岩体开挖力学效应及锚固工程质量检测新技术

2007年度国家科学技术进步奖二等奖。 2100433B

主要完成人：张永兴，李建林，刘新荣，陈建功，王乐华，许 明，王桂林，阴 可，周小平，杨学堂

主要完成单位：重庆大学，三峡大学

《深部岩体开挖瞬态卸荷机制与效应》主要介绍深埋洞室岩体开挖瞬态卸荷机制、效应和控制技术，包括深部岩体开挖瞬态卸荷力学过程和计算模型、钻爆开挖过程围岩应力和应变能的瞬态调整机制、深部岩体开挖瞬态卸荷激发的围岩振动、深部岩体爆破开挖引起的围岩开裂机制和岩爆效应、深部岩体爆破开挖过程中的围岩损伤演化机制、开挖瞬态卸荷引起的围岩松动与变形机制、深部岩体开挖瞬态卸荷动力效应控制技术等内容。

结构对岩体力学性能的影响。岩体在力学作用和力学性质上有明显的结构效应，结构类型不同，力学效应不一。若岩体内存在着软弱结构面，则岩体结构力学效应主要受它控制，而且取决于它的充填度(即充填物在结构面内填充程度)、充填物成分与结构、充填物厚度以及结构面的起伏度（即结构面的起伏程度，常用起伏差即起伏最大值表示）。其中又以充填物厚度、充填度和起伏度最为重要。厚度大小与物质成分有关,一般颗粒越粗厚度越大;反之,颗粒越细,厚度越小。设充填物厚度为h,结构面起伏差为H,定义为充填度。起伏的结构面内充填物的充填度越大，结构面抗剪强度越低。当充填度大于200%左右时,结构面强度便稳定于一定的水平上；即与软弱充填物质的强度相当，这种关系称之为充填度的力学效应。

结构面起伏度用起伏差及起伏角表示。起伏差的力学效应常与充填度相联系。起伏角α 为迎着受力方向结构面的仰角，又称为爬坡角。结构面具有爬坡角为α 的起伏时，其抗剪强度中的摩擦角φa将增加α ，即

φa=φj α

φj为平直结构面的基本摩擦角。

多组四级结构面（如节理）发育的岩体结构类型的力学效应主要取决于结构面密度（单位尺寸上的结构面数）、结构面产状（结构面出露的空间方位）及结构面组数 3个方面。岩体强度（变形参数也同样）随着岩体内含的结构面组数和结构体数增多而降低。结构面对岩体破坏影响有一定的范围。当结构面倾角大于或小于α min时，结构面对岩体破坏便没有影响。当结构面倾角介于和αmin之间时,岩体强度则随着结构面倾角而变化，在α=30°±时，出现强度最低值。在多组结构面发育的岩体，结构面对岩体力学作用和力学性质的影响，是各组结构面力学效应的叠加。显然，结构面组数越多，岩体力学性质越均匀化。

整体结构岩体的力学效应规律基本上与节理化岩体相近。以单轴抗压强度为例，节理化岩体仅相当于岩块抗压强度的1/3至1/10,而整体结构岩体的单轴抗压强度可相当于岩块的1/2至1/3。2100433B

