高储能岩体爆破开挖能量瞬态释放过程及控制

拟采用理论分析、室内试验、现场试验及数值分析方法，针对深部高储能岩体爆破开挖过程中岩体应变能的瞬态释放过程及效应展开研究。首先，采用围压瞬态卸载试验装置实现室内试验岩样围压的瞬间卸载，揭示岩体应变能瞬态释放的机理，建立能量瞬态释放效应的计算模型和考虑能量瞬态释放效应的岩石损伤判据；其次，结合现场开挖损伤区检测、围岩振动监测和数值计算，研究能量瞬态释放诱发围岩损伤和高应力破坏的规律及影响因素，分析瞬态释放能量诱发振动响应的衰减规律及时空分布；最后，提出基于开挖程序和钻爆设计优化及应力解除爆破的高储能岩体爆破开挖能量瞬态释放效应控制方法。本课题既符合国家基础工程建设的重大需求，又是深部岩体力学理论发展急需解决的关键问题，研究成果有助于加深对深部岩体爆破损伤及破坏的机理的认识，对保障深埋洞室的施工安全具有重要意义，可为我国深部岩体工程设计及施工提供新的设计和分析理论。

本项目针对深部高储能岩体爆破开挖过程中应变能的瞬态释放动力效应开展研究，主要内容包括应变能瞬态释放的机理及计算模型，应变能瞬态释放导致围岩损伤、诱发振动特性及空间分布，应变能瞬态释放效应控制等。在4年的研究期内，除原定瞬态卸载室内试验调整至现场深部原位实验室进行外，项目基本按照原定研究计划展开，圆满完成研究任务。..研究表明，深部岩体开挖改变了原有的应力和能量平衡状态，导致岩体部分应变能高速释放，且围岩浅部出现能量聚集现象。TBM开挖条件下围岩应变能聚集的最大值高于钻爆法开挖，且围岩应变能聚集的最大值更接近于开挖面；开挖进尺越大，能量释放的动力效应越明显。此外，岩体的脆性、应变软化等不同的峰后力学特性也对岩体应变能的瞬态释放效应具有重要影响。室内岩石力学试验的结果受深部岩样初始取样损伤的影响较大，且取样损伤程度及范围很大程度上取决于初始应力状态和水平，岩样的微结构的影响次之。 ..爆炸荷载和地应力瞬态卸载所诱发的围岩损伤程度和范围均随地应力量级的提高而显著增大；爆炸荷载作用条件下损伤区的分布有随着侧压力系数的增大而向应力集中区发展的趋势，而地应力瞬态卸荷所产生的围岩破坏以受拉破坏为主，表层损伤区沿开挖呈轮廓均匀分布的趋势。高地应力条件下爆破开挖产生的围岩振动由爆炸荷载和应变能瞬态释放（或地应力瞬态调整）耦合作用引起。后者可成为周围岩体振动的主要组成部分，这有赖于岩体自身的蓄能能力、岩体开挖方式及开挖面的大小。因此，对应变能瞬态释放效应的控制，应一方面通过特殊的应力解除爆破设计改善围岩应力集中的程度，降低岩体的储能能力，另一方面可通过减小爆破开挖进尺，减缓应变能释放速率以控制开挖扰动。..本项目的研究成果对加深对深部岩体爆破损伤及破坏的机理的认识具有一定意义，可为我国深部岩体工程设计及施工安全保障提供新的设计思路。..结合本项目的研究，共发表论文23篇，其中SCI收录9篇（含录用2篇），EI收录12篇（含录用4篇）；申请发明专利11项，授权5项；培养博士生3人，硕士生7人。部分研究成果获中国工程爆破协会科技进步奖一等奖（个人排名第5）。参与撰写专著《深部岩体开挖瞬态卸荷机制与效应》（共8章，执笔其中2章）。各项考核指标均超过申请书预定目标。