使用声发射测试结果预判岩爆等级

王亚磊 徐金明 吴述宽

(上海大学力学与工程科学学院,上海 200444)

在易发生岩爆的地区进行隧道开挖时,必须对岩爆等级进行预判,以便提前采取适当的防治措施。岩爆灾害准确、快速地预判对于隧道工程的设计和施工具有重要意义。

岩爆灾害防治是目前亟需解决的问题,而岩爆机理的复杂性给岩爆等级快速准确地预判带来很大困难[1-2]。近年来,许多学者采用声发射测试技术对岩石声发射特征与岩爆活动的关系进行了研究。例如,杨健等[3]利用声发射试验技术研究岩爆机理,依据声发射特征划分了岩性与岩爆类型的对应关系;CHO等[4]进行了岩石加载破坏过程声发射模拟试验;赵兴东等[5]应用声发射定位技术研究了单轴加载条件下含不同预制裂纹的花岗岩样破裂失稳过程中内部裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演化过程,并分析了岩石声发射活动特性;李廷芥等[6]根据花岗岩及大理岩单轴压缩电镜扫描试验结果,分析了岩石岩爆过程机理;苗金丽等[7]根据三亚花岗岩岩爆试验前后样品SEM(扫描电子显微镜)微观结构照片及岩爆过程中的声发射参数特征值的不同,得出岩爆过程中产生的高频低幅特征波对应张裂纹,低频高幅特征波对应剪切裂纹;HE等[8]、谭云亮等[9]分别研究了岩石破裂过程中的声发射特性,并提出了基于声发射监测预警的岩爆灾变理论;赵毅鑫等[10]、陆菜平等[11]分别从微震信号频谱演化规律、能级与频次关系等方面讨论了岩爆机理及前兆信号特征;马天辉等[12]应用地震学上的“3S”(应力集聚、应力弱化和应力转移)原理,采用微震监测技术进行了锦屏二级引水隧洞群的岩爆监测与预警工作,取得了比较理想的岩爆预测准确率;张子健等[13]发现中等岩爆岩石的累积声发射能量远大于低等岩爆倾向值;刘亚运等[14]认为岩石在单轴和三轴压缩试验过程中的声发射规律基本一致,并提出可将声发射累积振铃计数应用于岩爆等级预判;张艳博等[15]利用岩爆声发射试验数据和BP(误差反向传播算法)神经网络提出了一种岩爆实时预判方法;WANG等[16]基于声发射主频分布特征和信息熵理论建立了主频熵演化模型,提出将主频熵最大点作为岩爆预判关键点。

然而,利用岩石声发射特征参数提出一种定量指标并对不同岩爆等级(无、轻微、中等、强烈和剧烈)进行预判的研究鲜有报道,且以往研究在岩爆分析过程中通常忽略了原岩岩芯在切割加工时不同的切割方向(纵向、斜向和横向)对岩爆等级预判的影响。考虑到岩石声发射特征与岩爆等级高低密切相关,具有高岩爆等级倾向性的岩石在单轴受压时往往也释放更多的能量。并且岩爆等级较高的岩石在加载破坏前释放较少量甚至没有声发射信号释放,而在加载应力接近峰值应力时,声发射信号出现较多,此后岩石发生猛烈破坏[17-18]。因此,本研究选用岩石的累积声发射能量作为岩爆等级预判的关键参数,并以我国西部某隧道为研究背景,在22个不同岩爆等级的岩爆区,使用钻孔取芯法获取岩体原岩试样,根据岩石单轴压缩试验和声发射试验结果,提出基于不同方向试样在主破裂前的累积声发射能量Eq与最终破裂后的累积声发射能量E之比的岩爆等级预判新方法,并将该方法的预判结果与实际岩爆等级、传统岩爆等级预判方法的预判结果进行对比分析。

