基于超剪应力控制的岩爆防治措施研究

简要介绍了断裂型岩爆的超剪应力理论,初步讨论了爆破开挖扰动对超剪应力的影响,并从控制超剪应力的角度建议了相应的岩爆防治方法,给出了工程实例。研究表明,开挖动态扰动将使断裂两侧岩体在较低的超剪应力条件下就产生滑动,另外,高地应力条件下爆破开挖过程中地应力动态卸载扰动可以引起围岩中动态剪应力的增大,直接增大超剪应力,这两种情况都可能导致岩爆的发生。因此,可从控制爆破扰动的角度来控制岩爆的发生,具体措施有炮孔合理布置、起爆网络的优化和加强支护。     

基于CDEM的隧道卸压爆破及岩爆抑制效应模拟

硬岩隧道开挖过程中的岩爆灾害与隧道围岩的应力状态密切相关，卸压爆破可减缓围岩体应力集中程度，是一种直接有效的岩爆防治措施。以巴陕高速公路米仓山隧道岩爆段卸压爆破为例，运用GDEM-BlockDyna(块体动力学仿真系统)软件进行考虑高地应力和岩体非均质性条件的隧道分步开挖数值模拟分析；将卸压爆破作为唯一变量，进行了两组方案(是否进行卸压爆破)的数值模拟对比分析，并结合微震监测数据，对隧道围岩卸压爆破效果进行检验。结果表明:在隧道围岩分步开挖过程(未进行卸压爆破)的模拟中，围岩出现起裂损伤，应力集中和局部裂纹贯通等现象，并可能诱发岩爆灾害；在围岩卸压爆破条件下，围岩应力集中以及损伤程度有所降低，岩爆风险得到抑制。对比两组模拟结果，损伤均集中于拱顶及拱底，损伤半径比值(卸压/未卸压)分别为3.4倍(拱顶)、1.47倍(拱底)，损伤体积比值(卸压/未卸压)为5.36倍，但区域最大损伤量值从1(未卸压)降低到0.6(卸压)，且围岩应力峰值降低约5 MPa，应力梯度降低0.8 MPa ·m-1，表明围岩仍具有自稳能力，岩爆发生风险降低。相关结果可为隧道高地应力围岩段实施卸压爆破和合理设计卸压爆破方式提供理论依据。     

爆破开挖诱发的地下交叉洞室微震特性及破裂机制分析

白鹤滩水电站右岸地下多洞室间相互施工扰动,使得母线洞等交叉洞室围岩的微震活动规律及破裂机制十分复杂。引进南非IMS微震监测系统,研究高地应力、多面临空卸荷应力环境下交叉洞室围岩的微震特性及破裂孕育机制。根据地下厂房区围岩岩性、错动带及断层分布,选取监测效果较佳的传感器并合理布置;通过定点敲击试验进行波速反演,分析震源定位的精度;以10#母线洞掉块案例为工程背景,分析爆破开挖诱发的交叉洞室岩体破裂微震事件与能量释放时空演化规律,并基于S波和P波的能量比（ES /EP）,归纳、总结了掉块发生过程中岩体破裂演化机制：大量张拉事件发生（爆破冲击诱发）→拉剪、压剪事件发生→张拉事件、剪切事件交替发生（集中应力和节理综合影响）→掉块发生（重力和节理综合作用）。研究结果有利于优化白鹤滩水电站右岸地下洞室群交叉部位的开挖方案,同时对类似工程的开挖和支护具有重要借鉴意义。     

爆破扰动下TBM隧洞时滞型岩爆特征及影响机制研究

时滞型岩爆的发生通常具有很强的随机性,会对施工安全造成巨大的威胁,而开挖扰动、爆破扰动等均会对潜在时滞型岩爆区产生不同程度的影响。依托某隧道掘进机（TBM）引水隧洞,采用理论分析和对比分析法研究了拆机洞爆破开挖期间K54+000—K54+700段发生的5次时滞型岩爆,发现：（1）强烈岩爆和中等岩爆区位于缓倾断层附近,围岩发育短小隐节理和含充填的细密节理,轻微岩爆距断层远或位于正断层附近,除含充填的细密节理外,均至少发育1条含充填物的倾向SW的陡倾结构面;（2）TBM法开挖隧洞时滞型岩爆滞后爆破时间更长,滞后工作面距离更远,且爆破对TBM隧洞的扰动作用相对较小;（3）爆破扰动使得潜在时滞型岩爆区围岩失稳变得容易,从而加速了时滞型岩爆的进程。研究成果可为TBM隧洞时滞型岩爆的预警与防控提供参考。     

