高应力条件下层状结构岩体隧道开挖诱发岩爆机理及预测研究

The prediction and control of rock burst is an important technology problem for deep buried tunnel construction. The rock burst characteristic of layer rock mass is different from complete rock because it it special. Otherwise, the occurrence of layer weakness plane and syntagmatic relationship with tunnel axes and greatest principal stress direction have a great influence on weather rock burst occurrence and its intensity. This project based on site investigation for rock burst characteristic of layer rock mass, applied experimental study, numerical calculation and theoretical analysis, studied the rock burst mechanism and prevention measures caused by tunnel excavation for layer rock mass under complicted conditions. This paper explorated brittle and rock burst proneness for layer rock mass, revealed the characteristic of crack formation, extended and transfixion when the rock mass fracturing according to uniaxial and triaxial of rock experimental test and strong loading triaxial experimental test, then researched the regulation of formation characteristic, failure machanism and energy accumulation, dissipation and release. The rock burst failure phenomenon and the whole process of derivative, development and formation for layer rock mass could be reconstructed according to model test, then build the nonlinear yield rule for layer rock mass according to strict mathematical and mechanical analysis and then put the numerical simulation method of rock burst forward. Based on the nonlinear science, the prevention measures could be proposed after the building of correction and energy criterion for stress-strength ratio of layer rock mass.

岩爆预测及控制是目前深埋隧道施工中的重大技术难题，层状结构岩体为一类特殊岩体，其岩爆特性有别于完整岩体，而层状结构面的产状及其与洞轴线、最大主应力方向的组合关系对岩爆发生与否和发生的烈度有着重要的影响。本项目以层状结构岩体岩爆特性现场调研为基础，应用试验研究、数值计算和理论分析的手段，系统研究高应力条件下层状结构岩体隧洞开挖诱发岩爆机理及预测和防治措施。通过单、三轴岩石力学试验及强卸荷三轴力学试验，探索层状结构岩体的脆性及岩爆倾向性、揭示岩体破裂时裂纹的萌生、扩展和贯通的特性，研究其变形特性、破坏机理及能量积累、耗散与释放规律。通过模型试验，再现层状结构岩体岩爆破坏现象及其衍生、发展和形成的全过程；然后通过严谨的数学力学分析，建立层状结构岩体非线性强度准则，提出岩爆的数值模拟方法。最后建立层状结构岩体的强度应力比和能量修正判据，并基于非线性理论建立岩爆预测方法，提出岩爆防治措施。

岩爆灾害问题是我国地下工程建设过程中的一个急待解决的难题，由于岩爆的极端复杂性和各种地质条件和工程条件的多样性，迄今还未攻克这一难题，而层状结构面的产状及其与洞轴线、最大主应力方向的组合关系对岩爆发生与否和发生的烈度有着重要的影响。本项目以层状结构岩体岩爆工程为调研对象，系统收集和整理分析工程区的隧道岩爆工程实例，对岩爆特征进行工程地质精细描述，获取层状结构岩体岩爆发生的一般规律及层状结构岩体岩爆影响因素。采用单轴压缩试验对不同倾角的层状结构岩体进行分析研究，获取了层状结构岩体的单轴抗压强度、弹性应变能指数等力学参数，得到了其峰值后的破坏形态和破坏性质，揭示了层状结构岩体的力学参数和层状结构岩体倾角之间的相关关系。开展层状结构岩体常规三轴试验，获得不同层状结构岩体的应力-轴向应变曲线，分析不同倾角的层状结构岩体的基本力学特征。通过岩体三轴卸荷试验，研究不同倾角的层状结构岩石在强卸荷应力路径下的力学行为特征，分析了层状结构岩体的倾角在岩石脆性破坏过程中对岩石变形破坏的影响。采用大尺度三维模型试验系统，分析具有不同倾角的层状结构岩体洞室在高地应力下开挖变形破坏规律。根据弹塑性理论，建立层状结构岩体本构关系，开展岩爆数值模拟研究，分析了洞轴线、层状结构面倾向及最大主应力方向这三者之间的组合特征对层状结构岩体岩爆的影响。基于现场调研、试验研究、数值仿真和理论分析的结果，建立了层状结构岩体岩爆预测的修正的强度应力比判据和修正的能量判据。构建层状结构岩体岩爆预测指标体系，引入层状结构岩体产状、层状结构岩体岩层、层状结构岩体结构面性质和最大主应力与层状结构面的夹角等结构岩体特征参数，建立了基于模型可靠性检查的QGA-SVM岩爆预测非线性模型。最后，提出了层状结构岩体洞室开挖诱发岩爆全周期控制措施。本研究成果对于工程建设的全生命周期，正确选择地下工程场地、调整优化洞室轴线方位和岩爆灾害预测及防治等工程实践具有重要意义。