基于声发射技术的隧道岩爆倾向性判别

朱元萌， 胡传宇， 陆愈实

（中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074）

声发射是材料内部产生局部损伤释放弹性波的一种普遍现象［1］，可通过专门的仪器设备进行采集并分析，因而岩石破裂的声发射现象开始走进了学者们的视野［2］. 岩爆是隧道、矿山、水电硐室等地下空间工程领域中比较常见的地质灾害，往往具有突发性、难以预见性及严重破坏性，给人身及财产安全带来威胁［3-6］.岩爆判据是岩爆防治研究的最为关键的环节之一［7］.

岩爆的发生是多种因素综合影响的结果，机理较为复杂，给定性定量判断岩爆发生的可能性及严重程度带来困扰，学者们通过研究分析，提出了岩爆倾向性这一指标，用来定性判别岩爆是否发生及其发生时的剧烈程度. 最初，判别岩爆倾向性主要从单一指标的应变和能量转换两个角度进行考虑，例如能量储耗系数、脆性系数、弹性能指数、能量冲击性指数、弹性应变势能等［8-11］；随后，学者们通过综合各单一指标提出多指标综合评价方法进行岩爆倾向性判别［12-13］；发展至今，学者们更偏向于利用深度学习、神经网络以及概率算法等数学手段，推演岩爆发生的可能性和严重程度［14-15］. 随着科学技术的发展，岩爆倾向性判别方法不断改善，一定程度上提高了判别的准确性，但是仍未从根本上摆脱对于岩爆倾向性数值界限的经验判断，这导致不同环境条件下的围岩体在不同的判别方法中会得到不同的结果.

首先选取脆性系数、应变能密度和冲击能指数3个指标对试件的岩爆倾向性进行初步测定，再通过对应试件的声发射振铃计数及其累计计数变化规律，得到声发射活动与岩爆倾向性之间的关联性，最后根据声发射活动规律来对岩爆倾向性进行判别.

1 试验设计

试验用玢岩岩芯取自铜绿山隧道岩芯的玢岩，按《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266—2013）要求［16］，经打磨加工成50 mm×100 mm标准圆柱形试件用于试验.

试验过程中，加载系统选用MTS 815电液伺服测试系统，监测系统选用PCI-Ⅱ型声发射监测系统，试验设备连接示意图如图1（a）. 4个声发射传感器布置在试件两侧，距离端部1 cm左右，传感器探头均匀涂抹耦合剂，并用绝缘胶带紧密固定. 试验开始时，同步开启同声发射监测系统.

试验采取位移控制单轴一次性加载方式，加载至试件发生整体破裂后停止，加载速率0.002 0 mm/s，加载路径如图1（b）. 为有效降低环境噪音对试验数据的影响，声发射监测系统门槛值设为55 dB.据此方法进行多组试验，发现试件破裂时均出现碎岩弹射，并伴有炸裂声响的轻微岩爆现象出现，从中选取具有典型岩爆现象的两试件P-1和P-3展开研究.

图1 设备连接及加载路径示意图Fig.1 Schematic diagram of device connection and loading path

2 岩爆倾向性的测定

根据室内岩石力学实验测试得到试件的应力-应变曲线，结合脆性系数、应变能密度和冲击能指数3个岩爆倾向性指标，评估试件岩爆危险程度.

2.1 脆性系数

岩石类材料的单轴抗压强度与抗拉强度之比称为脆性系数，反映了岩石类材料脆性程度［17］. 脆性系数的数学表达式为：

式中：B 为脆性系数；σc为单轴抗压强度，MPa；σ1为单轴抗拉强度，MPa.

目前，国内外学者一致认为［18］：B＞40，无岩爆；26.7≤B＜40，弱岩爆；14.5≤B＜26.7，中等岩爆；B≤14.5，强烈岩爆. 按照上述岩爆判别标准经计算得到试件P-1和P-3的岩爆倾向性如表1.

表1 脆性系数判别试件岩爆倾向性Tab.1 Determination of rock burst tendency of specimens by brittleness coefficient

2.2 应变能密度

Bagaraja Siraita 的研究认为［19］，应变能密度可以用来评估火山岩和花岗岩等质地坚硬、塑性应变能转化程度低的岩石的失稳破坏趋势，数学表达式为：

式中：SED为应变能密度，kJ/m3；σc为单轴抗压强度，MPa；E为弹性模量，GPa.

根据Bagaraja Siraita的研究，依公式（2）计算，岩爆倾可性判定岩爆标准：SED＜50 kJ/m3，无岩爆；50≤SED＜100 kJ/m3，弱岩爆；100≤SED＜150 kJ/m3，中等岩爆；SED≥150 kJ/m3，强烈岩爆. 根据岩爆判别标准可得到试件P-1和P-3的岩爆倾向性如表2.

表2 应变能密度判别试件岩爆倾向性Tab.2 Determination of rock burst tendency of specimens by strain energy density

2.3 冲击能指数

冲击能指数通过刚性试验机加载测得，指应力-应变曲线峰值前后所围成的面积之比，即岩石峰值前内部积聚的应变能与峰值后破坏阶段所需要的应变能之比，其值越大表明岩石的岩爆倾向性越大. 冲击能指数的数学表达式为：

式中：WCF为冲击能指数；E1为应力-应变曲线峰值强度前所围成的面积；E2为应力-应变曲线峰值强度后所围成的面积.

