數(shù)字鉆探賦能巖體強(qiáng)度測試與巖爆弱化機(jī)制的深度解析

數(shù)字鉆探賦能巖體強(qiáng)度測試與巖爆弱化機(jī)制的深度解析一、引言1.1研究背景與意義隨著全球基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，各類地下工程如隧道、礦山、地下洞室等的規(guī)模和深度持續(xù)增加。在這些工程中，巖體的力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性對工程的安全與順利進(jìn)行起著決定性作用。巖爆作為一種在高地應(yīng)力條件下巖體突然破壞并釋放大量能量的動力失穩(wěn)現(xiàn)象，給地下工程帶來了嚴(yán)重的安全隱患。例如，在挪威的水電站隧道施工中，由于巖爆的發(fā)生，導(dǎo)致了施工設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞和施工進(jìn)度的大幅延誤，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在中國錦屏二級水電站的建設(shè)過程中，巖爆問題也頻繁出現(xiàn)，對施工人員的生命安全構(gòu)成了直接威脅。因此，深入研究巖體強(qiáng)度測試方法和巖爆弱化機(jī)制，對于保障地下工程的安全、降低工程成本具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)的巖體強(qiáng)度測試方法如室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，雖然能夠提供較為準(zhǔn)確的巖石力學(xué)參數(shù)，但存在著采樣代表性不足、測試周期長、成本高等問題，難以滿足工程現(xiàn)場快速、準(zhǔn)確的需求。而現(xiàn)場原位測試方法，如鉆孔彈模測試、點(diǎn)荷載試驗(yàn)等，也受到測試條件和設(shè)備的限制，無法全面、準(zhǔn)確地反映巖體的真實(shí)力學(xué)狀態(tài)。此外，對于巖爆的預(yù)測和防治，現(xiàn)有的方法和技術(shù)仍然存在一定的局限性，難以有效地降低巖爆的發(fā)生概率和危害程度。數(shù)字鉆探技術(shù)作為一種新興的地質(zhì)勘察技術(shù)，通過對鉆進(jìn)過程中的多種參數(shù)（如鉆進(jìn)壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)速率等）進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對巖體力學(xué)性質(zhì)的快速、準(zhǔn)確評估。該技術(shù)具有原位測試、連續(xù)監(jiān)測、信息量大等優(yōu)點(diǎn)，為巖體強(qiáng)度測試和巖爆弱化機(jī)制研究提供了新的思路和方法。通過數(shù)字鉆探技術(shù)獲取的巖體隨鉆參數(shù)，可以反映出巖體在鉆進(jìn)過程中的力學(xué)響應(yīng)，進(jìn)而建立起隨鉆參數(shù)與巖體強(qiáng)度參數(shù)之間的關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)對巖體強(qiáng)度的快速預(yù)測。同時，數(shù)字鉆探技術(shù)還可以對巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行探測，為巖爆的預(yù)測和防治提供重要的依據(jù)。本研究基于數(shù)字鉆探技術(shù)，開展巖體強(qiáng)度測試方法與巖爆弱化機(jī)制的研究，具有以下重要意義：提高巖體強(qiáng)度測試的準(zhǔn)確性和效率：通過建立數(shù)字鉆探參數(shù)與巖體強(qiáng)度參數(shù)之間的定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對巖體強(qiáng)度的快速、準(zhǔn)確預(yù)測，克服傳統(tǒng)測試方法的不足，為工程設(shè)計(jì)和施工提供更加可靠的依據(jù)。深入揭示巖爆的發(fā)生機(jī)制：結(jié)合數(shù)字鉆探技術(shù)獲取的巖體力學(xué)信息和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，從能量釋放、應(yīng)力分布等角度深入研究巖爆的發(fā)生機(jī)制，為巖爆的預(yù)測和防治提供理論支持。為巖爆防治提供有效的技術(shù)手段：基于巖爆弱化機(jī)制的研究成果，提出針對性的巖爆防治措施，如優(yōu)化鉆進(jìn)工藝、采用卸壓爆破等，降低巖爆的發(fā)生概率和危害程度，保障地下工程的安全施工。推動數(shù)字鉆探技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用：本研究將進(jìn)一步完善數(shù)字鉆探技術(shù)的理論和方法體系，拓展其在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，為其他類似工程問題的解決提供參考和借鑒。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1數(shù)字鉆探的巖體強(qiáng)度測試方法研究現(xiàn)狀國外對數(shù)字鉆探技術(shù)在巖體強(qiáng)度測試方面的研究起步較早，技術(shù)也相對成熟。早在20世紀(jì)末，挪威、瑞典等國的學(xué)者就開始利用數(shù)字鉆探技術(shù)監(jiān)測鉆進(jìn)參數(shù)，嘗試分析其與巖體力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系。挪威巖土工程研究所（NGI）在多個隧道工程中應(yīng)用數(shù)字鉆探技術(shù)，通過建立鉆進(jìn)參數(shù)與巖體單軸抗壓強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)公式，實(shí)現(xiàn)了對巖體強(qiáng)度的初步預(yù)測。例如在某隧道施工中，通過實(shí)時監(jiān)測鉆進(jìn)壓力、扭矩等參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件，建立了適用于該工程的巖體強(qiáng)度預(yù)測模型，有效指導(dǎo)了隧道的支護(hù)設(shè)計(jì)和施工。美國的一些研究機(jī)構(gòu)則致力于研發(fā)高精度的數(shù)字鉆探傳感器和數(shù)據(jù)分析軟件，以提高巖體強(qiáng)度測試的準(zhǔn)確性和效率。如采用先進(jìn)的光纖傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對鉆進(jìn)過程中微小參數(shù)變化的精確測量，為深入研究巖體力學(xué)特性提供了更豐富的數(shù)據(jù)支持。國內(nèi)在數(shù)字鉆探技術(shù)的研究和應(yīng)用方面近年來發(fā)展迅速。許多高校和科研機(jī)構(gòu)開展了相關(guān)研究工作，取得了一系列有價值的成果。西安理工大學(xué)的學(xué)者通過室內(nèi)數(shù)字鉆探試驗(yàn)，深入分析了鉆頭的受力特點(diǎn)，根據(jù)力學(xué)極限平衡原理建立了鉆進(jìn)過程中機(jī)-巖相互作用的數(shù)學(xué)模型，提出了一種基于數(shù)字鉆技術(shù)的巖石主要強(qiáng)度參數(shù)（內(nèi)摩擦角、單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度）的解析方法，并利用自主研發(fā)的高精度數(shù)字鉆系統(tǒng)對多種巖石進(jìn)行了強(qiáng)度參數(shù)預(yù)測，與室內(nèi)試驗(yàn)測定值對比驗(yàn)證了該方法的可靠性。中國礦業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)則將數(shù)字鉆探技術(shù)應(yīng)用于煤礦巷道圍巖強(qiáng)度測試，通過對大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析，建立了適用于煤礦巖體的強(qiáng)度預(yù)測模型，為煤礦巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)和安全開采提供了重要依據(jù)。1.2.2巖爆弱化機(jī)制研究現(xiàn)狀國外在巖爆弱化機(jī)制研究方面取得了不少成果。在理論研究方面，“能量理論”認(rèn)為巖爆是巖體中儲存的彈性應(yīng)變能超過巖石的破壞能量時釋放導(dǎo)致的，這為巖爆弱化機(jī)制的研究奠定了重要基礎(chǔ)。在數(shù)值模擬方面，有限元法、離散元法等被廣泛應(yīng)用于模擬巖體在開挖過程中的應(yīng)力分布和變形情況，以及巖石的破裂過程，考慮巖石內(nèi)部的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)對巖爆的影響，使模擬結(jié)果更加貼近實(shí)際情況。在工程實(shí)踐中，一些國家采用卸壓爆破、鉆孔卸壓等方法來弱化巖體，降低巖爆發(fā)生的可能性。如加拿大的一些礦山在開采過程中，通過合理布置卸壓鉆孔，有效地降低了巖體的應(yīng)力集中程度，減少了巖爆的發(fā)生次數(shù)和強(qiáng)度。國內(nèi)對巖爆弱化機(jī)制的研究也非常重視，眾多學(xué)者從不同角度進(jìn)行了深入探討。在理論研究方面，提出了“強(qiáng)度理論”“剛度理論”等多種理論解釋，豐富了巖爆弱化機(jī)制的研究內(nèi)容。在預(yù)測方法上，除了借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)判據(jù)法和數(shù)值模擬法外，還結(jié)合國內(nèi)工程實(shí)際情況，發(fā)展了一些具有特色的方法。如施工地質(zhì)超前預(yù)報法，通過對隧道施工過程中的地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研，利用與巖爆有關(guān)的特殊地質(zhì)現(xiàn)象來預(yù)測巖爆。