深埋隧洞纵轴向应力对岩爆影响的模拟试验研究.pdf
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1、分类号 TV32密级UDC专业学位硕士学位论文深埋隧洞纵轴向应力对岩爆影响的 模拟试验研究专业学位名称工程硕士(水利工程领域)深埋隧洞纵轴向应力对岩爆影响的模拟试验研究摘要岩爆是深部隧洞开挖过程中发生的一种典型的动力地质灾害现象,常 伴随着岩石碎片的快速弹射和能量的释放。随着隧洞工程不断向深部发展,岩爆灾害问题日益突出。当前,由于岩爆机制高度复杂,岩爆灾害的合理 预测和防控仍是世界性难题。围岩应力状态是岩爆发生的重要因素。一般 来说,隧洞开挖后围岩发生应力重分布,环向应力逐渐增大,径向应力急 剧减小,而隧洞纵轴向应力趋于不变。以往的隧洞设计常忽略纵轴线方向 应力的影响,但对于高地应力条件下的深
2、部隧洞,纵轴向应力往往较大,它对于岩爆灾害发生的影响尚不清楚。针对隧洞纵轴向应力对岩爆影响尚不清楚的问题,本文利用真三轴岩 爆试验系统,结合视频观测和声发射系统,对含预制圆孔的立方体花岗岩 试样进模拟了不同纵轴向应力条件下圆形截面隧洞的岩爆过程,揭示了不 同纵轴向应力对隧洞岩爆的影响规律与机制,主要结论如下:1、试验结果表明,隧洞纵轴向应力对岩爆过程各阶段持续时间与破坏 特征具有不可忽视的影响。不同纵轴向应力条件下的圆形隧洞岩爆过程分 为无宏观破坏、颗粒弹射、岩板劈裂及块片喷射4个阶段。纵轴向应力越 高,无宏观破坏与岩板劈裂阶段的持续时间越长,而颗粒弹射、块片喷射 的持续时间以及两阶段的间隔时
3、间越短,且颗粒弹射与块片喷射破坏越剧 烈。2、纵轴向应力越大,在环向第一主应力和纵轴向中间主应力的双重泊 I松效应作用下,裂纹的扩展更具有方向选择性,围岩劈裂破坏更易发生,沿洞纵轴线方向的劈裂岩板尺寸将可能更大,岩爆发生前或发生后的围岩 劈裂破坏情况更为严重。3、高地应力条件下,纵轴向应力对深部隧洞岩爆发生风险与烈度具有 重要影响。纵轴向应力的增大,虽然在一定程度上抑制了围岩损伤的发生,延缓了裂纹的扩展,并使岩爆的发生需要更高的应力水平,由此降低了围 岩的岩爆风险,但当应力水平足够高时,一旦围岩发生破坏,纵轴向应力 的增大会促进岩爆的孕育速度,使得岩爆具有更为显著的突发性,且释放 更多的能量,
4、导致岩爆烈度增大,这对于深部隧洞工程的岩爆灾害防控设 计具有重要指导意义。关键词:水工结构工程隧洞岩爆真三轴试验中间主应力S IMULATION TES T S TUDY ON INFLUENCE OF LONGITUDINAL AXIAL S TRES S OF DEEP TUNNEL ONROCKBURS TABS TRACTRockburst is a typical dynamic geologic disaster during the excavation of deep tunnels,which is frequently accompanied by rapid ejecti
5、on of rock fragments and release of energy.With the development of deep underground engineering,the problem of rockburst disaster has become increasingly prominent.At present,due to the high complexity of the rockburst mechanism,the reasonable prediction and prevention of rockburst disaster is still
6、 a worldwide problem.The stress state of surrounding rock is an important factor in the occurrence of rockburst.Generally speaking,the stress redistribution occurs in the surrounding rock after tunnel excavation,the hoop stress increases gradually,the radial stress decreases sharply,and the longitud
7、inal axial stress of the tunnel tends to be constant.In the past,the design of tunnel often ignored the influence of longitudinal axis stress.However,the longitudinal axial stress tends to be large for deep tunnels under high geostress conditions,and its influence on the rockburst disaster is still
8、unclear.In order to perfect the influence of the longitudinal axial stress of the tunnel on the rockburst,the rockburst simulation test of cubic granite samples with prefabricated holes under different longitudinal axial stress conditions is carried IIIout by using the true triaxial rockburst test s
