开挖卸荷诱致围岩失稳机理的透明模型试验研究

The purpose of this project is to systematically investigate the mechanism of unloading-induced rock failure during excavation by means of transparent model test and theoretical analysis, which is one of the key scientific issues in underground engineering. First, a set of improved testing system of transparent tunnel model will be founded by developing transparent simulating rock materials, three-dimension tunnel model frames, and devices of loading and data acquisition. Then, the testing system will be used to visually simulate the tunnel excavation processes under twelve kinds of conditions composed of two rock types (soft/hard), three embedding depths (300m/600m/1000m) and two excavating methods (blasting/boring), through which the evolution process of stress and deformation fields in tunnel models is to be obtained with optical measuring method. Last, the space-time evolution equations will be set up by in-depth analyzing the test results with appropriate mathematical and mechanical theories. Subsequently, the evolution law and mechanism of unloading-induced rock failure are expected to be revealed. The expectant achievements can provide a new test method for the research of rock mechanics, lay the foundation for the setup of realistic constitutive model of rocks, and provide scientific guidance for the control of unloading-induced disasters during the excavation of underground engineering.

采用透明相似材料模型试验与理论分析相结合的方法，对开挖卸荷诱致围岩失稳机理这一地下空间工程所面临的关键科学问题进行系统研究。首先，对现有透明相似材料、三维巷道模型框架、模型加载及数据采集装置等进行改进，建立一套较完善的透明巷道模型试验系统。然后，针对两种岩性（塑性软岩和脆性硬岩）、三种埋深（300m、600m、1000m）和两种开挖方式（爆破、机械）组成的十二种工况，分别进行巷道开挖过程的三维可视化模拟，利用光学测量方法获得模型内部的应力场和变形场演化数据。最后，选用恰当的数学与力学理论对试验结果进行深入分析，建立围岩应力和变形的时空演化方程，借此揭示开挖卸荷诱致围岩失稳的演化规律并阐明其内在机理。研究成果可为岩体力学试验提供一套先进科学的新方法，为建立符合实际的岩体本构模型奠定基础，并为卸荷条件下地下空间工程的灾害防治提供科学指导。

为直观获取巷道模型内部位移场在开挖过程中的演化规律，据此研究开挖卸荷诱致围岩失稳机理这一地下空间工程所面临的关键科学问题，应用透明相似材料模拟试验技术进行了较为系统的试验研究工作。研制了一种新型的适于模拟多种岩性的透明岩体相似材料；设计制作了一套三维透明巷道模型试验模具和加固装置，很好解决了在模型内部铺设两个正交的人工散斑面的难题；针对不同岩性、埋深和开挖方式，采用自主研制的透明岩体相似材料和试验装置进行了巷道开挖过程的三维可视化模拟。试验过程中，通过一台电脑控制两台数码相机同步巷道横截面和纵截面的图像序列；运用数字图像相关分析软件对大量图像序列进行分析，获得了模型内部横截面和纵截面的位移速度场。基于试验结果分析了开挖卸荷诱致围岩变形破坏的演化规律，初步揭示了开挖卸荷诱致围岩失稳的内在机理。研制的新型透明岩体相似材料及模型试验装置推动了透明相似材料模拟试验技术的发展，扩大了其影响和应用范围，为相关领域的试验研究提供了一套先进的新方法；提出的开挖卸荷诱致围岩失稳的机理对于进一步定量精细化研究巷道围岩变形失稳的本质机制和进行巷道工程的优化设计具有较好的指导意义。