地下洞室围岩脆性破坏时的应力特征研究

在高应力作用下,岩爆、钻孔崩落、片帮都是地下空间硬脆围岩中常见的破坏现象,这三类现象本质上均可归于完整岩体的脆性破坏,它们分别反映了高应力作用下完整岩体不同的破坏程度。通过对前人关于岩爆判据、钻孔崩落判据和片帮应力强度比判据研究成果的类比分析可知,这些脆性破坏现象在破坏时具备相同的应力背景条件。脆性破坏的应力条件可以用地下空间周边切向最大应力与岩石单轴抗压强度之比（ / ）或者工程区最大主应力与岩石单轴抗压强度之比（ / ）来描述,两种指标本质上反映了相同的应力背景条件。对于 / , / = 0.4 ± 0.1是发生脆性破坏的应力临界条件;对于 / , / = 0.15 ± 0.05是发生脆性破坏的应力临界条件。大量的工程实例和基于Hoek-Brown强度准则的力学分析也证明了这一背景条件的正确性。这里两种指标都取了一个范围,主要是由于不同的岩体分级、岩性和工程地质条件会对指标的界定产生较为显著的影响。     

基于粗糙集理论的遗传-RBF神经网络在岩爆预测中的应用

岩爆发生机制复杂,影响因素较多,通过粗糙集理论中的属性约简和条件属性重要性评价,确定特定地质条件下岩爆的主要影响因素,删除冗余数据。使用遗传算法(GA)优化径向基函数（radial basis function,简称RBF）神经网络参数,通过RBF神经网络隐层单元将低维模式输入变换到高维空间内,拟合影响因子和岩爆等级之间的非线性映射关系,建立基于粗糙集理论的遗传-RBF神经网络岩爆预测模型,目前未见其在地下洞室岩爆预测中应用。在根据工程实际情况选取多个理论判据的基础上,将建立的预测模型应用于实际工程的岩爆预测问题,并与实际岩爆发生情况进行对比分析。结果证明,该方法的评价结果与实际情况较为吻合,对后期施工有较好的指导作用。     

地下洞室分步开挖围岩应力变化特征及岩爆预测

摘 要：为分析大型地下洞室分步开挖各开挖层之间的应力相互影响情况及利用先开挖层的岩爆发生情况来预测后开挖层的岩爆情况,采用数值计算和现场监控测量的方法进行了一系列计算分析。结果表明：当初始应力场中水平应力和竖向应力相当时,随着不断地开挖进尺,拱顶、底角和底板的应力先期增加明显,后期增幅变小,逐渐稳定。先开挖层若发生岩爆,后开挖层底角和底板也会出现岩爆,洞室先期开挖岩爆的风险较大,后期较小。当初始应力场中水平应力占主导地位时,随着不断地开挖进尺,拱顶、底角和底板的应力先期增幅不大,后期变化较快,侧压力系数越大,先开挖层若发生岩爆,后开挖层在后期开挖时出现岩爆的风险也越大。最后通过洞室的实际开挖情况验证了分析结果的正确性,利用各层之间的相互影响特征来预测后开挖层的变形破坏情况为地下洞室稳定性分析提供了一种新的思路。     

中间主应力对隧洞岩爆影响的模型试验研究

为探究隧洞纵轴线方向应力对隧洞岩爆的影响,利用真三轴岩爆试验系统,对含预制圆孔的立方体花岗岩试样进行不同中间主应力条件下的岩爆模型试验,在室内再现了隧洞岩爆过程。试验中采用视频观测系统与声发射系统监测岩爆过程。试验研究结果表明：无宏观破坏、颗粒弹射、岩板劈裂和块片喷射是隧洞岩爆孕育过程主要经历的4个阶段;中间主应力越高,颗粒弹射到块片喷射之间的历时越短,岩板劈裂持续时间越长,块片喷射的持续时间越短且喷射破坏越剧烈;中间主应力越高,在环向第一主应力和纵轴向中间主应力的泊松效应迭加作用下,围岩劈裂破坏越严重,岩爆发生需要的应力水平越高,岩爆发生风险有所降低;但当应力集中水平足够高导致岩爆发生时,岩爆烈度越强。     

叙毕铁路斑竹林隧道地应力特征分析

为分析评价斑竹林隧道地应力相关的工程问题,通过采用构造分析法、水压致裂法,分析和实测了隧区地应力特征;并采用临界深度法、强度应力比法、工程类比法对岩爆、大变形进行分级评价,表明隧区属高应力、极高应力区,岩爆等级为轻微;大变形等级为Ⅰ-Ⅱ级。     

