深埋隧洞岩体开挖瞬态卸荷机制及等效数值模拟

 岩体爆破开挖过程中,开挖荷载瞬态卸荷伴随着爆破破岩的裂纹扩展、爆生气体逸出以及新自由面形成等过程而发生。针对深埋隧洞全断面钻爆开挖,确定分段微差爆破对应的分步开挖荷载,分析爆炸荷载耦合作用下的开挖荷载瞬态卸荷方式与持续时间,实现开挖荷载瞬态卸荷的荷载边界条件的数学描述。考虑到炮孔近区岩体因爆破破碎引起的介质连续性的改变及其所经历的复杂应力状态,根据炮孔周围岩体爆破破坏的空间分布特征,基于等效弹性作用边界的概念,提出群孔起爆条件下爆炸荷载与开挖荷载瞬态卸荷耦合作用的等效数值模拟方法。现场实测振动数据验证了计算结果的正确性。     

深埋隧洞爆破开挖地应力瞬态卸荷诱发围岩振动控制方法研究

爆破引起的开挖面上岩体地应力快速释放是深埋洞室爆破施工主要动力扰动因素之一。针对深埋圆形隧洞全断面毫秒延迟爆破开挖过程,分析开挖面上地应力瞬态卸荷诱发围岩振动的力学机制及其影响因素,在此基础上从掏槽方式选择、孔网参数布置、起爆网路优化的角度详细探讨诱发振动的控制方法。研究表明,通过设计合理的钻爆参数可降低开挖面上的地应力、延长卸荷持续时间、减小开挖面的大小,从而达到控制地应力瞬态卸荷诱发围岩振动的目的。研究成果对深地资源开采、深地空间开发利用等相关行业的深埋洞室爆破施工具有一定的指导作用。     

圆形隧洞爆破荷载与瞬态卸荷作用围岩应变能效应研究

 深部岩体开挖过程中,能量的释放与耗散是导致围岩发生损伤破坏的重要诱因。针对深埋圆形隧洞爆破开挖,采用理论模型研究微差段间爆破荷载与地应力瞬态卸荷重复扰动及耦合作用下围岩应变能的变化规律,并基于弹性应变能判别准则计算围岩损伤范围。研究结果表明：在爆破荷载作用下,围岩应变能经历了先增大再减小最终趋于稳定的动态变化过程;在地应力的瞬态卸荷作用下,围岩应变能经历了先减小再增大最终趋于稳定的过程;二者耦合作用会进一步加剧围岩应变能动态调整过程,并且体现出更加明显的微差段间重复扰动效应,以开挖轮廓附近起爆的两圈崩落孔及周边孔最为明显。爆破荷载主要引起围岩张拉破坏,而地应力瞬态卸荷主要导致围岩压剪破坏,在二者耦合作用下地应力的存在会抑制爆破荷载引起的围岩张拉破坏,从而减小围岩的损伤范围。最后,采用锦屏二级水电站引水隧洞实测围岩损伤范围对理论计算方法的正确性进行了验证。     

开挖卸荷的瞬态特性研究

  针对中、高地应力条件下的岩体爆破开挖,通过岩体开挖荷载释放过程的力学分析及卸荷持续时间的计算,提出并论证岩体开挖荷载的释放为瞬态卸荷的观点,认为在中、高地应力条件下,岩体开挖荷载的释放需要考虑荷载的瞬态特性及其动力效应。同时,对与分段微差爆破对应的分步开挖荷载、瞬态卸荷方式、开挖卸荷诱发围岩振动及节理岩体瞬态卸荷松动机制等关键问题进行讨论。最后,结合二滩和瀑布沟等高地应力地区水电站地下厂房开挖瞬态卸荷诱发围岩振动的实测资料及观察到的动力破坏现象,对所提出的观点进行例证。     

深埋洞室岩体开挖卸荷诱导的围岩开裂机制

 针对深埋圆形隧洞爆破开挖,采用双向受压条件下的压剪裂纹扩展模型和应力强度因子计算公式,分析开挖面上岩体应力瞬态释放和邻近的围岩应力瞬态调整对围岩开裂过程的影响。结果表明,与准静态卸载条件相比,开挖面上岩体应力瞬态释放在围岩中产生附加动应力,导致围岩径向卸载和环向加载效应放大,加剧了深埋洞室围岩开裂效应,导致开裂范围增大;开挖卸载速率越快,围岩中产生的附加动应力幅值越大,围岩的开裂效应越显著。     