隧道岩爆的动力学机理及其控制的实验研究

隧道爆破开挖过程对隧道围岩的扰动,可以用弹性动力学的Lamb问题来描述。利用动态光弹性方法,对Lamb模型进行了验证,研究了冲击荷载下模型内应力波的传播、相互作用以及刻槽的拦截效应。结果表明：（1）冲击荷载作用下,模型内传播的有P波、S波和Rayleigh波,与Lamb模型的力学解答是一致的;（2）等差条纹图的分布规律,可以合理解释岩爆高发区段与开挖面的位置关系,认为P波和Rayleigh波的致裂作用和传播规律是岩爆发生的重要因素;（3）在模型表面的刻槽,可以实现对岩爆有突出贡献的Rayleigh波的大量拦截,说明在隧道表面切槽的岩爆控制方法是可行的。     

深部洞室围岩分区破裂化的冲击破坏机制研究

提出了深部洞室围岩分区破裂化的冲击破坏机制。即在岩体开挖引起的围岩应力重分布过程中,径向应力波波前产生应力不连续间断面,当波前应力降满足一定条件时,产生局部冲击破坏。根据弹性动力学理论,应用位移势函数,通过Laplace变换简化计算,推导了洞室开挖瞬间围岩径向应力场的动力学理论解,得到了发生各次分区破裂化时,波前径向应力降的统一计算公式。根据质点速度、间断面压力降,由动量守恒定律推导了围岩分区破裂化的冲击本构方程和破坏准则,得到了产生冲击破坏的间断面压力降临界值计算公式。给出了分区破裂形成后各破裂区半径的表达式,关系式表明,各破裂区之间存在等比关系,其等比值为 。     

卸荷诱发巷道模型岩爆的发生机理实验研究

以“巷道-围岩”系统为研究对象,以水平应力卸荷操作模拟工程现场的巷道周边矿岩开挖卸荷作用,再现了巷道卸荷岩爆。实验结果指出,巷道卸荷岩爆经历了“平静期→小颗粒弹射→片状剥离→片状剥落”的演化过程,在巷道内壁产生“岩爆→应力调整→应力调整失败→再次岩爆”的多次岩爆过程,最终形成“V”字型岩爆坑。卸荷条件下,不同水平应力的巷道模型岩爆将产生不同的破坏,形成了不同的破裂面。理论推导得出卸荷前巷道围岩的应力分布规律,运用修正Griffith破坏准则,计算了不同水平应力（8.9MPa、13.3MPa、17.8MPa）卸荷后巷道围岩发生岩爆破坏的竖向起裂应力,构建了巷道边壁“V”字型岩爆坑的计算模型。研究得出水平应力存在一个影响竖向承载能力的应力点（13.3MPa）,当水平应力小于13.3MPa时,水平应力与竖向起裂应力呈正相关;当水平应力大于13.3MPa时,水平应力与竖向起裂应力呈负相关。对左右边壁应变能累积区域的信息进行量化处理,得出相较8.9MPa和17.8MPa,水平应力为13.3MPa的左右边帮应变能集中区域的累积能量最大,集中区域与边壁的距离最短。     

北京大台井深部岩巷岩爆发生条件及影响因素

大台井岩爆类型为巷道围岩表部岩石破碎爆裂弹射的混合应力型。随采深增加,岩爆的烈度等级加大。岩爆的发生存在一个临界深度。影响岩爆的因素极为复杂。主要有地应力、岩石的结构与性质、开挖(开采)的深度、硐室开挖的形状及尺寸、地质构造与地形地貌、人工爆破等。岩石质地坚硬,结构完整是影响大台井岩爆的基本因素。埋深较大,造成铅垂地应力较高。煤层急倾斜,地质构造特殊,水平地应力较高。构造应力参与是其重要因素。     

基于微震信息的硬岩新生破裂面方位特征矩张量分析

为了更清晰直观地了解高应力下硬岩破坏（岩爆、片帮、应力型塌方等）孕育过程中岩石破裂演化过程,根据岩石破裂面的特点,依据微震监测数据的矩张量结果,推导并得到了岩体破裂面空间方位计算方法,在此基础上给出了根据运动夹角? 来判断岩石破裂类型的确定方法。借助此方法,在实例研究中进一步证明了深埋隧洞矩张量分解判断破裂类型分析方法的可靠性。依托锦屏二级水电站深埋引水隧洞这一典型工程,依据破裂面的方位角、倾角特征和岩爆宏观破坏情况,初步探究了即时性应变-结构面滑移型岩爆的孕育过程：在岩爆孕育初期,以张拉破裂为主,由于硬性结构面的存在,在开挖扰动应力调整初期,破裂面由岩体浅层往岩体较深层硬性结构面扩展,张拉破裂面尖端接近硬性结构面时,硬性结构面上发生剪切滑移,若较深层岩体内部还有其他硬性结构面存在,则在该硬性结构面尖端,除随着岩体浅层切向应力的持续增大,往开挖面扩展外,继续以张拉破裂面型式往深层扩展,至较深层硬性结构面上剪切破裂产生,最终以剪切滑移面为破坏面边界往开挖面发展,并最终将岩体抛掷而出。     

