隧洞开挖重复爆炸荷载作用下围岩累积损伤特性

隧洞毫秒爆破开挖推进过程中,预留岩体在重复爆炸荷载作用下产生不可逆的损伤叠加。而现有的岩体爆破损伤数值模拟基本都是针对单孔装药和单段爆破,很少涉及实际工程中的重复爆炸。基于LS-DYNA程序的用户自定义材料接口,将统计损伤演化模型嵌入到弹塑性本构材料中,模拟圆形隧洞全断面毫秒爆破过程中重复爆炸荷载作用下的岩体累积损伤效应,并考虑地应力对岩体爆破损伤的影响。计算结果表明,围岩损伤范围和损伤程度随重复爆炸荷载次数而增加,在一个爆破进尺内,围岩损伤的临界峰值质点振动速度较单段爆破降低了12%;爆炸荷载作用下,围岩主要表现为拉损伤,围岩地应力对爆破张拉效应起到非常敏感的"抑制"作用,在2¹0 MPa应力水平时,围岩爆破累积损伤范围随着应力增加而明显减小,围岩损伤的临界峰值质点振动速度增加24%10 MPa应力水平时,围岩爆破累积损伤范围随着应力增加而明显减小,围岩损伤的临界峰值质点振动速度增加24%⁵7%。     

高静载条件下受频繁动力扰动时蛇纹岩动力学特性研究

基于改进的分离式霍普金森压杆（SHPB）岩石动静组合加载试验系统,进行了在不同静力轴压条件下受频繁动力扰动作用的动力学试验,研究蛇纹岩在高静载下受频繁冲击扰动过程中的动态变形特性、动态峰值应力和应变、能量变化规律和岩石破坏模式等动力学特性。研究结果表明：高静载条件下受频繁冲击扰动作用时,在动态峰值应力前,动态应力与应变呈正相关关系,而在动态峰值应力后,出现变形回弹和不回弹两种现象;随着动力扰动次数的增加,岩石动态峰值应力减小、动态峰值应变增大、动态变形模量减小、岩石由释放能量向吸收能量方向转化;随着预加静力轴压的增大,单次冲击过程中岩石损伤加剧,岩石破坏需要的扰动冲击次数减少,同时岩石由拉伸破坏模式向压剪破坏模式转变,破坏块度由小变大、均匀度降低。试验结果对揭示深部岩体承受高地应力和频繁开挖爆破等动力扰动作用下的破坏机制具有重要意义,同时为工程实际中通过调整围岩静应力状态和爆破以提高围岩长期稳定性的可行性提供了室内试验支持。     

深部隧道爆破开挖诱发围岩损伤与扰动效应数值分析

现阶段,不同地应力条件下深部岩体受爆破作用的损伤破坏分析尚显不足。为了研究深部隧道围岩爆破开挖损伤破坏规律,基于有限元软件ANSYS/LS-DYNA,采用Riedel-Hiermaier-Thoma本构模型,对不同地应力环境下隧道爆破效果影响因素、围岩扰动范围等问题进行数值分析。结果表明：双向等压隧道的断面损伤程度与地应力水平呈负相关;随着地应力上升,地应力对隧道底板的损伤抑制作用渐为明显;隧道腰部围岩受爆破扰动较为突出,其应力和振动速度均随侧压力系数增大而大幅升高,且振动速度增幅超过40%,明显高于顶部围岩;在垂直应力20 MPa条件下,腰部测点应力、振动速度幅值随侧压力系数增加而增大的趋势较缓;当垂直应力升高至60 MPa时,侧压力系数对围岩扰动的影响较大。相关结论对实际工程施工具有重要指导意义,同时对隧道围岩稳定性监测与支护参数优化具有一定参考价值。     

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。     

卸荷条件下围岩的细观损伤及力学特性研究

为了获得卸荷破坏过程中巷道/隧道围岩的细观损伤演化规律及力学响应,使用颗粒离散元法对围岩卸荷内部细观损伤进行了数值模拟,结合卸荷试验厚壁圆筒围岩试样卸荷破坏特征,分析了初始应力对围岩破坏及力学特性的影响。研究发现：（1）卸荷诱发的裂纹分布于试件内孔壁周围,在卸荷应力调整影响下,裂纹聚集并逐渐向外壁发散扩展,呈现类似沙漏型的损伤破坏。（2）卸荷作用产生的裂隙数量随着应力增加呈现指数增长,且卸荷后裂隙数量增长速度显著高于卸荷过程中裂隙数量增长速度。（3）当卸荷应力低于围岩单轴峰值强度的80%时,卸荷过程中应力能够充分调整,且在卸荷后保持稳定;而当卸荷应力高于围岩单轴峰值强度时,卸荷过程中应力调整不充分,卸荷后一段时间内应力会继续调整,导致围岩破坏。（4）初始应力对围岩卸荷损伤破坏及力学特性影响显著,应力越大,卸荷后围岩出现损伤破裂的时间越早。     