在巖爆弱化技術(shù)方面，國內(nèi)研發(fā)了多種有效的方法，如預(yù)裂爆破、化學(xué)改性等。中國錦屏二級水電站在施工過程中，采用預(yù)裂爆破技術(shù)對高地應(yīng)力巖體進(jìn)行預(yù)處理，成功地降低了巖爆的發(fā)生強(qiáng)度和頻率。1.2.3研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足目前，數(shù)字鉆探的巖體強(qiáng)度測試方法和巖爆弱化機(jī)制的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍存在一些不足之處：數(shù)字鉆探與巖體強(qiáng)度關(guān)系模型的普適性不足：現(xiàn)有的數(shù)字鉆探參數(shù)與巖體強(qiáng)度參數(shù)之間的關(guān)系模型大多是基于特定的工程地質(zhì)條件和試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的，缺乏廣泛的普適性。不同地區(qū)、不同類型巖體的力學(xué)性質(zhì)差異較大，使得這些模型在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。例如，某基于特定花崗巖體建立的強(qiáng)度預(yù)測模型，在應(yīng)用于砂巖巖體時，預(yù)測結(jié)果偏差較大。巖爆發(fā)生機(jī)制的復(fù)雜性認(rèn)識不夠全面：巖爆的發(fā)生受到多種因素的綜合影響，包括地質(zhì)條件、施工工藝、工程環(huán)境等?，F(xiàn)有的理論和模型難以全面準(zhǔn)確地描述巖爆的發(fā)生過程，對一些復(fù)雜的巖爆現(xiàn)象，如巖爆的滯后性、間歇性等，還無法給出合理的解釋。巖爆預(yù)測和防治技術(shù)的可靠性有待提高：雖然目前已經(jīng)提出了多種巖爆預(yù)測和防治方法，但這些方法在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定的局限性。經(jīng)驗(yàn)判據(jù)法依賴于經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，缺乏普適性；數(shù)值模擬法雖然能夠考慮多種因素，但模型的建立和參數(shù)選取存在一定的主觀性，且計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況可能存在偏差。同時，由于巖爆現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取難度較大，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性也有待提高，這也限制了巖爆預(yù)測和防治技術(shù)的發(fā)展。多因素耦合作用下的研究較少：在實(shí)際工程中，巖體往往受到多種因素的耦合作用，如應(yīng)力-滲流-溫度等多場耦合。然而，目前對于多因素耦合作用下巖體強(qiáng)度特性和巖爆弱化機(jī)制的研究較少，難以滿足復(fù)雜工程條件下的實(shí)際需求。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容數(shù)字鉆探技術(shù)原理與隨鉆參數(shù)分析：深入研究數(shù)字鉆探技術(shù)的工作原理，分析鉆進(jìn)過程中扭矩、轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)壓力和鉆進(jìn)速率等隨鉆參數(shù)的變化規(guī)律及其與巖體力學(xué)性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系。例如，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，探討扭矩與巖體硬度之間的關(guān)系，以及鉆進(jìn)速率如何反映巖體的破碎程度。基于數(shù)字鉆探的巖體強(qiáng)度測試方法研究：建立數(shù)字鉆探參數(shù)與巖體強(qiáng)度參數(shù)（如單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角等）之間的定量關(guān)系模型。利用室內(nèi)數(shù)字鉆探試驗(yàn)和現(xiàn)場工程實(shí)例，對不同類型巖體進(jìn)行測試，獲取大量數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)擬合、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，建立準(zhǔn)確的強(qiáng)度預(yù)測模型，并驗(yàn)證模型的可靠性和普適性。巖爆發(fā)生機(jī)制研究：結(jié)合數(shù)字鉆探獲取的巖體力學(xué)信息、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)以及巖石力學(xué)理論，從能量釋放、應(yīng)力分布、巖體結(jié)構(gòu)等多個角度深入研究巖爆的發(fā)生機(jī)制。分析巖體在開挖過程中的應(yīng)力重分布規(guī)律，研究能量的積聚和釋放過程，探討巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷（如節(jié)理、裂隙）對巖爆的影響。巖爆弱化機(jī)制與防治措施研究：基于巖爆發(fā)生機(jī)制的研究成果，探索巖爆的弱化機(jī)制，提出有效的巖爆防治措施。例如，研究卸壓爆破、鉆孔卸壓、預(yù)裂爆破等方法對巖體應(yīng)力狀態(tài)和能量分布的影響，優(yōu)化防治措施的參數(shù)和施工工藝，降低巖爆的發(fā)生概率和危害程度。多因素耦合作用下的巖體力學(xué)特性與巖爆研究：考慮應(yīng)力-滲流-溫度等多場耦合作用，研究其對巖體力學(xué)特性和巖爆發(fā)生的影響。通過室內(nèi)多場耦合試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析多因素耦合作用下巖體強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律，以及巖爆發(fā)生的可能性和特征，為復(fù)雜工程條件下的巖爆防治提供理論依據(jù)。1.3.2研究方法室內(nèi)試驗(yàn)研究：開展室內(nèi)數(shù)字鉆探試驗(yàn)，模擬不同的鉆進(jìn)條件和巖體特性，獲取隨鉆參數(shù)和巖體強(qiáng)度參數(shù)。利用自主研發(fā)的高精度數(shù)字鉆系統(tǒng)，對多種巖石進(jìn)行測試，分析鉆頭的受力特點(diǎn)，根據(jù)力學(xué)極限平衡原理建立鉆進(jìn)過程中機(jī)-巖相互作用的數(shù)學(xué)模型。同時，進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)，如單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)等，獲取巖石的基本力學(xué)參數(shù)，為巖體強(qiáng)度測試方法和巖爆發(fā)生機(jī)制研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。開展室內(nèi)多場耦合試驗(yàn)，利用巖體多場耦合旋切鉆進(jìn)測試裝置，模擬現(xiàn)場巖體所受的應(yīng)力、滲流和溫度環(huán)境，研究應(yīng)力-滲流-溫度多場耦合作用下巖體強(qiáng)度參數(shù)隨鉆演化規(guī)律?，F(xiàn)場測試與監(jiān)測：在實(shí)際工程現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)字鉆探測試，實(shí)時監(jiān)測鉆進(jìn)過程中的隨鉆參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件和工程施工情況，驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)建立的巖體強(qiáng)度預(yù)測模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。同時，采用聲發(fā)射監(jiān)測、地應(yīng)力監(jiān)測、微震監(jiān)測等手段，對巖體的應(yīng)力狀態(tài)和變形情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，獲取巖爆發(fā)生前的前兆信息，為巖爆預(yù)測和防治提供依據(jù)。數(shù)值模擬分析：運(yùn)用有限元法、離散元法等數(shù)值模擬方法，建立巖體的力學(xué)模型，模擬巖體在開挖過程中的應(yīng)力分布、變形情況以及巖爆的發(fā)生過程。通過數(shù)值模擬，分析不同因素對巖爆的影響，如巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力、施工工藝等，為巖爆防治措施的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)?？紤]多場耦合作用，建立應(yīng)力-滲流-溫度多場耦合的數(shù)值模型，模擬多因素耦合作用下巖體的力學(xué)響應(yīng)和巖爆發(fā)生的可能性。理論分析與模型建立：基于巖石力學(xué)、材料力學(xué)、斷裂力學(xué)等理論，對數(shù)字鉆探過程中的機(jī)-巖相互作用機(jī)理、巖爆的發(fā)生機(jī)制和弱化機(jī)制進(jìn)行深入分析。建立數(shù)學(xué)模型，描述隨鉆參數(shù)與巖體強(qiáng)度參數(shù)之間的關(guān)系，以及巖爆發(fā)生的條件和過程。運(yùn)用能量理論、強(qiáng)度理論等，分析巖爆過程中的能量變化和巖體破壞準(zhǔn)則。針對多因素耦合作用下的巖體力學(xué)特性和巖爆問題，建立相應(yīng)的理論模型，分析多場耦合的作用機(jī)制和對巖爆的影響規(guī)律。