9、ystem,combining video observation and acoustic emission system.The influence and mechanism of different longitudinal axial stresses on rockburst in tunnels are revealed.The main conclusions are as follows:(1)The test results show that the longitudinal axial stress of the tunnel has a non-negligible
10、influence on the duration and failure characteristics of each stage of the rockburst process.The rockburst process of circular tunnel under different longitudinal axial stress conditions can be divided into four stages:no macroscopic damage,particle ejection,rock fracturing and block ejection.The hi
11、gher the longitudinal axial stress,the longer the duration of no macroscopic failure and the slab cracking stage,and the shorter the time of the particle ejection and the slab ejection and the interval between the two stages,the more severe of the particle ejection and the block ejection damage.(2)T
12、he higher the longitudinal axial stress,under the double poisson effect resulting from the tangential first principal stress and the axial intermediate principal stress,the crack extension will be more directional and the splitting failure will be more obvious,the size of the split rock plate along
13、the longitudinal axis of the tunnel will be larger,and the splitting failure of the surrounding rock before or after the rockburst will be more serious.(3)Longitudinal axial stress has an important influence on the risk and intensity of rockburst in deep tunnels under high ground stress conditions.T
14、he increase of the longitudinal axial stress,although to some extent,inhibits the IVoccurrence of surrounding rock damage,delays the crack propagation,and requires a higher stress level for rockburst,thereby reducing the risk of rockburst.However,when the stress level is high enough,once the damage
15、occurs in the surrounding rock,the increase of longitudinal axial stress will promote the germination speed of rockburst,making the rockburst more conspicuous,and more energy will be released,resulting in a more intense rockburst.This has important guiding significance for the design of rockburst di
16、saster prevention and control in deep tunnel engineering.Keywords:hydraulic structural engineering tunnel rockburst true triaxial test intermediate principal stressv目录摘要.IABSTRACT.Ill第一章绪论.11.1 课题研究背景及意义.11.2 国内外研究现状.41.2.1 真三轴条件下的岩爆试验研究现状.41.2.2 纵轴向应力对岩石破坏的研究现状.61.2.3 声发射在岩爆领域应用的研究现状.71.2.4 目前研究存在的
17、问题.81.3 研究内容、方法及技术路线.91.3.1 研究内容.91.3.2 研究方法.91.3.3 技术路线.10第二章试验方案设计.122.1 引言.122.2 试验设备.122.2.1 真三轴岩爆试验系统.122.2.2 声发射监测系统.142.2.3 视频监测系统.152.3 试验方案.162.4 岩样制备.172.5 小结.18第三章不同纵轴向应力条件下隧洞岩爆破坏过程.193.1 引言.193.2 岩爆弹射破坏过程.193.3 试样破坏形态.253.4 岩爆碎屑形态.273.5 小结.29VI第四章不同纵轴向应力条件下隧洞岩爆破坏特征对比分析.304.1 引言.304.2 岩爆的
