應變和時間等的數(shù)據(jù)。聲發(fā)射系統(tǒng)與計算機和示波器建立通訊可同時采集記錄幅度、能量、振鈴計數(shù)等聲發(fā)射參數(shù)。試驗儀器及試驗裝置如圖1、圖2所示。

圖1 聲發(fā)射及壓力系統(tǒng)

圖2 試驗裝置

2.2 試驗樣品及試驗方法

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

圖3 隧洞巖爆段花崗巖試樣

在試驗時, 保持加載過程與聲發(fā)射監(jiān)測同步。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)試驗目的, 采用一次循環(huán)單軸加卸載方式。

3 試驗結(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)的過程中，聲發(fā)射計振鈴數(shù)率、聲發(fā)射時間數(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)射振鈴計數(shù)率是單位時間內(nèi)發(fā)生的聲發(fā)射活動的數(shù)量[5]。本文通過選取聲發(fā)射振鈴計數(shù)率計數(shù)率、聲發(fā)射能量累積計數(shù)率以及應力為參數(shù)，結(jié)合時間的變化，來分析秦嶺隧洞巖爆區(qū)巖樣應力、聲發(fā)射、破壞形態(tài)三者之間的共性與差異性。

3.1 應力、聲發(fā)射參數(shù)與應變的關(guān)系特征

這里主要探討的是應力、應變與聲發(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。在單軸加卸載條件下，以卸載點為界(85 %最大載荷)，花崗巖的應力-應變曲線大致經(jīng)過初始壓密段和非彈性塑性破壞段兩個階段，沒有其它巖石具有的彈性變形階段，同樣也測不出峰值后的應力-應變變化曲線，說明這種巖石表現(xiàn)出典型的脆破壞特征，巖爆傾向性很強?？梢钥吹?，試樣從一開始加載就出現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象，在初始壓密段，雖然巖石經(jīng)歷了加載和卸載兩個過程，但其聲發(fā)射數(shù)增長幅度卻較小,沒有大的突增,巖石產(chǎn)生的應變也較小；而在整個初始壓密段，能量增長緩慢，釋放較小。這主要是因為花崗巖內(nèi)部存在許多微裂隙，在剛開始加載時，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，在卸載時, 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和產(chǎn)生一定的巖石變形，但總的來講，其變化不大。隨著應力的逐漸增大，當應力超過卸載點應力水平時，巖石內(nèi)部微裂隙迅速處于不穩(wěn)定的擴張和發(fā)展狀態(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,但在應力快達到其峰值時 ,巖石聲發(fā)射數(shù)卻并沒有達到最大值，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變化，最終達到最大值。

圖4 試樣應力、應變與聲發(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行聲發(fā)射試驗時，AE曲線和能量曲線在初始壓密段和非彈性塑性破壞段的變化基本上一致。巖石在破壞之前，其聲發(fā)射出現(xiàn)一定的相對平靜期，這非常有利對巖石的巖爆進行預測、預報。

3.2 應力、聲發(fā)射參數(shù)與時間的關(guān)系特征

由于本試驗在加載過程中采用的是等速位移控制，所以整個過程中的應力并不呈線性變化，而是呈非線性的變化。從圖5可以看出，巖石在第1次加載過程中，累計聲發(fā)射數(shù)和能量增長較慢；在卸載過程中，其繼續(xù)保持穩(wěn)定的小幅增長，但增長幅度較第1次加載要大；在第2次加載過程中，累計AE數(shù)與能量增長幅度急劇增大，兩者都呈直線跳躍式增長，巖石發(fā)生破壞時，有效地累計AE數(shù)和能量達到最大值，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，是初始壓密段，聲發(fā)射活動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，因此其累計的AE數(shù)和能量輻射都不大，而在第2次加載時，由于經(jīng)過了卸載過程中巖石受力反彈松弛、擴張的作用，在高外力作用下，巖石內(nèi)的微裂隙迅速不穩(wěn)定擴張和貫通，形成大的裂隙，最終到巖石發(fā)生大的破壞，這過程中的聲發(fā)射活動劇烈，AE數(shù)和能量輻射均達到最大值。

3.3 AE率和能率的變化情況

圖5 試樣應力、聲發(fā)射數(shù)、能量與時間關(guān)系曲線

3.1、3.2是從時間上AE數(shù)和能量的累計大小來分析的，反映的是某時間段內(nèi)的AE數(shù)與能量變化情況，無法反映每個時刻的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次加載過程中AE率與能量率曲線的斜率都很小，即單位時間的AE數(shù)和能量變化率不大，說明巖石聲發(fā)射活動不強；在卸載過程中，雖然AE率與能率迅速降低，但其值卻仍然很大，說明此過程中的聲發(fā)射活動仍然很強烈，甚至比第1次加載期過程中的都要強烈；而在第2次加載過程中，隨著應力逐漸增大，AE率和能率迅速陡增，說明此過程中的聲發(fā)射活動達到最強烈，巖石內(nèi)部產(chǎn)生了大的裂隙，巖石失穩(wěn)破壞即將來臨，峰值強度之后，AE率和能率才逐漸降低。針對這種巖石在發(fā)生破壞之前其AE率與能率迅速增大的特點 ,可以用聲發(fā)射率與能率來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，不同過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次加載時的破壞程度最大，卸載過程可以看作是一個巖石彈性反彈引起的巖石顆粒松弛和裂隙張開的軟化過程，它促使了巖石向更加不穩(wěn)定的方向發(fā)展，巖石卸載作用對巖石的穩(wěn)定性影響很大。因此，在工程施工過程中,應該盡量減少巖體的暴露空間，及時進行支護, 且支護接觸要充分。

4 結(jié)論

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

(2)試驗中，AE曲線和能量曲線在初始壓密段和非彈性塑性破壞段的變化基本上一致。隨著應力的逐漸增大，當應力超過卸載點應力水平時，巖石內(nèi)部微裂隙迅速處于不穩(wěn)定的擴張和發(fā)展狀態(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,但在應力快達到其峰值時 ,巖石聲發(fā)射數(shù)卻并沒有達到最大值，巖石在破壞之前，其聲發(fā)射出現(xiàn)一定的相對平靜期，這非常有利對巖石的巖爆進行預測、預報。

(3)試樣在單循環(huán)加卸載過程中大致經(jīng)歷了初始壓密段和非彈性破壞段兩個階段,表現(xiàn)出典型的脆性破壞特征。初始壓密段, 巖石AE數(shù)和能量增長平緩;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)射活動要強烈 ,卸載作用進一步促進了巖石非穩(wěn)定性破壞。在加載-卸載-加載過程中,聲發(fā)射活動的主頻表現(xiàn)出了先低頻再中頻, 最后到高頻并伴次高頻出現(xiàn)的這樣一個發(fā)展過程,這為此類巖體的巖爆預報提供了一定的依據(jù)。