不同巖性隧道的微震特征參數(shù)及破壞前兆信息研究

中圖分類(lèi)號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：0.3282/j.cnki.wccst.2025.03.028

文章編號(hào)：673-4874（2025）03-0097-04

0 引言

隨著我國(guó)公路建設(shè)的不斷推進(jìn)，由圍巖屬性、開(kāi)挖擾動(dòng)等因素引發(fā)的公路隧道巖體失穩(wěn)災(zāi)害日益增加，嚴(yán)重威脅了人民群眾的生命安全和國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。研究表明，巖石的基本分類(lèi)和組成從根本上影響著巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，公路隧道開(kāi)挖過(guò)程中所發(fā)生的巖體失穩(wěn)災(zāi)害孕育過(guò)程與工程巖體的圍巖屬性有著必然的聯(lián)系1。不同類(lèi)型的巖體在工程性質(zhì)上差別迥異，這些差異將顯著影響巖石發(fā)生脆性破壞的機(jī)理，巖性是影響圍巖失穩(wěn)的內(nèi)在因素2]。

在我國(guó)公路隧道的施工過(guò)程中，為了避免巖體失穩(wěn)等工程災(zāi)害的發(fā)生，應(yīng)按國(guó)家技術(shù)規(guī)范要求，采用儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍巖的位移、應(yīng)力等變化[3。目前，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)隧道巖體突發(fā)性失穩(wěn)的有效短期預(yù)報(bào)。而微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種可應(yīng)用于巖體破裂活動(dòng)發(fā)生時(shí)間、空間、強(qiáng)度的三維信息監(jiān)測(cè)與預(yù)警的高新技術(shù)，并成功應(yīng)用于我國(guó)錦屏二級(jí)水電站、川藏鐵路巴玉隧道和巴基斯坦N-J水電站等國(guó)內(nèi)外多個(gè)深埋隧洞工程[4]。然而，在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)時(shí)，不可避免地會(huì)受到施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境噪聲的影響，所采集到的微震信號(hào)可能會(huì)與實(shí)際值存在差異，不利于巖石破壞規(guī)律和特征的進(jìn)一步探究[5]室內(nèi)試驗(yàn)研究能夠較好地規(guī)避各種環(huán)境噪音的產(chǎn)生，但自前對(duì)于不同巖性巖石破壞過(guò)程的微震信號(hào)參數(shù)演化特征的室內(nèi)研究卻鮮有報(bào)道。

多年來(lái)，在不同巖性巖石破壞過(guò)程微震信號(hào)研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們?nèi)〉昧艘幌盗械某晒鸞6-8]?，F(xiàn)有的研究大多數(shù)偏向于以巖石物理力學(xué)性質(zhì)或強(qiáng)度變形特征為主的單一特征研究9。然而，當(dāng)前對(duì)巖石巖性影響巖石破壞過(guò)程的微震信號(hào)前兆特征關(guān)注較少，需進(jìn)一步加強(qiáng)不同巖性巖石破壞前兆特征的試驗(yàn)研究，以便于更好地揭示不同巖性巖石的破壞機(jī)理。因此，有必要開(kāi)展在單軸加載條件下不同巖性巖石破裂過(guò)程的微震演化特征試驗(yàn)研究。

1不同巖性巖樣的單軸壓縮試驗(yàn)

1.1真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)

本次采用的是由大學(xué)自主研發(fā)的高壓伺服動(dòng)真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）來(lái)進(jìn)行不同巖性巖石的單軸壓縮試驗(yàn)研究。該試驗(yàn)機(jī)剛度高達(dá)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(kāi)展強(qiáng)度更大、尺寸更大、更符合工程實(shí)際應(yīng)用情況的巖石受壓破壞試驗(yàn)研究[10]。

1.2微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

此次試驗(yàn)采用的設(shè)備為中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所與湖北海震科創(chuàng)技術(shù)有限公司聯(lián)合研發(fā)的高精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該加速度型微震傳感器各項(xiàng)性能參數(shù)為：頻響范圍為 50-5000Hz±3 dB；靈敏度為30∨/g 分辨率為0.00005g；測(cè)量范圍為 ±0. 16 g

1.3單軸壓縮破壞試驗(yàn)

