王 凱,牟元存,李 星
(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川 成都 610031)
隨著我國(guó)隧道建造水平的不斷提高,鐵路隧道已向深埋長(zhǎng)大隧道的方向發(fā)展。在深埋長(zhǎng)大隧道的施工過(guò)程中不可避免會(huì)遇到各種地質(zhì)問(wèn)題,巖爆就是其中之一,它不僅對(duì)施工人員及設(shè)施設(shè)備的安全造成嚴(yán)重威脅,同時(shí)往往導(dǎo)致工期延誤和工程費(fèi)用的增加。TSP(Tunnel Seismic Prediction)法作為目前廣泛使用的一種彈性波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法,該方法通過(guò)計(jì)算圍巖的地震波速度、泊松比、彈性模量等參數(shù),分析掌子面前方的地質(zhì)情況,多年來(lái)在預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)斷層破碎帶、巖溶、軟弱地層等方面取得了豐碩的成果,但是在預(yù)測(cè)巖爆方面,還存在很大困難,國(guó)內(nèi)外也鮮有相關(guān)文獻(xiàn)。眾所周知,巖爆現(xiàn)象同巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地下水、地質(zhì)構(gòu)造、隧道埋深等因素存在關(guān)系[1,2],而上述因素必定對(duì)圍巖波速、彈性模量等巖石彈性參數(shù)產(chǎn)生影響[3]。那么,巖爆現(xiàn)象同TSP法得到的彈性參數(shù)是否存在關(guān)系,TSP法在巖爆的預(yù)測(cè)過(guò)程中能否發(fā)揮作用?針對(duì)此問(wèn)題,本文以川藏鐵路拉林段某隧道為依托,在統(tǒng)計(jì)眾多TSP預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,總結(jié)分析TSP法得到的彈性參數(shù)同隧道巖爆的關(guān)系。
隧道位于沃卡地塹東側(cè),巖性以閃長(zhǎng)巖、花崗巖為主,圍巖完整性較好,以Ⅱ~Ⅲ級(jí)圍巖為主,夾少量Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖。隧道范圍內(nèi)發(fā)育一條斷層,破碎帶寬度10~20 m,具剪張性質(zhì)。受區(qū)域構(gòu)造影響,構(gòu)造裂隙發(fā)育,多呈“X”型,局部可見(jiàn)填充物。地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水,但含量較小。隧址區(qū)地面標(biāo)高3 260~5 500 m,高差約2 300 m,為典型的高山峽谷地貌,最大埋深約2 100 m,巖性以極硬巖為主,地應(yīng)力較高,且地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,存在巖爆等工程地質(zhì)問(wèn)題。
本次分析研究以數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ),共統(tǒng)計(jì)了某隧道的38次TSP預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),長(zhǎng)度約3.5 km。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)從原始資料的采集到處理,全程采用了嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施。原始地震記錄具有較高信噪比,干擾信號(hào)未影響初至讀取和波形對(duì)比,反射波同相軸清晰,不工作道比例低于20 %,且不連續(xù)出現(xiàn);資料處理過(guò)程中參數(shù)選取合理,處理成果道間一致性強(qiáng)。資料滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求,可靠性高。將TSP數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后,發(fā)現(xiàn)縱波速度、體積模量等彈性參數(shù)同巖爆存在相關(guān)性。
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,實(shí)測(cè)縱波速度的分布范圍為3 800 m/s 圖1 縱波速度與巖爆關(guān)系示意圖Fig.1 Correlation between rockburst and longitudinal wave velocity 根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)情況,本次分析段落內(nèi)共有25個(gè)巖爆段落,共計(jì)1 431 m,各段落地震波速度沿隧道掘進(jìn)方向的變化情況如表1所示: 表1 巖爆段落縱波速度變化趨勢(shì)Table 1 Variation tendency of longitudinal wave velocity in rockburst area 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中體積模量的分布范圍為10 GPa<κ<120 GPa。采用同樣的分析方法對(duì)體積模量進(jìn)行分析,可得到與波速類(lèi)似的規(guī)律:巖爆段落的體積模量通常大于40 GPa,最大可達(dá)100 GPa,而體積模量低于40 GPa的段落,巖爆現(xiàn)象減少,在發(fā)生巖爆的段落,體積模量往往呈現(xiàn)上升趨勢(shì),如圖2所示。 圖2 體積模量與巖爆關(guān)系示意圖Fig.2 Correlation between rockburst and volume modulus 對(duì)巖爆段落體積模量沿掘進(jìn)方向的變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。 