苍岭特长公路隧道岩爆预测和工程对策

从苍岭隧道的工程地质状况入手,结合现场实测的地应力值,通过反演得出隧道区内的初始应力场,在此基础上通过有限元分析获取了隧道开挖后的洞周应力值,以此为依据,结合室内岩石试验和不同岩爆判据,得出了勘察设计阶段本区将产生低–中等岩爆的结论,并在设计中提出了相应的对策。在施工阶段为更加准确预测岩爆,结合施工中实际状况对隧道区内的总体岩爆状况进行重新预测,结果显示低–中等岩爆区间都相应减少;同时利用现场实测应力值对前方300～500 m段进行了分阶段预测,并得出卢森判据适用于该隧道的结论。     

后头山隧道围岩岩爆预测研究

从后头山隧道的工程地质状况入手，结合现场实测的地应力值，通过有限元分析获取了隧道开挖后的洞周应力值，以此为依据，结合室内岩石试验和不同岩爆判据，对后头山隧道围岩岩爆进行了预测。     

枫树头隧道开挖岩爆预测研究

从枫树头隧道的工程地质状况入手，结合现场实测的地应力值，通过有限元分析获取了隧道开挖后的洞周应力值，以此为依据，结合室内岩石试验和不同岩爆判据，对枫树头隧道围岩岩爆进行了预测，得出该隧道有发生岩爆的可能性。     

苍岭隧道岩爆预测及分析

以苍岭隧道为例，介绍了岩爆发生的条件和预测理论，采用ANSYS方法对开挖后围岩应力进行了分析，并结合相关判据给出了岩爆产生的概率和烈度，同时按不同的应力释放率模拟了支护对岩爆的减弱和预防作用。     

深部巷道地应力测量及岩爆倾向性分析

采用岩石声发射Kaiset效应法对工程岩体原岩应力场进行了测试,结果表明,工程岩体部位应力水平较高,以构造应力为主。利用所测得的地应力场数据,通过三维有限元反演工程区的初始应力场,在初始应力场和隧道围岩岩石力学性质研究的基础上,结合巷道断面开挖数值分析结果和现有岩爆判别准则,对巷道岩爆的倾向性进行预测,为制定合理的开挖支护方案提供依据,在岩爆预测理论和工程应用方面具有很好的参考价值。     

猴子岩水电站地下厂房岩爆综合预测研究

中国西南地区在建的猴子岩水电站地下厂房,具有高边墙大跨度的特点。且位于高地应力区,实测最大主应力值高达36.43 MPa。地下厂房区域的灰岩坚硬完整、脆性程度高,具备高储能条件,在施工开挖扰动因素下有可能发生岩爆动力地质灾害。依照岩爆综合预测研究的思路,结合前期猴子岩水电站地下洞室群岩爆倾向性研究,开展岩爆趋势预测研究。建立三维有限元计算模型,根据实测地应力资料进行初始地应力场拟合,模拟猴子岩水电站地下洞室群分步开挖过程,选择王兰生二郎山隧道判据进行岩爆趋势预测。通过分析主厂房、主变室、尾调室三大洞室分步开挖过程中的岩爆趋势预测情况可知:猴子岩地下洞室群开挖过程中主要发生轻微岩爆,个别区域可能发生中等岩爆,与实际情况相比仍有一定差异。同时,归纳已有的多种岩爆预测判据,结合大量工程资料,对岩爆判据的适用性进行系统探讨。研究表明,单一判据在工程中有较大的局限性,预测结果与实际情况有较大偏差;而五因素综合判据则能较准确地反映工程的岩爆情况。     

米仓山深埋公路隧道岩爆预测与防治对策研究

岩爆是地下工程中一种严重的地质灾害,其破坏性巨大,是一项世界性的难题。为对岩体岩爆危险性进行综合分析,提高岩爆预测精度,本文从理论分析和现场测量两方面归纳了学术界隧道岩爆判据研究现状,建立了岩爆综合分析与预测系统框架。以米仓山公路隧道为例,结合数值模拟和岩爆综合分析与预测系统对其岩爆的趋势进行了预测。结果表明,隧道开挖后,隧道周边产生较大的应力集中,而且开挖使隧道周边围压迅速降低,产生较大的主应力差,导致围岩发生岩爆。预测米仓山隧道K49+175~K50+650段以弱~中等岩爆为主,最大埋深段附近为中等岩爆,局部可能发生较强烈岩爆。针对工程进展情况和岩爆情况提出了相应的防治对策。     