18、围岩表面破坏过程对比.304.3 岩爆的围岩内部开裂过程对比.334.4 岩爆的特征应力条件对比.354.5 岩爆的烈度对比.384.6 小结.41第五章纵轴向应力对隧洞岩爆影响的机制分析.435.1 前言.435.2 纵轴向应力对围岩破裂形态的影响.435.3 纵轴向应力对岩爆风险的影响.465.4 纵轴向应力对岩爆烈度的影响.475.5 小结.49第六章结论与展望.506.1 结论.506.2 展望.50参考文献.52攻读学位期间发表论文情况.57致谢.58VII广西大学工程硕土学位论文隧洞深埋纵柚向 应力 对岩爆影 响 的 楂拟设验研究第一章绪论1.1 课题研究背景及意义在全球经济快速发
19、展以及一带一路战略实施的背景下,为了满足我国的发展需求,出现了大量的深部地下岩石工程,且开挖深度逐年增加,涉及的岩石力学问题越来越复 杂,工程事故也随之增多,岩爆灾害问题就是其中之一。岩爆是高地应力条件下地下工 程开挖过程中,硬脆性岩石因开挖卸荷导致洞壁应力分异,储存于岩体中的弹性应变能 突然释放,因而产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力学失稳地质灾害叫 是深埋地下工程中时常发生的危害性最大的地质灾害之一因。随着我国西南、西北地区水利工程建设的兴起,深埋长距离引水隧洞工程的修建将 越来越多,其中南盘江天生桥二级水电站的3条引水隧洞,单洞长9.55 km,最大埋深 760 m;已投产发
20、电的雅碧江锦屏二级水电站引水隧洞,长1618 km,最大埋深2500 m;四川宝兴水电站引水隧洞,长18 km,最大埋深700 m;规划中的南水北调西线工程也 有多条长50130 km的深埋引水隧洞;在交通隧洞工程领域,截至2015年底,全国 在建铁路隧道3784座,总长8692 km;规划隧道4384座,总长9345 km;2015年新增 开通运行铁路隧道1316座,总长2160 km,其中10 km以上隧道18座,总长245 km闺。其中,成昆铁路关村坝隧洞全长为6187 m,最大埋深约为1650 m;秦岭隧洞全长约为 18460m,最大埋深为1600m。在金属和煤矿开采行业,经过多年的持
21、续高强度开发,我国浅部矿产资源逐年减少,部分已枯竭,矿产资源开采正向深部全面推进。就金属资 源开采而言,目前已有16座地下金属矿山采深达到或超过1000 m,其中,吉林夹皮沟 金矿、云南会泽铅锌矿和六苴铜矿、河南釜鑫金矿均超过1500 mo就煤炭能源开采而言,包括沈阳采屯矿、开滦赵各庄矿、徐州张小楼矿、北票冠山矿、新汶村矿、北京门头沟 矿、长广矿等煤矿的开采深度均已超过1000m;为了满足经济日益增长对能量的需求,煤矿的开展深度正以每年812 m的速度增加。此外,我国大量的军事高放废料和核电 站废料的处置工作也需要在深部地下空间完成,现阶段的主要任务是选址并完成地下试 验室的修建,其中涉及有大
22、量深部隧洞的开挖和修建。由此可见,21世纪是地下空间作 为资源加以大力开发利用的世纪,也是深部地下工程大发展的世纪。我国的深部地下工 程正以前所未有、举世瞩目的速度和规模发展,且日益向深部拓展。图1-1列举了我国1广西大学工程硕士学位论文旗洞深埋纵轴向应力对岩爆影响的模拟试验研究现有的一些深部地下工程。(a)中国首个极深地下实验室一一锦屏地下实验室(b)中国第一个高放废物地质处置实验室-一甘肃北山(c)国内在建的世界最大水电站一白鹤滩水电站图1-1我国现有的深部地下工程Fig.1-1 Chinas existing deep underground engineering我国现有记载的最早发生
23、的岩爆事故为1933年抚顺胜利煤矿的煤爆,该煤矿当时 开采深度较浅,仅为200 m。新中国成立后,由于经济建设的需求,各类矿产资源不 断被开采,据32个重点煤矿的不完全统计,自1949到1985年,曾至少发生过1842起 岩爆和煤爆间。近年来,随着我国深部地下工程的迅速发展,岩爆灾害的发生也日益频 繁。如2007年,秦岭终南山隧洞在施工过程中发生多次岩爆,其中包含多次规模强烈 的岩爆,给施工造成很大的困难,对施工安全、快速掘进构成严重威胁。2008年,千秋 煤矿发生冲击地压,造成13名施工人员死亡。2009年,锦屏二级水电站施工排水隧洞 发生极强岩爆,爆坑深度达89 m,爆方总量达近千立方米,
24、岩爆发生的大量粉尘在洞 内弥漫达10 min,TBM设备被毁,支护系统全部毁坏,7名工人遇难,1人受伤,严重 影响施工进度71。2010年,锦屏二级水电站钻爆施工的2#引水隧洞发生极强岩爆,岩爆 区段达37 m,造成边坡拱脚围岩大面积垮塌,严重损坏正在工作的出渣车和装载车。2011年,九龙峡水电站的隧洞掌子面在开挖过程中,周边不断发出响声,并伴随不规则 片状岩块的脱落,正在钻爆台车上施工的一名钻工头的安全帽被一块岩片砸破。2011 年,千秋煤矿发生严重冲击地压,造成10人死亡,直接经济损失达2000万元。20132广西大学工程硕士学位论文隧洞深埋纵轴向应力对岩爆影响的模拟试验研究年,黑龙江鹤岗
25、峻德煤矿发生岩爆,煤岩体突然抛出,产生巨大气浪,围岩遭到严重损 坏,3名矿工不幸遇难。2014年,千秋煤矿的21032回风上山掘进头发生冲击地压,巷 道严重变形,造成6人死亡网。2014年,云南独龙江公路隧洞在施工时突遇岩爆,大量 岩石猛然坠落,3名施工人员不幸遇难。2015年,川藏铁路桑珠岭隧洞发生岩爆,岩爆 频率一天最高可达20次,弹射的岩石碎屑飞出距离可达40 m,轻则碎片横飞,重则整 块大岩石爆出来,重达4吨的开挖台车被岩爆震跳。2016年,济宁梁宝寺煤矿在作业中 突然发生岩爆,两名矿工不幸遇难。可见,岩爆灾害已然成为深部地下工程开挖过程中 的巨大安全隐患,严重阻碍了地下岩石工程建设的
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