表2 巖爆段落體積模量變化趨勢(shì)Table 2 Variation tendency of volume modulus in rockburst area 前人對(duì)地震波速、彈性模量與地應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:地震波速和彈性模量與應(yīng)力的大小存在依存關(guān)系。巖石是礦物和地質(zhì)構(gòu)造的綜合體,其地震波速度和彈性模量等物性參數(shù)受巖石骨架、裂隙等因素的影響。然而,應(yīng)力的大小控制圍巖中裂隙的開(kāi)合,應(yīng)力增大時(shí),裂隙在應(yīng)力作用下會(huì)趨于閉合,孔隙度降低,巖石強(qiáng)度增大,巖石特性將體現(xiàn)出巖石骨架的特性,波速與彈性模量增大;反之,應(yīng)力減小時(shí),裂隙張開(kāi),孔隙度增大,波速和彈性模量減小[4,5]。隧道施工過(guò)程中,由于開(kāi)挖卸荷,掌子面附近一定范圍內(nèi)的應(yīng)力得到釋放[6],導(dǎo)致掌子面前方的應(yīng)力沿開(kāi)挖方向逐漸上升,從而使得波速和彈性模量均呈增大趨勢(shì)。本次巖爆段落的統(tǒng)計(jì)資料中,地震波速和體積模量等數(shù)據(jù)特征基本符合以上規(guī)律,因此,在巖爆的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)過(guò)程中,可將TSP法得到的地震波速和體積模量作為參考。 TSP數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,體積模量、泊松比等參數(shù)的計(jì)算以波速為基礎(chǔ)。為了分析巖爆段落體積模量、泊松比隨地震波波速的變化情況,進(jìn)一步對(duì)波速和體積模量、泊松比的相互關(guān)系進(jìn)行了分析。 體積模量[7]與圍巖波速之間存在如下關(guān)系 (1) 查閱文獻(xiàn)可知,火成巖的密度[8]與圍巖波速之間關(guān)系滿(mǎn)足如下經(jīng)驗(yàn)公式 (2) 式中,κ為體積模量(Pa);ρ為巖石密度(kg/m3);VP為縱波速度(m/s);VS為橫波速度(m/s)。根據(jù)以上關(guān)系,可得出理想狀況下,即當(dāng)VP=1.73VS時(shí),花崗巖、閃長(zhǎng)巖的體積模量和圍巖波速之間的關(guān)系。 圖3 非巖爆段落體積模量與縱波速度關(guān)系Fig.3 Correlation between volume modulus and longitudinal wave velocity in non-rockburst area 圖4 巖爆段落體積模量與縱波速度關(guān)系Fig.4 Correlation between volume modulus and longitudinal wave velocity in rockburst area 圖5和圖6表明,巖爆段和非巖爆段圍巖的泊松比總體分布于0.1~0.4之間,不同之處在于非巖爆段落的總體趨勢(shì)趨于一個(gè)穩(wěn)定的值(約為0.25),但是巖爆段落,其值隨縱波速度的增大而逐漸增大。 圖5 非巖爆段泊松比與縱波速度的關(guān)系Fig.5 Correlation between poisson’s rate and longitudinal wave velocity in non-rockburst area 圖6 巖爆段泊松比與縱波速度的關(guān)系Fig.6 Correlation between poisson’s rate and longitudinal wave velocity in rockburst area 體積模量、泊松比和縱波速度的關(guān)系特征可解釋為:在應(yīng)力作用下,巖石裂隙趨于閉合,導(dǎo)致縱波速度明顯增大,但橫波速度僅與巖石骨架有關(guān),故上升幅度較縱波小[9],因此,縱橫波速比增大。泊松比與縱橫波速比呈正相關(guān)關(guān)系,故泊松比隨縱波速度的增大而增大。體積模量與泊松比同樣呈正相關(guān)關(guān)系,理論計(jì)算時(shí),考慮縱橫波速比恒定為1.73,但計(jì)算實(shí)測(cè)體積模量時(shí),縱橫波速比往往大于1.73,使得體積模量的實(shí)測(cè)值將大于理論計(jì)算值。 1)地震波速、彈性模量等彈性參數(shù)與應(yīng)力大小存在相關(guān)性,對(duì)于存在巖爆現(xiàn)象的高應(yīng)力段落,縱波速度通常大于5 000 m/s,體積模量往往大于40 GPa。 2)巖爆段落內(nèi),掌子面附近一定范圍內(nèi)的波速和彈性模量均呈增大趨勢(shì),泊松比變化趨勢(shì)不明顯,但依然表現(xiàn)出隨波速緩慢上升趨勢(shì)。 3)地應(yīng)力增大使巖石裂隙逐漸閉合,縱波速度大幅上升,但是橫波速度僅與巖石骨架有關(guān),故其上升幅度小于縱波波速,由此得到體積模量的理論計(jì)算小于實(shí)測(cè)值。而非巖爆段落TSP法得到的彈性模量值,與理論計(jì)算值較為吻合。 4)巖爆與TSP法彈性參數(shù)關(guān)系的探討對(duì)巖爆的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有借鑒意義。 通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析,認(rèn)為高地應(yīng)力段落的巖爆現(xiàn)象同TSP法得到的波速、體積模量、泊松比等參數(shù)存在相關(guān)性,但是參數(shù)的變化與巖爆現(xiàn)象之間是否存在量化關(guān)系,以及巖爆的等級(jí)同參數(shù)的變化幅度之間是否有關(guān)等問(wèn)題,并未得到明確結(jié)果,尚需進(jìn)一步分析研究。3.2 體積模量
4 彈性參數(shù)相互之間的關(guān)系
5 結(jié) 論