动静力组合作用下深埋隧洞开挖卸荷诱发围岩动力损伤诱因研究

深埋隧洞开挖形成的二次应力场与爆破开挖卸荷诱发的动力扰动组合作用,是导致围岩损伤破坏的主要原因。首先对深埋圆形隧洞开挖二次应力场静力作用下围岩损伤进行分析,然后以溪洛渡水电站城门洞形导流洞上层中导洞爆破开挖为背景,采用动力有限元方法模拟,对高地应力条件下二次应力场作用下爆炸荷载和开挖荷载瞬态卸荷动力扰动诱发损伤区进行计算,并基于实测的爆破振动速度资料对围岩的本构模型进行对比。结果表明,采用随动强化本构模型的计算结果更符合实测资料;随着地应力的增大,围岩二次应力场与动力扰动组合作用诱发的损伤范围也增大,符合理论分析的结果;考虑瞬态卸荷作用的工况与考虑爆炸荷载的工况相比,诱发损伤围岩的体积有较大增加,因此,随着隧洞埋深的增加,瞬态卸荷将成为诸多动力扰动中的主要因素。对围岩损伤的控制,不仅包含减小进尺和单响药量,还可以考虑将掌子面分成多个小断面进行开挖,或利用超前孔释放地应力等减弱开挖荷载瞬态卸荷强度的方法。     

地铁浅埋隧道爆破开挖振动控制研究

以青岛地铁工程为背景,研究并提出了控制浅埋隧道爆破开挖振动的措施。文章通过对隧道掘进向不同位置的地表振动矢量合速度检测和数据分析,得到了浅埋隧道开挖爆破不同作用类型炮孔引起的地表振动特性及其衰减规律,并以此提出了爆破施工减振措施。试验与分析结果表明:开挖掌子面上不同的炮孔爆破类型其衰减规律有所不同,随着爆破起爆段别的增加,衰减公式中的K值逐渐递减;α由地质条件决定,基本保持不变;根据K、α值的大小和变化规律来调整掏槽方案、改善起爆顺序、减轻爆破夹制作用,大幅度降低了爆破振动;青岛地铁隧道采取全断面开挖时,其衰减参数K值随着段数的增从68逐渐减小到26,α值在1.4～1.6之间。     

微差段间重复扰动导致深埋隧洞围岩损伤机制

 爆破荷载和地应力的瞬态卸载是深埋隧洞开挖损伤区孕育及演化的重要影响因素。根据深埋圆形隧洞爆破开挖过程,采用理论模型和数值模拟相结合的方法分析开挖面上各段爆破引起的爆炸荷载和地应力瞬态卸载应力场的变化规律,并比较各段爆破开挖对隧洞保留岩体的损伤程度。计算结果表明,爆炸荷载对围岩岩体造成的破坏主要是张拉破坏或张剪破坏,地应力瞬态卸载造成的破坏主要是压剪破坏;各段开挖爆炸荷载和地应力瞬态卸载对最终的开挖损伤区均有贡献,体现了重复扰动损伤效应,其中以MS7和MS9段的影响最大,表明各段开挖对最终损伤程度的影响不仅与荷载值的大小有关,与各段的开挖半径同样关系密切;当地应力水平不断提高时,地应力瞬态卸载对损伤区的贡献也会越来越明显;当深埋隧洞开挖的爆破参数相同时,地应力水平将成为围岩损伤的决定性因素。     

考虑地应力瞬态卸荷低频放大效应的深埋隧洞爆破开挖振动安全评估

深埋隧洞爆破开挖过程中,爆炸荷载和地应力瞬态卸荷耦合作用产生的高、低双频带振动往往会威胁邻近建筑物的安全,而传统的振动安全评估常常忽视地应力瞬态卸荷低频放大效应的影响。首先采用时能密度、幅值谱和滤波分析方法,研究瀑布沟水电站地下主厂房开挖爆炸荷载和瞬态卸荷耦合作用下本邻洞的振动频谱特征;然后基于结构动力响应分析,讨论隐藏于耦合振动波形中的瞬态卸荷诱发振动的低频放大效应;最后结合质点峰值速度和振动频率双重指标,评估隧洞爆破开挖围岩的安全性。研究结果表明:本洞中爆炸荷载产生的振动峰值明显大于瞬态卸荷诱发的振动峰值,邻洞中二者分布规律相反;爆炸荷载产生的振动以高频为主,主频区间65～135 Hz,平均主频96 Hz,瞬态卸荷诱发的振动以低频为主,主频区间20～60 Hz,平均主频46 Hz;瞬态卸荷诱发振动的频率较低,更加接近花岗岩固有频率37 Hz,易产生共振,振幅放大系数达到1.72;当地应力水平较高,达到70 MPa量级时,地应力瞬态卸荷低频放大效应会导致围岩不安全区域从6.0 m显著扩大至20.1 m。研究成果可以为类似深埋隧洞爆破开挖振动安全评估提供参考和借鉴。     

