巖爆研究 畢業(yè)論文

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1、第35頁1緒論1.1引言我國是一個多山國家，山地和丘陵占國土面積的三分之二，同時又是一個人多地少的國家。為了滿足社會與經(jīng)濟發(fā)展日益增長的需求，我國在向空中發(fā)展的同時，隧道和地下空間的開發(fā)也不斷地向深部發(fā)展。在西部各省區(qū)，隧道和地下空間的發(fā)展更是國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的迫切需要，西部交通條件的改善、豐富水利資源的開發(fā)與利用、南水北調(diào)工程等，這些都不可避免地涉及到隧道和地下空間的開挖和修建以及有關(guān)這些地下工程的穩(wěn)定性和可靠性評價研究。其中，深埋特長隧道工期長、造價高，施工難度大，且多為穿越山嶺等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域，有深埋特長隧道特有的高地應(yīng)力、硬巖巖爆、圍巖大變形、高壓涌水等關(guān)鍵問題。

2、隨著巖體力學(xué)、地下工程、結(jié)構(gòu)工程等多學(xué)科的快速發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者在卸荷巖體力學(xué)、工程巖體破壞機制、深埋巖體熱—力—水的相互作用、非線性科學(xué)及其它軟科學(xué)理論方面雖然已取得了很大的成績，然而隨著交通建設(shè)、水電工程建設(shè)、能源礦產(chǎn)資源開發(fā)和城市地下交通和地下空間的快速發(fā)展，隧道和地下空間的開發(fā)也不斷地向深部發(fā)展，埋深增加、跨度和長度增大，能量場逐漸由保守場轉(zhuǎn)為耗散場，地應(yīng)力、溫度和地下水滲透壓將進一步增加，巖爆風(fēng)險將進一步加大，另外，還可能出現(xiàn)塌方、巖溶塌陷、有害氣體及瓦斯突出、活斷層等地質(zhì)災(zāi)害。這些問題是當(dāng)前國際巖石力學(xué)研究的難點和熱點，這些帶根本性的問題并未得到很好的解決。況且，深

3、埋隧道圍巖破壞是一個復(fù)雜的非平衡、非線性的演化過程，由于巖石材料的非均勻性，理論上很難對其構(gòu)成特征作準確的描述，目前更多的工作停留在應(yīng)力狀態(tài)和破壞判據(jù)的研究上，對深埋隧道圍巖破壞過程的理論研究工作并不多見，國內(nèi)外雖然通過大量巖石（體）破裂的相關(guān)實驗對其進行了一定程度的研究，但對深埋隧道圍巖破壞的相關(guān)機理仍然缺乏深入的認識，許多問題需要進一步深入研究。由此可見，開展對深埋隧道圍巖破壞過程及其相關(guān)機理的研究非常必要且十分重要。從巖石力學(xué)角度講，大深度開采誘發(fā)的一個突出問題就是巖爆，巖爆問題就是脆性圍巖的破壞問題，脆性圍巖的破壞規(guī)模就是巖爆發(fā)生概率的表征[52]，隨著深度的增加，巖

4、爆問題日益突出[124]。自18世紀30年代末英國錫礦巖爆被首次報道以來，世界范圍內(nèi)已有前西德、南非、中國、前蘇聯(lián)、波蘭、捷克、匈牙利、保加利亞、奧地利、美國、意大利、瑞典及挪威等國家的巖爆記錄最多。近20多年來，我國天生橋水電站引水隧洞、岷江太平驛電站引水隧洞、錦屏水電站勘探平硐、二灘水電站引水隧洞、西康鐵路秦嶺特長隧道II線平導(dǎo)及川藏公路二郎山隧道等一大批長大隧道工程相繼發(fā)生突發(fā)性嚴重巖爆，使得隧道施工防不勝防，爆裂破壞所造成的巖塊（片）則可以爆裂松脫、爆裂剝離、爆裂彈射或拋擲等不同方式脫離母巖體，直接威脅施工人員、設(shè)備和地下工程的安全，嚴重影響了工程進度[125,126

5、]。第35頁南非金礦的開采深度目前是世界上最大的，平均在2000m以上，本世紀計劃開采到4500～5000m深度。何滿潮[123]（2002）等把國際巖石力學(xué)學(xué)會定義的硬巖發(fā)生軟化的深度（一般為500m）作為進入深部工程的界限，并將深部工程分為較深工程（500~1000m）、超深工程（1000~2000m）和極深工程（>2000m），深部巖體形成歷史久遠，留有遠古構(gòu)造運動的痕跡，其中存在有構(gòu)造應(yīng)力場或殘余構(gòu)造應(yīng)力場，二者的疊合累積為高應(yīng)力，在深部巖體中形成了異常的地應(yīng)力場。根據(jù)南非地應(yīng)力測定，深度為3500~5000m時，地應(yīng)力水平為95~135Mpa，在如此高的應(yīng)力狀態(tài)下進

6、行工程開挖，作為深部工程巖體主要組成部分之一的鐵質(zhì)或硅質(zhì)膠結(jié)的砂巖類、結(jié)晶巖類在淺部狀態(tài)時基本無變形，處于線彈性工作狀態(tài)，在深部狀態(tài)下表現(xiàn)為猛烈的巖爆和片幫破壞，確實面臨嚴峻挑戰(zhàn)。1.2國內(nèi)外巖爆研究現(xiàn)狀巖爆是隧道開挖過程中圍巖的一種非正常破壞現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為大范圍的巖體突然破壞，破裂圍巖的動力拋擲，并伴有不同程度的爆炸、撕裂聲，圍巖釋放大量能量，使幾米至幾百米的硐室瞬間破壞，嚴重的巖爆可將巨石猛烈拋出，甚至一次巖爆就能拋出數(shù)以噸計的巖塊和巖片，常常造成人員傷亡和設(shè)備損失。巖爆不僅使人產(chǎn)生恐懼感，而且直接威脅施工人員和設(shè)備的安全，嚴重的會誘發(fā)地震，造成地表建筑物的破壞。所以對

7、巖爆發(fā)生的可能性及其危險程度的預(yù)測是隧道設(shè)計、施工企業(yè)在高地應(yīng)力區(qū)巖質(zhì)隧道建設(shè)過程中所必須解決的問題。近十幾年來，國內(nèi)外學(xué)者在巖爆預(yù)測預(yù)防方面做了大量的研究工作，利用強度、剛度、能量、擾動、穩(wěn)定、斷裂、損傷、突變、分形、微重力和聲發(fā)射等諸多理論和方法對巖爆現(xiàn)象進行了分析，提出了多種巖爆預(yù)測方法和判據(jù)。強度理論是最早的巖爆發(fā)生理論，但存在諸多缺陷，庫克在總結(jié)南非15年巖爆研究與防治的基礎(chǔ)上，提出了能量理論，提出了以解析式表達的開挖能量釋放率（即開挖單位體積礦體所釋放的能量）。能量理論考慮了巖爆時大量能量釋