循环扰动和高温作用下砂岩的岩爆倾向性及破坏特征研究

为了揭示循环扰动和高温影响下砂岩的岩爆机制,开展了循环扰动和高温作用下砂岩单轴压缩试验和CT扫描试验,研究了不同条件下砂岩的力学特性、岩爆倾向性及破坏特征,探讨了岩爆倾向性与破坏特征的关系。研究结果表明：循环扰动和高温对砂岩的力学性能及岩爆倾向性影响效果显著;无循环扰动砂岩的单轴抗压强度、弹性模量及岩爆倾向性随温度的升高呈先增加后降低的趋势,200℃为该类砂岩的阈值温度,受循环扰动砂岩的力学特性及岩爆倾向性随温度的上升而降低;而砂岩的力学特性及岩爆倾向性随循环应力幅值增加而下降;随着循环应力幅值和温度的增加,砂岩破坏模式由劈裂破坏向剪切破坏转变,同时砂岩的岩爆倾向性与裂隙三维分形维数呈良好的负相关关系;此外,高温对砂岩的力学性能、岩爆倾向性及破坏程度影响效果强于循环扰动。研究结果可为高温工程岩爆防治提供理论依据和工程参考价值。     

锦屏二级水电站TBM施工中的岩爆问题分析及对策

锦屏二级水电站施工排水洞在施工前的101d内,仅掘进1027m。这期间共发生3次岩爆,直接影响到掘进的进程。按照岩爆发生的时间顺序,依次描述这3次岩爆的危害程度,影响范围。岩爆的发生具有一定的规律性,不仅与高地应力有关,而且与岩体的结构特征、赋水条件等有一定的关系。同时,TBM施工的特点也是加剧岩爆发生的因素之一。最后,通过对岩爆发生规律的分析,提出了相应的对策。     

深埋隧洞即时型岩爆孕育过程的频谱演化特征

岩爆孕育过程中所记录的微震事件波形本身就包含着丰富的前兆信息。基于深埋隧洞微震波的衰减特征,修正了最大有效振幅,将相对有效振幅和最大有效频率作为频谱分析参数。TBM和钻爆法不同开挖方式下诱发的即时型岩爆孕育过程的频谱演化特征基本一致,有如下特征：（1）无岩爆发生时,每日最大释放能量微震事件频谱对应的相对有效振幅的量级为10-6 m/s及以下,而最大有效频率则多大于300 Hz;（2）中等岩爆发生前,相对有效振幅的量级维持在10-5 m/s,最大有效频率则介于200～300 Hz;（3）强烈岩爆发生前,微震事件对应相对有效振幅的量级增长并保持在10-4 m/s,最大有效频率则基本在200 Hz以下;（4）对于一个完整的即时型岩爆孕育过程,当岩爆发生时,相对有效振幅增至最大,同时最大有效频率降至最低。微震信号的频谱演化特征可为即时型岩爆发生时间及等级的预警提供参考和依据。     

时滞型岩爆的切缝法防治机制研究

针对西南地区水电工程中岩爆频发的问题,提出在洞周向围岩内部切缝的方法防治时滞型岩爆。从理论分析、数值模拟和施工工艺3方面探讨了切缝法防治时滞型岩爆机制与方法。切缝为环向应变提供变形空间,降低了围岩表面的环向应力大小。切缝底部及切缝间形成的塑性区,消耗了围岩中的部分弹性应变能。理论分析和数值模拟的结果表明,合理布局切缝的部位、间距及数量可以提高防治的效果,在实际操作中还应根据围岩的特性合理选择和设计切缝的成型方案,如采用破碎孔和聚能预裂爆破等方法,以准确控制切缝尺寸     

深埋隧洞不同开挖方式下即时型岩爆微震信息特征及能量分形研究

基于锦屏二级水电站深埋隧洞钻爆法及隧道掘进机（TBM）开挖过程中大量微震监测数据及不同等级的岩爆案例,对不同开挖方式下即时型岩爆的孕育及发生过程的能量释放展开研究,并运用分形几何原理研究微震能量分布的变化规律,得到以下结论：（1）即时型岩爆的孕育及发生过程中,岩爆区围岩岩体处于破坏加速集聚并不断扩展的过程;（2）钻爆法开挖过程中储存在岩体内的弹性应变能消耗于岩体破裂过程大于TBM开挖,而转化为岩体动能小于TBM开挖;（3）钻爆法开挖微震能量分形维度在即时型岩爆的孕育过程不断增加,岩爆临近前会增加到某个临界值以上;（4）TBM开挖即时型高等级岩爆能量分形维度值大于钻爆法开挖,并且其分形维度值可以反映低等级岩爆伴随发生的特征。     