1.3.1巖樣制備

為了保證巖石巖性的多樣性和試驗(yàn)結(jié)果與分析更具代表性，本次試驗(yàn)選取的巖樣分別為高速公路隧道開(kāi)挖常見(jiàn)的巖石，即紅砂巖、砂巖、大理巖、石灰?guī)r和泥巖。試驗(yàn)嚴(yán)格按照國(guó)際巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將巖樣分別篩選打磨成 100mm×100mm×200 mm的長(zhǎng)方體試件。本次試驗(yàn)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(duì)地下洞室圍巖破裂失穩(wěn)過(guò)程微震演化規(guī)律的影響，還原現(xiàn)實(shí)環(huán)境中巖石受壓緩慢開(kāi)裂的過(guò)程，并盡可能地獲取更多的巖石破裂微震信號(hào)，本次試驗(yàn)針對(duì)不同巖性巖石統(tǒng)一采用0.3MPa/s的力控加載的試驗(yàn)方法，具體的加載方案如圖3所示?？紤]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(yàn)需重復(fù)至少兩次及以上，最后根據(jù)巖石最終破壞形態(tài)選取最具代表性的一個(gè)巖樣進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2試驗(yàn)結(jié)果

開(kāi)展5種不同巖性巖石的單軸壓縮微震信號(hào)試驗(yàn)，每種巖石選取具有代表性的巖樣進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析。如圖4所示為5種不同巖性巖石典型巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。由圖4可知，曲線(xiàn)可以分為3個(gè)階段：

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

（2）線(xiàn)彈性階段，巖石原生孔隙不斷受壓并產(chǎn)生一些新的微小裂隙，該階段巖石變形趨于穩(wěn)定，5種巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)呈線(xiàn)性增加趨勢(shì)。

（3）裂紋擴(kuò)展階段，曲線(xiàn)逐漸偏離直線(xiàn)，由于試驗(yàn)加載采用力控的方式，當(dāng)施加荷載達(dá)峰值強(qiáng)度時(shí)，強(qiáng)度較大的砂巖、紅砂巖和石灰?guī)r試件瞬間發(fā)生脆性破壞，導(dǎo)致放置在軸向方向的變形計(jì)讀數(shù)失效，故應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)未能體現(xiàn)試樣峰后階段的變形特征；而強(qiáng)度較小的大理巖和泥巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)在峰后階段呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，強(qiáng)度最小的泥巖還出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力屈服平臺(tái)。這一現(xiàn)象表明，強(qiáng)度越大的巖石（如砂巖）通常脆性指數(shù)越高，故在整個(gè)加載過(guò)程發(fā)生的應(yīng)變較小，所儲(chǔ)存的應(yīng)變能較多，并在最終破壞時(shí)刻以彈性能的形式被完全釋放出來(lái)，發(fā)生了瞬態(tài)的巖板彈射破壞現(xiàn)象；而強(qiáng)度較小的巖石（如大理巖和泥巖）在整個(gè)加載過(guò)程巖石內(nèi)部積聚的應(yīng)變能不是很高，故在發(fā)生破壞后應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)表現(xiàn)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(tài)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(xiàn)出不同的破壞形態(tài)。砂巖和紅砂巖均屬于砂巖，破壞時(shí)雖沒(méi)有前兩者劇烈，但破壞過(guò)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(xiàn)了明顯的“端部效應(yīng)”，試件的端部在荷載的不斷施加下先于其他部位發(fā)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(chǎn)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(tài)上均呈現(xiàn)出以剪切破壞趨勢(shì)為主導(dǎo)的破壞形態(tài)。從石灰?guī)r試件的本身可以看出，其造物結(jié)構(gòu)致密，顆粒較細(xì)，試件端部出現(xiàn)了多條劈裂破壞裂紋，并在試件中部出現(xiàn)了兩條自上而下的貫通整個(gè)試件的“倒Y形\"裂紋，破壞形態(tài)以剪切和劈裂破壞趨勢(shì)為主導(dǎo)。大理巖和泥巖為強(qiáng)度相對(duì)較小的延性巖石，試件表面破裂過(guò)程有少部分的碎屑顆粒彈出，所產(chǎn)生的碎屑以薄片狀為主。其中大理巖在試件端部出現(xiàn)了少量的劈裂裂紋，在試件中部出現(xiàn)了兩條不對(duì)稱(chēng)的Y形裂紋，而泥巖出現(xiàn)了兩條自上而下的貫通整個(gè)試件的丫形裂紋，試件下方還出現(xiàn)了多條平行于加載方向的劈裂破壞裂紋。由此可見(jiàn)，大理巖和泥巖的最終破壞形態(tài)以剪切和劈裂混合破壞趨勢(shì)為主導(dǎo)。綜上，不同巖石在單軸加載條件下的最終破壞形態(tài)差別迥異，這與巖石的礦物結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和脆性大小等巖石內(nèi)部因素存在密不可分的聯(lián)系。