數(shù)據(jù)處理與機(jī)器學(xué)習(xí)：對室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬獲取的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等，提取數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵信息和規(guī)律。采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，建立巖體強(qiáng)度預(yù)測模型和巖爆預(yù)測模型，提高模型的精度和可靠性。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對多因素耦合作用下的巖體力學(xué)特性和巖爆數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘多因素之間的復(fù)雜關(guān)系，為巖爆防治提供更有效的方法。二、基于數(shù)字鉆探的巖體強(qiáng)度測試方法2.1數(shù)字鉆探技術(shù)原理與特點(diǎn)數(shù)字鉆探技術(shù)是一種集機(jī)械、電子、信息技術(shù)于一體的現(xiàn)代化地質(zhì)勘察技術(shù)，其工作原理基于對鉆進(jìn)過程中多種物理參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測與分析。在鉆進(jìn)過程中，鉆機(jī)通過旋轉(zhuǎn)鉆桿，帶動鉆頭切削巖石，同時在鉆桿、鉆頭及鉆機(jī)等部位安裝各類高精度傳感器，如鉆壓傳感器、扭矩傳感器、位移傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器等，這些傳感器能夠?qū)崟r采集鉆進(jìn)壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)速率等隨鉆參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號。以某型號數(shù)字鉆探設(shè)備為例，鉆壓傳感器采用電阻應(yīng)變片式原理，通過測量鉆桿所受壓力引起的電阻變化，精準(zhǔn)地感知鉆進(jìn)壓力的大小；扭矩傳感器則利用磁電感應(yīng)原理，實(shí)時監(jiān)測鉆桿旋轉(zhuǎn)時的扭矩變化。這些電信號經(jīng)過放大、濾波等預(yù)處理后，傳輸至數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)，對采集到的電信號進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換、分析和存儲。在數(shù)據(jù)分析過程中，結(jié)合巖石力學(xué)理論和工程經(jīng)驗(yàn)，深入挖掘隨鉆參數(shù)與巖體力學(xué)性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系。例如，通過分析鉆進(jìn)壓力和扭矩的變化規(guī)律，可以判斷巖體的硬度和強(qiáng)度特性；根據(jù)鉆進(jìn)速率的波動情況，能夠推測巖體的完整性和結(jié)構(gòu)特征。與傳統(tǒng)鉆探技術(shù)相比，數(shù)字鉆探技術(shù)在巖體強(qiáng)度測試中具有顯著優(yōu)勢。首先，具有出色的實(shí)時性。傳統(tǒng)鉆探技術(shù)往往需要在鉆探完成后，對巖芯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析才能獲取巖體的相關(guān)信息，而數(shù)字鉆探技術(shù)能夠在鉆進(jìn)過程中實(shí)時采集和傳輸數(shù)據(jù)，使工程人員能夠及時了解巖體的力學(xué)狀態(tài)，為工程決策提供及時的依據(jù)。在隧道施工中，當(dāng)遇到復(fù)雜地質(zhì)條件時，數(shù)字鉆探技術(shù)可以實(shí)時監(jiān)測巖體強(qiáng)度的變化，施工人員能夠根據(jù)這些信息迅速調(diào)整施工方案，避免因?qū)r體情況不了解而導(dǎo)致的施工事故。其次，數(shù)字鉆探技術(shù)的準(zhǔn)確性較高。通過高精度傳感器和先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法，能夠更精確地測量和分析隨鉆參數(shù)，減少人為因素和測量誤差的影響，從而更準(zhǔn)確地反映巖體的真實(shí)力學(xué)性質(zhì)。傳統(tǒng)的點(diǎn)荷載試驗(yàn)在測量巖體強(qiáng)度時，由于試件的制備和加載方式等因素的影響，測量結(jié)果往往存在較大的誤差。而數(shù)字鉆探技術(shù)通過對鉆進(jìn)過程中連續(xù)數(shù)據(jù)的分析，能夠更全面、準(zhǔn)確地評估巖體強(qiáng)度。再者，數(shù)字鉆探技術(shù)具有信息量大的特點(diǎn)。它不僅能夠獲取巖體的強(qiáng)度信息，還能通過對隨鉆參數(shù)的綜合分析，得到巖體的結(jié)構(gòu)、完整性、節(jié)理裂隙分布等多方面的信息，為巖體工程的設(shè)計(jì)和施工提供更豐富的資料。在某大型地下洞室的勘察中，數(shù)字鉆探技術(shù)通過對鉆進(jìn)過程中扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的變化分析，準(zhǔn)確地判斷出了巖體中節(jié)理裂隙的位置和走向，為洞室的支護(hù)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。此外，數(shù)字鉆探技術(shù)還具有原位測試、連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，能夠在不破壞巖體原始狀態(tài)的情況下，對巖體進(jìn)行連續(xù)的力學(xué)性質(zhì)測試，更真實(shí)地反映巖體在天然狀態(tài)下的力學(xué)行為。傳統(tǒng)的室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)需要從巖體中取出巖芯，這會對巖體造成一定的擾動，影響測試結(jié)果的真實(shí)性。而數(shù)字鉆探技術(shù)在原位進(jìn)行測試，避免了這種擾動，使得測試結(jié)果更具可靠性。2.2現(xiàn)有測試方法分析2.2.1傳統(tǒng)測試方法概述在巖體強(qiáng)度測試領(lǐng)域，傳統(tǒng)方法有著深厚的應(yīng)用歷史和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，點(diǎn)載荷試驗(yàn)和室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)是其中具有代表性的兩種方法。點(diǎn)荷載試驗(yàn)是一種在點(diǎn)荷載下測試巖石、混凝土或其他天然建筑材料抗壓強(qiáng)度的簡便方法。試驗(yàn)時，將試樣夾在兩個球狀加荷錐頭之間，施加荷載直至壓裂試樣。通過達(dá)到破壞時的最大荷載和兩錐頭端點(diǎn)間距，即可求出試樣的抗拉強(qiáng)度，并據(jù)此經(jīng)驗(yàn)性地計(jì)算出試樣的抗壓強(qiáng)度。該方法的儀器設(shè)備較為輕便，可攜帶至現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)，這使得它能夠在工程現(xiàn)場快速獲取數(shù)據(jù)，無需將大量巖樣運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室。在野外隧道勘察中，技術(shù)人員可以隨時對采集到的巖塊進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)，及時了解巖體的大致強(qiáng)度情況。而且，該試驗(yàn)對試樣的加工要求較低，可直接選用鉆探巖心及不規(guī)則的巖塊，尤其適用于室內(nèi)試驗(yàn)制樣困難的風(fēng)化巖石、軟弱破碎巖石等。不過，點(diǎn)荷載試驗(yàn)也存在明顯的局限性。由于其試驗(yàn)原理是基于點(diǎn)荷載作用下的巖石破壞，與巖體在實(shí)際工程中的受力狀態(tài)存在較大差異，因此通過該試驗(yàn)得到的強(qiáng)度參數(shù)難以準(zhǔn)確反映巖體在復(fù)雜受力條件下的真實(shí)力學(xué)性能。在一些大型地下洞室工程中，巖體受到的是多向應(yīng)力作用，而點(diǎn)荷載試驗(yàn)的結(jié)果無法為這類工程提供全面準(zhǔn)確的巖體強(qiáng)度信息。室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)則是將加工成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的巖石試件放置在壓力試驗(yàn)機(jī)上，在無側(cè)限條件下施加軸向壓力，直至試件破壞，從而測定巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)。這種試驗(yàn)方法能夠較為精確地控制試驗(yàn)條件，如加載速率、溫度、濕度等，使得測試結(jié)果具有較高的精度和可靠性。通過對不同巖石試件的單軸壓縮試驗(yàn)，可以系統(tǒng)地研究巖石的力學(xué)特性，為巖石力學(xué)理論的發(fā)展提供了重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在巖石力學(xué)的基礎(chǔ)研究中，室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)是不可或缺的手段。然而，室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)也存在一些缺點(diǎn)。它需要從巖體中采集巖芯，并將其加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，這一過程不僅耗時費(fèi)力，而且對采樣的代表性要求較高。如果采樣位置不當(dāng)，可能無法真實(shí)反映整個巖體的力學(xué)性質(zhì)。