分离式隧道非同步开挖岩爆预测研究

分离式隧道是深埋长大高速公路隧道施工的主要方式,鉴于两洞的施工进度不同,利用先开挖洞的岩爆发生情况,对后开挖洞的岩爆发生情况进行了预测,并采用有限元数值模拟进行计算分析。结果表明,当初始应力场中的水平应力和竖向应力相当时,随着研究区侧压力系数的增大和净距的减小,后开挖洞拱底发生岩爆的强度会随之增大。当初始应力场中的水平应力占主导地位时,随着研究区侧压力系数的增大和净距的减小,后开挖洞拱顶发生岩爆的强度会随之减少。通过实际工程对计算分析结果进行了验证,结果表明,隧道实际发生岩爆的情况和计算结果较为吻合。     

自由边界形状与近边界裂纹相互作用模型研究

大量的研究表明, 岩爆发生条件与岩石的力学性能有关。岩体中微裂纹的形成、扩展和汇合对岩体的力学性能产生显著影响,可以导致材料的逐渐劣化直至破坏。对于单轴压缩的岩石试件,其破坏型式主要是微裂纹的摩擦滑移、自相似平面扩展和弯折扩展。基于断裂力学机制,对单轴压缩荷载下3种不同边界形状,即直边、凸形、凹形情况下近边界原生斜裂纹的扩展进行了理论研究,并运用FLAC数值模拟技术,建立了基于Interface界面单元的裂纹扩展数值模型。近直边界及凸形边界情况的裂纹扩展使用梁渐近模型来解析薄片岩层的屈曲断裂问题,对于近凹形边界情况给予简化,提出了裂纹－圆－椭圆相互作用的修正模型并进行理论分析。研究结果表明,基于Interface界面单元的裂纹扩展的数值模型正确,解析解与数值解吻合较好,相应的梁渐近模型及裂纹-圆-椭圆模型可以合理地分析应力调整过程中裂纹的扩展和裂纹与不同洞室表面形状的相互作用问题,为岩爆工程及理论研究提出了新的理论依据。     

新型混合重取样算法在岩爆预测中的应用

针对岩爆现象发生的不均衡及发生机理受多因素影响的问题,在分析重取样技术的基础上,设计并实现了自适应选择近邻的混合重取样算法,并将其用于岩爆危险性预测.该方法结合过取样和欠取样方法的优势,改进了SMOTE过取样算法在产生合成样本过程中存在的盲目性及只能复制生成数值属性的问题,新算法能根据实例样本集内部分布的真实特性,自适应调整近邻选择策略,对不同属性的数据采取不同的复制方法生成新的少数类实例,控制和提高合成样本的质量;并通过对合成之后的数据集,用改进的邻域清理方法进行适当程度欠取样,去掉多数类中的冗余实例和边界上的噪音数据,减少其规模,在一定程度上达到相对均衡,从而,可有效地处理非均衡数据分类问题,提高分类器的性能.该算法在VCR采场岩爆实例上进行实验,预测的结果与实际情况完全一致,表明在工程实例岩爆危险性实例数据非均衡情况下实施混合重取样方案是可行的,预测准确率高,具有良好的工程应用前景.采用该方法可找到岩爆发生的主控因素,为深部开采工程的合理设计与安全施工提供科学依据.      

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。     

基于Bayes判别分析方法的地下工程岩爆发生及烈度分级预测

在岩爆发生和烈度分级预测的距离判别分析模型的基础上,结合地下工程岩爆的特点和Bayes判别分析理论,提出了地下工程岩爆发生及烈度分级预测的Bayes判别分析方法。综合分析影响岩爆主要因素,选取最大切向应力 、岩石抗压强度 、岩石抗拉强度 和弹性能量指数 作为判别因子建立岩爆预测的Bayes判别分析模型,并利用回代估计法对误判概率进行估计。利用国内外一些重大深部地下工程实例作为学习的样本进行训练建模,经过训练后的模型回判估计的误判率为0。利用该模型对国内3处典型的隧道岩爆情况进行预测,结果与实际情况符合得很好。研究结果表明,Bayes判别模型在岩爆发生可能性及烈度分级预测中具有良好的适用性和有效性。