引汉济渭工程超长深埋隧洞岩爆特征及防治技术研究

引汉济渭工程是陕西省重点引水工程,中间穿越秦岭山脉,隧洞具有复杂的地质构造、超长深埋的工程地质条件。本文以引汉济渭工程秦岭隧洞为依托,收集隧洞现场地质资料、工程资料、试验数据并调研相关文献的基础上,对秦岭隧洞岩爆的发生规律做了系统的统计,对区域内岩爆的特征进行了细致的分析,采用工程类比法、理论分析以及FLAC3D数值模拟的方法对K20+500与K27+740两处,分别对应石英片岩和花岗岩岩性,钻爆法和TBM法两种施工方法,1170m和750m埋深条件,马蹄形断面与圆形断面两种开挖断面条件,进行了分析,得出了在相同岩性条件下：随着埋深增加,岩爆发生的概率和范围将增加;两种工法的应力集中区主要集中在隧洞拱顶和拱底,岩体中的次生微裂隙大致沿隧洞切线方向产生,在切向应力超过微裂隙扩容的应力阀值处。论文提出了针对性的岩爆防治措施和钻爆法施工和TBM法施工参数选取的原则。     

深埋隧洞极强岩爆段隧道掘进机半导洞掘进岩爆风险研究

深埋隧洞TBM（隧道掘进机）全断面掘进时,在局部超高应力集中的完整硬脆性岩体洞段将直面极强岩爆的风险,设备和人员的安全将遭受极大的威胁。在锦屏II水电站3#引水隧洞极强岩爆段实施了“先半导洞+TBM联合掘进”实验,结合微震实时监测信息对TBM半导洞掘进的岩爆风险开展了研究。监测结果表明,（1）TBM半导洞掘进期间,日平均微震事件数、日平均辐射微震能、微震大事件数及实际岩爆发生次数和强度均远远低于TBM全断面掘进;（2）能量指数对数值和累积视体积的时域演化表明,TBM半导洞掘进强烈岩爆发生的风险远低于TBM全断面掘进,现场实际开挖也证明了这一点;（3）半导洞洞段微震事件的空间集结程度、总数、震级大小与能量辐射均远小于全断面洞段。因此,TBM半导洞掘进的岩爆风险远远低于TBM全断面掘进,在具有施工条件的情况下采用先半导洞预处理,然后TBM半断面掘进极强岩爆段,以期控制岩爆风险的方案是可行的。     

爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动机制

岩体裂纹的水力劈裂是岩体开裂渗漏甚至施工涌水的重要影响因素之一,也是岩土工程界的研究热点。从断裂力学角度分析了爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动作用,结果表明,爆破开挖扰动下,岩体含水裂纹的扩展,与爆炸应力波强度及其入射角、地应力的大小与方向、孔隙水压大小、裂纹的倾角及断裂韧度等因素相关;爆炸应力波的作用,相当于增大了岩体裂纹中的孔隙水压力,每1 cm/s的峰值振动速度相当于增大100 kPa的孔隙水压力,爆破振动速度越大,所产生的爆破扰动荷载越大;岩体开挖引起的岩体裂纹近区地应力及其孔隙水压力的变化,对裂纹的失稳与扩展具有较复杂的影响,可改变裂纹的失稳扩展模式。     

中间主应力对隧洞岩爆影响的模型试验研究

为探究隧洞纵轴线方向应力对隧洞岩爆的影响,利用真三轴岩爆试验系统,对含预制圆孔的立方体花岗岩试样进行不同中间主应力条件下的岩爆模型试验,在室内再现了隧洞岩爆过程。试验中采用视频观测系统与声发射系统监测岩爆过程。试验研究结果表明：无宏观破坏、颗粒弹射、岩板劈裂和块片喷射是隧洞岩爆孕育过程主要经历的4个阶段;中间主应力越高,颗粒弹射到块片喷射之间的历时越短,岩板劈裂持续时间越长,块片喷射的持续时间越短且喷射破坏越剧烈;中间主应力越高,在环向第一主应力和纵轴向中间主应力的泊松效应迭加作用下,围岩劈裂破坏越严重,岩爆发生需要的应力水平越高,岩爆发生风险有所降低;但当应力集中水平足够高导致岩爆发生时,岩爆烈度越强。     

