深埋隧洞开挖损伤区的演化与形成机制研究

摘要

深埋隧洞开挖围岩损伤区的演化与形成一直以来是岩石力学、实验力学、损伤力学、断裂力学与构造地质等多学科互相交叉而复杂的科学问题。随着岩石工程不断向纵深发展，地质灾害频发，开展高应力下深部地质灾害孕育机制的研究备受关注，而地质灾害的孕育伴随着围岩的损伤演化，特别是深部岩体开挖卸荷条件下岩石的宏细观损伤演化规律，大型岩体围岩损伤区的综合原位测试方法，岩体埋深、隧洞尺寸、开挖方式、开挖速率等因素对开挖损伤区形成的影响以及演化机制、岩体损伤的预测与支护时间的确定已成为深部地下工程开挖中待解决的关键性问题。基于此，本文遵循从现象到本质，从局部到整体，从细观到宏观，从原位试验到数值分析的研究路线，分析钻爆法开挖和TBM开挖方式下深部岩体损伤破坏特征、动态响应规律和形成机制，开展的主要研究工作如下：
　　(1)针对深埋隧洞开挖损伤区的测试，提出了基于开挖损伤区弹性波测试、数字钻孔摄像、滑动测微计变形测试、微震和声发射微破裂信号定位等优势互补的原位试验综合测试方法，阐释了开挖损伤区的测试原理，给出了试验场址的选择原则，试验平台的搭建方法，钻孔的布置依据，测试试验流程，以及试验设备的安装调试和数据处理方法，弥补了单一测试方法不能保证测试结果的有效性，施工方式的多样性，以及深部复杂岩体力学信息响应的完备性，并以锦屏二级水电站深埋试验洞开挖损伤区的测试试验为实例进行了原位试验设计。
　　(2)岩芯饼化的形成是深部岩体局部应力解除下岩石的损伤演化过程。在总结岩芯饼化宏观断口形貌类型的基础上，给出了岩芯饼化数量，饼化岩芯厚度沿钻孔方向的分布规律，进一步分析了岩体埋深、地质结构、开挖损伤、钻孔直径大小和方向，以及钻进速度等因素对岩芯饼化的影响。通过对不同直径、不同厚度、不同凹凸面和不同位置的饼化岩芯断口进行SEM电镜扫描，分析了岩芯饼化的细观力学机制。
　　(3)针对钻爆法开挖方式下深埋隧洞开挖损伤区的演化与形成机制，在了解爆破破岩机理的基础上，基于深埋科研试验洞的开挖，总结了钻爆法开挖洞壁损伤破坏模式及成因。考虑不同埋深、隧洞尺寸和开挖方式，通过数字钻孔摄像技术手段，分析了岩体损伤裂隙特征，裂隙产状开挖前后的变化规律，裂隙宽度随开挖进程和时间的演化规律，以及新生裂隙沿钻孔轴向的分布规律。通过声波测试，得到不同时间下岩体波速沿钻孔方向分布，并给出孔底段岩体平均波速随掌子面的变化关系。通过滑动测微计变形测试，给出了岩体变形随开挖时间和进尺的变化关系。通过微震监测，得到微震时间、能量指数和视体积随时间的变化关系，以及微震事件随掌子面推进的演化规律。给出了基于以上信息的分析思路，形成了钻爆法开挖方式下开挖损伤区的演化与形成机制，并分别给出掌子面对其在隧洞轴向与径向影响范围，以及时间影响效应，为深埋隧洞钻爆法开挖支护设计提供建议。
　　(4)针对TBM开挖方式下深埋隧洞开挖损伤区的演化与形成机制，在了解TBM破岩机理的基础上，基于深埋科研试验洞的开挖，通过数字钻孔摄像测试，分析了原岩岩体结构特征，开挖过程岩体裂隙损伤特征，以及新生裂隙产状与隧洞轴向的关系，着重分析了裂隙宽度随开挖进程和时间的演化规律。通过声发射试验，得到声发射事件数和事件能量随掌子面推进在隧洞径向和轴向方向的演化规律。通过多个钻孔单孔声波测试，得到不同钻孔的损伤深度。综合以上信息，结合围岩应力状态和应力应变曲线，研究了TBM开挖方式下开挖损伤区的演化与形成机制，并分别给出TBM开挖对隧洞轴向与径向的影响范围，以及时间效应，为深埋隧洞TBM法开挖支护设计提供建议。
　　(5)基于数值模拟手段分析了围压对隧洞初始损伤和临界破坏状态的影响，以及隧洞尺寸对围岩变形的影响;并利用原位试验和其它测试结果进行围岩参数反演，应用损伤劣化本构模型，建立深埋隧洞数值计算模型，对比分析数值模拟结果与现场围岩破坏，验证RDM损伤劣化本构模型、力学参数和FAI评价方法的合理性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．1．1 “深部”问题的界定

