深埋隧洞围岩板裂化机理与岩爆风险评估预测研究

本项目以深埋隧洞普遍存在的围岩板裂化现象为研究对象，以正确认识围岩板裂化机理并建立基于围岩板裂特征的岩爆风险评估和预测方法为研究目标，以锦屏二级水电站深埋长隧洞和深部岩石力学实验室(锦屏)为工程背景开展系统研究。首先通过系统的室内试验和现场原位测试分析，深入揭示硬脆性大理岩板裂化现象的形成机理，确定不同类型板裂的应力准则，并通过严谨的数学力学分析，建立能够合理描述板裂机制和典型特征的力学模型；在此基础上，通过全面揭示围岩板裂化诱发岩爆的内在机制，建立岩爆与围岩板裂特征之间的定量关系；以此为依据，通过合理解译围岩板裂化现象所包含的内在信息，建立基于围岩板裂特征的岩爆风险评估和预测新方法，并在锦屏二级水电站深埋长隧洞和深部岩石力学实验室(锦屏)开挖过程中进行验证和应用。本项目的研究成果可为我国深埋隧洞工程施工过程中的岩爆灾害预测、预防和安全施工提供基本的科学依据和重要的技术保障。

本项目以高应力条件下深埋隧洞围岩板裂化与具有板裂化前兆信息的岩爆为研究对象，通过揭示不同形态板裂的形成机理及其岩爆的关系，建立基于围岩板裂特征的岩爆风险评估和预测新方法，采用现场实录资料整理、室内试验和原位测试、理论分析、数值模拟等多种手段展开深入系统地研究，总体上达到了预期目标。研究取得的代表性成果如下:.（1）基于锦屏二级水电站隧洞内的围岩板裂化破坏形态和岩爆发生情况，获得了围岩板裂化在隧洞断面不同方位上的三维分布特征及其与具有板裂化前兆信息的岩爆的关系，确定了板裂化岩爆的类型及其发生过程，所揭示的围岩板裂化工程尺度上的特征扩充了目前学者对围岩板裂化破坏形态的认识。.（2）在围岩板裂化工程尺度特征的基础上，结合锦屏二级水电站硬脆性大理岩的室内试验结果和隧洞开挖后围岩所受应力状态，确定了围岩板裂化的三种破坏类型及其发生的应力条件，在此基础上，提出了围岩板裂化的破裂机制，建立了能够合理描述三种围岩板裂化类型及其发生机制的力学模型并实现数值模拟，上述力学模型能够较准确地模拟锦屏二级水电站深埋长隧洞的围岩板裂化现象，并能反映地应力场、岩体空间变异性以及开挖过程和路径对围岩板裂化形态的影响规律。.（3）通过预制裂隙的板裂化模型试样开展了板裂化到岩爆过程的室内试验，结合声发射测试结果和试样破坏过程揭示了板裂化到岩爆的发生机制，获得了裂隙数量即板裂面数量对岩爆的影响机制，在此基础上，建立了符合岩板受力特征的简支板模型，考虑岩板轴心受压和偏心受压两种工况，获得了岩板失稳破坏时弹性应变能及岩块弹射速度与长厚比、偏心距、弹性模量等的关系，计算结果可为此类岩爆的风险评估及支护设计提供依据。.（4）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。.本项目研究成果可为我国深埋隧洞工程开挖过程中的岩爆灾害评估、预测、预防和安全施工提供基本的科学依据与重要的技术支持，具有重要的理论意义和广泛的应用价值。