基于GSI和开挖扰动因子的围岩岩爆倾向性等级判

本发明属于地下工程围岩岩爆倾向性评价领域，具体涉及基于gsi和开挖扰动因子的围岩岩爆倾向性等级判别方法。背景技术：1、随着浅部矿产资源和空间的枯竭，深部开采与地下空间开发利用势在必行，超千米深部岩石工程已趋于常态。岩爆是深部硬岩开挖后面临的最典型工程地质灾害之一，具有突发性、破坏性和随机性，严重威胁了人员、设备和支护体系的安全。深部围岩在高地应力和开挖扰动下容易出现岩爆破坏现象。由于岩爆发生机制极其复杂，岩爆倾向性等级的科学评估一直是岩石力学领域的难点和热点问题。因此，准确判别不同开挖扰动作用下围岩岩爆倾向性等级，对预防深部岩爆灾害具有极其重要的意义和工程价值。2、现阶段国内外学者为了评估硬岩岩爆倾向性等级，主要聚焦于岩石材料判据方面的研究。对于岩石材料的岩爆倾向性而言，反映了岩石材料在外部荷载作用下发生岩爆现象的内在潜力，也是深部岩石发生岩爆灾害的先决条件。在此基础上，提出了一系列具有代表性的岩爆倾向性判据，如应变能存储指数wet、能量冲击指数acf、修正脆性指数bim、动态破坏时间dt、强度下降率指数sdr、能量储耗指数bk、变形脆性指数ku、刚度冲击性指标kcf、降低模量指数dmi、潜在弹性应变能指数pes以及峰值弹性应变能指数pesp等。上述岩爆倾向性判据通常存在一些不足，有的判据(如，wet、bim、pes、pesp)仅考虑了岩石应力-应变曲线峰前阶段的能量储耗关系，而未涉及岩石峰后阶段的能量，岩石失稳破坏通常是发生峰值强度以及峰后阶段；其次，有的判据(如，dt和sdr)仅涉及岩石的峰后破坏阶段，未考虑到峰前阶段是岩石内部弹性应变能的积聚过程；其余判据虽然考虑了岩石峰前和峰后两个阶段，但大部分判据的本质是量纲为一的比值形式(如，acf、bk、kcf、dmi)，计算结果无法直接体现岩石破坏时释放的能量大小。同时，上述岩爆判据在判别岩爆倾向性等级时，其判别结果与岩石破坏的剧烈程度存在偏差，即存在一定的误判现象。近些年，宫凤强等基于岩石破坏过程中普遍存在的线性储能规律，提出了剩余弹性能指数aef，定义为峰值弹性应变能与峰后破坏能之间的差值，反映了岩石破坏过程中释放的弹性应变能(乘以岩样体积则为释放的弹性能)。自从2018年aef提出至今，其科学性和适用性已经在众多文献中得到了验证。目前已经被国家能源行业标准《水电工程岩爆风险评估技术规范》、中国岩石力学与工程学会团体标准《地下洞室围岩稳定性评估方法》和中关村绿色矿山产业联盟团体标准《非煤岩岩爆倾向性评价规范》等采纳。虽然aef可以为硬岩岩块的岩爆倾向性判别提供合理依据，但工程现场的岩爆发生在围岩岩体内，岩体与岩块相比，显然存在很大差异。同时，深部硬岩的开挖过程也会造成岩体损伤，进而改变围岩岩体的岩爆倾向性程度。因此，亟需建立共同考虑岩体质量和开挖扰动作用的围岩岩爆倾向性判据，实现围岩岩爆倾向性等级的快速、准确判别。技术实现思路1、针对上述技术问题，本发明提供了基于gsi和开挖扰动因子的围岩岩爆倾向性等级判别方法，以解决目前无法对不同开挖扰动作用下的隧洞围岩岩体进行岩爆倾向性等级评估的问题。实现可综合考虑岩石能量特征、开挖扰动、岩体质量等因素的围岩岩爆倾向性等级判别，为深部硬岩岩爆倾向性等级的定量识别和预警提供思路和参考。2、本发明采用如下技术方案：3、本发明所述的基于gsi和开挖扰动因子的围岩岩爆倾向性等级判别方法，包括以下步骤：4、步骤1：根据现场深部围岩的坚硬程度、完整程度，初步判断深部围岩是否具有岩爆倾向性；5、步骤2：确定围岩的开挖扰动因子，利用岩体质量指数gsi与扰动围岩变形模量之间的关系，计算深部围岩的变形模量；6、步骤3：利用扰动围岩变形模量与岩石弹性模量之间的关系，计算深部岩石的弹性模量；7、步骤4：计算深部围岩的剩余弹性能，定量判别待评估围岩的岩爆倾向性等级。