隧道施工岩爆的预防与技术措施综述

在高地应力条件下或者隧道洞室开挖中,围岩因为卸载而发生的围岩松脱或剥落、甚至弹射的地质灾害即为岩爆。岩爆的发生主要与隧道围岩的性质、施工地质条件以为隧道围岩应力状态有关。为了避免或减少岩爆造成的损失,需要正确预测岩爆。笔者对岩爆发生的规律、岩爆的分类以及岩爆相关预测方法进行了总结,并从施工组织、释放地应力、严抓初期支护规避岩爆威胁、控制隧道开挖进尺、加强爆破控制等方面论述了隧道施工过程中所采取的岩爆防治技术措施。     

雅鲁藏布江缝合带深埋长大隧道群岩爆孕育及特征

为揭示雅鲁藏布江缝合带对区域内深埋长大隧道群岩爆的孕育作用,探明岩爆时空分布与破坏特征规律和影响因素,以新建川藏铁路桑珠岭隧道和巴玉隧道为工程依托,通过地质调查、现场试验、地应力三维反演、岩爆记录统计等方法对隧道高地温、高地应力条件的形成、特征和影响进行分析,最后结合热力耦合计算就高地应力、高地温对隧道岩爆的影响进行了比较分析。研究结果表明:受控于缝合带特殊的大地构造以及新生代岩浆活动影响,区域内深埋长大隧道群呈现出高地应力和高地温特征;两座隧道受水平地质构造和大埋深影响显著,其中桑珠岭隧道轴线处最大水平主应力、自重应力分别为巴玉隧道轴线处的1.44和0.78倍;受竖向应力控制岩爆的空间分布集中在拱顶和掌子面,而邻近河谷区域受水平应力影响在近雅鲁藏布江河谷一侧岩爆次数明显居多。现场试验表明两座隧道围岩均具有弱～中等岩爆倾向,但因岩性产生的岩爆倾向性差异不明显;受大地热流及局部熔融体埋深影响,两座隧道的高地温差异显著,结合热力耦合模型计算表明桑珠岭隧道受高地温影响,开挖过程中的热力耦合作用明显,而巴玉隧道岩爆主要受到竖向高地应力影响。     

瀑布沟水电站地下厂房开挖过程中岩爆应力状态的数值模拟

瀑布沟水电站地下厂房赋存于复杂的地质环境中,厂房开挖过程中岩爆活动频繁。为分析围岩应力对岩爆活动的影响,研究初始地应力理论和计算方法,对厂房区域的地应力实测值进行线性回归,并在ANSYS中实现初始地应力的加载,得到与实际勘测结果相接近的初始地应力场。在此基础上,对地下厂房的开挖过程进行三维有限元数值模拟,根据岩爆判别准则对岩爆危险区域进行预测,并给出危险等级分类。岩爆模拟结果和现场监测结果基本吻合。研究结果表明,瀑布沟水电站地下厂房围岩区域的构造应力显著,且具有较强的方向性。地下厂房围岩整体上稳定,拱脚、洞室交口处围岩容易发生高等级岩爆。     

岩爆模拟材料的筛选试验研究

根据岩爆模拟试验的要求,进行了相似材料的配合比试验,筛选出若干适合作为岩爆模型的相似材料。试验过程中就试验设备、材料配合比、模型制作、典型试验等方面进行了有益的探讨。     