关于脆性岩体岩爆成因的理论分析

大型工程开挖中,高地应力环境下高储能脆性岩体通常会通过脆性破裂快速释放应变能,产生岩爆。针对这类岩爆现象进行了一系列理论探讨,认为:(1)开挖条件下脆性岩体的岩爆破坏主要为张破裂或者张剪性破裂,破裂角一般较小,呈薄片状或刀口状。笔者认为开挖产生次生张应力和压剪应力条件下微裂纹裂尖出现张应力是可能的,因此采用格里菲斯强度理论研究开挖岩体破裂是有效的;(2)以格里菲斯强度理论为基础,分析了岩体在二维和三维情形下的岩爆破裂应力判据和破裂角,指出在有张应力的条件下,岩体的剪破裂角会减小,直至为零,这就解释了开挖面附近薄片状、刀口状破裂现象的原因;(3)分析了脆性岩体岩爆破裂的能量过程,指出张性破裂所耗能量较小,而张剪性和压剪性破裂耗能较高。认为岩爆破裂消耗的能量主要转化为新生裂纹的表面能和破裂碎片的动能,并指出表面能所占比例较动能为小。由此解释了脆性岩体岩爆破坏以动力效应为主的特征;(4)本文理论分析成果的工程应用价值在于:可以预示开挖脆性岩体破裂部位、破裂方式和破裂范围;提出岩爆破裂的张性应力控制依据。     

隧道地应力测试及岩爆预测研究

高地应力以及由此诱发的地质灾害（如岩爆等）是目前隧道施工中经常遇到的工程地质问题,地应力测试则是进行隧道岩爆及其其他灾害预测预报的重要内容,利用岩石声发射Kaiser效应测试地应力应用较为广泛,作者采用岩石声发射Kaiser效应法对隧道岩体初始地应力场进行了测试,结果表明,笔架山隧道应力总体状态为稳定型,岩体应力量级普遍较低。利用所测得的地应力场数据,结合国内外相关岩爆判据判定和理论分析,进一步得出笔架山隧道不会发生岩爆的结论。通过2D-σ有限元数值模拟,对笔架山隧道开挖中是否会产生岩爆等施工地质灾害做出了最终的判定,这种综合预测方法的准确性和可靠性较以前单一的岩爆预测方法大大提高,在岩爆预测理论和工程应用方面具有很好的参考价值。     

浅析隧洞围岩宏微观结构与岩爆

文章分别分析了隧洞围岩的宏观结构因素（结构面发育情况，结构面与硐室或隧道轴线的关系及与最大主应力的关系等）及微观结构因素（岩石矿物颗粒的排列、颗粒间的联接以及粒间的空隙特征等）对岩爆的影响。分析表明，围岩的宏、微观结构与岩爆发生及发生的强烈程度有紧密的关系。在实际工程中，这一认识对岩爆问题的正确评价无疑是十分有益的。     

虹梯关隧道围岩岩爆分析

虹梯关隧道隧址围岩以硬质岩为主,该隧道属特长深埋隧道,其附近地质构造也十分发育,工程地质条件复杂,发生岩爆可能性很大。通过对岩爆影响因素的分析,采用水压致裂法地应力测试,经陶振宇判别法、切应力准则等应力判断方法,认为虹梯关隧道隧址部分地段可能会发生轻微～中等岩爆。     

Effects of joint orientation and rock mass quality on tunnel blasting

It is a well known fact that rock mass properties influence the process of fragmentation considerably. Model blasts and field investigations were carried out to find the effects of rock mass quality and joint orientation on tunnel blasting. Propagation of shock waves are partially restricted by joint planes. It was observed that the blast results (i.e., average fragment size and depth and cross-sectional area of the broken zone) were considerably influenced by joint orientation. Accordingly, it has been concluded that loading equipment with a larger capacity and deeper blast holes are required in formations with joint planes perpendicular to the tunnel axis. The number of blast holes, however, should be greater when joints are parallel to the tunnel axis. Furthermore, the powder factor (kg/m³) has been found to be directly related to rock mass quality (Q). Optimisation of pull, powder factor and overbreak is required in the case of weak formations with joints perpendicular to the tunnel axis. The use of contour blasting technique seems to be essential in poor and fair rock masses to minimise the overbreak, reduce the support cost and improve the stability of the opening.     

