【摘 要】
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在国家“碳达峰、碳中和”的远景目标下,水电能源在我国能源结构中的位置必将愈发重要。水电能源储量最为丰富的西南地区多为高山峡谷,故水电工程建设多采用地下厂房及交通隧洞,建设过程中涉及大量深部岩体爆破开挖。目前,针对深埋洞室爆破施工过程中损伤孕育和能量场演化过程的研究尚不够深入,岩体开挖诱发的以岩爆为代表的高应力破坏问题的控制手段须继续发展。因此,开展深埋隧洞爆破开挖效应及安全控制方面的研究具有重要的
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在国家“碳达峰、碳中和”的远景目标下,水电能源在我国能源结构中的位置必将愈发重要。水电能源储量最为丰富的西南地区多为高山峡谷,故水电工程建设多采用地下厂房及交通隧洞,建设过程中涉及大量深部岩体爆破开挖。目前,针对深埋洞室爆破施工过程中损伤孕育和能量场演化过程的研究尚不够深入,岩体开挖诱发的以岩爆为代表的高应力破坏问题的控制手段须继续发展。因此,开展深埋隧洞爆破开挖效应及安全控制方面的研究具有重要的理论与现实意义。本文针对爆破损伤对深埋隧洞岩爆孕育的影响机理及控制这一科学问题,采用理论分析、现场试验以及数值仿真相结合的方法,开展了系列研究,论文的主要研究内容及研究成果如下:(1)通过理论分析研究了炸药爆轰波作用在孔壁的力和冲量,提出了基于炮孔壁爆炸荷载法向等效施加及同时考虑拉、压、剪屈服的隧洞轮廓爆破效应模拟方法,并采用数值模拟结合理论计算与原位监测的方式进行了验证。结果表明,该方法的模拟结果与理论值的误差为2.8%,与原位监测结果的误差为1.7%~10.5%,可以有效模拟开挖边界近区岩体动力响应;相比原有在孔壁施加爆炸荷载的模拟手段,新方法可使最大网格尺寸与最小网格尺寸比值减小82%,计算时间减少50%~87%,大大提高了计算效率。(2)采用上述方法,通过理论分析结合数值模拟的手段研究了地应力水平对隧洞开挖爆破损伤孕育的影响,从围岩应力路径及损伤构成进行分析,指出了爆炸荷载及地应力对爆破损伤孕育的主导区间及各区间内的损伤机制。结果表明:随着地应力水平的增大,隧洞开挖爆破损伤深度和损伤面积均呈现先减小后增大的趋势,分界点约为12.5MPa;在减小阶段,爆炸荷载是爆破损伤形成的主导因素,主要造成拉剪损伤,在增大阶段,二次应力场起决定性作用,主要造成压剪损伤。进一步分析了静水压力条件下地应力对爆破损伤起“抑制作用”的原因,发现静水应力场的存在可以提高岩体的拉剪屈服极限,在一定程度上降低压缩屈服极限,且爆破损伤的主要形式是拉剪损伤,故静水压力条件下地应力对爆破损伤的孕育与发展不利。(3)基于现有的岩爆判据指标,提出了局部能量释放效能的岩爆倾向性评价指标,认为岩爆倾向性是能量释放量和能量释放速度共同作用的结果,并采用加拿大地下实验室试验洞的数据对指标进行了验证,结果表明:能量释放效能指标预测的爆坑最大半径在2.20~2.26m之间,为开挖断面半径的1.26倍~1.29倍,与岩爆实录的1.3倍较为接近,且位置相同,可见局部能量释放效能指标可有效预测岩爆发生的位置和范围,为围岩开挖过程中能量及岩爆倾向性的演化提供定量描述。进一步针对爆破损伤条件下深埋隧洞开挖岩爆孕育问题,以能量释放效能为指标,分析了爆破损伤对岩爆倾向的影响,结果表明,爆破损伤会影响围岩能量的积聚形态,不同的爆破设计方案导致围岩损伤的演化过程不同,从而导致围岩能量的释放过程不同,进而影响岩爆倾向性。(4)基于爆破损伤对岩爆孕育的机理,针对深埋隧洞开挖岩爆倾向性控制,分析了开挖轮廓面近区爆破设计对保留岩体损伤孕育及岩体开挖岩爆倾向性的影响并提出了控制方法,结果表明:1)地应力、崩落孔设计及光爆孔设计对保留岩体的最终损伤有较大的影响,采用现有崩落孔设计方法,崩落孔的起爆对最终损伤区的贡献较少,最终损伤主要由光爆孔爆破产生;采用加强装药的手段增大崩落孔产生的损伤,可使围岩的能量积聚区域提前内移,进而可以减小光爆孔爆破时岩体释放的能量,进而控制隧洞开挖岩爆倾向性。2)爆破损伤会优先向大主应力方向扩展,且会减缓小主应力方向上的裂纹发展,而隧洞开挖后,大主应力方向为切向,小主应力方向为径向,故主爆区域的开挖形成的二次应力场是有助于光爆孔的成缝及光爆孔对保留岩体的损伤控制的,通过分析崩落孔起爆后光爆孔位置应力的变化,可优选光爆孔起爆时机;结合崩落孔损伤优化策略,光爆孔位于崩落孔起爆后形成的损伤区内,因此该区域的岩体质量下降,可以减小光爆层岩体的单耗或光爆孔的装药密度,进而减小光爆孔对保留岩体的损伤。
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