爆破冲击下深部隧洞围岩损伤演化与突水灾变失稳机理

Water inrush catastrophe occurs frequently in deep tunnels excavated by the drilling and blasting method. It is the key scientific problem that the protective rock, damaged by explosion shock, failures gradually under high pressure water. Firstly, a series of laboratory tests should be performed to build constitutive model and uncover fracted evolution law for damaged specimen, including CT, complete stress-strain-permeation-wave velocity and true triaxial test by thick-walled cylinder. Then, physical simulation tests are supposed to execute to reveal the ruptured evolution law for the protective rock, in view of geologic disaster structure, in-situ stress, damage degree of EDZ and hydraulic pressure. Eventually, three-dimensional continuous- discrete coupled numerical method is employed to establish disaster criterion and obtain critical thickness of protective rock, combined result of pump in test. Research results of this project will have not only prominent theoretical meaning but also major ractical engineering value.

项目以钻爆施工的深部隧洞频发突涌水灾害为背景，认识到“爆破冲击预损伤致使围岩承载能力劣化，继而在高承压水作用下防突岩层渐进破裂失稳”是其关键问题。首先，采用CT扫描、全应力应变-渗透-波速试验及厚壁圆筒真三轴试验等宏细观结合的手段，获得爆破冲击预损伤岩样的破裂演化规律和本构模型；其次，开展以致灾构造、原岩应力、EDZ岩体爆破预损伤和突水压力为主控因素的突水物理模拟试验，揭示防突岩层渐进破裂失稳的动态演化机理；最后，以物理模拟结果为基准，采用三维连续-离散耦合的数值方法再现突水灾变中流态转换及裂隙扩展贯通的过程，并结合原位压水试验提出临突判据及防突岩层安全厚度确定方法。项目预期成果具有重要理论意义，并可为地下工程突水灾害的防控提供借鉴。

本项目以钻爆施工的深部隧洞频发突涌水灾害为背景，针对“爆破冲击预损伤致使围岩承载能力劣化，继而在高承压水作用下防突岩层渐进破裂失稳”这一关键科学问题。首先，采用在大块砂岩(600mm×600mm×120mm)中钻眼安装粉状硝铵炸药和火雷管爆破的方式，制备了一批经受过冲击损伤的室内试验标准试样，经过全应力应变-渗透-波速试验、数字图像相关和CT扫描等宏细观结合的手段，获得了爆破冲击预损伤岩样的破裂演化规律和本构模型；其次，研发了大尺度深部岩体高压大流量突涌水试验系统，开展了以致灾构造、原岩应力、EDZ岩体爆破预损伤和突水压力为主控因素的突水物理模拟试验，揭示了防突岩层渐进破裂失稳的动态演化机理；最后，以物理模拟结果为基准，采用离散元-计算流体力学耦合的数值计算方法再现了突水灾变中流态转换及裂隙扩展贯通的过程，并结合在兖矿集团4个矿井开展的原位压水试验提出了临突判据及防突岩层安全厚度确定方法。项目执行过程中，课题组据实际情况严格按照申请书及计划书中的研究内容、目标及年度研究计划开展工作，除部分微调外（根据实际条件用常规三轴试验取代了空心厚壁圆筒真三轴试验，用离散元-计算流体力学耦合数值方法取代了连续-离散耦合数值方法），完成了所有研究内容，达到了预定的研究目标。研究成果在大瑞线高黎贡山隧道，渝怀铁路、青岛地铁、徐州地铁、大同矿区塔山煤矿、马钢集团白象山铁矿等大型工程中得到应用，取得显著的经济与社会效益：在缩短工程建设工期、减少排水费用、降低突涌水灾害等方面带来了直接的经济效益和社会效益。量化研究成果如下：发表SCI检索论文20篇，EI检索论文14篇；授权发明专利17项，软件著作权2项，合著学术专著1部；培养毕业博士2人，硕士8人，其中1人获江苏省优秀专业学位硕士学位论文；参加国内外学会会议20人次，作学术报告14次；获中国岩石力学与工程学会第十届科学技术奖科学技术进步一等奖：深埋隧（巷）道流固耦合涌突水孕灾机理及防控关键技术。