1．1．2 岩体损伤与岩体结构

1．1．3 损伤演化与灾害孕育

1．2 影响开挖损伤区形成的因素

1．2．1 内部因素——岩体赋存条件

1．2．2 外部因素——隧洞开挖方式

1．3 开挖损伤的国内外研究现状

1．3．1 损伤本构模型和演化方程

1．3．2 开挖损伤区的测试方法现状

1．3．3 开挖损伤的预测研究现状

1．4 拟解决的关键问题

1．5 研究思路及技术路线

1．6 主要研究内容及创新点

1．6．1 主要研究内容

1．6．2 创新点

1．7 本章小结

第2章 深埋隧洞开挖损伤区综合原位试验设计

2．1 引言

2．2 开挖损伤区原位试验综合测试技术

2．2．1 原位测试原理

2．2．2 试验设计及设备

2．2．3 试验系统搭建

2．2．4 测试流程及原则

2．3 实例—锦屏二级水电站深埋试验洞开挖损伤区综合测试方法

2．3．1 锦屏深埋科研洞简介

2．3．2 深埋试验洞布置方案

2．3．3 开挖方案设计

2．3．4 试验钻孔布置

2．3．5 试验设备安装

2．3．6 测试频度计划

2．3．7 试验数据分析

2．4 本章小结

第3章 深部岩体局部应力解除下岩石的损伤演化机制分析

3．1 引言

3．2 取芯钻孔分布

3．3 岩芯饼化宏观破坏特征

3．3．1 饼化岩芯侧面断口形貌

3．3．2 饼化岩芯端面断口形貌

3．3．3 饼化厚度统计分布特征

3．4 岩芯饼化形成影响因素分析

3．4．1 岩体埋深

3．4．2 地质结构

3．4．3 洞径尺寸

3．4．4 钻孔方向

3．5 饼化岩芯断口电镜扫描试验及分析

3．5．1 饼化岩芯的凹面与凸面微观形貌对比

3．5．2 较厚岩饼与较薄岩饼微观形貌对比

3．5．3 小直径岩饼与大直径岩饼微观形貌对比

3．5．4 端面沟坎位置与非沟坎位置形貌对比

3．5．5 断口周边位置与中心位置微观形貌对比

3．6 深部岩体局部应力解除下岩石的损伤演化机制分析

3．7 深部岩体岩芯饼化程度评价方法

3．8 本章小结

第4章 钻爆法开挖方式下深埋隧洞开挖损伤区的演化与形成机制研究

4．1 引言

4．2 钻爆法开挖下岩体爆破损伤机理

4．2．1 岩石爆破破碎特点

4．2．2 爆破扰动波传播规律

4．2．3 药包在岩体内爆炸作用

4．3 钻爆法开挖岩体损伤模式分类及成因

4．3．1 岩体损伤模式及分类

4．3．1 洞壁损伤与开挖关系

4．4 钻爆法开挖原位试验测试结果多元信息分析

4．4．1 深埋隧洞开挖岩体裂隙演化规律分析

4．4．2 深埋隧洞开挖岩体波速变化规律分析

4．4．3 深埋隧洞开挖围岩变形时效变形规律

4．4．4 深埋隧洞开挖微震信号分布规律分析

4．5 钻爆法开挖方式下深埋隧洞开挖损伤区的演化与形成机制

4．6 本章小结

第5章 TBM法开挖方式下深埋隧洞开挖损伤区的演化与形成机制研究

5．1 引言

5．2 TBM滚压破岩机理

5．2．1 刀盘推进冲击作用

5．2．2 刀盘旋转剪切作用

5．2．3 影响TBM破岩的因素

5．3 TBM开挖过程中裂隙演化规律分析

5．3．1 试验洞区原生裂隙结构特征

5．3．2 TBM开挖前后裂隙产状对比

5．3．2 TBM掘进过程中开挖损伤区演化特征

5．3．3 TBM开挖损伤区演化与施工开挖的关系

5．4 TBM开挖过程声发射时效特征

5．4．1 隧洞轴向围岩损伤声发射演化规律

5．4．2 隧洞径向围岩损伤声发射演化规律

5．5 TBM开挖过程声波监测结果

5．6 TBM开挖方式下开挖损伤区的演化与形成机制分析

5．6 本章小结

第6章 深埋隧洞开挖岩体损伤的数值模拟与分析

6．1 引言

6．2 岩体损伤劣化本构模型

6．2．1 锦屏大理岩室内试验

6．2．2 开挖卸荷下模型参数特征

6．2．3 RDM损伤劣化本构方程

6．3 模型参数的确定

6．3．1 岩体力学参数的确定

6．3．2 力学参数对损伤区的敏感性分析

6．3．3 力学模型参数的反演

6．4 数值模型的建立及结果分析

6．4．1 数值模型及网格划分

6．4．2 围压对隧洞初始损伤的影响

6．4．3 隧洞尺寸对位移场分布的影响

6．4．4 2#试验洞数值模拟结果与现场破坏对比分析

6．4．5 3#试验洞数值模拟结果与现场破坏对比分析

6．5 本章小结

第7章 结论及展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

博士期间参加的课题及发表的论文

作者简介