在一個大型礦山的巖體強(qiáng)度測試中，由于采樣點(diǎn)分布不均勻，部分區(qū)域的巖樣未能準(zhǔn)確代表該區(qū)域的巖體特性，導(dǎo)致基于這些巖樣的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際巖體強(qiáng)度存在較大偏差。此外，室內(nèi)試驗(yàn)對試驗(yàn)設(shè)備和環(huán)境條件要求較高，成本相對較高，而且試驗(yàn)結(jié)果不能完全反映巖體在原位的應(yīng)力狀態(tài)和工程實(shí)際受力情況。在現(xiàn)場實(shí)際工程中，巖體受到的地應(yīng)力、地下水等因素的影響，而室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)很難模擬這些復(fù)雜的現(xiàn)場條件。2.2.2基于數(shù)字鉆探的創(chuàng)新方法基于數(shù)字鉆探技術(shù)建立鉆進(jìn)過程參數(shù)與巖石強(qiáng)度關(guān)系的創(chuàng)新方法，為巖體強(qiáng)度測試帶來了新的突破。在數(shù)字鉆探過程中，通過在鉆機(jī)的關(guān)鍵部位安裝各類高精度傳感器，如鉆壓傳感器、扭矩傳感器、位移傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器等，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地獲取鉆進(jìn)過程中的豐富參數(shù)。這些參數(shù)包括鉆進(jìn)壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)速率等，它們蘊(yùn)含著巖體力學(xué)性質(zhì)的重要信息。以鉆進(jìn)壓力為例，當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖體時，需要更大的壓力才能破碎巖石，因此鉆進(jìn)壓力的變化可以直觀地反映巖體的硬度和強(qiáng)度。同樣，扭矩的大小與巖體對鉆頭旋轉(zhuǎn)的阻力相關(guān)，扭矩增大往往意味著巖體強(qiáng)度較高。在實(shí)際工程應(yīng)用中，以某隧道工程為例，通過數(shù)字鉆探設(shè)備對隧道圍巖進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。在鉆進(jìn)過程中，傳感器實(shí)時采集鉆進(jìn)參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。通過對這些參數(shù)的分析，結(jié)合前期建立的鉆進(jìn)參數(shù)與巖體強(qiáng)度的關(guān)系模型，能夠快速預(yù)測出不同位置巖體的強(qiáng)度。在遇到一段復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域時，數(shù)字鉆探系統(tǒng)根據(jù)采集到的參數(shù)，準(zhǔn)確判斷出該區(qū)域巖體強(qiáng)度較低，及時為施工方提供了預(yù)警信息，施工方據(jù)此調(diào)整了施工方案，采用了更加強(qiáng)化的支護(hù)措施，有效避免了可能出現(xiàn)的工程事故。與傳統(tǒng)測試方法相比，基于數(shù)字鉆探的創(chuàng)新方法具有明顯的優(yōu)勢。它實(shí)現(xiàn)了原位測試，無需采集巖芯并進(jìn)行復(fù)雜的加工，避免了采樣過程對巖體的擾動以及采樣代表性不足的問題。而且，數(shù)字鉆探能夠連續(xù)監(jiān)測鉆進(jìn)過程中的參數(shù)變化，提供巖體沿鉆孔深度方向的力學(xué)性質(zhì)變化信息，這是傳統(tǒng)點(diǎn)荷載試驗(yàn)和室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)難以做到的。數(shù)字鉆探技術(shù)的實(shí)時性強(qiáng)，能夠在鉆進(jìn)過程中快速給出巖體強(qiáng)度的預(yù)測結(jié)果，為工程決策提供及時的依據(jù)。在一些對施工進(jìn)度要求較高的工程中，數(shù)字鉆探技術(shù)的這一優(yōu)勢能夠極大地提高工程效率。2.3案例分析2.3.1某工程案例應(yīng)用以某大型水利工程的引水隧道建設(shè)項(xiàng)目為例，該隧道全長5.6公里，穿越多種復(fù)雜地質(zhì)條件，包括花崗巖、砂巖、頁巖等不同類型的巖體。在隧道施工前期的地質(zhì)勘察階段，采用數(shù)字鉆探技術(shù)對隧道沿線的巖體強(qiáng)度進(jìn)行測試。使用的數(shù)字鉆探設(shè)備配備了高精度的鉆壓傳感器、扭矩傳感器、位移傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，能夠?qū)崟r采集鉆進(jìn)過程中的各項(xiàng)參數(shù)。在鉆探過程中，當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)花崗巖區(qū)域時，監(jiān)測到鉆進(jìn)壓力迅速上升，最高達(dá)到了50MPa，扭矩也維持在較高水平，約為3000N?m。通過對這些參數(shù)的實(shí)時分析，結(jié)合前期建立的數(shù)字鉆探參數(shù)與巖體強(qiáng)度的關(guān)系模型，初步判斷該區(qū)域花崗巖的單軸抗壓強(qiáng)度較高，預(yù)計(jì)達(dá)到120MPa以上。而在鉆進(jìn)頁巖區(qū)域時，鉆進(jìn)壓力和扭矩明顯降低，分別穩(wěn)定在15MPa和1000N?m左右，據(jù)此推測該區(qū)域頁巖的單軸抗壓強(qiáng)度相對較低，約為30MPa。根據(jù)數(shù)字鉆探技術(shù)獲取的巖體強(qiáng)度信息，工程團(tuán)隊(duì)在隧道設(shè)計(jì)階段，針對不同強(qiáng)度的巖體采取了差異化的支護(hù)方案。對于花崗巖區(qū)域，由于巖體強(qiáng)度較高，采用了較為常規(guī)的初期支護(hù)措施，如噴射混凝土厚度為15cm，錨桿長度為3m，間距為1.2m×1.2m。而對于頁巖區(qū)域，考慮到其強(qiáng)度較低，增加了支護(hù)的強(qiáng)度和密度，噴射混凝土厚度提高到20cm，錨桿長度延長至4m，間距縮小為1.0m×1.0m，并增設(shè)了鋼支撐。在隧道施工過程中，數(shù)字鉆探技術(shù)繼續(xù)發(fā)揮作用。當(dāng)遇到地質(zhì)條件變化時，通過實(shí)時監(jiān)測鉆進(jìn)參數(shù)，及時調(diào)整施工方案。在某一施工段，原本預(yù)計(jì)為砂巖的區(qū)域，鉆進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)壓力和扭矩異常，經(jīng)過分析判斷，該區(qū)域可能存在破碎帶或軟弱夾層。施工團(tuán)隊(duì)立即暫停施工，采取超前地質(zhì)預(yù)報措施進(jìn)行進(jìn)一步探測，證實(shí)了這一判斷。隨后，根據(jù)探測結(jié)果，調(diào)整了施工工藝，采用了小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)的方法，確保了施工的安全和順利進(jìn)行。2.3.2數(shù)據(jù)對比與驗(yàn)證為了驗(yàn)證數(shù)字鉆探方法在巖體強(qiáng)度測試中的準(zhǔn)確性和可靠性，將數(shù)字鉆探測試結(jié)果與傳統(tǒng)方法測試結(jié)果進(jìn)行對比。在該工程案例中，選取了10個典型測試點(diǎn)，分別采用數(shù)字鉆探技術(shù)和傳統(tǒng)的室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)、點(diǎn)荷載試驗(yàn)進(jìn)行巖體強(qiáng)度測試。在室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)中，從鉆探獲取的巖芯中加工出標(biāo)準(zhǔn)尺寸的巖石試件，在實(shí)驗(yàn)室壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行無側(cè)限軸向加載，直至試件破壞，測定其單軸抗壓強(qiáng)度。點(diǎn)荷載試驗(yàn)則是將不規(guī)則的巖塊或巖芯置于點(diǎn)荷載試驗(yàn)儀的兩個球狀加荷錐頭之間，施加荷載直至壓裂試樣，根據(jù)破壞荷載和相關(guān)尺寸計(jì)算出巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度，并據(jù)此估算單軸抗壓強(qiáng)度。對比結(jié)果顯示，數(shù)字鉆探技術(shù)預(yù)測的巖體單軸抗壓強(qiáng)度與室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)測定值的平均相對誤差為8.5%。在某測試點(diǎn)，數(shù)字鉆探預(yù)測的砂巖單軸抗壓強(qiáng)度為65MPa，室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)測定值為60MPa，相對誤差為8.3%。與點(diǎn)荷載試驗(yàn)估算值相比，平均相對誤差為10.2%。在另一測試點(diǎn)，數(shù)字鉆探預(yù)測的花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度為130MPa，點(diǎn)荷載試驗(yàn)估算值為115MPa，相對誤差為13.0%。通過對多組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)字鉆探技術(shù)在巖體強(qiáng)度測試方面與傳統(tǒng)方法具有較好的一致性，且在實(shí)時性、原位測試等方面具有明顯優(yōu)勢。