基于瞬态卸荷动力效应控制的岩爆防治方法研究

针对深埋圆形隧洞全断面爆破开挖,分析了岩体开挖瞬态卸荷力学过程及引起的围岩应力和应变能瞬态调整机制,讨论了瞬态卸荷动力效应的影响因素。计算结果表明,开挖岩体应变能越大、应变能释放速率越快,岩体开挖瞬态卸荷动力扰动越强烈。基于此,提出了依据炮孔周围爆生裂纹分布判断掌子面上主应力方向,各圈炮孔按掌子面上应变能密度由高到低的顺序分段起爆的施工期岩爆防治方法。该方法通过改变炮孔起爆网络显著地降低了岩体开挖瞬态卸荷的动力效应,可广泛用于水电、矿山、交通等行业深埋洞室贯通爆破。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

中深孔双螺旋掏槽爆破的破碎机理与设计应用

分析研究了中深孔双螺旋掏槽形式在爆炸冲击波或应力波的作用下，掏槽炮孔爆源附近岩体破碎、破裂的过程及空孔在掏槽爆破中的作用效果。在此基础上提出了中深孔掏槽爆破设计的理论依据，具体给出双螺旋掏槽爆破的设计参数。这种掏槽在三峡工程茅坪溪泄水洞大断面开挖掘进中得到应用     

隧洞全断面开挖中不同爆破孔作用边界及其诱发振动特性的比较分析

为探明隧洞钻爆开挖中不同炮孔诱发振动特性的差异及其原因,以隧洞全断面钻爆开挖为例,结合岩石爆破内部及外部作用,对不同炮孔爆破作用边界进行分析;通过现场单孔及生产爆破试验,综合比较掏槽孔、崩落孔及光爆孔3种典型炮孔诱发振动峰值及频谱特征;并借助数值模拟分析不同炮孔内外边界条件及其动力响应特性的差异;最后,从爆炸能量分配及塑性区发展的角度,总结归纳不同炮孔诱发振动差异的内在原因。结果表明：掏槽孔多在单个自由面条件下起爆,炮孔所受夹制作用较强,爆破外部作用减弱,转化为爆破振动能的比例增加,爆破诱发振动峰值(PPV)相对较大;掏槽孔间排距及不耦合系数较小,相比于崩落孔及光爆孔,内部作用较强,形成的塑性区面积增加,振动主频(DF)相对较低;光爆孔与崩落孔均在2个自由面条件下起爆,光爆孔不耦合系数较大,但其炮孔间距小,爆破内部作用及外部作用与崩落孔大体相当,PPV及DF分布也基本一致;实际工程中,可通过改变内外边界条件来调节爆破内部作用及外部作用,进而达到振动安全控制的目的。     

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。     

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。     

地应力瞬态卸载诱发振动的能量分布特性

 高地应力条件下隧洞爆破开挖中,岩体初始应力的瞬态卸载诱发的振动是岩体爆破开挖振动的重要组成部分。为揭示地应力瞬态卸载诱发振动能量特征及其对爆破开挖振动能量分布的影响,采用基于功率谱的振动能量分析方法,研究爆炸荷载和不同水平地应力瞬态卸载诱发的振动能量频域分布特征。研究表明：爆炸荷载与地应力瞬态卸载诱发振动的能量频域分布范围基本一致,但瞬态卸载诱发振动主频一般低于爆炸荷载诱发振动主频;地应力瞬态卸载诱发振动会增加爆破振动能量的低频成分,是影响爆破开挖振动能量分布特性的重要因素;地应力水平的提高会增大地应力瞬态卸载诱发振动的幅值,对能量的频域分布无影响。     

基于岩体动力损伤的地下工程施工过程数值分析

在大型地下工程爆破、开挖及支护施工过程中,采用数值分析方法预估围岩开裂深度及爆破损伤程度对工程设计和施工可以起到事先指导的作用。采用考虑累积应变和荷载作用时间的Yang-Liu率相关动力损伤模型,定义与裂纹扩展密度相关的损伤系数,将损伤特性反映在荷载增量迭代计算中,形成弹塑性损伤本构模型。论述了爆破荷载和开挖荷载的计算、施加及迭代方法,可以合理反映爆破对围岩稳定的影响以及初始地应力释放、锚固支护施加的时机和效果。通过工程实例的计算,得出了某水电站地下洞室在爆破荷载、开挖荷载和锚固支护作用下应力场、变形、破坏区及损伤系数的分布规律,分析结果可以为工程设计提供依据。     

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。     

开挖问题摩擦效应的有限元计算方法

 采用有限单元法计算砂性土中的开挖卸载,根据既有的散粒体材料开挖应力释放和弹塑性卸载理论研究成果,将卸载过程中材料荷载–位移曲线的非线性等效成为开挖荷载的逐步释放,该过程卸荷模量与加载模量一致,在此基础上推导了用卸荷刚度表示的计算域内开挖荷载计算式;同时,根据现有试验结果将八面体剪应力引入以表征单次加卸载情况下颗粒间的摩擦作用力,并利用虚功原理建立了颗粒间摩擦作用与卸载应力释放特性的关系,将应力释放效应对开挖荷载的影响等效成为修正开挖卸载阶段材料的弹塑性本构关系矩阵,从而实现了考虑卸载摩擦效应的开挖问题计算方法。从节点平衡方程的推导来看,开挖荷载对整个计算区域均有影响,和应力释放效应存在对应关系;设计了砂的室内单向加卸载模型试验,并采用该有限元方法对室内模型试验进行模拟,结果表明,单次加卸载过程中计算曲线可以较好的反映对应试验条件下土体的应力释放特性,计算结果与现有的理论研究成果的认识相符合,该方法对开挖问题的描述具有一定的可行性。