3微震信號(hào)演化特征

3.1 b 值演化過(guò)程

通過(guò)地震震級(jí)及頻率的相關(guān)參數(shù) b 值，可以分析巖石變形破壞過(guò)程的特征（見(jiàn)圖6）。

1994年，Gutenber和C.F.Richter在研究世界地震活動(dòng)性時(shí)提出了地震震級(jí)與頻度之間統(tǒng)計(jì)關(guān)系的 G-R 關(guān)系式[12]：

lgN=a-bm

式中： m 一 地震震級(jí)；

N —震級(jí)在 Δm 范圍內(nèi)的地震次數(shù)， a，b 為常數(shù)。

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

（1）5種不同巖石試件在臨近失穩(wěn)前夕微震 b 值均產(chǎn)生了連續(xù)下降至1以?xún)?nèi)的演化趨勢(shì)，這可以作為不同巖石試樣發(fā)生失穩(wěn)破壞的前兆特征。

（2）在加載后期，即失穩(wěn)破壞D階段，砂巖、紅砂巖的微震 b 值呈現(xiàn)出從較高點(diǎn)急劇下降至1以?xún)?nèi)的演化趨勢(shì)，而石灰?guī)r、大理巖和泥巖在該階段呈現(xiàn)出先經(jīng)歷大幅度波動(dòng)后再連續(xù)下降至1以?xún)?nèi)的演化態(tài)勢(shì)。

（③）針對(duì)大部分巖石（泥巖除外）來(lái)說(shuō)，巖石最終失穩(wěn)時(shí)刻的微震 b 值最小值、下降幅度隨著巖石峰值強(qiáng)度的遞增而減小。

3.2 主頻演化過(guò)程

不同巖石破裂失穩(wěn)過(guò)程中的微震信號(hào)演化過(guò)程存在顯著規(guī)律。本節(jié)主要對(duì)不同巖石試樣單軸壓縮全過(guò)程的微震波形信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，計(jì)算其主頻值[13]，進(jìn)而得到不同巖石微震信號(hào)主頻分布的演化過(guò)程（如圖7所示）。其中，散點(diǎn)的大小和顏色代表著該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的微震波形幅值大小。

由圖7可知，不同巖石破裂失穩(wěn)過(guò)程的微震主頻演化過(guò)程存在如下規(guī)律：

（1）在巖石最終失穩(wěn)前夕，砂巖和紅砂巖的主頻在低頻段集中出現(xiàn)大量的高幅值信號(hào)點(diǎn)，而石灰?guī)r、大理巖和泥巖未出現(xiàn)高幅值信號(hào)在低頻段匯聚的現(xiàn)象。

（2）強(qiáng)度較高的砂巖、紅砂巖、石灰?guī)r和大理巖微震 信號(hào)主頻在加載初期出現(xiàn)了低幅值信號(hào)在多頻段集中 分布的現(xiàn)象，而強(qiáng)度較小的泥巖在該階段未出現(xiàn)明顯的 低幅值信號(hào)點(diǎn)。

4結(jié)語(yǔ)

本文開(kāi)展了5種不同巖性巖石試樣的單軸壓縮試驗(yàn)，在對(duì)比分析不同巖性巖石試樣單軸壓縮過(guò)程的微震信號(hào)演化特征的基礎(chǔ)上，分析了不同巖性巖石試樣微震信號(hào)演化特征的主要差異，具體的結(jié)論如下：

（1）巖石的強(qiáng)度與脆性對(duì)單軸壓縮條件下的微震信號(hào)演化特征具有重要影響。強(qiáng)度較高的脆性巖石（砂巖）與低強(qiáng)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(xiàn)明顯的波動(dòng)起伏，且其微震開(kāi)始活躍的應(yīng)力占比較大，后者的微震 b 值出現(xiàn)較大幅度的突增突降，微震 b 值連續(xù)下降至1以?xún)?nèi)可作為脆性與延性不同巖石即將發(fā)生失穩(wěn)破壞的統(tǒng)一前兆特征。

（2）與傳統(tǒng)聲發(fā)射方法相比，本文是基于微震信號(hào)的不同巖性破裂前兆特征研究，為當(dāng)前室內(nèi)運(yùn)用微震技術(shù)提供了一種新的途徑。此外，現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模巖體的破裂活動(dòng)監(jiān)測(cè)通常采用的是微震設(shè)備，因此本文所提出的前兆特征也可應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng)，為不同巖性高速公路隧道開(kāi)挖下的巖體失穩(wěn)預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)應(yīng)用提供了重要的科學(xué)思路。 ⑦

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