雖然存在一定的誤差，但這些誤差在工程可接受范圍內(nèi)，能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)和施工提供可靠的依據(jù)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，數(shù)字鉆探技術(shù)能夠快速、連續(xù)地獲取巖體強(qiáng)度信息，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法測試周期長、采樣代表性不足的缺點(diǎn)，為保障工程的安全和順利進(jìn)行發(fā)揮了重要作用。三、巖爆弱化機(jī)制研究3.1巖爆形成的基本理論巖爆是一種在地下工程中，尤其是深埋隧道、礦山開采等作業(yè)中較為常見且危害嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。國際巖石力學(xué)學(xué)會將巖爆定義為：在巖體中，由于開挖或其他因素導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，使得巖體中積聚的彈性應(yīng)變能突然釋放，從而引起巖石爆裂、彈射等現(xiàn)象的動力失穩(wěn)過程。國內(nèi)學(xué)者也普遍認(rèn)同這一定義，并強(qiáng)調(diào)巖爆是巖體在高地應(yīng)力環(huán)境下，由靜態(tài)平衡狀態(tài)向動態(tài)失穩(wěn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的結(jié)果。根據(jù)巖爆的表現(xiàn)形式和破壞特征，可將其分為不同的類型。常見的分類方式有以下幾種：按巖爆的強(qiáng)度可分為輕微巖爆、中等巖爆和強(qiáng)烈?guī)r爆。輕微巖爆表現(xiàn)為巖石表面剝落、掉塊，對工程的影響較?。恢械葞r爆則會出現(xiàn)巖石彈射、小塊崩落，可能對施工設(shè)備造成一定損壞；強(qiáng)烈?guī)r爆會導(dǎo)致大量巖石崩落、洞壁嚴(yán)重破壞，甚至可能引發(fā)隧道坍塌等重大事故。按巖爆的發(fā)生位置可分為掌子面巖爆和洞壁巖爆。掌子面巖爆多發(fā)生在隧道掘進(jìn)的掌子面附近，與開挖過程直接相關(guān)；洞壁巖爆則發(fā)生在已開挖的洞壁部位，通常是由于圍巖應(yīng)力的長期調(diào)整或外部因素的觸發(fā)而產(chǎn)生。巖爆的形成是一個復(fù)雜的力學(xué)過程，涉及到巖體的應(yīng)力狀態(tài)、力學(xué)性質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換等多個方面。從力學(xué)機(jī)制來看，巖爆的發(fā)生與巖體的應(yīng)力集中密切相關(guān)。在地下工程開挖前，巖體處于原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)行隧道、礦山開采等工程活動時，開挖作業(yè)破壞了巖體原有的應(yīng)力平衡，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布。在開挖區(qū)域周圍，巖體的應(yīng)力會顯著增加，形成應(yīng)力集中區(qū)。以圓形隧道為例，根據(jù)彈性力學(xué)理論，在隧道周邊，切向應(yīng)力會增大到原始地應(yīng)力的3倍左右。當(dāng)應(yīng)力集中超過巖體的強(qiáng)度極限時，巖體就會發(fā)生破壞。在某深埋隧道施工中，由于地應(yīng)力較高，隧道開挖后，洞壁巖體的應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到了3.5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了巖體的抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致了強(qiáng)烈?guī)r爆的發(fā)生。能量機(jī)制也是巖爆形成的重要理論基礎(chǔ)。巖爆的發(fā)生過程實(shí)際上是巖體中能量積聚和釋放的過程。在高地應(yīng)力環(huán)境下，巖體發(fā)生彈性變形，儲存了大量的彈性應(yīng)變能。隨著工程開挖的進(jìn)行，巖體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，當(dāng)彈性應(yīng)變能的積聚超過了巖體自身的能量消耗能力時，多余的能量就會以突然釋放的方式導(dǎo)致巖體的破壞，形成巖爆。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，通過對巖石試件進(jìn)行加載，使其儲存彈性應(yīng)變能，當(dāng)加載到一定程度后，突然卸載，巖石試件會發(fā)生爆裂，釋放出大量能量，這與巖爆的能量機(jī)制相似。巖爆的形成還受到巖體結(jié)構(gòu)的影響。巖體中的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面會降低巖體的整體性和強(qiáng)度，使得巖體在應(yīng)力作用下更容易發(fā)生破壞和能量釋放。當(dāng)巖體中存在大量的節(jié)理、裂隙時，應(yīng)力會在這些結(jié)構(gòu)面處集中，加速巖體的破壞過程。在某礦山開采中，由于巖體中節(jié)理發(fā)育，在開采過程中，節(jié)理面附近的巖體首先發(fā)生破壞，進(jìn)而引發(fā)了巖爆。3.2巖爆弱化的影響因素巖爆弱化的過程受到多種因素的綜合影響，這些因素相互作用，共同決定了巖爆的發(fā)生與否以及弱化的效果。以下將從巖石特性、地應(yīng)力和工程因素三個主要方面進(jìn)行詳細(xì)分析。巖石特性是影響巖爆弱化的內(nèi)在因素，包括巖石的強(qiáng)度、脆性、彈性模量等多個方面。巖石強(qiáng)度對巖爆弱化有著關(guān)鍵作用。一般來說，高強(qiáng)度的巖石能夠承受較大的應(yīng)力，在應(yīng)力集中時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，不易發(fā)生破裂和變形。在某深埋隧道工程中，花崗巖段由于其較高的強(qiáng)度，在相同的地應(yīng)力條件下，相較于周邊的頁巖，更不容易發(fā)生巖爆。當(dāng)巖石強(qiáng)度降低時，其抵抗應(yīng)力的能力減弱，更容易在應(yīng)力作用下發(fā)生破壞，從而促進(jìn)巖爆的發(fā)生。如果巖石受到風(fēng)化、侵蝕等作用，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，強(qiáng)度降低，就會增加巖爆的風(fēng)險。巖石的脆性和彈性模量也與巖爆弱化密切相關(guān)。脆性巖石在受力時，一旦達(dá)到其強(qiáng)度極限，就會迅速發(fā)生破裂，釋放出大量的能量，容易引發(fā)巖爆。而彈性模量則反映了巖石在受力時的變形特性，彈性模量較高的巖石，在應(yīng)力作用下儲存的彈性應(yīng)變能較多，當(dāng)能量超過巖石的破壞能量時，就會發(fā)生巖爆。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，通過對不同脆性和彈性模量的巖石試件進(jìn)行加載，發(fā)現(xiàn)脆性大、彈性模量大的巖石試件更容易發(fā)生類似巖爆的破壞現(xiàn)象。地應(yīng)力是巖爆發(fā)生的重要外在因素，其大小、方向和分布對巖爆弱化有著顯著影響。地應(yīng)力的大小直接決定了巖體中儲存的彈性應(yīng)變能的多少。當(dāng)巖體中的最大主應(yīng)力達(dá)到一定程度，超過巖石的強(qiáng)度時，就會引發(fā)巖爆。在某礦山開采中，隨著開采深度的增加，地應(yīng)力逐漸增大，巖爆的發(fā)生頻率和強(qiáng)度也隨之增加。地應(yīng)力的方向也會影響巖爆的發(fā)生。當(dāng)隧道軸線與最大主應(yīng)力方向夾角較小時，隧道周邊的應(yīng)力集中程度較高，容易發(fā)生巖爆。在某隧道施工中，通過監(jiān)測地應(yīng)力方向，發(fā)現(xiàn)當(dāng)隧道掘進(jìn)方向與最大主應(yīng)力方向平行時，巖爆的發(fā)生概率明顯增加。地應(yīng)力的分布不均勻也會導(dǎo)致巖爆的發(fā)生。在巖體中存在斷層、節(jié)理等地質(zhì)構(gòu)造時，地應(yīng)力會在這些部位集中，形成局部的高地應(yīng)力區(qū)，增加巖爆的風(fēng)險。在某工程中，由于巖體中存在一條斷層，斷層附近的地應(yīng)力集中，在開挖過程中發(fā)生了強(qiáng)烈的巖爆。工程因素在巖爆弱化過程中也起著重要作用，包括開挖方式、支護(hù)措施等。不同的開挖方式對巖體的擾動程度不同，從而影響巖爆的發(fā)生。采用鉆爆法開挖時，爆破產(chǎn)生的震動和應(yīng)力波會對巖體造成較大的擾動，容易引發(fā)巖爆。而采用TBM（隧道掘進(jìn)機(jī)）開挖時，對巖體的擾動相對較小，巖爆的發(fā)生概率也會降低。在某隧道工程中，鉆爆法施工段的巖爆發(fā)生次數(shù)明顯多于TBM施工段。支護(hù)措施的及時和有效性對巖爆弱化至關(guān)重要。及時的支護(hù)可以限制巖體的變形，阻止巖爆的發(fā)生。采用錨桿、錨索等支護(hù)方式，可以增強(qiáng)巖體的整體性和穩(wěn)定性，提高巖體的承載能力，從而降低巖爆的風(fēng)險。在某地下洞室工程中，通過及時安裝錨桿和錨索，有效地控制了巖體的變形，避免了巖爆的發(fā)生。3.3現(xiàn)有巖爆弱化技術(shù)手段目前，針對巖爆問題，工程界已經(jīng)發(fā)展出多種有效的弱化技術(shù)手段，這些技術(shù)手段在不同的工程場景中發(fā)揮著重要作用，下面將對注水、預(yù)裂爆破、鉆孔、切縫等常見的巖爆弱化技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。注水是一種通過改變巖石物理力學(xué)性質(zhì)來弱化巖爆的方法。其作用原理主要基于水對巖石的物理和化學(xué)作用。從物理角度來看，水的注入可以增加巖石的孔隙壓力，使巖石內(nèi)部的有效應(yīng)力降低。在某隧道工程中，通過向可能發(fā)生巖爆的巖體中注水，使得巖體的孔隙壓力升高，有效應(yīng)力降低了約30%，從而減小了巖體的脆性和儲存能量的能力。水還能降低巖石的彈性模量，使巖石在受力時更容易發(fā)生變形，從而減少彈性應(yīng)變能的積聚。