深部煤层卸压爆破防治冲击地压效果的数值模拟研究

卸压爆破技术可降低煤岩体中应力集中程度,有效避免冲击地压灾害的发生。以跃进煤矿23 130工作面卸压爆破工程为例,运用FLAC3D软件进行数值模拟,分析了不同条件下卸压爆破前后围岩应力分布和转移规律,并结合电磁辐射监测技术,对采掘现场卸压效果进行了检验。结果表明,装药量越大,应力峰值降低和转移越明显;煤层厚度越大,应力峰值降低越明显,但推移距离基本不变;采深越大,应力峰值降低越大,但峰值区推移距离减小;爆破区域的电磁辐射检测值降低明显,表明卸压爆破效果理想。综合利用数值模拟方法和电磁辐射监测技术,可为采掘区域合理确定爆破参数和有效降低冲击地压危险提供依据。     

侧压力系数对马蹄形隧道损伤破坏的影响研究

数值模拟研究了马蹄形隧道在不同载荷下从围岩初始损伤至失稳破坏的破坏过程,分析了侧压力系数 对隧道的初始损伤、拱顶位移、围岩应力分布特征和围岩损伤破坏模式的影响,研究结果表明,损伤机制与 密切相关,当 较小时,在空间上初始损伤分布具有较大的离散性,以拱脚、拱肩和拱顶位置为主;当 较大时,初始损伤以拱顶的拉伸损伤位置为主;拱顶垂直方向的位移随 的增大而减小,且随埋深的增加而增大;隧道围岩的最大和最小主应力随 的增大而增大,隧道围岩应力分布和应力集中程度受隧道形状的影响显著,在一定范围内,隧道形状比离自由面的距离作用机制更为强烈;在破裂模式上,当 较小时,裂纹以垂直方向开裂为主,随着 的增大转变为以水平方向开裂为主。     

考虑软弱夹层厚度的岩体力学响应及破坏特征研究

作为一种典型的地质结构,软弱夹层与硬脆性岩体共同形成了围岩层状复合结构,进而显著影响着隧洞围岩的稳定。以往对含软弱夹层的复合岩石的研究多集中于单轴、双轴或常规三轴,对隧洞临空面处真三轴应力路径下的复合围岩力学性质和破坏特征缺乏分析讨论。通过制作的含不同厚度的软弱夹层复合岩样,探讨了软弱夹层厚度对隧洞临空面围岩力学响应和破坏特征的影响。研究表明：软弱夹层厚度显著影响着复合岩样峰值应力和应变,随着厚度的增大,软弱夹层上方岩块向临空面方向的滑移变形逐渐增大,软弱夹层压缩变形逐渐减小;复合岩样靠近临空面的岩石单元破坏模式随着软弱夹层厚度的增大逐渐由拉剪混合破坏转变为张拉破坏,且宏观裂隙数量和破坏范围均逐渐减小,而远离临空面的岩石单元则由剪切破坏逐渐转变为基本无损伤断裂;不同厚度的隧洞侧帮复合围岩的破坏区域均集中在软弱夹层及其上方围岩处,软弱夹层下方围岩则基本保持稳定;在应力分布方面,软弱夹层厚度越大,最大压应力越向深部软弱夹层处转移,而拉应力区分布范围越小,但拉应力区深度越大。     

均质岩体中隧道围岩破坏过程的试验与数值模拟

采用模型试验与离散元模拟的方法,对均质岩体中隧道开挖后围岩的变形破坏过程进行了研究,并对围岩变形破坏过程中围岩应力及地表位移的变化规律进行了分析,模型试验结果与数值模拟结果取得了较好的一致性。研究结果表明：隧道开挖后,拱顶处围岩变形明显并出现裂缝,围岩破坏从拱顶开始,进而呈渐进式向上发展,最终形成稳定的塌落拱;开挖后,隧道围岩径向应力减小,隧道周边一定范围内围岩切向应力减小,且随隧道变形破坏的发展,围岩切向应力减小的区域逐渐扩大;隧道塌方后,拱底垂直应力增加,开挖结束至塌方开始期间地表位移增量最大,塌方期间地表位移增量最小。     

