深埋隧洞围岩板裂化机制与岩爆预测研究
卢景景
(中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071)
LU Jingjing
(State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，
摘要 板裂化和岩爆是高应力条件下深埋硬脆性岩体开挖后常见的2种破坏形式，板裂化岩爆是以板裂化破坏为前兆信息的岩爆，是由于板裂面切割围岩形成的岩爆结构发生突发性失稳破坏而形成的，在深埋隧洞中发生频率最高。对深埋隧洞围岩板裂化机制和板裂化岩爆预测开展了相应研究，重点研究了围岩板裂化破坏的形态特征、类型、数值计算的实现及其影响因素。论文主要内容包括以下几个方面：
(1) 统计和整理了锦屏二级水电站隧洞内的围岩板裂化破坏形态，重点分析了围岩板裂化在隧洞断面不同方位上的三维分布特征，提出了板裂化形态的描述指标，总结了影响板裂化形态的因素和工程尺度板裂化的破坏机制；对现场板裂化岩爆的发生情况进行了统计，得到了板裂化形态描述指标和板裂化岩爆之间的关系，并根据现场板裂化岩爆的特征将其进行细分类，简要阐述了各类板裂化岩爆的发生过程和机制。
(2) 针对锦屏二级水电站工程现场的硬脆性大理岩，详细分析了其在单轴、常规三轴、真三轴等室内试验条件下的破裂形态，并通过破裂面断口形态特征揭示了试样破裂面的破裂机制，据此将大理岩脆性破坏分为张拉破坏、压剪破坏和张剪混合破坏三类；分析了弹性均质条件下，地下洞室开挖过程围岩内主应力值的变化规律，对照大理岩各破坏类型的应力条件分析了围岩各部位易发生的脆性破坏形式；结合锦屏二级水电站现场板裂化的形态特征，将板裂化破坏分为张拉型、剪切滑移型和张拉–剪切滑移型板裂化破坏三种；通过模型试验验证了剪切型板裂化形态的存在，试验结果与上述板裂化分类具有很好的一致性。
(3) 开展了大理岩试样的拉剪和压剪试验，分析了拉剪和压剪条件下试样破坏特征，获得了破裂面上剪应力–正应力的全段强度曲线，基于试验结果，对Mohr-Coulomb准则进行了修正，建立了考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的板裂化力学模型，并将该模型嵌入FLAC3D程序进行数值计算。考虑岩体参数非均质，采用破坏接近度(FAI)表征板裂化破坏，建立了板裂化数值模拟方法，数值算例表明，所建立的数值模拟方法可以确定围岩不同部位的板裂化类型，且受网格尺寸大小影响较小，可适用于工程计算。
(4) 分别采用室内模型试验和数值模拟确定了不同因素对围岩板裂化破坏的影响规律。通过在模型试件中预制含不同孔径和不同断面形状的隧洞，揭示了洞室断面曲率半径对围岩板裂化的影响机制和规律；采用数值模拟给出了侧压系数、主应力方向、岩体空间变异性(岩体参数非均质和结构面产状)及开挖过程对围岩板裂化的影响规律，研究表明各影响因素均会影响不同类型板裂化的位置和范围。
(5) 基于可靠度理论中最易实现的蒙特卡洛法提出了板裂化岩爆的预测方法。以锦屏二级水电站试验支洞F的板裂化岩爆作为案例，通过数理统计方法获得岩体力学参数的概率分布，采用蒙特卡洛抽样方法抽取多组力学参数进行岩爆数值试验，数值计算结果与案例相符合，说明该方法可以很好地预测板裂化岩爆的发生。
关键词 ：
岩石力学 ,
深埋隧洞 ,
硬脆性岩石 ,
板裂化破坏 ,
力学模型 ,
影响因素 ,
板裂化岩爆
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