8、本发明所述的基于gsi和开挖扰动因子的围岩岩爆倾向性等级判别方法，9、步骤1中根据现场深部围岩的坚硬程度、完整程度，其定量指标方面至少满足如下条件：10、11、式中，gsi为地质强度指数，σc为岩块单轴抗压强度，mpa。12、本发明所述的基于gsi和开挖扰动因子的围岩岩爆倾向性等级判别方法，开挖扰动因子d表达式如下：13、d＝1-kv                              (2)14、步骤2中开挖扰动下岩体变形模量与gsi之间的关系为：15、16、式中，为扰动岩体的变形模量，gpa。17、本发明所述的基于gsi和开挖扰动因子的围岩岩爆倾向性等级判别方法，18、围岩变形模量和岩石弹性模量ei之间的关系为：19、20、式中，rmr89为岩体质量分级标准，岩石弹性模量ei与围岩变形模量岩体质量分级标准rmr89之间的关系为：21、22、rmr89与gsi之间具有定量表达式，如下：23、rmr89＝0.8270gsi+15.3939                   (6)24、通过上式得到岩石弹性模量ei与地质强度指数gsi之间的关系可表示为：25、26、通过上式得到待评估围岩的岩石弹性模量ei。27、本发明所述的基于gsi和开挖扰动因子的围岩岩爆倾向性等级判别方法，计算深部围岩的剩余弹性能指数aef的计算公式如下：28、29、式中，和ua分别为岩石的峰值弹性应变能和峰后破坏能，kj/m3；30、剩余弹性能指数aef的分级标准为：31、32、剩余弹性能指数aef与ei之间的线性关系可表示为：33、aef＝46.5610+6.8059ei (r2 ＝ 0.7225)                (10)34、通过下式计算待评估围岩的剩余弹性能：35、36、有益效果37、本发明建立了综合考虑岩石能量特征、开挖扰动、岩体质量等因素的围岩岩爆倾向性等级判别方法。鉴于以往的岩爆倾向性判别通常是采用深部工程现场钻取、运输、切割、打磨的岩石为标准岩样进行室内试验的测量方法，不仅存在岩样钻取制备难、结果离散性强、测试成本高等问题，而且得到的岩爆倾向性判定结果仅为岩样的岩爆倾向性。深部围岩与岩样存在显著差异，导致室内试验测量的岩样岩爆倾向性结果无法真实反映深部围岩的岩爆倾向性等级。因此，本发明方法借助地质强度指数gsi、岩体变形模量、岩石弹性模量以及剩余弹性能之间的关系，建立了基于岩体质量指数和开挖扰动因子的深部围岩岩爆倾向性等级判别方法，实现了深部围岩岩爆倾向性等级的快速、准确评估，为深部硬岩岩爆倾向性等级的定量识别提供了新的思路和参考。技术特征：1.基于gsi和开挖扰动因子的围岩岩爆倾向性等级判别方法，其特征在于，包括以下步骤：2.根据权利要求1所述的基于gsi和开挖扰动因子的围岩岩爆倾向性等级判别方法，其特征在于：3.根据权利要求1所述的基于gsi和开挖扰动因子的围岩岩爆倾向性等级判别方法，其特征在于：开挖扰动因子d表达式如下：4.根据权利要求1所述的基于gsi和开挖扰动因子的围岩岩爆倾向性等级判别方法，其特征在于：5.根据权利要求1所述的基于gsi和开挖扰动因子的围岩岩爆倾向性等级判别方法，其特征在于：技术总结本发明属于地下工程围岩岩爆倾向性评价领域，具体涉及基于GSI和开挖扰动因子的围岩岩爆倾向性等级判别方法。方法为根据现场深部围岩的坚硬程度、完整程度，初步判断深部围岩是否具有岩爆倾向性；确定围岩的开挖扰动因子，利用岩体质量指数GSI与扰动围岩变形模量之间的关系，计算深部围岩的变形模量；利用扰动围岩变形模量与岩石弹性模量之间的关系，计算深部岩石的弹性模量；计算深部围岩的剩余弹性能，定量判别待评估围岩的岩爆倾向性等级。本发明建立了综合考虑岩石能量特征、开挖扰动、岩体质量等因素的围岩岩爆倾向性等级判别方法。实现了深部围岩岩爆倾向性等级的快速、准确评估，为深部硬岩岩爆倾向性等级的定量识别提供了新的思路和参考。技术研发人员：宫凤强,徐磊,代金豪,何志超受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/8/15