基于EMS微震参数的岩爆预警方法及探讨

一系列深埋长大隧道工程在我国西部涌现,深埋隧道围岩的岩爆成因机制及监测预警成为亟待解决的课题。微震监测作为岩体微破裂空间监测技术在隧道工程岩爆预警上发挥了重要作用。由于微震数据存在的波动性（时间序列）、离散性（空间分布）和误差,利用震源参数随施工循环的演化特征评估岩爆发育过程并非足够稳定、有效。基于3种微震监测易于获取且紧密联系的震源参数（地震能量、地震矩和视应力）,扩展建立了用于岩爆评估与预警的EMS方法。该方法定义了地震能量、地震矩、视应力3种评价指标,并获得了3种评价指标间的关系;将3种评价指标用于岩爆预测,并进行了岩爆等级评估;同时还给出了微震路径与震源参数空间的概念。最后,将EMS方法应用于巴陕高速米仓山隧道的岩爆灾害实例,对岩爆里程段微震事件簇（微震事件聚集区域）内岩体累进破裂和岩爆发育过程进行了评估,实现了简易有效的微震数据日常处理与岩爆灾害评估预警。     

岩爆预测的灰色关联系统分析与评价

岩爆由于其发生的突然性和猛烈性,常给地下工程建设带来灾害性破坏,因此,岩爆预测研究具有重大的工程意义。岩爆由于影响因素众多且关系复杂,采用传统的指标和评价办法很难系统地考虑诸多因素,而采用灰色关联分析方法可建立起各种影响因素的相关性。灰色关联系统通过分析洞室围岩应力、岩性条件和能量条件等影响岩爆的主要因素,选取岩石抗压强度、抗拉强度、弹性能量指数和洞壁最大切向应力作为岩爆预测的评判指标,建立了岩爆预测的灰色关联系统分析模型。在基于经验的基础上运用所建立的灰色关联模型对典型工程的岩爆类型进行了判定,评价结果表明:(1)利用灰色关联度分析方法能够考虑影响岩爆的主要因素,判别的结果与实际情况相符,证明了本分析方法的适用性和有效性; (2)与其它判别岩爆的方法相比,灰色关联度分析方法原理简单,可操作性强,更具有实用价值,并可通过选用参考序列的典型性和代表性来提高岩爆评价的准确性和可靠性。     

基于统计损伤的岩爆预测

基于岩石单轴抗压强度的分布特征,对脆性岩石采用统计损伤的平行杆模型模拟,经岩石全过程曲线拟合,表明了 模型的合理性。进而提出采用平行杆模型模拟地下深埋洞室脆性围岩,推出了不同应力条件下岩体损伤的表达式,从统计损 伤的概念上,利用损伤变量来表征岩爆发生概率。工程实例分析表明该预测方法是有效的。     

基于多参量归一化的花岗岩巷道岩爆预测试验研究

通过室内模拟花岗岩巷道岩爆试验,基于线性函数转换的归一化算法,将试验中获得的声发射场和红外温度场等多参量进行归一化处理,在分析其原始曲线特征的基础上,分析各参量在同一尺度下的演化特征,综合研究花岗岩巷道岩爆前兆。研究结果表明:声发射事件率、声发射能率、最高和最低红外辐射温度均适合作为岩爆灾害预测的主要参数。岩爆发生过程中各参量经过归一化处理,在统一尺度下能够快速、有效地识别岩爆发生的前兆。声发射能量加速释放是岩爆发生的早期预警信息;声发射平静期可作为岩爆灾害预警与采取控制措施的关键时期;最低辐射温度突降和最高辐射温度突增表明岩爆随时都有可能发生,这是岩爆发生的征兆。试验结果为岩爆灾害预测研究提供了新的方法和依据。     

基于人工神经网络的岩爆预测方法

在分析岩爆主要影响因素的基础上，建立了一种新的人工神经网络岩爆预测模型。采用已有岩爆发生数据作为训练样本对网络进行训练，利用收敛的网络进行岩爆烈度预测，预测结果与实际吻合，说明利用人工神经网络预测岩爆发生烈度是一种可行的方法。     