1 声发射试验过程

1.1 试样制备

岩样取自于我国西部某隧道22个不同的岩爆等级区域,如图1所示。

图1 不同岩爆等级区域Fig.1 Areas with different rockburst grades

试件制备如图2所示,从现场取回的原始试块为外径130 mm、圆柱形的岩芯。由于现场取芯条件限制及运输中损坏,所得岩芯通常不足以加工成足够数量的试件。实际操作中,在室内将原始试块沿3个方向加工成3件高×直径为100mm×50mm的圆柱体试件。3个方向分别为试件轴线与原始岩芯轴线成0°(纵向)、45°(斜向)、90°(横向)。 为保证试件端面平整,对其表面进行磨滑处理,使试件不平行度与不垂直度控制在0.02 mm以内,且试件端面与其轴线垂直(最大偏差不超过0.2°),并保证试件没有明显裂缝。

图2 试件制备Fig.2 Sample preparation

1.2 试件加载

对加工后的试件进行单轴压缩和声发射试验。试验时,采用位移控制方式进行单轴分级加载:一级加载速率为0.1 mm/s(加载至20 kN),二级加载速率为0.15 mm/s(加载至150 kN),三级加载速率为0.05 mm/s(加载至250 kN),四级加载速率为0.05 mm/s(加载至破坏)。每级加载后均保持45 s,加载方式如图3所示。

图3 试件加载方式Fig.3 Loading mode of samples

试验所用设备为岩石液压伺服试验机与PXDAQ1672G声发射测试系统,如图4所示。

图4 声发射实验设备Fig.4 Acoustic emission test equipment

2 岩爆等级预判

2.1 岩爆等级预判指标确定

整理声发射试验数据,统计岩石试件在单轴压缩过程中的AE能量。本研究以岩爆区1(强烈岩爆)为例,分析岩爆等级预判指标Eq/E的确定过程。岩爆区1中横向试件、斜向试件和纵向试件的AE能量与加载时间的关系曲线如图5所示。

由图5可知:在荷载达到最大值前,不同方向试件表现均比较平静,试件释放能量非常少;在荷载达到最大值后,主裂缝开始产生,声发射事件比较活跃,试件能量开始快速释放。据此,将荷载达到最大值时对应的时间点作为试件主裂缝开始产生的时刻,计算得到横向、斜向和纵向试件主裂缝开始前累积AE能量Eq与试件最终破裂后累积AE能量E的比值分别为0.050 8、0.103 4和0.169 4。参照上述方法可得其他岩爆区的Eq/E值,见表1。

图5 不同方向试件的AE能量Fig.5 AE energy of samples various at different directions

表1 不同岩爆区的E q/E值Table 1 E q/E values in different rockburst areas

根据表1中22个不同岩爆区不同方向试件Eq/E值的计算结果,任意选择其中14个匹配实际的岩爆情况。按照上述方法,分别基于横向试件、斜向试件和纵向试件的Eq/E值提出相应的岩爆等级预判方法,并使用剩余8个岩爆区的Eq/E值分别对岩爆预判方法的准确率进行验证分析。本研究以横向试件为例分析不同方向试件的岩爆等级预判过程。从表1中任意选择14个岩爆区数据并进行重新编号,结果如表2所示。域,将Eq与E的比值取0,暂作为一个剧烈岩爆的测点值。将表2中横向试件的Eq/E值与相应的岩爆等级进行匹配,得到岩爆等级预判标准,如图6所示。

图6 不同岩爆区E q/E值的变化Fig.6 E q/E values various at different rockburst areas

表2 横向试件中不同岩爆区E q/E值Table 2 E q/E values of transverse samples various at different rockburst zones

如表2所示,任意选取的14个岩爆区中,轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆以及剧烈岩爆的个数分别为1,9,4和0。由于剧烈岩爆个数为0,这给准确确定剧烈岩爆的范围带来了困难。为方便划分岩爆的区由图6可知:Eq/E值较大时岩爆等级较轻,较小时岩爆较重。据此可使用4条水平线按Eq/E值大小分成5个区域,并且这5个区域对应的岩爆等级分别为无岩爆、轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆、剧烈岩爆。这4条水平分界线的确定过程如下:

(1)无岩爆与轻微岩爆的分界线。属于轻微岩爆的测点只有1个,且无岩爆的个数为0,取岩爆区2的值y2(0.857 1)作为无岩爆与轻微岩爆的分界值,即分界线y=0.857 1。

(2)轻微岩爆与中等岩爆的分界线。属于轻微岩爆的测点只有1个,属于中等岩爆的测点有9个。岩爆区2的值表示轻微岩爆区域的最小值y3(0.8571),岩爆区13的值代表中等岩爆区域中测点的最大值y13(0.794 8)。取y3与y13之和的1/2作为两种岩爆范围的分界值,即分界线y=0.826 0)。

(3)中等岩爆与强烈岩爆的分界线。岩爆区4的值表示中等岩爆区域的最小值y4(0.583 3),岩爆区14的值代表这强烈岩爆区域中测点的最大值y14(0.322 5)。取y4与y14之和的1/2作为两种岩爆范围的分界值,即分界线y=0.452 9。

(4)中等岩爆与强烈岩爆的分界线。岩爆区3的值表示中等岩爆区域的最小值y3(0.042 8),剧烈岩爆区域中测点的最大值取0。取y3与0之和的1/2作为两种岩爆范围的分界值,即分界线y=0.021 4。

按照从无岩爆到剧烈岩爆的次序,5个被划分的区域分别为＞0.857 1,(0.826 0,0.8571],(0.452 9,0.826 0],(0.021 4,0.452 9]和≤0.021 4。为方便工程应用,保留两位小数可得岩爆等级划分标准为＞0.86,(0.83,0.86],(0.45,0.83],(0.02,0.45]和≤0.02。参照上述方法可得到基于不同方向试件Eq/E值的岩爆等级预判方法,如表3所示。

表3 基于不同方向试样E q/E值的岩爆等级预判方法Table 3 Estimation criteria of rockburst grade based on E q/E values of samples from different directions

为验证上述岩爆等级预判方法的准确率,取相应方向上剩余8个岩爆区的Eq/E值分别进行验证,结果见表4。

表4 岩爆等级预判结果Table 4 Estimation results of rockburst grade

将表4中列出的基于不同试件Eq/E值的岩爆等级预判结果与实际岩爆等级进行详细的对比分析,结果见表5。

表5 岩爆等级预判结果与实际岩爆等级对比Table 5 Comparison of the estimated results of rockburst grade and actual rockburst grade %

由表5可知:基于横向试件Eq/E值的岩爆等级预判方法的准确率超过80%,错估率为12.5%,岩爆等级预判结果与实际基本一致;基于横向试件Eq/E值的岩爆等级预判结果存在过高估计情况,岩爆等级过高估计一个等级,过高估计率为12.5%,不存在过低估计情况;基于斜向和纵向Eq/E值的岩爆等级预判的准确率达到100%,错估率为0%,岩爆等级预判结果与实际一致;与横向试件相比,基于斜向试件或纵向试件Eq/E值的岩爆等级预判方法的准确率较高。

2.2 岩爆等级预判标准的适用性

为进一步分析基于不同方向试件Eq/E值的岩爆等级预判方法的适用性,将22个岩爆测区3个方向上所有的Eq/E值全部作为测试数据。以基于横向试件Eq/E值的岩爆等级预判方法为例,分析岩爆等级预判过程,结果见表6和表7。

表6 基于横向试件E q/E值的岩爆等级预判结果Table 6 Estimated results of rockburst grades based on transverse sample E q/E values

参照上述方法可得基于斜向和纵向试件Eq/E值的岩爆等级预判结果,将其与实际岩爆等级进行对比,结果见表7。

由表7可知:基于不同方向试件Eq/E值的岩爆等级预判方法的准确率较高,均达到了80%,预判结果准确率从高到低依次为纵向、斜向和横向;基于横向试件Eq/E值的岩爆等级预判方法的过高估计率较高,超过了10%,工程应用时适当注意;基于纵向试件Eq/E值的岩爆等级预判方法不存在过低估计率。综上所述,基于纵向试件Eq/E值的岩爆等级预判方法对不同方向Eq/E值的适用性均较好,进行岩爆等级预判时,可优先考虑选用基于纵向试件Eq/E值的岩爆等级预判方法。