根据周宗红和张志镇等的研究［20-21］：WCF＜1.0，无岩爆；1.0 ≤WCF＜2.0，弱岩爆；2.0 ≤WCF＜3.0，中等岩爆；WCF≥3.0，严重岩爆. 根据岩爆判别标准，运用ORIGIN专业绘图软件绘制应力-应变曲线并计算峰前峰后面积，得到试件P-1和P-3的岩爆倾向性（表3）.

表3 冲击能指数判别试件岩爆倾向性Tab.3 Determination of rockburst tendency of specimens by impact energy exponent

考虑到试验数据的离散性，用上述3种岩爆倾向性指标来判定所取玢岩岩样的岩爆倾向性，可知P-1和P-3两试件均具有中等乃至严重程度的岩爆危险.

3 岩爆倾向性的声发射特征

根据尚晓吉等［22］、张子健等［23］、刘亚运等［24］、黄玉仁等［25］、靳晓光等［26］的研究，在室内岩石力学实验基础上，可将具有不同岩爆倾向性的岩样加载时所释放的声发射现象分为3类：第一类表现为试件加载初期释放大量声发射信号，随着加载的进行，声发射信号维持相对较高的水平；试件破裂前夕没有明显的突增现象，并在试件失稳破裂后仍然释放大量声发射信号，该类岩石没有或具有弱岩爆倾向性；第二类表现为试件在加载初期便有声发射信号出现，随着加载的进行，声发射信号释放减少，呈现出相对平静状态；试件发生主破裂前夕，声发射信号出现明显的徒增现象，该类岩石具有中等岩爆倾向性；第三类表现是在加载前期极少量甚至没有声发射信号释放，加载应力接近峰值应力时，声发射信号出现剧增，随后岩石发生猛烈破坏，该类岩石具有强烈岩爆倾向性.

结合上述不同岩爆倾向性的岩石在加载过程中的声发射释放规律，将三类声发射信号释放规律按照振铃累计次数总结为3种形式，分别为线性增长型、阶梯增长型和指数增长型，并分别对应无/弱岩爆倾向性、中等岩爆倾向性和强烈岩爆倾向性. 岩爆倾向性判定的声发射振铃累计次数形式见图2.

图2 岩爆倾向性判定的3种形式Fig.2 Three forms of rockburst tendency determination

P-1和P-3试件受载过程中的应力-声发射振铃次数关系如图3和图4. 为便于观察变化规律，图中声发射振铃计数以102量级显示，但其峰值均达到105量级. 因此，从图中可以观察到，加载前期试件内部处于压密阶段，产生极少数声发射事件，50 s附近峰值仅达到450次；随着加载的进行，几乎不产生声发射事件，进入相对平静期；峰值载荷前夕380 s附近，声发射振铃次数剧增. 据此说明，两试件的岩爆倾向性均达到严重程度.

图3 P-1试件时间-应力-振铃次数关系图Fig.3 Diagram of time-stress-ring count relationship of P-1 specime

图4 P-3试件时间-应力-振铃次数关系图Fig.4 Diagram of time-stress-ring count relationship of P-3 specime

随着加载的进行，声发射振铃累计次数如图5和图6. 从图可以看出，试件P-1和P-3声发射振铃累计次数呈现出先慢后快的指数增长形式，均在380 s左右出现明显增长，说明这两个试件有强烈岩爆倾向.

图5 P-1试件时间-振铃累计次数关系图Fig.5 The relationship between time and ring cumulative count of P-1 specimen

图6 P-3试件时间-振铃累计次数关系图Fig.6 The relationship between time and ring cumulative count of P-3 specimen

4 结论

1）通过对比不同岩爆倾向性的判别方法发现，不同程度岩爆倾向性的门槛界限隐含着经验局限性，由此导致岩爆倾向性判别结果存在一定的误差. 而用声发射特征参数评估岩爆倾向性不用专门评定门槛界限值，避免了经验判别带来的人为误差.

2）用声发射特征参数评估岩爆倾向性的方法，在室内岩石力学实验基础上，使用声发射监测设备，以声发射参数时序演化规律评估试件的岩爆倾向性，并归纳为3种声发射振铃计数演化规律：第一种表现为持续释放声发射现象；第二种表现为前期少量释放，经过一段平静期后声发射出现陡增现象；第三种表现为前期几乎无声发射释放，但在岩爆前夕声发射出现剧增现象. 这3种规律分别对应无/弱岩爆倾向性、中等岩爆倾向性和强烈岩爆倾向性.

3）按上述规律，推演出3种形式的声发射振铃累计次数时序演化特征，即线性增长型、阶梯增长型以及指数增长型，分别对应无/弱岩爆倾向性、中等岩爆倾向性和强烈岩爆倾向性.

4）提取铜绿山隧道岩芯的玢岩测试结果，所得单一指标评价试件岩爆倾向性结果与声发射振铃累计次数时序演化特征评价试件岩爆倾向性结果相符，据此可作为岩爆倾向性判定的新方法用于实践，并加以检验.