多场耦合作用下深埋长大隧道岩爆灾害的机理及预测

Aiming at the serious rock burst problems of long-deep tunnel that encountered high geostress, high geothermal and high ground water pressure in western China, the scientific problem of "Mechanism and prediction of rock burst under the T-H-M coupling" is proposed in the project..Firstly, a series of failure and strong unloading test for hard rock will be carried out under T-M, H-M and T-H-M coupling, and. Then deformation, failure, energy evolution mechanism of the hard rock under the influence of T-H-Mcoupling can be revealed fully, the coupling constitutive model of hard rock is also established. Secondly, the numerical and physical simulation methods of rock burst can be developed by the above test and model. The mechanism of rock burst and generalized geological mechanical model can be clarified through fine description, theoretical analysis, numerical simulation and physical simulation for the rock burst in the T-H-M environment, and the forecast criterion and prediction method of the rock burst can be set up under the T-H-M coupling..At last, the predicting and evaluating theory system of the rock burst of deep buried long tunnel can be deepened and integrated by the engineering application and verification which is on the T-H-M coupling environment. The research results of the project will provide the theory and technology supports for the prediction and prevention of rock burst on the T-H-M coupling, and it can the enrich and develop the theories and methods of the rock burst and deep geological engineering.

针对我国西部地区正在实施的高地应力、高地热和高地下水压环境下深埋长大隧道工程的岩爆灾害问题，凝练出"多场耦合作用下岩爆灾害的机理及预测"这一重要科学问题。通过一系列热-力、水-力和水-力-热耦合作用下硬岩变形破坏及强卸荷试验，充分揭示多场耦合作用下硬岩的变形破坏机理和能量演化特征，建立硬岩的多场耦合本构模型。在此基础上，研究和发展多场作用下岩爆模拟的数值和物理模拟方法，通过多场环境下岩爆特征的精细描述、理论分析、数值模拟和物理模拟，阐明多场耦合下岩爆的机制并概化其地质力学模式，建立多场作用下隧道岩爆预测判据和预测方法。最后，通过依托工程的应用和验证，深化并集成多场耦合作用下深埋长隧道岩爆预测和评价的理论体系。项目研究成果将为多场耦合条件下深埋长隧道工程岩爆灾害的预测和防治提供理论和技术支撑，丰富和发展岩爆和深部地质工程的理论和方法。

我国西南地区地质构造复杂，高地应力、高地热和高地下水压环境下深埋隧道的岩爆灾害问题十分突出。本项目凝练出"多场耦合作用下岩爆灾害的机理及预测"这一重要科学问题，以川藏线拉林铁路、滇西地区大瑞铁路和川西高速公路的深埋隧道为研究基地，通过大量针对性的热-力、水-力和热-水-力耦合作用下硬岩变形破坏试验、岩爆物理模型试验和数值模拟，阐明多场作用下岩爆灾害的温度效应、湿度效应和水压效应。研究表明，花岗岩、砂岩和大理岩分别在60℃、90℃和40℃左右岩爆强烈程度达到峰值。湿度会降低岩爆烈度，而高水压加速了岩石裂纹扩展，会增强岩爆发生的强烈程度。在此基础上，建立了描述温度和水作用下的岩爆非线性力学模型、考虑岩石微观结构的GBM-SJM微观力学模型以及热-力、水-力作用下硬岩本构模型，并初步形成水-力-热作用下硬岩脆延性转换的数值模拟方法。选取起裂应力水平、能量指标刻画温度与水压对岩爆倾向性的影响，并采用积商形式构建了温度、湿度控制因子及水压控制因子的岩爆判据。结合微震监测技术，提出了基于启发式算法的隧道震源定位优化方法，建立了多场作用下岩爆评估及预警的EMS方法。.本项目研究成果对我国西部复杂地质地区深埋隧道开挖工程的稳定性评价及灾害控制具有理论意义和应用价值。已出版专著1部，在《Engineering Geology》、《Rock Mechanics and Rock Engineering》、《岩石力学与工程学报》等权威杂志发表SCI论文14篇，EI论文18篇，授权发明专利4项，在审发明专利5项。.研究成果已经在我国深埋隧道工程建设中得到实际应用（如川藏线拉林铁路、滇西地区大瑞铁路、川西高速公路等），成果获得省部级科技进步一等奖1项，培养博士研究生2名、硕士生17名，实现了项目的预期目标。研究成果提高了我国地下重大工程地质灾害评价水平，促进了深埋隧道灾害预测预警理论的发展，产生了良好的社会和经济效益。