雪峰山隧道岩爆问题预测研究

通过对雪峰山隧道的工程地质条件、地应力场的研究, 并结合岩石力学试验研究, 运用地质综合分析和σ_θ/Rb判据这两种较为适用、有效的预测方法, 对雪峰山隧道的岩爆问题进行了预测研究。预测结果表明, 雪峰山隧道不会出现高烈度的岩爆, 但某些地段可能出现Ⅰ级或Ⅱ级的岩爆。研究成果为雪峰山隧道的设计提供了依据。      

卸荷诱发巷道模型岩爆的发生机理实验研究

以“巷道-围岩”系统为研究对象,以水平应力卸荷操作模拟工程现场的巷道周边矿岩开挖卸荷作用,再现了巷道卸荷岩爆。实验结果指出,巷道卸荷岩爆经历了“平静期→小颗粒弹射→片状剥离→片状剥落”的演化过程,在巷道内壁产生“岩爆→应力调整→应力调整失败→再次岩爆”的多次岩爆过程,最终形成“V”字型岩爆坑。卸荷条件下,不同水平应力的巷道模型岩爆将产生不同的破坏,形成了不同的破裂面。理论推导得出卸荷前巷道围岩的应力分布规律,运用修正Griffith破坏准则,计算了不同水平应力（8.9MPa、13.3MPa、17.8MPa）卸荷后巷道围岩发生岩爆破坏的竖向起裂应力,构建了巷道边壁“V”字型岩爆坑的计算模型。研究得出水平应力存在一个影响竖向承载能力的应力点（13.3MPa）,当水平应力小于13.3MPa时,水平应力与竖向起裂应力呈正相关;当水平应力大于13.3MPa时,水平应力与竖向起裂应力呈负相关。对左右边壁应变能累积区域的信息进行量化处理,得出相较8.9MPa和17.8MPa,水平应力为13.3MPa的左右边帮应变能集中区域的累积能量最大,集中区域与边壁的距离最短。     

基于隧洞超前地质探测和地应力场反演的岩爆预测研究

岩爆是高地应力地区影响地下工程施工的主要地质灾害,岩爆预测已成为地下工程的世界性难题之一。地层的岩性条件和地应力的大小是影响岩爆发生的两个最根本因素,对这两个因素的准确判别将直接关系到岩爆预测的成功与否。根据工程的区域地质资料,利用FLAC3D程序建立了该区域的数值计算模型,并结合工程现场实测点的主应力数据,采用径向基函数神经网络,反演了计算区域的初始地应力场。基于现场岩石力学试验和TSP203探测技术,获取了岩爆高风险区域的地层岩性条件。最后结合地应力反演数据和TSP探测结果,对掌子面前面长距离范围内的岩爆强度进行精细预测。工程实际应用表明,该方法可操作性强,岩爆预测结果与实际开挖情况较吻合。     

地下洞室岩爆预测计算方法综述

地下洞室岩爆的发生直接影响地下工程的施工和威胁施工人员的安全，因此，进行合理的岩爆预测就显得尤为重要。本文概括介绍了当前地下洞室岩爆预测的计算方法，并详细分析了计算方法的适用性和发展性，简要提出了在岩爆预测中要注意的几点建议。     

板状破坏的岩体岩爆判别的一种方法

本文探讨锦屏长探洞的各种岩爆现象。在研究构造应力场和重力场及其联合作用对岩爆影响的基础上,指出了对于特深埋洞室,上覆岩层厚度将成为产生岩爆的主要原因。针对现场岩爆的实际破坏形式,提出了边壁破坏的板粱-脆性弹簧模式。研究了破坏面平行于洞室边壁情形下的岩爆机理和判别方法,较好地解释了岩爆发生过程,判别岩爆的临界应力与实际的比较吻合。此外本文还给出一些卸围压试验的结果。     

