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。     

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。     

分幅开挖方式下高应力硬岩地下洞室的微震特性及稳定性分析

高应力硬岩大型地下洞室开挖卸荷导致围岩片帮、塌方事故频发,严重威胁现场施工人员及设备的安全。从降低围岩局部破坏风险的角度考虑,白鹤滩水电站右岸主变室第Ⅳ层采用分幅开挖方案。通过构建微震监测系统,研究分幅开挖下岩体的微震特性及稳定性,监测结果表明：上游半幅开挖诱发的微震事件、能量大于下游半幅诱发的,且上、下游半幅开挖均表现出了掌子面贯通前微震事件、能量增大的特性,这主要受两相向掘进掌子面前方支承压力叠加的影响;上游半幅开挖诱发微震事件频发且出现了丛集现象,下游半幅开挖诱发的微震事件较少且事件空间分布离散,规律性不明显;采用Schmidt数、事件活动率与累积视体积、能量指数与累积视体积评价研究区域的稳定性,结果显示,较之于应变硬化阶段,处于应变软化阶段的岩体发生不稳定变形破坏的风险较大。研究结果可为白鹤滩水电站地下洞室施工方案的优化提供重要参考,同时也可为其他类似工程的施工提供借鉴。     

乌东德水电站地下厂房层状岩体稳定性及变形机制

乌东德水电站右岸地下厂房洞室群密集、开挖规模大、地质条件复杂,开挖期间变形破坏问题突出。在地应力实测资料、工程地质特性、开挖过程分析的基础上,利用离散元程序对右岸地下厂房开挖过程进行数值模拟,再现不同模型的应力场、位移场演化过程,分析陡倾角层面对于主厂房变形的影响作用。同时,构建高精度微震监测系统,对开挖诱发的微震活动实时在线监测;分析微震事件聚集规律、S波及P波能量比值Es /Ep分布特征,识别和圈定潜在风险区域,揭示围岩变形机制。微震监测与数值模拟结果表明：在开挖卸荷作用下,陡倾角层面附近岩石破裂,微震事件聚集,能量释放,引起围岩变形破坏。围岩以结构面控制的应力驱动型张拉破坏为主,并伴随少量重力驱动型变形。该研究结果为乌东德水电站地下厂房的开挖和支护设计方案提供重要依据。     

不同倾角多层节理深部岩体开挖变形破坏规律模型试验研究

深部资源开发中地下洞室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,目前深部多裂隙岩体开挖强卸荷引起的围岩变形破坏规律尚不清楚,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用大尺度三维模型相似试验系统,分析具有不同倾角的多层节理的岩体在高地应力下开挖变形破坏规律。试验结果表明：裂隙倾角较小时,隧道上、下侧围岩主要发生大变形,左、右侧围岩呈现分层破裂现象,随着裂隙倾角增大,破裂区从洞室左、右两侧逐渐扩展到洞室全周,顶部岩体越容易发生大体积滑塌;隧道围岩由内向外应力和位移值呈波动状分布;洞周塑性区范围随裂隙倾角增大而增大,裂隙倾角越大,洞周塑性区越容易与洞室上、下侧裂隙面连通。该研究为保障深部工程的安全修建与运营提供了试验基础。     

基于离散元模拟和微震监测的白鹤滩水电站左岸地下厂房稳定性分析

针对白鹤滩水电站地下洞室群开挖过程围岩稳定问题,基于离散单元法的数值仿真软件3DEC,研究开挖卸荷作用对围岩变形和破坏的影响;引入微震监测技术,对洞室围岩内部微破裂演化实时监测和分析,并将数值模拟结果与微震监测数据对比分析;借助常规位移监测研究围岩宏观变形的时空演化规律,验证数值模拟和微震监测结果的准确性。研究结果表明,围岩损伤与现场施工状态密切相关,同时受各种地质结构影响;数值模拟得到的围岩变形特征与微震监测得到的微震事件聚集规律基本一致,且与常规监测结果对应良好,采用三维离散元数值模拟和微震监测技术相结合的综合研究方法,能够较好地描述围岩在开挖卸荷作用下的力学行为,有效评估洞室围岩的损伤特征和潜在风险区域。     