损伤条件下深部岩体巷道光面爆破参数研究

岩体条件复杂多变,为了提高光面爆破的适应性、改善光面爆破效果,对损伤条件下深部岩体巷道光面爆破参数进行研究。通过对深部岩体巷道光爆层原岩应力场、光面爆破机制和振动损伤特征进行分析,基于爆炸应力波和爆生气体综合作用理论,考虑高原岩应力和岩石损伤影响,提出了损伤条件下深部岩体巷道光面爆破参数确定的计算方法。研究表明, （1）高原岩应力相当于提高了岩石的抗拉强度,不利于炮孔初始裂纹的形成及贯通,宜减小周边眼间距;（2）岩石损伤后,其他条件不变,光面爆破的炮孔间距和抵抗线值可适当加大;（3）高原岩应力和损伤条件下,光面爆破的炮孔间距较小时,容易造成爆后围岩损伤,降低围岩的稳定性能,因此,提高爆破效果的同时应及时加强支护,以确保施工安全和围岩稳定;（4）本文提出的光面爆破参数计算公式,经现场爆破验证效果良好,适用于复杂多变的岩体环境。     

坑道口部管棚加固抗爆性能模型试验研究

正确评估管棚加固围岩的抗爆性能,对坑道口部防护设计十分重要。基于相似模拟理论,用不同配比的水泥土替代自然岩体和注浆岩体,用塑料管替代钢管,模拟管棚超前支护坑道口部在爆炸荷载作用下的抗爆性能。制作了口部相似模型3件,模型长×宽×高为2 m×2.2 m×2 m,在顶部直接爆炸,分别模拟无管棚、1层管棚和3层管棚下,坑道口部动力响应和破坏特征。试验表明：管棚超前支护能有效加固坑道围岩,整体性增强,受力分布合理;随着管棚层数增加,口部破坏明显减弱,拱顶破坏范围从1.55 m减小到0.45 m、主裂缝最大宽度由25 mm减小到3 mm、网状裂缝最大宽度由24 mm减小到0.3 mm、裂缝条数由14条减少到3条、模型顶部爆坑体积由0.12 m3减小到0.05 m3。管棚超前支护能有效地将爆炸荷载的破坏作用控制在管棚加固层之外,抗打击能力明显增强。     

初始地应力对隧洞开挖爆生裂隙区的影响研究

隧洞开挖过程中控制爆炸对岩体的损伤,减小爆破裂隙范围,对保证工程安全具有重要意义。基于爆炸应力波作用下爆生裂隙形成机制的研究,采用摩尔-库仑准则及最大拉应力准则,研究了初始地应力对爆炸应力波作用下爆生裂隙区比例半径的影响。研究结果表明,初始地应力对爆生裂隙范围有显著影响。在压剪破坏模式下,爆生裂隙区比例半径随地应力的增大而减小,地应力侧压系数影响爆生裂隙区比例半径在洞壁圆周的分布。考虑围岩应力卸荷影响后,沿隧洞径向的爆生裂隙区比例半径比不考虑卸荷的小。拉伸破坏导致的岩体爆生裂隙区比例半径一般比压剪破坏模式下爆生裂隙比例小,爆炸应力波作用下隧洞围岩更容易沿结构弱面发生压剪破坏。     

深埋隧洞爆破开挖荷载诱发围岩损伤特性

深埋隧洞爆破开挖荷载构成复杂,对围岩损伤区的孕育发展具有重要影响。利用颗粒流程序（PFC）软件,讨论了不同初始地应力状态下爆炸荷载及地应力瞬态卸载所分别诱发围岩损伤的特性,并通过锦屏2级水电站引水隧洞爆破开挖损伤区检测数据对数值模拟的结果进行了验证。研究表明,爆炸荷载和地应力瞬态卸载所诱发的围岩损伤程度和范围均随地应力量级的提高而显著增大;爆炸荷载作用条件下损伤区的分布有随着侧压力系数的增大而向应力集中区发展的趋势,而地应力瞬态卸荷所产生的围岩破坏以受拉破坏为主,表层损伤区沿开挖呈轮廓均匀分布的趋势;在相同的初始地应力状态下,爆炸荷载和地应力瞬态卸荷所分别诱发的围岩损伤区深度均明显小于实测值,考虑二者的耦合效应后,计算值与实测值基本吻合。这说明这两种荷载是高应力条件下爆破开挖荷载的主要成分,但二者耦合作用对围岩的损伤大于它们单独作用效应的线性叠加。     