《岩石力学与工程研究著作丛书》序

《岩石力学与工程研究著作丛书》编者的话

前言

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 深部岩体开挖效应研究现状 4

1.3 岩体开挖卸荷的动力特性 7

1.4 本书的主要内容 9

参考文献 10

第2章 深部岩体开挖瞬态卸荷力学过程和计算模型 19

2.1 岩体开挖的准静态和瞬态卸荷过程 19

2.1.1 钻孔爆破开挖法与隧道掘进机开挖法 19

2.1.2 准静态卸荷与瞬态卸荷的判定 23

2.1.3 岩体开挖瞬态卸荷力学过程 25

2.2 岩体开挖瞬态卸荷力学过程的数学描述 27

2.2.1 炮孔布置与毫秒延迟起爆顺序 27

2.2.2 围岩二次应力场与分步开挖荷载 29

2.2.3 爆炸荷载及其作用历程 32

2.2.4 岩体开挖瞬态卸荷起始时刻与持续时间估算 40

2.2.5 岩体开挖瞬态卸荷方式 42

2.3 爆炸荷载与开挖瞬态卸荷的耦合作用计算模型 44

2.3.1 爆炸荷载的施加 44

2.3.2 开挖瞬态卸荷过程的模拟 48

2.3.3 耦合作用计算模型及其实现 50

2.4 小结 51

参考文献 51

第3章 钻爆开挖过程围岩应力和应变能的瞬态调整机制 54

3.1 开挖瞬态卸荷引起的围岩瞬态应力场 54

3.1.1 围岩瞬态应力场计算的解析方法 54

3.1.2 瞬态卸荷引起的围岩二次应力动态调整过程 60

3.1.3 全断面毫秒爆破下的隧洞围岩二次应力演化与分布规律 65

3.2 爆炸荷载和瞬态卸荷耦合作用下的围岩总动应力场 69

3.2.1 爆炸荷载作用引起的围岩动应力场 69

3.2.2 爆炸荷载和瞬态卸荷耦合作用引起的围岩总动应力场 74

3.3 围岩应变能的集聚过程与空间分布规律 79

3.3.1 围岩应变能的计算 80

3.3.2 开挖过程围岩中的能量平衡 82

3.3.3 开挖过程围岩中的能量传输 85

3.3.4 围岩应变能的积聚特征 88

3.4 开挖过程围岩应变能的释放 89

3.4.1 能量释放指标 89

3.4.2 围岩能量释放规律 90

3.4.3 围岩能量释放的影响因素 100

3.5 小结 104

参考文献 105

第4章 深部岩体开挖瞬态卸荷激发的围岩振动 108

4.1 开挖瞬态卸荷激发围岩振动的机制及影响因素 108

4.1.1 静水应力场中岩体开挖瞬态卸荷激发围岩振动的解析解 108

4.1.2 岩体开挖瞬态卸荷激发围岩振动的影响因素 109

4.1.3 非静水应力场中岩体开挖瞬态卸荷激发围岩振动 114

4.2 瞬态卸荷激发振动与爆破振动的比较 116

4.2.1 爆破振动及影响因素 116

4.2.2 质点峰值振动速度比较 122

4.2.3 振动频率比较 125

4.2.4 实测深埋隧洞开挖过程振动信号的频谱特性 125

4.3 实测瞬态卸荷激发振动的识别与分离 133

4.3.1 深埋隧洞钻爆开挖过程的实测围岩振动 134

4.3.2 开挖瞬态卸荷激发振动的识别 138

4.3.3 开挖瞬态卸荷激发振动的分离 142

4.4 开挖瞬态卸荷激发振动的传播规律 146

4.4.1 基于量纲分析推导的激发振动预测公式 147

4.4.2 实测开挖卸荷激发围岩振动衰减规律 150

4.5 小结 156

参考文献 157

第5章 深部岩体爆破开挖引起的围岩开裂机制和岩爆效应 159

5.1 深埋隧洞爆破开挖过程的裂纹扩展模型 160

5.2 爆炸应力波驱动的岩体开裂机制 161

5.2.1 翼型裂纹扩展的临界条件 162

5.2.2 岩体开裂特征 162

5.3 准静态卸荷引起的围岩开裂机制 165

5.3.1 翼型裂纹产生的临界条件 165

5.3.2 围岩开裂范围与翼型裂纹扩展方向 167

