深埋隧洞開挖損傷區(qū)的演化與形成機(jī)制研究.pdf

1、深埋隧洞開挖圍巖損傷區(qū)的演化與形成一直以來是巖石力學(xué)、實驗力學(xué)、損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)與構(gòu)造地質(zhì)等多學(xué)科互相交叉而復(fù)雜的科學(xué)問題。隨著巖石工程不斷向縱深發(fā)展，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，開展高應(yīng)力下深部地質(zhì)災(zāi)害孕育機(jī)制的研究備受關(guān)注，而地質(zhì)災(zāi)害的孕育伴隨著圍巖的損傷演化，特別是深部巖體開挖卸荷條件下巖石的宏細(xì)觀損傷演化規(guī)律，大型巖體圍巖損傷區(qū)的綜合原位測試方法，巖體埋深、隧洞尺寸、開挖方式、開挖速率等因素對開挖損傷區(qū)形成的影響以及演化機(jī)制、巖體損傷的預(yù)測

2、與支護(hù)時間的確定已成為深部地下工程開挖中待解決的關(guān)鍵性問題?；诖耍疚淖裱瓘默F(xiàn)象到本質(zhì)，從局部到整體，從細(xì)觀到宏觀，從原位試驗到數(shù)值分析的研究路線，分析鉆爆法開挖和TBM開挖方式下深部巖體損傷破壞特征、動態(tài)響應(yīng)規(guī)律和形成機(jī)制，開展的主要研究工作如下：
　　(1)針對深埋隧洞開挖損傷區(qū)的測試，提出了基于開挖損傷區(qū)彈性波測試、數(shù)字鉆孔攝像、滑動測微計變形測試、微震和聲發(fā)射微破裂信號定位等優(yōu)勢互補(bǔ)的原位試驗綜合測試方法，闡釋了開挖損傷

3、區(qū)的測試原理，給出了試驗場址的選擇原則，試驗平臺的搭建方法，鉆孔的布置依據(jù)，測試試驗流程，以及試驗設(shè)備的安裝調(diào)試和數(shù)據(jù)處理方法，彌補(bǔ)了單一測試方法不能保證測試結(jié)果的有效性，施工方式的多樣性，以及深部復(fù)雜巖體力學(xué)信息響應(yīng)的完備性，并以錦屏二級水電站深埋試驗洞開挖損傷區(qū)的測試試驗為實例進(jìn)行了原位試驗設(shè)計。
　　(2)巖芯餅化的形成是深部巖體局部應(yīng)力解除下巖石的損傷演化過程。在總結(jié)巖芯餅化宏觀斷口形貌類型的基礎(chǔ)上，給出了巖芯餅化數(shù)量，餅

4、化巖芯厚度沿鉆孔方向的分布規(guī)律，進(jìn)一步分析了巖體埋深、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、開挖損傷、鉆孔直徑大小和方向，以及鉆進(jìn)速度等因素對巖芯餅化的影響。通過對不同直徑、不同厚度、不同凹凸面和不同位置的餅化巖芯斷口進(jìn)行SEM電鏡掃描，分析了巖芯餅化的細(xì)觀力學(xué)機(jī)制。
　　(3)針對鉆爆法開挖方式下深埋隧洞開挖損傷區(qū)的演化與形成機(jī)制，在了解爆破破巖機(jī)理的基礎(chǔ)上，基于深埋科研試驗洞的開挖，總結(jié)了鉆爆法開挖洞壁損傷破壞模式及成因?？紤]不同埋深、隧洞尺寸和開挖方式

5、，通過數(shù)字鉆孔攝像技術(shù)手段，分析了巖體損傷裂隙特征，裂隙產(chǎn)狀開挖前后的變化規(guī)律，裂隙寬度隨開挖進(jìn)程和時間的演化規(guī)律，以及新生裂隙沿鉆孔軸向的分布規(guī)律。通過聲波測試，得到不同時間下巖體波速沿鉆孔方向分布，并給出孔底段巖體平均波速隨掌子面的變化關(guān)系。通過滑動測微計變形測試，給出了巖體變形隨開挖時間和進(jìn)尺的變化關(guān)系。通過微震監(jiān)測，得到微震時間、能量指數(shù)和視體積隨時間的變化關(guān)系，以及微震事件隨掌子面推進(jìn)的演化規(guī)律。給出了基于以上信息的分析思路，

6、形成了鉆爆法開挖方式下開挖損傷區(qū)的演化與形成機(jī)制，并分別給出掌子面對其在隧洞軸向與徑向影響范圍，以及時間影響效應(yīng)，為深埋隧洞鉆爆法開挖支護(hù)設(shè)計提供建議。
　　(4)針對TBM開挖方式下深埋隧洞開挖損傷區(qū)的演化與形成機(jī)制，在了解TBM破巖機(jī)理的基礎(chǔ)上，基于深埋科研試驗洞的開挖，通過數(shù)字鉆孔攝像測試，分析了原巖巖體結(jié)構(gòu)特征，開挖過程巖體裂隙損傷特征，以及新生裂隙產(chǎn)狀與隧洞軸向的關(guān)系，著重分析了裂隙寬度隨開挖進(jìn)程和時間的演化規(guī)律。通過聲

7、發(fā)射試驗，得到聲發(fā)射事件數(shù)和事件能量隨掌子面推進(jìn)在隧洞徑向和軸向方向的演化規(guī)律。通過多個鉆孔單孔聲波測試，得到不同鉆孔的損傷深度。綜合以上信息，結(jié)合圍巖應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變曲線，研究了TBM開挖方式下開挖損傷區(qū)的演化與形成機(jī)制，并分別給出TBM開挖對隧洞軸向與徑向的影響范圍，以及時間效應(yīng)，為深埋隧洞TBM法開挖支護(hù)設(shè)計提供建議。
　　(5)基于數(shù)值模擬手段分析了圍壓對隧洞初始損傷和臨界破壞狀態(tài)的影響，以及隧洞尺寸對圍巖變形的影響;并