抛掷型岩爆机理分析与模拟试验技术

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1、总参工程兵科研三所2013年8月哈尔滨前言1对抛掷型岩爆机理的新认识2对抛掷型岩爆机理模拟试验技术的分析与建议3对抛掷型岩爆机理模拟试验装置的研发4新装置岩爆试件模拟试验概况结语汇报提纲前言岩爆是在高地应力地区硬岩隧洞施工中经常发生的一种动力地质灾害。因为岩爆发生时会有大量岩块飞出，往往会给人员、设备造成重大灾害（见图），所以岩爆问题倍受人们关注。下面是锦屏二级水电站在隧洞施工中的岩爆现象。锦屏二级水电站引水隧洞施工中岩爆破坏景象锦屏二级水电站排水洞施工中岩爆破坏景象尽管国内外学者对岩爆问题进行了多方面的研究，也取得了不

2、少成果，但目前仍有不少问题，如岩爆机理、岩爆定义、岩爆类型等都还没有统一的认识，尚待研究解决。我们也按目前对岩爆机理的认识设计加工了一套试验装置。该装置对岩爆影响因素考虑的比较全，如初始地应力场的影响，开挖效应、时空效应、岩体特征等影响都做了考虑。但在试验中发现岩爆试件只产生静力型破坏，未产生抛掷型岩爆。上述现象促使我们对岩爆机理和模拟试验技术进行了深入思考，认识到目前我们对岩爆机理的认识上还不够全面，在试验研究方法上还存在缺陷。我们结合抛掷型岩爆的特点（因为抛掷型岩爆具有岩爆的典型特征：有声响，有抛掷现象等），对其机理

3、进行了深入分析，有了新的认识。在此基础上，研制出新的试验装置，开展了新的试验。在试验中较好地实现了抛掷型岩爆现象。为了交流经验，促进这项事业的发展，我向大家做一简要汇报，有不合适的地方，欢迎批评指正！前人对岩爆机理已经做了较多的研究。我们是在前人研究的基础上，针对抛掷型岩爆的特点，再谈点新认识。共有四点：1对抛掷型岩爆机理的新认识（1）在岩爆应力判据中给出的围岩应力σθ/Rc=0.3～0.7的条件下就可发生岩爆，甚至可发生强烈岩爆，是因为在围岩内存在软弱结构区之故。实际工程中很少看到整个围岩都发生岩爆的现象，一般都是局部

4、发生。这是因为围岩不是均匀的，其内有层理、节理、裂隙、断层等软弱结构面形成的软弱结构区。因为软弱结构区内岩体强度低，在围岩内整体强度还没有达到破坏标准时，软弱结构区就可能已达到破坏标准，这就造成在σθ/Rc=0.3～0.7条件下，围岩内就可能发生岩爆，甚至可能发生强烈岩爆的现象。上述观点启示我们，在岩爆模拟试验中，应该考虑软弱结构区的影响。（2）单靠岩爆体本身积蓄的能量不足以发生抛掷型岩爆，要发生抛掷型岩爆，必须要有外力功对其破坏过程进行能量补充。这是因为，当应力状态给定后，对于不全被被封闭或不全被约束的岩爆试件，通过外

5、力做功使其吸收的内能总量是有限的，其最大值应该等于材料变形达到极限时外力所做的有效功。超过这个数值再加外力，材料就要用破坏来消耗外力功。这就像用水桶装水，水装满了再加水，水就要流出来一样。换句话说，材料吸收的内能达到极限时，材料并不发生破坏。材料要破坏，外力必须再做功。对岩爆问题来说，岩爆体也是一种不被全部约束的结构体（因它有自由面)。当岩爆体吸收的内能达到极限时，它并不会发生破坏（岩爆）。它要发生破坏（岩爆），也必须要有外力功对其破坏过程进行能量补充，也就是必须让洞壁围岩继续对它产生挤压变形。上述观点启示我们，在岩爆机

6、理模拟试验中，必须对岩爆试件进行能量补充，以保持试件的破坏过程。（3）工程中岩爆发生时，洞壁围岩会对岩爆体产生能量汇聚，这是抛掷型岩爆发生的重要前提。在实际工程中看到：在高地应力地区开挖隧洞时，洞壁围岩往往要产生很大的收敛变形，有时会把洞内的支护、衬砌都压垮（见图1-1）。图1-1洞室收敛挤压变形状态另外，从围岩弹塑性理论分析中也可看出（见图1-2），在洞室开挖之后，洞壁围岩要产生径向位移，要限制这种位移的发展，需要对洞壁提供较大的支撑力。图1-2洞壁位移-支护抗力关系曲线岩爆是发生在洞壁围岩中。围岩中的应力在开洞时已产

7、生了一次应力集中，如果再发生岩爆，将引起第二次应力集中。因而在岩爆发生时，洞壁围岩将会对岩爆体产生更大的挤压变形和释放更多的能量。我们把洞壁围岩对岩爆体释放能量的过程称为能量汇聚。能量汇聚是抛掷型岩爆发生的重要前提，也是我们在岩爆机理模拟试验中，对岩爆试件进行能量补充的重要依据。（4）在抛掷型岩爆发生时，存在由静态到动态的转化工程，这种转化是由洞壁围岩对岩爆体释放的能量有剩余造成的。众所周知，抛掷型岩爆发生时有一个由静态到动态的转变过程。这个过程的转化是由于岩爆发生时，洞壁围岩对岩爆体释放的能量有剩余造成的。这可从洞壁围

8、岩与岩爆体相互作用简图中看出，简图1-3。图1-3的绘制是根据岩爆应力判据中，围岩应力在σθ/Rc=0.3～0.7的条件下，即在围岩尚处于弹性条件下就可能发生岩爆，因此我们可用弹簧代替周围岩体对岩爆体的作用。图1-3洞壁围岩与岩爆体相互作用原理示意图从图1-3中看出：在岩爆发生前，弹簧（围岩）与岩爆体是处于应力平衡状