5.4 瞬态卸荷诱导的围岩开裂机制及影响因素 168

5.4.1 围岩开裂范围 168

5.4.2 围岩开裂的影响因素 169

5.5 开挖卸荷诱导的岩爆效应 172

5.5.1 围岩开裂过程中的能量变化 172

5.5.2 不同卸荷方式下应变型岩爆的特征 177

5.5.3 岩爆碎块弹射速率 179

5.5.4 锦屏二级水电站深埋隧洞开挖过程中的岩爆 180

5.6 小结 186

参考文献 186

第6章 深部岩体爆破开挖过程中的围岩损伤演化机制 189

6.1 深部岩体钻爆开挖导致围岩损伤机理 189

6.1.1 岩体开挖瞬态卸荷诱发围岩损伤机理 189

6.1.2 爆炸荷载作用下的围岩损伤机理 190

6.2 深部岩体钻爆开挖围岩损伤模型 191

6.2.1 损伤破坏准则 191

6.2.2 损伤演化方程 192

6.2.3 损伤变量阈值 193

6.3 深部岩体钻爆开挖围岩损伤演化过程 194

6.3.1 瞬态卸荷作用下的围岩损伤演化过程 195

6.3.2 爆炸荷载与瞬态卸荷耦合作用下的围岩损伤演化过程 198

6.3.3 工程实例分析 203

6.4 锦屏二级水电站深埋隧洞爆破开挖围岩损伤区检测及特性研究 208

6.4.1 工程概况 208

6.4.2 损伤区检测方法 209

6.4.3 损伤区检测结果 210

6.4.4 深埋隧洞爆破开挖围岩损伤特性 214

6.5 小结 217

参考文献 218

第7章 开挖瞬态卸荷引起的围岩松动与变形机制 220

7.1 节理岩体开挖瞬态卸荷松动机理 220

7.1.1 开挖瞬态卸荷松动的能量模型 220

7.1.2 开挖瞬态卸荷松动的应力波模型 222

7.1.3 开挖瞬态卸荷松动的影响因素 228

7.1.4 平行节理组切割岩体的卸荷松动模型 229

7.2 开挖瞬态卸荷引起节理岩体松动模拟试验 234

7.2.1 松动模拟试验系统设计 234

7.2.2 模型材料的选择与相似分析 235

7.2.3 松动模拟试验过程 237

7.2.4 试验结果分析 241

7.3 节理岩体爆破松动机理 244

7.3.1 爆破松动的应力波模型 244

7.3.2 爆破松动的动力有限元分析 247

7.4 含结构面地下厂房高边墙开挖卸荷松动变形实例分析 250

7.4.1 瀑布沟水电站工程概况 251

7.4.2 开挖过程地下厂房实测变形 252

7.4.3 高边墙开挖卸荷松动变形数值分析 254

7.4.4 计算结果与实测数据的对比 259

7.5 小结 261

参考文献 262

第8章 深部岩体开挖瞬态卸荷动力效应控制技术 264

8.1 深埋洞室开挖程序优化 264

8.1.1 典型水电站地下厂房洞群开挖程序 265

8.1.2 大型地下厂房开挖程序比较与分析 270

8.1.3 深埋地下厂房开挖轮廓爆破方式比选 273

8.2 深部岩体开挖瞬态卸荷激发振动控制 279

8.2.1 爆破振动和开挖瞬态卸荷激发振动的预测 279

8.2.2 深埋隧洞开挖瞬态卸荷激发振动控制 280

8.2.3 深埋地下厂房开挖瞬态卸荷激发振动控制 292

8.3 深埋地下洞室开挖瞬态卸荷引起的围岩损伤控制 297

8.3.1 深埋隧洞开挖过程的围岩应力动态演化规律 297

8.3.2 全断面钻爆开挖过程的围岩损伤演化规律 302

8.3.3 基于地应力瞬态卸荷围岩损伤控制的爆破设计优化 303

8.4 基于开挖瞬态卸荷控制的施工期岩爆主动防治 305

8.4.1 基于应力解除的岩爆主动防治 305

8.4.2 基于爆破扰动控制的岩爆主动防治 309

8.5 小结 313

参考文献 314

索引 317

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