深埋长隧洞岩爆的时滞性机理与评估预测研究

本项目以深埋长隧洞工程中普遍存在的岩爆"时滞性"现象为研究对象，以正确认识岩爆"时滞性"的物理机制和建立合理的评估预测方法为研究目标，以锦屏二级水电站深埋长隧洞为工程背景开展系统研究。首先通过典型锦屏大理岩的力学试验、针对性的"时滞性"破坏试验和同步声发射测试以及对现场监测和测试资料的系统分析，深入揭示深埋长隧洞岩爆的"时滞性"机理和孕育演化规律；在此基础上，采用与"时滞性"岩爆孕育演化机制相一致的研究思路，通过严谨的数学力学分析，建立能够合理描述深埋长隧洞岩爆"时滞性"细观物理演化机制和宏观力学行为的岩爆力学模型；进而建立"时滞性"岩爆孕育形成过程的数值分析方法和评估预测的分级预警标准，并对锦屏二级水电站深埋长隧洞施工期的"时滞性"岩爆孕育发生过程进行模拟分析和评估预测。本项目的研究成果可为我国深埋长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支持。

本文在对深埋长隧洞的岩爆“时滞性”现象和机理开展针对性系统研究的基础上，建立一套完整的“时滞性”岩爆的分析理论和评估预测方法，主要包括：.1）以锦屏T2b和T2y6深埋大理岩循环加卸载试验为基础，提出了适用于深埋隧洞时滞性岩爆计算的考虑围压效应的大理岩弹塑性耦合力学模型，并在有限差分软件FLAC3D中进行数值实现，用于模拟分析T2b大理岩的室内常规三轴压缩试验，结果表明，数值模拟与试验结果吻合很好；.2）通过对大量锦屏深埋大理岩的室内力学试验以及与时间相关的时滞性试验，并基于岩石材料在不同应力路径下声发射的试验现象和岩石破裂过程中的破裂机制和破坏原理，提出以岩石粘聚力与摩擦角随时间演化规律的时效性演化模型，并综合运用遗传算法和最优化算法获得该模型的参数。该理论模型表明岩石强度的损失与岩石本身的强度、岩石的应力状态（屈服接近度）以及静加载的持续时间有关。强度的时效性演化模型能很好的描述静疲劳加载对岩石强度的弱化过程，且物理意义明确，随参数的改变可以适用于多种岩石，为硬脆性岩石时间效应研究开拓了新的思路和方法；.3）通过对大量的岩爆案例和相关室内试验数据分析，提出了一个新的岩爆能量指标，并将该指标应用于锦屏II水电站引水隧洞岩爆问题的分析中，所得计算结果与引水隧洞现场岩爆实际情况基本一致；对采用钻爆法开挖的深埋隧洞中岩爆的动力计算方法进行了深入研究，并结合相应工程实例进行验证，结果表明该计算方法具有很好的合理性；.4）将上述理论及方法在岩土有限差分计算软件FLAC3D中进行了数值实现，以锦屏II级水电站施工隧洞中的岩爆实例为研究对象进行了时滞性岩爆的计算分析，所得计算结果与实际情况吻合很好；最后采用超载法对未发生岩爆的洞段进行了风险评估与预警。.本文的研究成果为我国深埋长隧洞工程中的岩爆灾害评估、预测与预防提供了基本的科学依据与重要的理论和技术支持，将具有重要的理论意义和广泛的应用价值。