不同开挖方式下即时型和时滞型岩爆的孕育特征比较

针对深埋圆形隧洞,计算2种不同开挖方式下围岩的开裂范围及裂纹扩展长度,分析围岩开裂过程中的能量耗散规律,并采用可释放弹性应变能指标,判定岩爆发生的等级和位置。研究结果表明:与隧道掘进机开挖引起的准静态卸荷相比,钻爆法开挖诱发的瞬态卸荷加剧了围岩开裂效应,导致开裂过程中能量耗散值增大,使得开挖卸荷后围岩可释放弹性应变能减小,发生时滞型岩爆的风险降低;但由于受瞬态卸荷过程中能量高聚集特性的影响,可释放弹性应变能提高,钻爆法开挖发生即时型岩爆的风险增大。     

钻爆法与TBM开挖深部洞室诱发围岩应变能释放规律

 在深部岩体开挖过程中,围岩应变能的释放是导致岩体破坏的诱因之一,而不同开挖方式下应变能的释放规律存在较大差异。通过理论分析,探讨了钻爆法和TBM开挖下能量的转化和分配机理,并对锦屏二级水电站深埋隧洞TBM和钻爆开挖导致的围岩振动进行现场监测和对比分析,讨论了不同开挖方式下应变能释放的过程及特性。研究表明,高地应力下爆破开挖过程岩体所储存的应变能伴随爆破破岩过程高速释放,且应变能诱发的振动能与爆炸能诱发的振动能大致相当,另外,MS1段释放的岩体应变能约为整个开挖过程应变能释放量的50%;而TBM开挖条件下,开挖岩体内应变能以准静态的方式缓慢释放,几乎全部转化为岩体势能,不会引起围岩动力响应。相同条件下,钻爆开挖所引起围岩释放的应变能的大小和速率均较TBM开挖大,导致相同条件下钻爆开挖的隧洞高等级岩爆发生的频次较多,而TBM开挖条件下以片帮、剥落为代表的破坏现象较为显著。     

Transient characters of energy changes induced by blasting excavation of deep-buried tunnels

As energy release plays an important role in engineering disasters such as rockburst, seismicity induced by deep rock mass excavation via drill and blast, energy changes caused by excavation have been studied for a long time. However, previous studies ignored the time factor and took the unloading of in-situ stress on the excavation boundary as a quasi-static process. In this paper, energy changes induced by quasi-static unloading of in-situ stress (QSUIS) and transient release of in-situ stress (TRIS) were analyzed for the case of circular excavation under the condition of in-situ hydrostatic stress. Results show that, different from energy changes caused by QSUIS, the dynamic adjustment of strain energy induced by TRIS which first decreases and then increases, is a transient process. With the propagation of the unloading stress wave from the excavation boundary to the far surrounding rock masses, energy is transmitted by the way of radial stress doing work from the far surrounding rock masses to the near ones which causes the transient aggregation of strain energy. Comparison based on the effects of energy changes on the damage range indicates that higher aggregation degree of strain energy causes larger damage range induced by TRIS than that induced by QSUIS. In addition, a practical application in Jinping II hydropower project was presented as a verification.     

不同开挖方式下深埋隧洞微震特性与岩爆风险分析

在分析钻爆法和TBM法开挖下围岩应力状态的基础上,基于锦屏二级水电站深埋隧洞微震监测数据,对比研究了钻爆法和TBM法开挖条件下深埋隧洞的微震特性及岩爆风险。结果表明:1钻爆法开挖引起的围岩应力集中距洞壁较远,形成的应力梯度较小;而TBM法开挖引起的围岩应力集中临近洞壁,形成的应力梯度较大。2钻爆法开挖时围岩应变能主要集中在爆破后数小时,尤其是在1 h内释放,而TBM法以连续的方式开挖卸载,剧烈的能量释放伴随着施工全过程。3TBM法开挖导致的事件震级及震源破裂尺度均比钻爆法开挖引起的大。4钻爆法开挖时,围岩积聚的应变能大多以岩体破裂的形式耗散,以岩爆形式显现的较少;而TBM法开挖时,围岩应变能常逐次释放,导致事件频繁发生,而且部分应变能以岩爆形式显现,一般地,同一小范围内常多次发生轻微岩爆,高等级岩爆孕育过程中常伴有低等级岩爆,如中等岩爆发生前伴有轻微岩爆,强烈岩爆孕育过程中伴有轻微和(或)中等岩爆,以此类推。综合上述研究结果认为,在具有强岩爆风险的深埋隧洞中,就防治岩爆而言,钻爆法优于TBM法。     

Assessment of strain bursting in deep tunnelling by using the finite-discrete element method