静荷载理论在岩爆研究中的局限性及岩爆岩石动力学机理的初步分析

对围岩切应力与单轴抗压强度的比值、岩爆事件的空间分布、TBM掘进隧道的围岩稳定及超深井井壁稳定等问题的分析表明，静荷载理论在岩爆研究中的局限性是明显的。对于钻爆法开挖的硬岩隧道，岩爆应该是处于非均匀应力状态的围岩在爆炸加载波、卸载应力波及岩爆应力波多次扰动的情况下，裂纹发生大规模瞬时动力扩展的结果，这可以概括为岩爆的岩石动力学机理。卸载扰动在已开挖围岩表面附近将产生P波、S波和Rayleigh波，对围岩扰动最大的是P波和Rayleigh波。P波和Rayleigh波的性质、分布及衰减规律可以较好地解释地应力量级对岩爆的控制及岩爆事件的空间分布等。     

基于剪切应变梯度塑性理论的断层岩爆失稳判据

应用应变梯度塑性理论及能量准则，提出了断层岩爆的失稳判据的解析解。断层带被视为一维剪切问题，断层带尺寸由岩石内部长度确定。断层带的一半及带外一侧的弹性岩石被视为一个系统。得到了依赖于断层带尺寸的断层带的耗散势能及峰后刚度表达式。应用能量准则，得到了断层带-围岩系统的失稳判据，它不仅与岩石材料的本构参数有关，也与岩石结构的几何尺寸有关，说明系统的稳定性具有尺寸效应。断层岩爆失稳判据与矿柱岩爆失稳判据具有类似性。目前的断层岩爆失稳判据的优越性在于：断层带的宽度、断层带的耗散势能、峰后刚度及失稳判据等都可以解析表示；而且，断层带内部具有不均匀的(塑性)剪切应变，这一点与有关的实际观测结果相符合。     

断层冲击地压失稳瞬态过程的试验研究

 以白光数字散斑相关方法作为试验的观察手段,采用双轴加载方式对一种花岗闪长岩进行直剪摩擦滑动试验,通过搭建高速数据采集系统对断层冲击地压失稳瞬态过程进行研究,观测和分析冲击失稳过程中断层位移演化时间和空间的特征。试验结果表明：(1) 断层冲击地压发生与侧向压力量值有关,断层冲击地压发生需要满足一定的侧向应力条件,当侧向压力较小时,断层发生稳滑,不会发生冲击地压;(2) 随着侧向压力的增加,发生断层冲击的峰值应力增加,断层冲击地压发生时的应力降增加;(3) 冲击失稳过程中断层位移演化在时间上表现出间隔滑动特征,并且滑动间隔时间随着侧向压力的增加而增加,断层第一次失稳滑动的距离和滑动速度大于第二次滑动的距离和滑动速度;(4) 冲击失稳过程中断层位移演化在空间上表现出滑动的差异性特征,断层不同位置处的失稳滑动量值和滑动演化特征不同,表现出断层观测点的滑动量值随着与加载端的距离增加而增加的趋势。     