基于AdaBoost组合学习方法的岩爆分类预测研究

针对岩爆等级划分问题,考虑了岩爆灾害发生的多种主要影响因素,采用新的数据挖掘方法AdaBoost（即Adaptive Boosting）的组合学习方法,结合流行的人工神经网络BP算法,构建了集成神经网络AdaBoost-ANN（简称AB-ANN）的岩爆等级多分类预测模型。该模型克服了单一弱分类器的不稳定性,提高了分类器精度,实验结果表明,预测的结果与实际值比较吻合,证明了该方法的可行性。     

基于功效系数法的岩爆烈度分级预测研究

岩爆是高地应力区岩质隧道施工过程中经常发生的工程地质灾害,对其发生的可能性及其烈度分级预测一直是隧道工程世界性难题之一。基于功效系数法的基本原理,在综合考虑岩爆的关键影响因素基础上,选取?θ /?c 、?c /?t、Wet和Is作为评价因子,建立了一种新的岩爆烈度分级预测模型。利用国内外典型岩爆工程实例对所建模型进行检验,判别结果与实际岩爆等级相符,且与集对分析法和可拓方法判别结果基本一致,表明运用功效系数法对岩爆烈度进行预测是合理的、可行的。再运用功效系数法对苍岭隧道岩爆危险性进行判别,预测结果与实际情况一致,说明基于功效系数原理的岩爆预测新方法具有较高的准确性和可靠性,且简单、易懂、可操作性强,具有良好的工程应用前景。     

真三轴加载条件下岩爆过程的声发射演化特征

利用真三轴岩爆试验系统,对花岗岩开展真三轴加载条件下岩爆过程的声发射试验,初步揭示了岩爆过程中的声发射时空演化特征：岩爆孕育前期,振铃撞击比较小,主频以低频为主,优势频段（基于小波分析能量占比最大频段）为小于125 kHz的低频段,声发射事件点由分散态趋于聚集态,新增事件由临空面向岩样内部方向转移;岩爆发生前夕,振铃撞击比大幅突增,低频、中频、高频信号大量涌现,主频带由离散形态转变为连续形态,250～500 kHz优势频段信号占比明显增加,声发射事件成核区在距临空面较远处成形,临空面附近区域事件点增多;岩爆发生阶段,声发射呈低频高幅特征,优势频段重新转入62.5～125.0 kHz,岩样临空面附近声发射活跃,岩样内部出现明显的声发射事件成核区,表明临空面附近出现了岩板劈裂现象,距临空面较远处出现了宏观剪切破坏现象。     

深埋隧洞微震活动区与岩爆的相关性研究

基于锦屏二级水电站深埋引水隧洞和排水洞大量微震监测数据及上百个不同等级岩爆实例,研究了深埋隧洞微震活动区与岩爆之间的关系。研究结果表明：（1）微震活动分布范围主要介于掌子面后方3倍洞径至前方1.5倍洞径之间,而岩爆高发区位于掌子面后方3倍洞径以内,表明岩爆高发区与微震事件主要分布范围相吻合;（2）隧洞工程岩爆潜在风险重点关注区域是掌子面后方3倍洞径已开挖范围,以及掌子面前方1.5倍洞径施工范围;（3）微震事件及岩爆分布呈区域性集结特点,其中一部分岩爆发生于微震事件集结区内部,另一部分岩爆发生于微震事件集结区边缘,这是岩体破坏过程中所固有的现象,与微震事件集结区边缘局部应力集中密切相关。     

深埋高地应力隧道勘察期岩爆烈度概率分级预测

岩爆是地下工程开挖过程中硬质岩体存储的弹性应变能突然、迅速释放的动态过程。我国西南山区正在建设或拟建大量深埋长大隧道,勘察阶段岩爆的准确预测对有效设计和控制投资十分重要。从隧道工程勘察阶段线路比选与设计需求出发,针对隧道勘查期岩爆灾害预测指标获取难、预测精度低的问题,以该阶段岩爆预测指标的易获取性为前提,利用贝叶斯网络解决不确定性问题的有效性来反映岩爆烈度与各影响因素的相关关系。基于473组岩爆灾害案例,采用4个预测指标（地应力、地质构造、围岩级别和岩石强度）来构建岩爆烈度朴素贝叶斯概率分级预测模型,利用十折交叉验证方法确定模型预测精度达84.47%。将该模型应用于雅安—叶城高速公路跑马山1号隧道岩爆段落,预测结果显示：28次岩爆预测中有24次正确、4次错误,准确率高达85.71%;其中2组错误预测中,现场判别为轻微-中等岩爆,而本文模型预测为轻微岩爆。验证结果表明所建立的贝叶斯网络模型具有良好的预测性能,研究成果可为我国西南山区深埋长大硬岩隧道勘察设计期岩爆灾害预测提供技术支撑。     