柱状节理玄武岩隧洞破坏模式及其力学机制模拟

柱状节理岩体由于其内部赋存大量的隐节理面,开挖卸荷后极易出现隐节理面开裂松弛等特征,导致其破坏模式异于一般岩体。其破坏模式主要受到异常发育的节理面和较高地应力的共同作用影响。由于柱状节理岩体节理面发育,岩体结构控制型破坏占主要部分,包括单临空面节理面滑移（塌方）、多临空面节理面滑移（塌方）、与错动带、断层等弱面相组合的坍塌等破坏模式;应力控制型破坏主要为河谷侧顶拱喷层开裂;应力-结构面型破坏主要为岩性交界处的节理岩体塌落等。柱状节理岩体表层主要发生柱内竖直隐节理面和柱间节理面的拉破坏,而围岩内部的柱状节理主要发生柱间节理面的剪切破坏。因此,现场柱状节理的支护也应主要包括两个方面：以喷射混凝土钢纤维来阻止柱状节理岩体表层的张性开裂,以系统锚杆来控制柱状节理岩体内部的剪切破坏。     

深部隧洞掘进开挖瞬时卸荷动态破坏研究

瞬时卸荷是岩体开挖形成的瞬时岩体应力释放和调整。针对高应力区隧洞岩体开挖瞬时卸荷过程,通过能量守恒推导出了瞬时卸荷位移公式;基于Kachanov准则对构件的脆性破坏理论推导出隧洞侧壁围岩卸荷的初始破裂时间和完全破裂时间,并得出完全破裂时间等于岩体开挖卸荷完成时间;通过锦屏二级水电站某隧洞瞬时卸荷分析得出岩体在开挖瞬时卸荷条件下会产生岩爆,并且卸荷岩体的初始破裂时间较完全破裂时间短,但破裂却已很明显。     

改进的遍布节理模型及其在层状岩体地下工程中的应用

基于显式有限差分程序FLAC3D,针对层状岩体建立了可以考虑其横观各向同性变形特性的遍布节理模型。通过FLAC3D程序的预留接口导入程序,将该改进的遍布节理模型中植入FLAC3D动态链接库。在此基础上进行了层状岩体变形与强度各向异性特性的研究,最后将该模型应用于龙滩水电站巨型地下硐室群的层状岩体围岩变形及破裂特征分析。研究表明,围岩变形主要表现为岩层同性面内的变形,其左右边墙变形不对称性主要受断层切割控制;围岩破坏型式以剪切破坏为主,其中岩体整体破坏受断层控制,表现为中低应力条件下的拉剪或压剪破坏;而开挖引起的岩层破坏受制于陡倾角层状岩体结构,表现为层间错动引起的剪切破坏。     

基于微震矩张量的矿山围岩破坏机制分析

微震是矿山岩体损伤的重要信号,并被用于矿山围岩稳定性分析。为应用矩张量理论,研究矿山开采围岩破坏机制,对理论运用中的关键问题提出了解决办法:(1)通过引入适于矿山岩体应力状态的矩张量三分量分解模型,解决了由于矿山应力状态不确定带来的矩张量分解方程组求解的不确定问题;(2)针对Ohstu提出的矩张量岩体破坏模式判据的不足之处进行了讨论和修正,使其适于矿山岩体工程岩体破坏模式分析。利用改进后的矩张量分析方法对冬瓜山铜矿的部分巷道围岩破坏机制进行研究,印证了冬瓜山巷道围岩破坏是一种以剪切破坏为主,多因素综合作用的破坏形式的结论。当巷道穿过不同岩层接触带时,微震事件在接触带附近积聚,表明巷道围岩出现剪切破坏带并形成冒落区;位于单一岩层中的巷道围岩中的微震活动较为分散,破坏原因多为围岩应力集中,破坏形式表现为局部性围岩冒落。     

白鹤滩水电站层间错动带工程地质特性

白鹤滩水电站层间错动带结构松散、水理性质不良、力学性质差且延展范围广,是地下空间围岩体中的弱结构面,控制围岩体的变形破坏。在大量地质勘探及室内试验研究资料基础上,将白鹤滩工程区的层间错动带划分为节理带、劈理带和泥化带,有利于其力学特性的研究;在分类的基础之上,研究了C2、C4层间错动带中不同带区的形成模式、宏微观结构特征、矿物成分、水理性质以及剪切力学特性等主要工程地质问题,认为白鹤滩层间错动带主要是构造成因,不同带区在黏土矿物含量、微观结构以及水理性质等方面差异明显,错动带的剪切位移曲线整体呈理想弹塑性特征;分析了施工期层间错动带的地质特性对工程岩体的影响,含层间错动带围岩体主要存在3种破坏形式：块体塌落、剪切滑移与渗透破坏。     

3D numerical model for dynamic loading-induced multiple fracture zones around underground cavity faces

