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原文传递爆破开挖扰动下岩溶隧道突水灾变机理研究

论文题名：	爆破开挖扰动下岩溶隧道突水灾变机理研究
关键词：	岩溶隧道;瞬态卸荷;爆破开挖;抗突水;灾变机理;数值模拟
摘要：	随着西部大开发和“一带一路”伟大战略的深入实施，我国交通和水利水电工程建设重心明显向地形地质条件极端复杂的西部山区和岩溶地区转移，越来越多“大埋深、高应力、强岩溶、高水压、大流量”等高风险深长岩溶隧道工程投入建设。钻爆法施工过程中，爆破荷载作用及由其引起的地应力瞬态卸荷效应会加剧岩溶隧道发生突水突泥灾害的风险，对隧道建设安全造成重大威胁。本文采用理论分析与数值计算相结合的方法，分别开展了静态、爆破荷载作用及爆破荷载与地应力瞬态卸荷耦合作用下隧道围岩稳定性研究，含高压水裂隙围岩在爆破荷载与地应力瞬态卸荷耦合作用下裂隙开裂扩展规律研究，以及隧道周边溶腔在爆破荷载与地应力瞬态卸荷双重动力扰动下突水演化机制研究，取得了如下研究成果：　　（1）深埋岩溶隧道采用钻爆法施工时，爆破荷载的强扰动作用会引起隧道开挖轮廓面处围岩初始地应力的瞬态卸荷效应，使隧道围岩稳定性下降。通过开展隧道围岩稳定性的离散元数值模拟，进一步证实爆破荷载与地应力瞬态卸荷作用能够在一定程度上劣化隧道围岩的稳定性；　　（2）修正和完善了含高压水裂隙围岩的裂纹扩展理论。考虑地应力瞬态卸荷作用，当侧压力系数大于1/3时，采用修正的计算公式获得的支裂纹应力强度因子大于修正前的支裂纹应力强度因子；首次揭示了隧道爆破开挖过程中裂隙围岩动态响应机制，建立了爆破荷载与地应力瞬态卸荷双重动力作用下围岩裂纹尖端应力强度因子的计算方法。理论研究发现，爆破荷载和地应力瞬态卸荷对原始裂隙的开裂与扩展起促进作用。原因在于爆破荷载对围岩强烈的冲击和拉压作用以及地应力瞬间卸荷引起的应力集中效应，加剧了原始裂隙的开裂与扩展；　　（3）考虑爆破荷载与地应力瞬态卸荷耦合作用影响，开展了含高压水裂隙围岩原始裂隙的开裂与扩展规律的数值模拟。结果显示，随着裂隙倾角的增大，原始裂隙的开裂与支裂纹的扩展速度呈现出增大趋势。当裂隙倾角为0°和90°时，裂隙分别沿着水平和竖直方向扩展；当裂隙倾角为15°和75°时，裂隙均沿着原始裂隙所在的斜面发生滑移错动的现象；当裂隙倾角为30°、45°和60°时，裂隙均沿着爆破荷载作用与地应力卸荷方向开裂扩展。在地应力瞬态卸荷作用的影响下，裂隙在沿着径向开裂扩展的同时，出现向切向方向偏转扩展的趋势，最终在裂隙尖端出现切向的支裂纹；　　（4）含高压水溶腔位于隧道上部的离散元数值模拟研究发现，增大岩层倾角，防突层的稳定性与抗突水能力逐渐降低，当倾角为0°时，其稳定性和抗突水能力最强；防突层的稳定性及抗突水能力与防突层厚度和隧道埋深呈正相关，当防突层厚度为4m、隧道埋深为800m时，其稳定性与抵抗岩溶水破坏的能力最好；溶腔位于隧道下部的数值计算结果显示，随着岩层倾角的减小、防突层厚度的增加或隧道埋深的增加，防突层的稳定性与抵抗岩溶水破坏的能力逐渐提高。当岩层倾角为0°、防突层厚度为4m、隧道埋深为800m时，防突层的稳定性与抗突水能力最强；　　（5）含高压水溶腔位于隧道侧部的离散元数值计算结果表明，随着岩层倾角的增加，防突层的稳定性逐渐增强，其抵抗突水的能力逐渐提高，当岩层倾角为30°时，防突层具有较好的稳定性。另外，防突层的稳定性与防突层的厚度呈现出正相关的关系，当防突层厚度为4m时，其稳定性较好。防突层的稳定性与隧道埋深并没有严格的正相关或负相关的关系，当隧道埋深为500m时，防突层的稳定性较好，其抗突水能力较高，而当隧道埋深为800m时，防突层的稳定性最差。
作者：	黄猛
专业：	土木工程
导师：	郭佳奇
授予学位：	硕士
授予学位单位：	河南理工大学
学位年度：	2020