地下工程围岩潜在岩爆问题评估方法

潜在岩爆评估是工程前期或可研阶段预估工程施工风险、建设成本和规划工程布置中的重要课题,现有单独采用岩爆倾向性或应力与强度之比的评价方法存在不足。文中建议了一种地下工程潜在岩爆问题评估方法,综合考虑了岩石力学特性、围岩质量和地应力三方面的内外在因素,归纳了岩爆对应的地质条件,总结认为岩爆主要发生在II、I类围岩。以体积应变反弯点为卸载控制点,改进了岩爆倾向性指数的试验方法。综合考虑岩石弹性能指数、应力强度比和主应力比3个因素,提出了潜在岩爆指数新指标,并给出了相应界限值,可为工程可研阶段岩爆风险预估提供了一种操作简单、逻辑科学的评估方法。     

深部三维圆形洞室岩爆过程的模拟试验

为了模拟深部圆形洞室三维受力情况下岩爆的发生过程,以具有极强岩爆倾向性的花岗岩作为试验材料,利用自行研制的TRW?3000岩石真三轴电液伺服诱变试验机,对含直径50 mm贯穿圆形孔洞的100 mm×100 mm×100 mm立方体花岗岩试样进行了三向不等压加载试验。试验首先模拟1 000 m深度的初始应力环境,以垂直于洞室轴向的水平方向作为最小主应力方向,通过增加竖直方向应力模拟应力调整过程诱发岩爆情况,并借助三维加载岩样内部结构破坏实时视频监控系统监控洞壁破坏情况。试验结果表明,岩爆过程可以划分为平静阶段、颗粒弹射阶段、岩片剥落和爆裂阶段,洞壁两侧中间部位应力集中系数最高,最先产生破坏,然后沿径向向深部发展,最终形成两个对称型的V型槽。圆形洞室洞壁两侧破坏的3个典型受力节点,符合深部工程中统计得到的无支护圆形巷道的远场应力状态与破坏模式之间的关系,达到了模拟的效果。利用现有的4种岩爆判据进行了分析,判别结果与试验过程中拍摄到的洞壁破坏情况基本一致。洞壁的破坏伴随着声发射计数增加和能量升高,岩爆越剧烈,声发射越活跃。     

岩爆分类的支持向量机方法

针对岩爆分类问题,提出了基于支持向量机的分类方法。通过对影响岩爆因素的分析,运用支持向量机理论建立岩爆类别的支持向量机模型。结果表明,基于支持向量机的岩爆分类方法具有较高的准确率,该方法是科学可行的,具有广泛的应用前景。     

基于粗糙集理论的遗传-RBF神经网络在岩爆预测中的应用

岩爆发生机制复杂,影响因素较多,通过粗糙集理论中的属性约简和条件属性重要性评价,确定特定地质条件下岩爆的主要影响因素,删除冗余数据。使用遗传算法(GA)优化径向基函数（radial basis function,简称RBF）神经网络参数,通过RBF神经网络隐层单元将低维模式输入变换到高维空间内,拟合影响因子和岩爆等级之间的非线性映射关系,建立基于粗糙集理论的遗传-RBF神经网络岩爆预测模型,目前未见其在地下洞室岩爆预测中应用。在根据工程实际情况选取多个理论判据的基础上,将建立的预测模型应用于实际工程的岩爆预测问题,并与实际岩爆发生情况进行对比分析。结果证明,该方法的评价结果与实际情况较为吻合,对后期施工有较好的指导作用。