岩爆、冲击地压的定义、机制、分类及其定量预测模型

引述了若干国际权威学者关于岩爆的机制和定义的论述,在此基础上,依据岩爆发生的不同机制,将岩爆分为断层滑移或者剪切断裂所导致的断裂滑移型和岩石破坏导致的应变型岩爆,并结合事故案例,分析了应变型和滑移型两类岩爆及冲击地压的发生机制和特点。在机制分析的基础上,介绍了岩（煤）柱应变型岩爆和围岩应变型岩爆以及断裂滑移型岩爆定量预测的研究成果,其中,包括作者利用非欧几何模型研究非协调变形影响后对应变型岩爆进行了定量预测和数值模拟的新研究成果。     

TBM施工隧道仰拱预制块的力学特性研究

针对TBM施工隧道仰拱预制块的特殊结构,采用围岩-结构模式,进行了模拟施工动态的受力影响计算分析。计算结果表明,围岩初始应力场对仰拱受力有明显影响, 随着竖向压力的增大,仰拱中心的内、外侧应力均增大;随着水平压力的增大,仰拱中心内侧应力减小、外侧应力基本不变;减小复合衬砌结构中初期支护厚度以及变刚性接头为柔性接头均会改善仰拱受力。最后,用试验数据验证计算的正确性,其结论可供TBM施工隧道仰拱预制块的优化设计参考。     

深部复合地层TBM开挖扰动模型试验研究

针对全断面隧道掘进机(TBM)开挖过程掌子面岩体软硬交替变化的特点,以兰州水源地建设工程为背景,采用模型试验与数值模拟方法研究了复合地层TBM开挖过程隧洞围岩的动态响应规律。通过开展相似配比试验配制了不同围岩强度比的复合地层岩体相似材料,运用光纤光栅技术全程捕捉了隧洞开挖过程复合地层应变演化规律,并分析了隧洞围岩的宏观破裂形态。模型试验结果表明:TBM推进过程中复合地层应变变化规律体现了掌子面推进的空间效应,软岩部分应变要大于硬岩部分应变,且随着开挖步数的增加两种岩层应变差值越大;隧洞内岩体完全挖除后,围岩宏观破裂形态表明因复合地层岩体物理力学性质的差异,上覆软岩变形破坏较为严重,破裂和变形较为显著,在软、硬岩层交界面出现"变形不协调"现象。选取工程沿线某洞段的地质力学参数,基于破坏接近度(FAI)指标评价了隧洞开挖过程中复合地层围岩的稳定性,数值结果表明:开挖过程软岩中FAI变化较为明显,塑性区和破坏区分布范围更广,而下部硬岩受开挖扰动影响较小,只有拱底小范围岩体进入破坏状态。模型试验和数值结果均说明交替变化的掌子面岩体在开挖过程中其围岩在变形破坏等规律方面存在明显差异,因此,TBM...     

苍岭隧道岩爆特征与影响因素的相关性及防治措施研究

本文在分析总结苍岭隧道岩爆特征的基础上,阐述了岩爆特征与隧道内各影响因素之间的相关性。分析认为,隧道内岩性与应力条件对岩爆发生的影响作用最大,隧道中部区段埋深较大处均产生了中等岩爆;异形或加宽断面及围岩干燥地段较一般断面及地下水发育处更易产生岩爆,且岩爆发生具有一定的时间性及空间性;岩爆机制主要为压致拉裂破坏及压致剪切型破坏。采取了针对性的防治措施,重点通过隧道掘进过程中改善围岩的物性条件及采用合理的初期支护措施来有效防治岩爆的发生与发展,同时利用掌握的岩爆规律,对于尚未贯通的右洞开挖起到指导性的作用。     

花岗岩巷道岩爆过程红外辐射时空演化特征室内模拟试验研究

通过含孔花岗岩的双向加载试验模拟巷道岩爆过程,以红外热像仪为观测手段,利用红外热像和最低红外辐射温度作为监测指标,研究岩爆过程中的红外辐射温度时空演化特征。结果表明：岩爆过程红外辐射时空演化特征与岩爆孕育、发生过程具有良好的同步性。岩爆发生前红外热像上出现低温嵌套于高温条带间的温度场,其在空间上的延伸扩展则是岩爆孕育和发展过程在温度场中的反映,其出现的位置对应着岩爆发生的区域。最低红外辐射温度呈现出上升-短暂下降-上升-下降4个阶段性特征,岩爆发生前最低红外辐射温度出现3个突变转折点。试验结果对于巷道岩爆灾害的时空预测具有一定的理论意义。     