Three dimensional numerical modelling was used to examine the fracture responses around cavities in rock masses experiencing the stress of excavation. In addition to the primary fracture zone in the near-field, numerical modelling generated a second fracture zone in the far-field and an elastic non-fracture zone between the two fields, i.e., fracture and non-fracture zones occurred alternately around a deep cavity. Further research illustrated that the dynamic load and static stress gradient are two necessary precursors for a far-field fracture in the excavation process. Neither quasi-static loading nor homogeneous stress conditions could induce a far-field fracture. A simple theory is introduced, suggesting that multiple fracture zones occur during excavation due to both the initial stress gradient and the dynamic load. This finding indicates that it may be possible to induce continuous rock fractures in deep underground rock masses by employing optimal excavation methods to generate multiple contiguous fracture zones.     

某大型地下洞室群围岩稳定性分类研究

根据地下洞室群的特点 ,选取岩体质量综合级别、块体状况、开挖位移及破坏区、岩爆烈度四因素为分类指标 ,建立了大型地下洞室群围岩稳定性分类体系。针对不同稳定性等级 ,提供了相应的开挖方式和支护处理建议。最后 ,运用该分类体系对某地下洞室群的主厂房进行了分析评价。     

白鹤滩水电站左岸坝肩开挖边坡稳定性分析

白鹤滩水电站左岸坝基边坡地质构造错综复杂,坡内多条陡倾断层和顺坡向错动带是控制边坡稳定性的主要因素。结合现场地质资料、监测数据及勘察认识,利用通用离散元软件UDEC建立左岸边坡开挖变形分析模型。首先在无支护开挖工况下研究主要结构面F17、LS331、LS3319上下盘岩体关键点应力及位移变化,并指出潜在失稳破坏区;同时采用预应力锚索单元在不同施工时序下对潜在不稳定块体进行加固计算,对比研究了不同方案下左岸边坡的变形破坏机制和整体稳定性。计算结果和现场监测表明：左岸边坡变形破坏与结构面密切相关,在开挖卸荷作用下主要表现为沿错动带的压剪破坏和陡倾断层的张拉破坏,采用预应力锚索加固处理能够有效提高边坡稳定性,并且在开挖后及时跟进支护可以有效抑制边坡剪切变形。研究结果对白鹤滩左岸坝基边坡后续工程加固和施工工序具有一定的参考价值。     

裂隙随机分布条件下地下石油洞库水封性评价

以国内首个大型地下水封石油洞库工程为背景,在考虑洞库围岩节理裂隙的随机分布特征基础上,采用离散介质 流-固耦合理论对大型地下石油洞库水封性进行了评价。介绍了地下水封储油洞室水封原理与水封准则。通过室内结构面剪切试验获得了结构面参数,采用Barton-Bandis剪胀模型对结构面参数进行了校验。根据库区节理裂隙统计结果,建立了洞库围岩的随机节理裂隙网络模型。分析了不同水幕压力条件下洞室开挖后地下水压力分布情况、涌水量大小和洞库围岩变形与受力情况。分析表明：在水幕压力大于或等于75 kPa的条件下,洞室周围地下水压力满足水封准则;在水幕压力为75 kPa条件下各洞室涌水量在0.003~0.015 m3/d之间,拱顶沉降量在16~32 mm之间。研究结果可为地下水封石油洞库水幕系统设计提供依据。     

拉-压应力状态下脆性岩石强度及破坏机制颗粒流模拟

高地应力区地下岩体工程开挖常形成围岩拉-压应力状态,发生岩体张性破坏灾害。本文针对传统PFC平行黏结模型不能模拟脆性岩石高单轴压缩与拉伸强度比的问题,建立双抗拉强度参数的平行黏结强度准则,开展岩石拉-压数值模拟试验,得到了与物理试验接近的拉-压强度,实现了岩石高压拉强度比的模拟,并深入分析了破坏机制。研究结果表明随着围压的增加,破裂面倾角逐渐增大,由拉伸破裂转化为拉-剪破裂,发现了拉-压应力状态下破裂面处的雁行裂纹。根据细观颗粒位移场揭示了破裂面力学性质,随着围压的增加(破裂面倾角逐渐增大),破裂面张性逐渐减弱而剪性增强。可将拉-压应力状态下岩石损伤演化过程大致分为弹性变形阶段、稳定破裂发展阶段、不稳定破裂发展阶段和整体破裂阶段(峰后应力跌落及残余阶段)。围压较大时弹性变形和稳定破裂发展阶段相对较短,不稳定破裂发展阶段相对较长较剧烈,峰后残余阶段破裂面摩擦更强、应力波动较大。