深埋隧洞爆破开挖扰动损伤效应的数值模拟

爆破开挖扰动是深埋隧洞损伤区孕育及演化的重要影响因素。根据隧洞岩体钻爆开挖过程分析了爆炸荷载及开挖荷载瞬态卸荷对岩体的扰动作用,基于LS-DYNA动力有限元程序,提出了利用施加节点反力模拟待开挖隧洞岩体的约束作用,通过控制节点反力的变化过程以模拟开挖荷载瞬态卸荷,采用爆炸荷载变化曲线模拟爆炸作用过程的爆破开挖扰动数值模拟方法,并利用该方法模拟分析了爆破开挖扰动对围岩的损伤效应,结果表明,应力重分布对围岩损伤最大,隧洞围岩损伤区主要由围岩初始应力重分布所导致,爆炸荷载作用将增大围岩损伤区范围,考虑开挖荷载瞬态卸荷作用的围岩损伤区最大,且地应力越高,开挖荷载瞬态卸荷作用对围岩的损伤效应越显著     

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。     

声波测试法在判别地下厂房EDZ中的应用

洞室开挖不可避免地会损伤岩体, 对于规模巨大、布置异常复杂的水电地下厂房围岩尤甚, 合理地确定开控损伤区(EDZ)分布成为地下洞室的信息化设计、施工和安全运营的关键性问题.在引入EDZ概念及强EDZ、弱EDZ和基本未损区分区的基础上, 提出采用声波测试方法来确定强EDZ和弱EDZ的分布.将声波波速-深度曲线划分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型等3种曲线类型, 根据曲线特征点, 对EDZ进行定性、半定量的初判.根据波速计算得出的损伤因子D, 对强、弱EDZ和基本未损区进行定量的判别.首次提出的基于声波测试法, 定性、半定量和定量相结合的综合研判法具有创新性, 为客观评价地下洞室EDZ提供了科学的方法.      

锦屏一级水电站工程岩体对穿声波与单孔声波关联性探讨

声波波速作为可以评价岩石(体)致密与坚硬程度、完整程度、嵌合紧密程度等工程地质特性的综合性单一指标,在工程岩体质量检测和固结灌浆效果评价中获得了广泛的应用。锦屏一级前期勘察阶段开展了22000多米平洞与承压板变形模量试验配套的对穿、单孔声波测试,11 400多米钻孔单孔声波测试;施工阶段坝基、左岸抗力体开展了11 000多米单孔声波测试,263孔2 380 m的对穿、单孔声波测试,58点承压板变形模量试验配套的对穿、单孔声波测试。依据不同的统计方法(孔段长度、孔数)分别对两个阶段的对穿、单孔声波测试成果进行分析,研究结果表明:单孔声波波速V_p总体上高于对穿声波波速V_(cp),且V_p/V_(cp)比值在1.05～1.20范围;单孔声波波速和对穿声波波速之间的定量关系,可以采用公式V_(cp)=1.1608V_p-1.0232来描述,且由该式获得的岩体变形模量(E_(o50))与单孔声波波速的相关公式,可用于不同岩体等级的变形模量预测。该研究成果可为类似水电水利工程岩体对穿声波波速和岩体变形模量的预测提供依据。     

边坡开挖卸荷松弛区的力学性质研究

开挖卸荷松弛区对边坡稳定性分析与防护加固工程设计具有重要的作用和影响,重点体现在松弛区的分布特征及松弛岩土的强度衰减效应。基于典型边坡的开挖模拟,研究其最大主应力增量及塑性区力学特征与分布规律,结果表明:边坡开挖应力调整引起的最大主应力增量的负值区与坡面塑性区的分布形态与发展规律吻合;基于边坡开挖卸荷松弛的基本力学原理,以开挖边坡应力张量增量的最大主应力分量增减变化作为开挖卸荷松弛区的划分标准,提出了接近开挖坡面的应力衰减塑性松驰区、远离开挖坡面的原岩应力区及介于两者之间的应力集聚弹性挤压区的三场确定方法。     

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。     

声波技术在煤矿采空区注浆工程质量检测中的应用

介绍了某煤矿采空区注浆治理前后,钻孔内不同岩性的声波波形与声波波速特征,证实可采用声波技术对该矿采空区注浆治理工程的质量进行检测与评价,提出了该类注浆治理工程声波检测指标.     