Rockbursting in deep tunnelling is a complex phenomenon posing significant challenges both at the design and construction stages of an underground excavation within hard rock masses and under high in situ stresses. While local experience, field monitoring, and informed data-rich analysis are some of the tools commonly used to manage the hazards and the associated risks, advanced numerical techniques based on discontinuum modelling have also shown potential in assisting in the assessment of rockbursting. In this study, the hybrid finite-discrete element method (FDEM) is employed to investigate the failure and fracturing processes, and the mechanisms of energy storage and rapid release resulting in bursting, as well as to assess its utility as part of the design process of underground excavations. Following the calibration of the numerical model to simulate a deep excavation in a hard, massive rock mass, discrete fracture network (DFN) geometries are integrated into the model in order to examine the impact of rock structure on rockbursting under high in situ stresses. The obtained analysis results not only highlight the importance of explicitly simulating pre-existing joints within the model, as they affect the mobilised failure mechanisms and the intensity of strain bursting phenomena, but also show how the employed joint network geometry, the field stress conditions, and their interaction influence the extent and depth of the excavation induced damage. Furthermore, a rigorous analysis of the mass and velocity of the ejected rock blocks and comparison of the obtained data with well-established semi-empirical approaches demonstrate the potential of the method to provide realistic estimates of the kinetic energy released during bursting for determining the energy support demand.     

Influence of stress path on excavation unloading response

The unloading process of rock mass is critical to the research of excavation disturbances of tunnels in deep mines, and the dynamic effects induced by the release of in situ stress cannot be ignored. In this study, a mathematical physics model was applied to characterise the unloading mechanisms of brittle rock under different stress paths in two dimensions using the universal discrete element code PFC2D for numerical simulations. The excavation relaxation method was employed to control forces applied to the tunnel internal surface to investigate the influence of various in situ stresses, the unloading rate and path on the dynamic effects. Longer unloading time can mitigate the dynamic effects within a certain time range. Nonlinear unloading paths prevail over the linear path in releasing kinetic energy. Furthermore, the exponential path that represents “slow followed by fast” unloading induces the most peripheral displacement, while the cosine path that represents “fast followed by slow” unloading yields the most cracks around the tunnel. The results also indicated that increasing the ratio of horizontal and vertical in situ stresses can exacerbate the dynamic effects. The proposed model agreed well with the theoretical solution and provided a basis for understanding the evolution of the unloading response around the tunnel.     

岩体开挖过程中初始应力的动态卸荷效应研究

提出了边坡、地下洞室开挖施工过程中岩体初始应力动态卸荷的概念。以龙滩水电站地下厂房开挖为例，比较了爆破荷载和岩体初始应力动态卸荷对岩体的动态影响。计算结果表明：（1）在中高地应力区，岩体开挖过程中初始应力场的动态卸荷可能是引起岩体松动的重要因素之一；（2）虽然炮孔近区的损伤主要是由爆破荷载引起的，而远区的忪，力则可能由岩体初始应力的动态卸荷引起；（3）初始应力卸荷越快，其引起的松动范围越大。     

深埋隧洞爆破开挖损伤区检测及特性研究

 通过对锦屏二级辅助洞爆破开挖损伤区的检测和数值计算,比较岩体开挖动态过程(包括爆炸荷载和地应力高速释放)及静态过程(地应力重分布)所分别造成的损伤,探明地应力瞬态释放诱发岩体损伤的机制。检测结果表明,地应力的存在对深埋隧洞爆破开挖损伤区具有较大影响。隧洞轴线垂直于最大主应力时的钻爆开挖损伤明显要大于轴线平行于最大主应力时的情况;可以将开挖损伤区分为内损伤区和外损伤区,其中前者主要由爆炸荷载和地应力高速释放二者耦合作用引起,其主要特征是岩体声波速度显著降低;后者主要由应力重分布引起,特征是岩体声波速度缓慢降低。另外,辅助洞实测的岩体内损伤区深度显著大于外损伤区深度,且内损伤区在断面上的分布特性受到开挖二次应力场的影响,表明伴随爆破过程发生的地应力瞬态卸载效应是内损伤区形成的直接原因之一,声波检测检测和数值模拟计算均也证明了这一点。     

高地应力条件下隧洞开挖诱发围岩振动特征研究

 采用理论分析、动力有限元数值模拟和振动监测数据对比等综合方法，研究高地应力条件下隧洞钻爆开挖诱发围岩振动的特征。发现高地应力条件下深埋隧洞钻爆开挖诱发的围岩振动由爆破振动和岩体初始地应力(开挖荷载)动态卸载诱发振动两部分叠加而成。在低岩体初始应力条件下，隧洞钻爆开挖过程围岩振动主要由爆炸荷载所引起；高地应力条件下，开挖荷载瞬态卸荷诱发振动的幅值可超过爆破振动而成为围岩振动的主要因素。利用四川省瀑布沟水电站引水隧洞进口段(地应力水平10 MPa)和尾水隧洞洞身段(地应力水平20 MPa)钻爆开挖过程的实测围岩振动资料，对理论分析和数值模拟结果进行验证。