爆破开挖对深埋隧洞围岩扰动特性研究

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随着地下工程不断向地层深部挺进,其间始终伴随着各种次生地质灾害。研究爆破荷载与开挖卸荷共同作用下深部岩体的损伤扰动演化规律,建立系统的深部岩体扰动区原位实验与测试方法,确定复杂地质条件下爆破开挖诱发高应力瞬态释放的震源机制等诸多科学问题亟待解决。而爆破开挖对深埋隧洞围岩扰动特性涉及岩石力学、损伤力学、断裂力学与爆炸力学等多学科,又关系到深部地下工程岩体的长期力学行为,是工程建设安全运行需要回答的关键问题。有鉴于此,本文遵循从现象到本质,从局部到整体,从实验检测到数值分析的研究思路,开展以下研究工作:  (1)结合深埋隧洞现场爆破试验与施工期开挖,制定了围岩扰动区声波测试、应力测量、弹性模量检测等多种技术手段的原位综合测试方法。以锦屏二级水电站引水隧洞和地下实验室钻爆法施工为实例进行了原位试验,获得了岩芯取样、围岩应力、弹性模量、围岩松弛范围等测试数据,在系统分析比对多项指标的基础上提出了基于基本物理力学参数的深埋隧洞围岩扰动分区标准。  (2)在锦屏二级引水隧洞和地下实验室爆破开挖过程中同步进行了爆破振动监测,在爆区附近围岩表面和内部记录了大量振动速度数据,并通过拟合回归得到隧洞围岩的爆破振动衰减规律。  (3)采用小波包分析方法,对典型隧洞钻爆法施工期间的围岩振动信号进行能量谱分析爆破振动的能量频带分布,并计算得到各段振动信号的能量量值。基于信号计算分析的成果,研究隧洞围岩爆破振动能量的频域分布特征,探讨爆破类型、单段药量、爆源距及地应力水平等因素对围岩爆破振动能量特征的影响。  (4)根据围岩爆破振动能量影响因素的相关程度,采用量纲分析方法,推导得出围岩爆破振动能量衰减公式。通过拟合回归大量振动信号的能量量值,取得能量衰减公式的待定系数,待定系数同地应力水平具有相关性。  (5)基于损伤理论比选适用于深埋隧洞计算的损伤演化方程。在仅考虑开挖荷载的条件下,依据实测围岩松弛深度数据,对所选取的损伤演化方程中的待定系数进行了反演。根据所选取的岩体损伤演化方程和反演得到方程待定系数,对锦屏二级地下实验室开挖过程进行了数值仿真,实现了围岩的卸荷松弛范围的量化评价。  (6)根据爆破振动监测数据,对洞室每层开挖的岩体振动场进行了反演,实现了每层开挖施工的爆破荷载定量化。结合损伤演化方程和岩体振动场的反演成果,对爆破荷载效应对围岩的扰动和卸荷松弛范围影响进行了计算分析。计算结论与地下实验室声波测试所揭示的规律基本一致。
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