不同损伤程度下岩石力学参数变化的声波测试

声波波速变化可有效表征岩体损伤程度。通过对岩样进行人工预损,利用声波检测标定岩样的不同损伤程度,然后通过三轴压缩试验来研究不同损伤程度下岩石的力学特性,建立了声波速度下降幅度与岩体力学参数变化幅度间的关系。研究表明,当岩样的声波速度下降5%～8%时,黏聚力c值降低15%～25%,内摩擦角? 值则升高14%～32%,因此,用声波速度的下降幅度来描述岩体参数的变化是可行的。根据现场实测的岩体损伤区内的声波速度的变化值,可以从一定程度上估计岩体参数的跌落情况,从而更进一步地说明损伤区内岩体的承载力。     

高地应力硬脆性围岩开挖损伤区时效性扩展案例分析——特征与机制

硬脆性围岩在开挖完成后，其强度在高应力的影响下具有明显的时间效应，这导致围岩开挖损伤区的发展也呈现出与时间相关的特征。在岩石强度时效性演化模型的基础上，以锦屏二级水电站试验洞钻孔摄像、声波、变形监测等开挖损伤区实测结果为目标函数，采用正交设计方法、最小二乘支持向量机模型、粒子群优化算法等方法，建立了考虑时间效应的LSSVM-PSO智能反演分析方法，并以锦屏二级水电站试验洞为例，研究了开挖完成后的25 d里，围岩强度在高地应力条件下的时效性演化特征，进而获得这一时段内开挖损伤区扩展过程。研究结果表明：（1）高应力地区，隧洞开挖后，围岩损伤区的主要扩展方向受地应力控制，且最大扩展方向为最小主应力方向，且破坏区（破坏接近度FAI≥2）也集中于该方向； （2）开挖损伤区面积随时间近似呈S形曲线变化，表明开挖损伤区初始发展较为缓慢，随着时间推移呈现线性增加的趋势，最后又逐渐趋于稳定；（3）开挖后第3～10 d为开挖损伤区快速增长阶段。该研究成果对高应力地区硬脆性围岩开挖损伤区时效性演化研究具有指导意义。     

锦屏深埋大理岩破裂扩展的时间效应试验及特征研究

脆性岩石破裂扩展的时间效应与地下工程的长期稳定性密切相关。针对锦屏深埋大理岩易受高应力卸荷而产生初始损伤的特点,首先利用无损取样技术获得无损岩样,并利用声发射对无损岩样进行初始损伤检测,剔除初始损伤对试验结果的影响。之后利用获得的无损岩样进行一系列的长期加载的静态疲劳试验验证锦屏大理岩强度的时效特性。结果显示,锦屏大理岩表现出强度随时间衰减的特性,当应力驱动比较低时,需要的时间也相应增加,最后得到静态疲劳极限为0.48。分析证明,脆性岩石在稳定荷载作用下蠕变曲线也分为3个阶段,同时应变率也表现出相应的变化趋势,利用扩容指标阐述了岩样在静态疲劳试验中的变形特征和破坏模式。最后,利用FLAC3D计算了开挖引起的应力松弛区和应力集中区,说明了埋深对试验结果的影响。针对试验中出现的含节理岩样强度较低的问题,借助颗粒流程序PFC中的光滑节理模型进行了数值试验,结果显示,节理的存在极大地影响了岩样的整体强度,并且在加载初期,存在压缩紧密,而在残余阶段,存在一定的强化效应和延性特征。     

考虑脆性损伤和渗流的圆形水工隧洞解析解

针对脆性岩石的损伤特性引入脆性损伤模型,导出三维各向同性损伤情况下的损伤变量表达式。在考虑损伤、不同工况主应力对应关系和渗流作用影响下,推导出圆形水工隧洞洞周围岩的弹塑性应力和塑性半径的解析解。对岩石的脆性特性的研究表明,考虑脆性损伤时的洞周围岩塑性半径比不考虑时有一定程度提升;围岩脆性特征越明显,塑性半径越大。无论洞周围岩应力状态如何,考虑渗流影响后,洞周围岩塑性区范围均会有所扩展。在内水压从0逐渐增加过程中,塑性半径随内水压增加而逐渐减小,直至塑性区消失,在超出临界内压后,塑性区重新出现,塑性半径逐渐增大。     