表7 不同方向岩爆等级预判结果与实际岩爆等级对比Table 7 Comparison of the estimated results of rockburst grade and actual rockburst grade for different directions %

2.3 不同岩爆等级预判方法对比

为分析本研究所提岩爆等级预判方法的可靠性,分别使用 Barton判据[19]、Rehman判据[20]、Hoek判据[21]、陶振宇判据[22]、规范法[23]与本研究方法对文中8个验证测点进行岩爆等级估算。不同方法的岩爆判据如表8所示,表中SRF和SRFQ分别代表应力折减系数和改进的应力折减系数,σc和σmax分别代表单轴抗压强度和最大地应力。Barton判据将岩爆等级简单地分为中等岩爆和严重岩爆,且缺少对强度应力比大于5的分级,岩爆等级分级不够精确;文献[20]认为SRF仅考虑了完整岩石与主应力的比值,忽略了岩体的节理,从而提出了SRFQ,但同样存在分类不精确的问题;陶振宇等[22]以Barton判据为基础,将中等岩爆分为轻微岩爆和中等岩爆,未对严重岩爆进一步细分;规范法[23]将严重岩爆进一步划分为强烈岩爆和剧烈岩爆两个等级,并将岩爆等级划分为轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆和剧烈岩爆,但是忽略了无岩爆的情况;本研究方法考虑了声发射特征与岩爆倾向性强弱的关系,使用Eq/E值将岩爆划分为无岩爆、轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆和剧烈岩爆。

表8 不同方法的岩爆等级判据Table 8 Rockburst grade criterias for different methods

使用上述岩爆等级预判方法对8个验证点分别进行了岩爆等级预判,结果见表9。

表9 不同判据的岩爆预等级判结果Table 9 Estimation results of rockburst grades based on different rockburst criteria

将不同方法的岩爆等级预判结果与实际岩爆等级进行了详细的对比分析,结果见表10。

由表10可知:不同方法的预判结果中均存在岩爆等级被高估的情况,规范法预判结果过高估计率最高,达到了50%;Barton判据、Rehman判据、陶振宇判据和规范法预判结果的准确率不高,均未达到80%;Barton判据、Rehman判据、陶振宇判据和规范法预判结果不存在过低估计的情况,而本研究方法的预判结果存在过低估计岩爆等级的现象,但是过低估计率较小。综上所述,与其他岩爆等级预判方法相比,本研究方法的预判结果与实际岩爆等级更为接近。

表10 5种方法的岩爆等级预判结果与实际岩爆等级对比Table 10 Comparison of the estimated results of rock- burst grade and actual rockburst grade of five methods %

3 结 论

本研究以我国西部某隧道为例,使用声发射测试技术获取了不同岩爆等级区、不同方向(横向、斜向和纵向)标准岩石试件在单轴压缩荷载作用下的声发射特征,提出了基于试件主破裂前的累积声发射能量Eq与最终破裂后的累积声发射能量E之比的岩爆等级预判方法,得到如下结论:

(1)使用不同方向试件的Eq/E值将岩爆等级细分为无、轻微、中等、强烈和剧烈岩爆,并分别得到了基于横向试件Eq/E值的岩爆等级预判方法(＞0.86、0.83～0.86、0.45～0.83、0.02～0.45 和≤0.02),基于斜向试件Eq/E值的岩爆等级预判方法(＞0.88、0.84～0.88、0.32～0.84、0.04～0.32 和≤0.04)和基于纵向试件Eq/E值的岩爆等级预判方法(＞0.94、0.88～0.94、0.38～0.88、0.07～0.38 和≤0.07)。

(2)基于不同方向试件Eq/E值的岩爆等级预判结果准确率均达到了80%,该方法相对于传统岩爆等级预判方法而言,其预判结果与实际岩爆等级更为接近。

(3)基于不同方向试件Eq/E值的岩爆等级预判准确率由高到低依次为纵向、斜向和横向。