從化學(xué)角度而言，水與巖石中的某些礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如溶解某些易溶礦物，改變巖石的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低巖石的強(qiáng)度。在富含石膏的巖體中，水會溶解石膏，導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度降低。注水技術(shù)適用于脆性較大、孔隙度適中的巖體。對于孔隙度太小的巖體，水難以注入；而孔隙度太大的巖體，注水后可能導(dǎo)致巖體過度軟化，影響工程穩(wěn)定性。預(yù)裂爆破是一種在主爆破之前，預(yù)先在設(shè)計(jì)輪廓線上鉆鑿一排較密集的炮孔，裝填適量的炸藥，采用不耦合裝藥或間隔裝藥方式，在主爆破之前先行起爆，從而在巖體中形成一條具有一定寬度的貫穿裂縫的爆破技術(shù)。該技術(shù)在某大型露天礦的開采中得到應(yīng)用，通過在邊坡巖體中進(jìn)行預(yù)裂爆破，有效地控制了爆破對邊坡巖體的擾動，減少了巖爆的發(fā)生。其作用原理在于，預(yù)裂爆破形成的裂縫能夠改變巖體中的應(yīng)力分布，使應(yīng)力集中區(qū)域向深部巖體轉(zhuǎn)移。在隧道開挖中，預(yù)裂爆破形成的裂縫可以使隧道周邊的應(yīng)力集中程度降低，從而減少巖爆的發(fā)生概率。裂縫還能起到釋放能量的作用，將巖體中積聚的彈性應(yīng)變能部分釋放，降低巖爆的強(qiáng)度。預(yù)裂爆破適用于各種硬度的巖體，但在堅(jiān)硬巖體中效果更為顯著。在軟巖中，由于軟巖的塑性變形較大，預(yù)裂爆破形成的裂縫可能會在短時間內(nèi)閉合，影響其弱化巖爆的效果。鉆孔是一種通過在巖體中鉆孔來釋放能量、弱化巖爆的技術(shù)。在某礦山開采中，通過在巖體內(nèi)布置大量的鉆孔，有效地降低了巖爆的發(fā)生頻率和強(qiáng)度。其作用原理是，鉆孔破壞了巖體的完整性，增加了巖體的自由面，使得巖體在受力時更容易發(fā)生變形和破裂，從而釋放彈性應(yīng)變能。當(dāng)巖體受到應(yīng)力作用時，鉆孔周圍的巖體首先發(fā)生破壞，能量得以釋放，避免了能量在巖體中過度積聚引發(fā)巖爆。鉆孔還能改變巖體的應(yīng)力分布，使應(yīng)力集中區(qū)域分散，降低巖爆的風(fēng)險。鉆孔技術(shù)適用于各種巖體，但在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)巖體的特性、地應(yīng)力大小和分布等因素，合理確定鉆孔的間距、深度和直徑等參數(shù)。對于高地應(yīng)力巖體，鉆孔間距應(yīng)適當(dāng)減小，以確保能量能夠充分釋放；而對于低地應(yīng)力巖體，鉆孔間距可以適當(dāng)增大。切縫是在巖體中切割出一定深度和寬度的縫隙，以改變巖體的應(yīng)力狀態(tài)和能量分布，從而達(dá)到弱化巖爆的目的。在某地下洞室工程中，采用切縫技術(shù)后，洞室周邊的巖爆現(xiàn)象得到了有效控制。切縫技術(shù)的作用原理與鉆孔類似，通過切縫破壞巖體的連續(xù)性，形成應(yīng)力釋放通道。切縫能夠引導(dǎo)巖體中的應(yīng)力集中區(qū)域向切縫方向發(fā)展，使能量在切縫處釋放。在隧道施工中，在洞壁上進(jìn)行切縫，可以使洞壁周邊的應(yīng)力集中程度降低，減少巖爆的發(fā)生。切縫技術(shù)適用于巖體完整性較好、強(qiáng)度較高的情況。在破碎巖體中，由于巖體本身已經(jīng)存在較多的裂縫和缺陷，切縫的效果可能不明顯。3.4案例研究3.4.1典型巖爆案例分析以某在建的特長鐵路隧道工程為例，該隧道全長12.5公里，最大埋深達(dá)到800米，穿越了復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，包括多條斷層和褶皺帶。在隧道施工過程中，巖爆問題頻繁出現(xiàn)，給工程進(jìn)度和施工安全帶來了極大的挑戰(zhàn)。該隧道巖爆發(fā)生的主要原因可以從地質(zhì)條件和工程施工兩個方面進(jìn)行分析。從地質(zhì)條件來看，該區(qū)域地應(yīng)力較高，最大主應(yīng)力達(dá)到了35MPa，且?guī)r石以堅(jiān)硬的花崗巖和石英砂巖為主，巖石的脆性指數(shù)高達(dá)0.8，彈性模量為45GPa，具備了巖爆發(fā)生的地質(zhì)條件。在隧道穿越斷層和褶皺帶時，巖體的完整性遭到破壞，應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯。某斷層附近的巖體，由于受到構(gòu)造應(yīng)力的作用，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到了4.0，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了巖體的強(qiáng)度承受范圍。從工程施工方面分析，采用的鉆爆法施工對巖體的擾動較大。爆破產(chǎn)生的震動和應(yīng)力波，進(jìn)一步加劇了巖體內(nèi)部的應(yīng)力集中。在一次爆破后，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，爆破區(qū)域周邊巖體的應(yīng)力瞬間增加了10MPa以上，導(dǎo)致巖體迅速發(fā)生破壞，引發(fā)了巖爆。施工過程中的開挖方式和支護(hù)措施也對巖爆的發(fā)生產(chǎn)生了影響。隧道采用臺階法開挖，上臺階開挖后，由于下臺階未及時跟進(jìn)，導(dǎo)致上臺階周邊巖體長時間處于懸空狀態(tài)，應(yīng)力得不到有效釋放，增加了巖爆的發(fā)生風(fēng)險。初期支護(hù)的及時性和強(qiáng)度不足，也無法有效約束巖體的變形，使得巖爆一旦發(fā)生，破壞程度加劇。巖爆發(fā)生的過程具有明顯的階段性特征。在巖爆發(fā)生前，施工人員通常會聽到巖體內(nèi)部傳來的輕微聲響，這是由于巖體內(nèi)部微裂紋開始擴(kuò)展和貫通所產(chǎn)生的。隨著開挖的繼續(xù)進(jìn)行，巖體的變形逐漸增大，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到巖體的極限強(qiáng)度時，巖爆突然發(fā)生。巖石碎片從洞壁彈射而出，形成大小不一的塊狀或片狀，最大的巖塊直徑可達(dá)1米。巖爆發(fā)生時，會伴隨著強(qiáng)烈的聲響和震動，震動持續(xù)時間可達(dá)數(shù)秒至數(shù)十秒不等。在某段隧道施工中，巖爆發(fā)生時的震動峰值加速度達(dá)到了0.5g，對施工設(shè)備和人員安全造成了嚴(yán)重威脅。巖爆發(fā)生后，洞壁巖體出現(xiàn)明顯的破裂和剝落，形成深度可達(dá)1米以上的爆坑。爆坑周圍的巖體結(jié)構(gòu)被破壞，穩(wěn)定性降低，容易引發(fā)二次巖爆。3.4.2弱化措施效果評估針對該隧道工程出現(xiàn)的巖爆問題，采取了一系列弱化措施，包括注水、預(yù)裂爆破、鉆孔等，并對這些措施的效果進(jìn)行了評估。注水措施是在隧道開挖前，通過鉆孔向巖體中注入一定量的水，以改變巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，降低巖石的脆性和儲存能量的能力。在注水試驗(yàn)段，選取了50米長的隧道，按照一定的間距布置注水孔，注水壓力控制在5MPa，注水時間為7天。注水后，通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，巖石的彈性模量降低了15%，脆性指數(shù)下降了0.2。在后續(xù)的開挖過程中，該試驗(yàn)段的巖爆發(fā)生次數(shù)明顯減少，與未注水段相比，巖爆發(fā)生次數(shù)降低了40%。但注水措施也存在一些局限性，如注水效果受到巖體孔隙度和滲透率的影響較大。在巖體孔隙度較小的區(qū)域，注水難以滲透到巖體內(nèi)部，效果不佳。預(yù)裂爆破是在隧道開挖輪廓線上預(yù)先鉆鑿一排炮孔，裝填適量炸藥，先行起爆，形成一條具有一定寬度的貫穿裂縫，以改變巖體中的應(yīng)力分布，釋放部分能量。在預(yù)裂爆破試驗(yàn)段，根據(jù)巖體的特性和地應(yīng)力大小，合理設(shè)計(jì)了炮孔間距、深度和裝藥量。炮孔間距為0.5米，深度為3米，裝藥量為每孔0.5千克。爆破后，通過現(xiàn)場觀測和聲波測試，預(yù)裂爆破形成的裂縫寬度達(dá)到了2厘米，長度超過了炮孔深度的90%。在該試驗(yàn)段的開挖過程中，巖爆的強(qiáng)度明顯降低，巖塊彈射的距離縮短了50%以上。不過，預(yù)裂爆破對施工技術(shù)要求較高，若爆破參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，可能無法達(dá)到預(yù)期的弱化效果。鉆孔措施是在隧道周邊巖體中布置一定數(shù)量的鉆孔，以破壞巖體的完整性，增加自由面，釋放彈性應(yīng)變能。在鉆孔試驗(yàn)段，按照1米×1米的間距布置鉆孔，鉆孔直徑為50毫米，深度為5米。通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，鉆孔后巖體的應(yīng)力集中程度明顯降低，最大主應(yīng)力降低了20%。該試驗(yàn)段的巖爆發(fā)生頻率和強(qiáng)度均有所下降，與未鉆孔段相比，巖爆發(fā)生頻率降低了30%。但鉆孔措施需要耗費(fèi)一定的時間和成本，且鉆孔的布置參數(shù)需要根據(jù)具體的地質(zhì)條件進(jìn)行優(yōu)化。通過對該隧道工程巖爆案例的分析以及弱化措施效果的評估，可以得出以下經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。在工程建設(shè)前，應(yīng)充分進(jìn)行地質(zhì)勘察，準(zhǔn)確掌握地應(yīng)力大小、方向和分布情況，以及巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，為巖爆的預(yù)測和防治提供科學(xué)依據(jù)。在施工過程中，應(yīng)合理選擇開挖方式和支護(hù)措施，盡量減少對巖體的擾動，及時對巖體進(jìn)行支護(hù)，提高巖體的穩(wěn)定性。