邻近既有隧道的新建大断面隧道施工参数优化分析

结合大帽山隧道Ⅴ级围岩段施工参数优化的试验,通过爆破震动速度、岩体声波波速和围岩内部位移的现场监控量测工作,研究既有隧道旁新建大断面隧道双侧壁导坑法施工时岩体的损伤程度和范围,进而优化导洞的单循环进尺、爆破参数等施工参数。研究表明：推进式往复爆破作业的双侧壁导坑法开挖的隧道必然导致围岩产生一定程度的损伤、破坏,尤其是小净距隧道间的中夹岩岩墙;双侧壁导坑法开挖的大断面隧道,控制岩体的损伤程度和损伤范围是相互矛盾的,通过减少单循环开挖进尺来减少爆破震动速度,只能控制岩体的损伤范围,多次的重复爆破导致损伤岩体的损伤程度更大,极大影响围岩稳定;相反,通过适当加大单循环开挖进尺来控制损伤程度的同时,过大的爆破震动速度导致损伤范围更大,极大影响邻近既有隧道的安全运行。利用现场监测数据,通过在UDEC软件中实现的岩体各向异性爆破损伤模型,计算导洞推进式开挖全过程围岩压力的变化和既有隧道支护结构的状态,综合考虑各种因素,优化得到折中的单循环进尺。     

深埋公路隧道溶洞处置效果分析与隧道结构响应规律研究

卡罗Ⅱ号隧道为贵州省平塘至罗甸高速公路控制工程,施工时揭示溶洞发育于右幅隧道的拱底部位,左右线隧道中部岩柱薄易于坍塌,特提出洞渣回填以及桥梁跨越两种处置手段并在技术及经济方面进行比选,综合确定洞渣回填为该溶洞处理方式。为验证回填方案的合理性,以有限元软件Midas GTS建立溶洞回填前后隧道开挖施工模型,分析出溶洞处理前后围岩位移、锚杆轴力以及围岩塑性区变化规律,同时监测典型断面的累计拱顶沉降、收敛变形情况,结果表明:溶洞回填后,围岩位移、锚杆轴力峰值有较大降低,中部岩柱以及下部溶腔塑性区发展由于回填得以控制,溶洞回填可有效抑制围岩变形,施工期间也并未出现突泥、涌水灾害事故,其回填方案有较高的可行性。      

爆破地震波作用下既有圆形隧道衬砌动应力集中系数分析

将爆破地震波进行合理近似简化,采用波函数展开法,推导出无限岩石介质中爆破地震波作用下隧道围岩和衬砌动应力集中系数的表达式。结合具体算例,分析隧道不同位置上爆破地震波主频、隧道几何参数和隧道围岩和衬砌物理力学指标对动应力集中系数的影响。分析结果表明,爆破地震波主振频率对隧道围岩和衬砌中的动应力集中系数（DSCF）影响较大,隧道不同位置和不同方向应力的动应力集中系数随主振频率的变化趋势不同,低主振频率引起的动应力集中系数较大,不利于隧道的抗爆破振动;隧道几何参数对隧道围岩和衬砌内侧切向应力动应力集中系数影响趋势不同;隧道衬砌弹性模量对隧道结构动应力集中系数影响较大,泊松比次之;泊松比较大的隧道围岩具有一定的抗爆破振动作用,但效果有限。     

锦屏二级水电站引水隧洞爆破开挖损伤特性研究

爆破开挖导致的围岩损伤是围岩稳定性的重要影响因素。采用数值分析及现场检测的方法研究了锦屏二级引水隧洞岩体爆破开挖损伤特性。数值模拟结果表明,引水隧洞开挖引起的围岩应力重分布是围岩损伤的主要原因,爆炸荷载和应力重分布的耦合作用将增大引水隧洞围岩损伤区范围,增大的损伤深度可达1.5 m,考虑开挖荷载瞬态卸荷动态损伤效应的损伤区范围最大,较单独考虑围岩地应力准静态重分布所导致的损伤深度可增大1.9 m,平均损伤深度增大近1倍。现场检测成果较好地验证了数值模拟结果,表明爆破开挖可显著增大围岩的损伤范围。锦屏二级水电站引水隧洞开挖过程中,不可忽视爆炸荷载及开挖瞬态卸荷对围岩的损伤作用。