煤矿岩爆发生机制研究

 博士学位论文摘要　以煤矿岩爆为工程背景, 采用岩石力学、断裂力学、粘弹性力学、稳定理论以及试验模拟相结合的方法,从煤岩体结构局部失稳的角度, 提出并建立了煤矿片帮型岩爆的力学模型。在理论分析和试验研究方面作了一些新的探索和尝试, 取得了下列主要研究结果:(1) 以岩石裂隙演化及其力学特性的研究为出发点, 着重研究了受自由表面影响的近壁面裂纹的扩展条件与扩展方向。研究表明, 在压应力集中区内, 近自由表面的裂纹在低侧压(或无侧压) 时, 将平行于壁面沿最大压力方向扩展, 在一定的压力下,受自由表面的影响, 这种扩展是不稳定的。通过滑移开裂裂纹模型, 给出了近壁面两种情况下裂纹扩展的临界应力计算公式。(2) 通过对巷道和采场围岩的受力分析, 定义了由壁面到煤体深处的应力过渡区。在高压应力(包括采动应力) 作用下, 过渡区内裂纹将扩展贯通, 并在一定范围内形成顺壁层裂结构区, 讨论了层裂结构区的尺度。提出并建立了煤矿片帮型岩爆的力学模型———层裂板模型, 即认为巷道或采场壁面的局部稳定是由高应力集中区内形成的层裂板结构区的稳定控制的, 片帮型岩爆是煤壁层裂板结构区的局部压屈。分析了层裂板结构两种约束状况下的稳定性。(3) 考虑裂纹的亚临界扩展, 研究了裂纹扩展的时间相关性, 讨论了裂纹贯穿前壁面位移与时间的关系。(4) 基于板梁结构和层裂板模型, 采用线粘弹性本构关系, 研究了煤矿片帮型岩爆的时间延迟问题, 这是对岩爆发生的时间延迟研究的一个新的尝试。得到了不同载荷水平下, 板梁结构和层裂板模型失稳的延迟时间计算公式。此外, 简单讨论了缓慢底鼓与急剧底鼓的机制以及扰动应力对岩爆发生的影响。(5) 用研制的相似材料模型和煤块混合模型, 对煤矿岩爆进行了模拟试验研究, 验证了本文建立的层裂板模型的正确性和适用性。试验成功地模拟了巷道或采场岩爆的过程。壁面及顶底板的相对位移变化的记录曲线表明, 岩爆发生时, 位移曲线发生相应的突跳, 这种现象在一定的间歇后, 可再次发生, 反映了岩爆的间歇性和动力失稳的特征。试验后的壁面观测发现, 残存壁面呈层裂结构, 突出物为片状块体。此外, 还对相似材料模型和煤块混合模型的试验现象和结果进行了对比分析, 认为后者更能反映实际状况。混合模型在此类试验中是首次使用, 为该类试验模型制作提供了新的途径。(6) 以三河尖煤矿岩爆为例, 运用层裂板模型对片帮型岩爆发生机制进行了分析。通过模型的实例估算, 得到了发生岩爆的临界深度与该矿当时的开采深度相一致的结果, 这表明层裂板模型对片帮型岩爆机制的分析是合适的。     

应变型岩爆三要素分析及岩爆势表达

 在已建立的应变型岩爆五因素综合判据基础上,通过现场地质调查、统计分析和运用关系矩阵法,对所涉多个因素和指标进行归类合并,形成包括最大切向应力 ,岩石抗拉强度 和岩体完整性指数 等3个主要独立参数的经验拟合表达式 ,用来表征岩爆趋势和强度(简称岩爆势 )。对岩爆强度的无、弱、中和强等4个级别,提出3个分级界限值(1.7,3.3和9.7)。概算深度H = 1 000和2 000 m(侧压系数 = 1.0)时 结果分别为3.3和6.5,相当于弱岩爆上限值和中岩爆中间值。工程实例检验应用进一步表明该岩爆势指标的科学合理性。     

深部花岗岩试样岩爆过程实验研究

利用自行设计的深部岩爆过程实验系统，对深部高应力条件下的花岗岩岩爆过程进行实验研究。岩爆实验过程可模拟实际工程的开挖条件：对加载至三向不同应力状态下的板状花岗岩试样，快速卸载一个方向的水平应力，保持其他两向应力不变或保持其中一向应力不变增加另外一向应力。实验过程中采集3个方向应力随时间的变化数据，获得花岗岩岩爆全过程应力曲线。根据实验结果，将花岗岩岩爆全过程分为平静期、小颗粒弹射、片状剥离伴随着颗粒混合弹射及全面崩垮4个阶段；将花岗岩岩爆的破坏形式分为颗粒弹射破坏、片状劈裂破坏和块状崩落破坏；分析发生岩爆后花岗岩试样的微观结构破坏特征；根据卸载后发生岩爆的最大主应力与岩石单轴抗压强度的比值对岩爆强度进行分类；根据卸载后至发生岩爆现象的时间，将岩爆分为滞后岩爆、标准岩爆和瞬时岩爆，并对花岗岩岩爆发生机制进行初步探讨。     

岩爆模拟试验及岩爆机理研究

在岩爆模拟材料筛选试验的基础上，选取了最具岩爆倾向的材料制作含孔试件进行了含洞室岩体的岩爆模拟试验，试验中考察了加载条件，开孔方式、几何特性等诸因素的影响，探讨了岩爆发生机理，得到了一些规律性的结果。