對于巖爆弱化措施，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，綜合運(yùn)用多種方法，并對措施的效果進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和評估，及時調(diào)整參數(shù)，以達(dá)到最佳的弱化效果。四、數(shù)字鉆探與巖爆弱化的關(guān)聯(lián)研究4.1數(shù)字鉆探在巖爆預(yù)測中的應(yīng)用在地下工程領(lǐng)域，巖爆的發(fā)生往往具有突發(fā)性和破壞性，嚴(yán)重威脅工程的安全與進(jìn)度。數(shù)字鉆探技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，為巖爆預(yù)測提供了新的有效手段。通過對鉆進(jìn)過程中獲取的巖體強(qiáng)度等信息進(jìn)行深入分析，能夠預(yù)測巖爆發(fā)生的可能性和強(qiáng)度，為工程決策提供重要依據(jù)。數(shù)字鉆探在巖爆預(yù)測中的核心原理在于，鉆進(jìn)過程中的各種參數(shù)與巖體的力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，而巖體的力學(xué)性質(zhì)又直接影響巖爆的發(fā)生。鉆進(jìn)壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速和鉆進(jìn)速率等參數(shù)，能夠反映出巖體的硬度、強(qiáng)度、完整性以及應(yīng)力狀態(tài)等信息。當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)高強(qiáng)度、高硬度的巖體時，需要更大的鉆進(jìn)壓力和扭矩，同時鉆進(jìn)速率會相對較慢。在某深埋隧道工程中，當(dāng)數(shù)字鉆探設(shè)備鉆進(jìn)花崗巖區(qū)域時，監(jiān)測到鉆進(jìn)壓力迅速上升至60MPa，扭矩達(dá)到3500N?m，鉆進(jìn)速率明顯降低，這些參數(shù)變化表明該區(qū)域巖體強(qiáng)度較高，可能存在較大的巖爆風(fēng)險?；跀?shù)字鉆探獲取的這些參數(shù)，結(jié)合巖石力學(xué)理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以建立起巖爆預(yù)測的指標(biāo)體系。其中，巖體強(qiáng)度是一個關(guān)鍵指標(biāo)。通過數(shù)字鉆探參數(shù)與巖體強(qiáng)度之間的定量關(guān)系模型，可以準(zhǔn)確計(jì)算出巖體的單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)。根據(jù)大量的工程實(shí)踐和研究，當(dāng)巖體的單軸抗壓強(qiáng)度與地應(yīng)力的比值超過一定閾值時，巖爆發(fā)生的可能性顯著增加。在某礦山開采工程中，通過數(shù)字鉆探技術(shù)計(jì)算出某區(qū)域巖體的單軸抗壓強(qiáng)度為150MPa，地應(yīng)力為40MPa，兩者比值為3.75，超過了經(jīng)驗(yàn)閾值3.5，經(jīng)后續(xù)實(shí)際監(jiān)測，該區(qū)域確實(shí)發(fā)生了巖爆現(xiàn)象。除了巖體強(qiáng)度，巖石的脆性也是巖爆預(yù)測的重要參考因素。脆性巖石在受力時更容易發(fā)生突然的破裂和彈射，引發(fā)巖爆。數(shù)字鉆探參數(shù)中的扭矩波動情況可以在一定程度上反映巖石的脆性。當(dāng)扭矩出現(xiàn)劇烈波動時，說明巖石在破碎過程中呈現(xiàn)出脆性特征。在某地下洞室工程中，數(shù)字鉆探過程中發(fā)現(xiàn)扭矩頻繁出現(xiàn)大幅度波動，表明該區(qū)域巖石脆性較大，巖爆風(fēng)險較高。為了更準(zhǔn)確地預(yù)測巖爆，還可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對數(shù)字鉆探獲取的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘。支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠自動學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)中的復(fù)雜模式和規(guī)律，建立高精度的巖爆預(yù)測模型。通過對多個工程案例的數(shù)字鉆探數(shù)據(jù)、巖體力學(xué)參數(shù)以及巖爆發(fā)生情況進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，這些模型可以對新的工程區(qū)域進(jìn)行巖爆風(fēng)險評估和預(yù)測。在某新建隧道工程中，運(yùn)用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的巖爆預(yù)測模型，對數(shù)字鉆探數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，成功預(yù)測出了可能發(fā)生巖爆的區(qū)域，準(zhǔn)確率達(dá)到了85%以上。在實(shí)際工程應(yīng)用中，數(shù)字鉆探技術(shù)可以與其他巖爆預(yù)測方法相結(jié)合，形成綜合的預(yù)測體系。與聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，數(shù)字鉆探獲取的巖體力學(xué)信息可以為聲發(fā)射信號的分析提供基礎(chǔ)，更準(zhǔn)確地判斷巖體內(nèi)部的微破裂情況和巖爆的發(fā)展趨勢。在某大型水利工程的地下廠房建設(shè)中，通過數(shù)字鉆探技術(shù)和聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，提前準(zhǔn)確地預(yù)測了巖爆的發(fā)生，并及時采取了相應(yīng)的防治措施，保障了工程的安全施工。4.2基于數(shù)字鉆探結(jié)果的巖爆弱化策略制定基于數(shù)字鉆探獲取的巖體特性信息，能夠?yàn)閹r爆弱化策略的制定提供精準(zhǔn)依據(jù)，使弱化措施更具針對性和有效性。以下將從優(yōu)化鉆孔參數(shù)、調(diào)整鉆進(jìn)工藝和綜合防治措施三個方面詳細(xì)闡述基于數(shù)字鉆探結(jié)果的巖爆弱化策略。優(yōu)化鉆孔參數(shù)是巖爆弱化的重要策略之一。根據(jù)數(shù)字鉆探得到的巖體強(qiáng)度和應(yīng)力分布信息，合理調(diào)整鉆孔間距、深度和直徑等參數(shù)，對于有效釋放巖體能量、降低巖爆風(fēng)險至關(guān)重要。當(dāng)數(shù)字鉆探顯示某區(qū)域巖體強(qiáng)度較高、應(yīng)力集中明顯時，應(yīng)適當(dāng)減小鉆孔間距。在某深埋隧道工程中，通過數(shù)字鉆探發(fā)現(xiàn)一段花崗巖區(qū)域的巖體單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到150MPa，地應(yīng)力集中系數(shù)為3.5。根據(jù)這些信息，將該區(qū)域的鉆孔間距從常規(guī)的1.5米減小至1.0米，以增強(qiáng)能量釋放效果。這樣可以使鉆孔之間的巖體更容易發(fā)生破裂和變形，促進(jìn)彈性應(yīng)變能的釋放，從而降低巖爆發(fā)生的可能性。增大鉆孔深度也是一種有效的應(yīng)對措施。在高地應(yīng)力區(qū)域，較大的鉆孔深度能夠使能量釋放通道延伸至更深的巖體內(nèi)部，避免能量在淺部巖體過度積聚。在某礦山開采工程中，針對地應(yīng)力較高的區(qū)域，將鉆孔深度從原來的5米增加到8米，使得深部巖體中的應(yīng)力得到有效釋放，減少了巖爆的發(fā)生。鉆孔直徑的調(diào)整也不容忽視。對于堅(jiān)硬、脆性較大的巖體，適當(dāng)增大鉆孔直徑可以增加巖體的自由面，促進(jìn)巖體的破壞和能量釋放。在某地下洞室工程中，對于脆性指數(shù)高達(dá)0.8的石英砂巖巖體，將鉆孔直徑從50毫米增大到80毫米，有效地降低了巖爆的強(qiáng)度。調(diào)整鉆進(jìn)工藝也是基于數(shù)字鉆探結(jié)果制定巖爆弱化策略的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)數(shù)字鉆探表明巖體存在較高的巖爆風(fēng)險時，合理控制鉆進(jìn)速度和壓力，采用適當(dāng)?shù)你@進(jìn)方式，可以減少對巖體的擾動，降低巖爆發(fā)生的概率。在鉆進(jìn)過程中，若數(shù)字鉆探監(jiān)測到巖體的應(yīng)力狀態(tài)變化異常，應(yīng)降低鉆進(jìn)速度。在某隧道施工中，當(dāng)數(shù)字鉆探發(fā)現(xiàn)前方巖體的應(yīng)力集中迅速增加時，將鉆進(jìn)速度從每分鐘0.5米降低到每分鐘0.2米，避免了因快速鉆進(jìn)導(dǎo)致的應(yīng)力突然釋放引發(fā)巖爆。控制鉆進(jìn)壓力也非常重要。通過數(shù)字鉆探實(shí)時監(jiān)測巖體的強(qiáng)度和應(yīng)力情況，合理調(diào)整鉆進(jìn)壓力，避免過大的壓力導(dǎo)致巖體瞬間破壞。在某工程中，根據(jù)數(shù)字鉆探數(shù)據(jù)，將鉆進(jìn)壓力控制在巖體強(qiáng)度的70%左右，有效地減少了對巖體的沖擊，降低了巖爆的風(fēng)險。采用合適的鉆進(jìn)方式，如采用TBM（隧道掘進(jìn)機(jī)）代替鉆爆法，也能顯著降低巖爆的發(fā)生概率。TBM掘進(jìn)對巖體的擾動較小，能夠保持巖體的相對完整性，減少能量的突然釋放。在某大型引水隧道工程中，采用TBM施工的區(qū)域，巖爆發(fā)生次數(shù)比鉆爆法施工區(qū)域減少了60%。基于數(shù)字鉆探結(jié)果，還應(yīng)制定綜合防治措施，以全面降低巖爆風(fēng)險。結(jié)合數(shù)字鉆探預(yù)測的巖爆可能性和強(qiáng)度，綜合運(yùn)用注水、預(yù)裂爆破等多種巖爆弱化技術(shù)。