直墙拱形巷(隧)道岩爆试验及劈裂与剪切分析

针对岩爆试验及监测研究的不足,开展了直墙半圆拱形巷（隧）道岩爆单轴压缩试验、声波监测及岩爆破裂的劈裂与剪切分析。结果表明,巷（隧）道围岩呈现起伏粗糙破裂面和劈裂后的薄块体,试样整体也呈现出明显的劈裂岩爆现象;波速可以很好地反映围岩内部损伤演化进程,将围岩波速由持续不变到开始变小点作为临界损伤点,可以通过监测波速变化进行围岩岩爆的预测预报;通过监测声波波形尤其是对波形稀疏、周期变长的监测,可以很好地掌握围岩内部的全程发展变化情况;通过综合监测声波的波速、波形稀疏、周期变长,达到定性、定量相结合,及时、准确地预测、预报岩爆,以保障人员、设备安全;得出了由应力强度比和压拉比来判定劈裂岩爆发生的综合表达式以及与应力强度比岩爆烈度分级标准相对应的压拉比数值;劈裂岩爆发生的应力强度比即应力判据在0.27～0.80之间（R为10～30时）;随着满足劈裂岩爆发生的应力强度比的增大,其越接近满足剪切破坏条件,破坏主要形式将向剪切破坏方向发展。     

深埋大理岩力学特性对岩爆发生条件的影响分析

岩爆作为深埋地下工程围岩的一种破坏方式,其发生条件受多种因素的制约。根据在锦屏二级深埋隧洞掘进过程中的岩爆统计结果,即使应力条件和岩体强度达到一定的要求,岩爆发生与否以及剧烈程度还与岩体力学特性有密切的联系。锦屏二级深埋隧洞沿线以大理岩为主,为此开展了大理岩力学特性与岩爆发生关系的相关研究工作。根据大理岩三轴压缩试验结果,验证了大理岩的脆-延-塑转化特性,确定了锦屏白山组大理岩的转化围压和相关的Hoek-Brown强度参数,并利用经验的方法初步评价了锦屏深埋大理岩的岩爆风险。为了进一步明确岩体力学特性对岩爆风险的影响,利用现场实际的岩爆破坏形态,通过考察不同深度处测点的应力路径,校核了现场岩体的力学参数。在此基础上分析了具有岩爆风险的围岩力学状态,分别研究了岩石强度、岩体完整性和岩体脆性特征对岩爆发生条件的影响。研究结果表明,锦屏大理岩岩石强度和脆性特征可以影响到锦屏深埋隧洞围岩岩爆风险程度,但其影响相对较小,而岩体完整性对岩爆风险形成具有比较明显的影响。     

秦岭公路隧道2号竖井地应力与岩爆分析

秦岭公路隧道2号竖井主要位于混合片麻岩地层中,高地应力和岩爆是该竖井的主要工程技术难题。根据竖井的工程地质资料和邻近工程水压致裂法地应力测试结果,采用三维有限元法对竖井工程区域内的初始应力场进行反演回归分析研究:竖井地应力存在较大的水平地质构造应力,地应力分区分布,水平地应力最高达到28.7MPa,垂直地应力基本受岩体自重控制。在地应力场分析的基础上,利用陶振宇岩爆判据对竖井进行岩爆预测,竖井岩爆为轻微或中等类型;并采用脆性岩体的常偏应力准则,模拟分析竖井岩爆破坏区的深度,岩爆区最大深度为0.6m。通过与竖井开挖后岩爆状况进行比较,结果表明反演得到的竖井地应力和岩爆分析是合理的。     

地下工程岩爆预测的综合集成方法

鉴于地下工程中岩爆预测的各种方法的局限性以及预报准确率低的现状,提出了地下工程岩爆综合集成预测的学术思路。这种学术思路将定性预测与定量预测相结合、单因素预测与多因素预测相结合,引入处理复杂性问题行之有效的非线性科学理论,对岩爆进行综合集成预测。详细介绍了岩爆预测的综合集成方法,包括：地质分析预测法、应力强度比法、层次分析—模糊评判法和神经网络法,并将其应用于雅砻江某水电站交通隧道岩爆预测中,取得了较好的效果。     

基于隧洞超前地质探测和地应力场反演的岩爆预测研究

岩爆是高地应力地区影响地下工程施工的主要地质灾害,岩爆预测已成为地下工程的世界性难题之一。地层的岩性条件和地应力的大小是影响岩爆发生的两个最根本因素,对这两个因素的准确判别将直接关系到岩爆预测的成功与否。根据工程的区域地质资料,利用FLAC3D程序建立了该区域的数值计算模型,并结合工程现场实测点的主应力数据,采用径向基函数神经网络,反演了计算区域的初始地应力场。基于现场岩石力学试验和TSP203探测技术,获取了岩爆高风险区域的地层岩性条件。最后结合地应力反演数据和TSP探测结果,对掌子面前面长距离范围内的岩爆强度进行精细预测。工程实际应用表明,该方法可操作性强,岩爆预测结果与实际开挖情况较吻合。