岩石节理倾角和间距对隧道掘进机破岩特性影响的试验研究

为了研究岩体节理参数（节理间距和节理倾角）对全断面岩石掘进机（TBM）盘形滚刀破岩效果的影响,对实际条件进行简化,在改进的试验装置上进行压头作用下相似材料的变形、破坏试验。采集整个加载过程中压头的侵入深度和荷载数据,并采用相机实时拍摄,获得试件表面破坏的发展过程以及最终破坏形态。试验结果表明,当节理倾角一定时,随着节理间距增大,达到跃进点的贯入荷载值增加,侵入功以及主裂纹扩展能量也都呈增大趋势,当 =0°、90°时,抗侵入系数基本一致,当 = 30°、60°时,抗侵入系数逐渐增大。当节理间距一定时,随着 角度的增加,跃进点荷载、抗侵入系数、侵入功以及主裂纹扩展能量都呈现先减小后增大趋势,在 =30°时,各值都为最小值。根据试件破坏后形态分析发现,节理的空间特征对裂纹扩展模式有明显的控制作用,对破坏区域的形成也有明显的限制。     

深埋隧道岩爆位置偏转及其微震活动特征

川藏铁路拉林段控制性工程巴玉隧道,施工过程中岩爆频发且呈现邻近区域岩爆位置不一现象。为此,通过微震监测系统原位观测了岩爆位置偏转过程中的岩体破裂演化规律,进一步探讨了岩爆位置发生偏转的原因。研究结果表明:岩爆位置偏转段两侧微震信息呈不均匀分布特征,微震活动(事件数、能量和视体积等参数)随岩爆偏转向岩爆发生位置集核偏转,两者具有良好的空间相关性。岩爆位置偏转段岩体损伤区及视应力的演化特征说明岩爆位置偏转与局部应力集中区变化相关,应力集中程度大的区域更易发生岩爆。相关研究成果对岩爆位置偏转预警及防治具有一定借鉴和参考意义。     

隧道开挖对下伏水平薄煤层采空区地层的扰动及衬砌受荷特征

为探明下伏薄煤层采空区地层中隧道施工对地层的扰动以及衬砌结构受荷特性,采用离散元颗粒流软件,从细观角度对隧道开挖引起的地层应力变化特性进行了模拟分析,同时在室内开展模型试验量测了下伏煤层采空区地层隧道衬砌背后土压力以及二次衬砌结构内力（轴力、弯矩）,分析了特定围压下间距对土压力和二次衬砌受力的影响。结果表明,下伏煤层采空区地层因隧道开挖引起的围岩松动区呈“O”形分布,隧道下伏围岩颗粒接触力反而小于隧道上覆围岩;洞周允许位移越大,颗粒接触力链间断区域越大;间距越小,颗粒接触力链间断区域越大,当间距大于2.0D（D为隧道跨度）时,下伏采空区对隧道围岩颗粒接触力影响逐渐消失,降低了地基反力,间距越小,降低程度越高;二次衬砌内力分布有一定的离散性,二次衬砌裂缝最先出现在拱底,是隧道主体结构的薄弱环节。     

爆炸荷载作用下深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-衬砌系统动力响应

假定土骨架服从标准线性固体黏弹性本构关系,研究了深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-弹性衬砌耦合系统在轴对称爆炸作用下的瞬态动力响应。首先,基于饱和土的Biot模型和衬砌的弹性理论,通过引入势函数和Laplace变换,利用弹性衬砌和饱和黏弹性土界面处的连续性条件以及边界条件,得到饱和黏弹性土体和弹性衬砌位移、应力和孔隙水压力等在Laplace变换域中的解析解。其次,利用Laplace数值Crump逆变换得到耦合系统在时间域的动力响应,数值分析了不同土体模型下土体-衬砌耦合系统的径向位移和环向应力以及土体孔隙水压力等。结果表明：对不同土体模型的土体-衬砌耦合系统,其在爆炸载荷作用下的动力响应性态基本一致,但动力响应的振动周期和幅值等具有明显的差异。同时,对于饱和黏弹性土-弹性衬砌系统,土体黏性参数对土体径向位移和孔隙水压力有明显的影响,但对土体环向应力影响较小。