基于能量耗散机制的深埋隧洞岩爆防控技术研究

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深埋隧洞在开挖扰动后,围岩中的能量会发生释放或转移。当围岩中的能量积累到一定程度并超过围岩的储能极限时,多余的能量会被释放从而形成岩爆等灾害。因此,对提前释放与吸收多余能量的岩爆防控技术进行研究,具有降低深埋隧洞工程岩爆风险的重要意义。本文基于能量耗散思想,首先对秦岭输水隧洞岩爆和微震能量进行分析以寻求两者联系;其次结合现场试验与RFPA数值手段,研究不同直径以及双排的超前应力释放钻孔防范岩爆的效果;最后引入支护系统吸能能力提前被消耗的理念,改进传统锚杆支护设计方法并进行数值验证。主要研究工作如下:(1)对秦岭输水隧洞岭南TBM段岩爆特征与微震能量进行分析,发现了现场岩爆的分布规律与不同等级岩爆对应的微震能量关系,为现场及数值手段分析岩爆防控技术效果提供了依据。分析高能量等级的微震事件空间分布规律,发现与现场岩爆发生特征具有良好对应关系。(2)从岩爆发生情况与微震能量角度,对秦岭输水隧洞三次超前应力释放钻孔试验进行效果分析。建立无钻孔、不同直径以及双排钻孔隧洞模型,通过RFPA数值手段进行围岩应变能和声发射能量分析。结合数值结果,揭示隧洞开挖时应变能的变化规律,并研究不同钻孔方案提前释放围岩应变能、降低开挖后释放应变能的效果。通过声发射在不同能量区间的数量占比分析,进一步研究不同钻孔方案对于降低岩爆风险的效果。(3)利用RFPA数值手段对恒阻锚杆以及普通锚杆进行静力拉伸试验,并得出与室内拉伸试验高度相似的结果。通过分析能量支护理论并引入支护系统吸能能力提前被消耗的理念,改进了传统锚杆支护设计方法并给出支护方案设计方法。建立高地应力马蹄形断面隧洞数值模型进行数值计算分析,基于马蹄形隧洞边墙失稳结果与改进的锚杆支护设计方法进行恒阻锚杆支护方案的设计。分别建立采用同样支护方案的普通锚杆以及恒阻锚杆支护的隧洞模型进行数值分析,对改进的锚杆支护方案设计方法进行防控岩爆效果的验证。
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