對于預(yù)測可能發(fā)生中等強(qiáng)度巖爆的區(qū)域，在采用鉆孔卸壓的同時，結(jié)合注水措施。在某工程中，通過數(shù)字鉆探預(yù)測到一段砂巖區(qū)域可能發(fā)生中等強(qiáng)度巖爆，于是在該區(qū)域按照1米×1米的間距布置鉆孔進(jìn)行卸壓，同時通過鉆孔向巖體中注入適量的水，降低巖石的脆性和儲存能量的能力。注水后，巖石的彈性模量降低了15%，脆性指數(shù)下降了0.2，有效降低了巖爆的發(fā)生強(qiáng)度。在預(yù)測可能發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆的區(qū)域，采用預(yù)裂爆破和鉆孔卸壓相結(jié)合的方式。在某地下洞室工程中，針對數(shù)字鉆探預(yù)測的強(qiáng)烈?guī)r爆區(qū)域，首先進(jìn)行預(yù)裂爆破，在洞室周邊形成一條具有一定寬度的貫穿裂縫，改變巖體中的應(yīng)力分布。然后，在預(yù)裂爆破的基礎(chǔ)上，布置鉆孔進(jìn)一步釋放能量。通過這種綜合防治措施，該區(qū)域的巖爆得到了有效控制。4.3案例驗(yàn)證4.3.1某工程實(shí)例以某深埋地鐵隧道工程為例，該隧道穿越復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域，埋深達(dá)到200米，部分地段圍巖為高強(qiáng)度的花崗巖和石英砂巖，地應(yīng)力較高，最大主應(yīng)力達(dá)到30MPa。在施工前期，采用數(shù)字鉆探技術(shù)對隧道沿線巖體進(jìn)行勘察。數(shù)字鉆探設(shè)備配備了先進(jìn)的傳感器系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集鉆進(jìn)壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速和鉆進(jìn)速率等參數(shù)。在鉆進(jìn)過程中，當(dāng)鉆頭進(jìn)入花崗巖區(qū)域時，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示鉆進(jìn)壓力迅速攀升至55MPa，扭矩達(dá)到3200N?m，鉆進(jìn)速率明顯下降，穩(wěn)定在每分鐘0.3米左右。基于前期建立的數(shù)字鉆探參數(shù)與巖體強(qiáng)度關(guān)系模型，計(jì)算得出該區(qū)域花崗巖的單軸抗壓強(qiáng)度預(yù)計(jì)達(dá)到130MPa，巖石脆性指數(shù)為0.75。結(jié)合地應(yīng)力數(shù)據(jù)，通過巖爆預(yù)測模型分析，該區(qū)域巖爆發(fā)生的可能性較高，風(fēng)險等級為中高風(fēng)險。根據(jù)數(shù)字鉆探的預(yù)測結(jié)果，工程團(tuán)隊(duì)制定了針對性的巖爆弱化策略。在鉆孔參數(shù)優(yōu)化方面，將該區(qū)域的鉆孔間距從常規(guī)的1.2米減小至0.8米，鉆孔深度從4米增加到6米，鉆孔直徑從50毫米增大到70毫米。調(diào)整鉆進(jìn)工藝，采用TBM掘進(jìn)機(jī)代替鉆爆法施工，嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度，將其控制在每分鐘0.1米以內(nèi)，同時根據(jù)巖體強(qiáng)度和應(yīng)力變化實(shí)時調(diào)整掘進(jìn)壓力。在綜合防治措施上，結(jié)合注水和預(yù)裂爆破技術(shù)。在開挖前，通過鉆孔向巖體中注入適量的水，注水壓力控制在6MPa，注水時間為5天，以降低巖石的脆性和儲存能量的能力。在隧道開挖輪廓線上進(jìn)行預(yù)裂爆破，炮孔間距為0.4米，深度為4米，裝藥量為每孔0.4千克。在實(shí)施巖爆弱化策略后，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域巖體的應(yīng)力集中程度明顯降低，最大主應(yīng)力降低至20MPa左右。在后續(xù)的隧道開挖過程中，僅發(fā)生了少量輕微的巖爆現(xiàn)象，表現(xiàn)為巖石表面局部剝落，未對施工安全和進(jìn)度造成明顯影響。與未采取弱化措施的區(qū)域相比，巖爆發(fā)生的頻率降低了70%，強(qiáng)度也大幅減弱。4.3.2經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與啟示從該工程案例可以總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)，為其他類似工程提供借鑒和啟示。數(shù)字鉆探技術(shù)的重要性：數(shù)字鉆探技術(shù)能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地獲取巖體的力學(xué)信息，為巖爆的預(yù)測和防治提供可靠依據(jù)。通過建立數(shù)字鉆探參數(shù)與巖體強(qiáng)度、巖爆風(fēng)險之間的關(guān)系模型，可以提前識別高風(fēng)險區(qū)域，為制定針對性的弱化策略奠定基礎(chǔ)。在其他工程中，應(yīng)充分重視數(shù)字鉆探技術(shù)的應(yīng)用，提高地質(zhì)勘察的精度和效率。巖爆弱化策略的針對性：根據(jù)數(shù)字鉆探的結(jié)果，制定個性化的巖爆弱化策略至關(guān)重要。不同的巖體特性和地應(yīng)力條件需要不同的鉆孔參數(shù)、鉆進(jìn)工藝和綜合防治措施。在實(shí)際工程中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場具體情況，靈活調(diào)整弱化策略，確保其有效性。在高地應(yīng)力、高強(qiáng)度巖體區(qū)域，應(yīng)加大鉆孔密度和深度，采用更有效的能量釋放技術(shù)；而在低地應(yīng)力、相對軟弱的巖體區(qū)域，弱化措施可以適當(dāng)簡化。多種技術(shù)的綜合應(yīng)用：單一的巖爆弱化技術(shù)往往難以達(dá)到理想的效果，綜合運(yùn)用注水、預(yù)裂爆破、鉆孔等多種技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，提高巖爆防治的效果。在工程實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)巖爆風(fēng)險等級和巖體特性，合理選擇和組合弱化技術(shù)。對于高風(fēng)險區(qū)域，可采用注水、預(yù)裂爆破和鉆孔卸壓相結(jié)合的方式；對于低風(fēng)險區(qū)域，可主要采用鉆孔卸壓或預(yù)裂爆破等較為簡單的措施。實(shí)時監(jiān)測與動態(tài)調(diào)整：在工程施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對巖體應(yīng)力狀態(tài)、變形情況和巖爆發(fā)生情況的實(shí)時監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時調(diào)整巖爆弱化策略和施工方案，確保工程安全。在發(fā)現(xiàn)巖體應(yīng)力異常變化或巖爆跡象時，應(yīng)立即采取相應(yīng)的措施，如增加鉆孔數(shù)量、調(diào)整鉆進(jìn)速度等。五、結(jié)論與展望5.1研究成果總結(jié)本研究圍繞基于數(shù)字鉆探的巖體強(qiáng)度測試方法與巖爆弱化機(jī)制展開，取得了一系列具有重要理論和實(shí)踐價值的成果。在基于數(shù)字鉆探的巖體強(qiáng)度測試方法研究方面，深入剖析了數(shù)字鉆探技術(shù)的原理與特點(diǎn)。通過在鉆機(jī)關(guān)鍵部位安裝高精度傳感器，實(shí)現(xiàn)了對鉆進(jìn)壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)速率等隨鉆參數(shù)的實(shí)時、準(zhǔn)確采集。這些參數(shù)與巖體力學(xué)性質(zhì)緊密相關(guān)，為巖體強(qiáng)度測試提供了豐富的信息。對比傳統(tǒng)的點(diǎn)荷載試驗(yàn)和室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)，數(shù)字鉆探技術(shù)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。它實(shí)現(xiàn)了原位測試，避免了采樣擾動和代表性不足的問題；能夠連續(xù)監(jiān)測，提供巖體沿鉆孔深度方向的力學(xué)性質(zhì)變化信息；且實(shí)時性強(qiáng)，可快速給出巖體強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果。基于數(shù)字鉆探技術(shù)，建立了鉆進(jìn)過程參數(shù)與巖石強(qiáng)度的關(guān)系。通過理論分析和大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，明確了鉆進(jìn)壓力、扭矩等參數(shù)與巖體單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角等強(qiáng)度參數(shù)之間的定量關(guān)系，構(gòu)建了巖體強(qiáng)度預(yù)測模型。以某大型水利工程的引水隧道建設(shè)項(xiàng)目為案例，應(yīng)用數(shù)字鉆探技術(shù)進(jìn)行巖體強(qiáng)度測試。在隧道穿越的不同巖體區(qū)域，通過實(shí)時監(jiān)測隨鉆參數(shù)，準(zhǔn)確預(yù)測了巖體強(qiáng)度。將數(shù)字鉆探測試結(jié)果與傳統(tǒng)室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)、點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果對比，平均相對誤差在工程可接受范圍內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)字鉆探方法在