高地应力条件下爆破开挖诱发围岩损伤的特性研究

高地应力条件下隧道或硐室钻爆开挖需考虑初始地应力动态卸荷效应,同时其最终损伤形态会受多个因素影响。采用三维有限差分软件FLAC3D讨论了爆破荷载与地应力动态卸荷复合作用下隧道围岩损伤分布,并重点研究了侧压力系数、岩体力学性质、卸荷速率对围岩损伤范围的影响,最后通过赣龙铁路梅花山隧道开挖损伤区检测结果进行了验证。研究表明,考虑动态卸荷效应的围岩损伤范围明显大于只考虑爆破荷载作用下的围岩损伤范围,在中高地应力条件下,初始地应力动态卸荷对围岩的损伤破坏作用不可忽视;随着侧压力系数逐渐增大,损伤区形态呈现明显的方向性,当侧压力系数为1时,损伤区沿开挖轮廓面分布较为均匀,侧压力系数不为1时,损伤区主要向小主应力方向集中;岩石力学性质越好,损伤范围越小;卸荷速率越快,围岩损伤范围越大,但影响并不十分显著。结果可为高地应力下隧道开挖稳定性分析和支护设计提供一定参考。     

龙滩水电站右岸导流洞开挖中爆破损伤范围研究

根据确定岩石爆破中爆源近区的质点峰值震动速度衰减规律的波动方法,导出了岩石爆破中岩体损伤范围的计算式。结合岩体爆破损伤的质点峰值震动速度安全判据,就龙滩水电站右岸导流洞爆破开挖工程中岩体损伤范围进行了计算,并对理论计算结果与围岩损伤范围的声波法检测结果进行了对比与分析。     

Assessment of the Excavation-Damaged Zone in a Tall Rock Slope Using Acoustic Testing Method

During slope excavation, high stresses can become concentrated in the rock mass because of stress redistribution. Failure of the rock mass creates an excavation-damaged zone (EDZ) in the slope. The damage reduces the acoustic wave velocity in the rock mass. Results of field tests measuring acoustic wave velocity at the Jinping I Hydropower Station are used here to study the EDZ in a tall rock slope. Two acoustic testing methods were adopted in the field tests: single-hole acoustic testing (SAT) and cross-hole acoustic testing (CAT). The acoustic wave velocity was lower in the EDZ, and the depth of the EDZ increased with decreasing slope elevation. Statistical analysis shows that the acoustic wave velocity obtained by the SAT method is larger than that obtained by the CAT method, and the relative difference between the SAT- and CAT-derived velocities is lower for a high quality rock mass than for a low quality rock mass. The integrity ratio and severity of damage can also be determined by acoustic wave velocity test results, revealing that the integrity ratio and elastic modulus of a rock mass are reduced in the EDZ.     

Numerical Analyses of the Influence of Blast-Induced Damaged Rock Around Shallow Tunnels in Brittle Rock

Most of the railway tunnels in Sweden are shallow-seated (<20 m of rock cover) and are located in hard brittle rock masses. The majority of these tunnels are excavated by drilling and blasting, which, consequently, result in the development of a blast-induced damaged zone around the tunnel boundary. Theoretically, the presence of this zone, with its reduced strength and stiffness, will affect the overall performance of the tunnel, as well as its construction and maintenance. The Swedish Railroad Administration, therefore, uses a set of guidelines based on peak particle velocity models and perimeter blasting to regulate the extent of damage due to blasting. However, the real effects of the damage caused by blasting around a shallow tunnel and their criticality to the overall performance of the tunnel are yet to be quantified and, therefore, remain the subject of research and investigation. This paper presents a numerical parametric study of blast-induced damage in rock. By varying the strength and stiffness of the blast-induced damaged zone and other relevant parameters, the near-field rock mass response was evaluated in terms of the effects on induced boundary stresses and ground deformation. The continuum method of numerical analysis was used. The input parameters, particularly those relating to strength and stiffness, were estimated using a systematic approach related to the fact that, at shallow depths, the stress and geologic conditions may be highly anisotropic. Due to the lack of data on the post-failure characteristics of the rock mass, the traditional Mohr–Coulomb yield criterion was assumed and used. The results clearly indicate that, as expected, the presence of the blast-induced damage zone does affect the behaviour of the boundary stresses and ground deformation. Potential failure types occurring around the tunnel boundary and their mechanisms have also been identified.     

施工爆破对确定海底隧道最小岩石覆盖厚度的影响研究

确定海底隧道的最小岩石覆盖厚度是在确保海底隧道安全的基础上减少工程造价的关键。施工爆破对上覆岩石的振动影响着海底隧道最小岩石覆盖厚度的确定。采用FLAC3D模拟了宁波海底隧道钻爆法施工对上覆岩层的动力学影响,分析了海底隧道的底板标高和装药量对上覆岩层交界面的稳定性影响,得到了振动速度、应力波动历时曲线和塑性区大小。通过与萨道夫斯基公式计算结果的对比,综合经济、安全方面的考虑,建议降低装药量,底板线下降2 m。