深埋隧洞开挖岩爆数值模拟与预测

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1、岩爆监测预报与控制学术研讨会论文集深埋隧洞开挖岩爆数值模拟与预测陈文亮1，章青2，刘仲秋2(1．浙江省水利河口研究院，杭州310020；2．河海大学工程力学系，南京21∞98)蕾耍：为能更好的反映深埋隧洞岩爆的脆性破坏特征，在岩爆的数值模拟中采用了一个复合破坏准则弹脆塑性本构模型，并结合锦屏二级水电站辅助洞工程，综合运用各种判据和方法建立岩爆的预测体系，对开挖过程中岩爆的发生情况进行了预测，判定在洞肩和洞底角点处发生岩爆可能性较大，这与锦屏二级水电站辅助洞岩爆实际发生情况基本一致。关t词：深埋隧洞；脆性岩体；岩爆；数值模拟；预测1引言岩爆是高应力区进行

2、地下开挖时，由于破坏了岩体的力学平衡，围岩中产生了应力集中而使岩体产生脆性破坏并伴随能量释放的动力失稳现象。有关统计资料表明u1，岩爆多发生在强度高、厚度大的坚硬岩(煤)层中，一般而言，随着埋深的增加岩爆发生的机会将越来越大，所以在深层开挖中研究岩爆显得尤为重要。近几十年来，国内外采矿界和岩体工程界的专家、学者对岩爆机理、岩爆预测以及岩爆防治诸方面进行了大量的研究，取得了一定成果憧刊。在岩爆机理方面除了传统的强度理论、刚度理论、岩爆倾向理论等外，近年来谢和平口1采用分形理论，潘岳等喀1采用突变理论，陈卫忠四1、王耀辉n0。、秦剑峰、卓家寿n¨等采用能量

3、理论来解释岩爆现象。在岩爆预测方法方面根据不同的岩爆机理理论，可得出不同的判据，主要分为应力判据，岩性判据，能量判据，临界深度判据等。但由于岩爆是极为复杂的动力失稳现象，岩爆的机理到目前为止还不很清楚，利用传统的岩爆分析方法来预测岩爆遇到了极大的困难，在这种情况下，人工智能、专家系统、神经网络在岩爆预测中得到了很好的运用，如冯夏庭等Ⅱ钔提出的基于支持向量机的预测方法为岩爆预测提供了一条十分有效的途径。在岩爆的数值模拟方面，普遍的做法是根据对围岩二次应力场的模拟，采用不基金项目t国家自然科学基金委员会、二滩水电开发有限责任公司雅砻江永电开发联合研究基金重

4、点项目(50539090)作者■介I陈文亮(1兜2一)，男，硕士，2008年毕业于河海大学，现主要从事水利工程质量检测及防灾减灾工作。E-mil：cw四898@qq．coma147陈文亮，章青．深埋隧洞开挖岩爆数值模拟与预测2010年11月同的判据预测方法预测岩爆是否发生，其中采用的岩石本构关系基本是弹性本构或者弹塑性本构。近年来，越来越多的研究表明深埋隧洞岩爆具有典型的脆性破坏特征u孓Mj，因此采用传统的弹塑性本构来模拟岩爆的脆性破坏问题并不合适。本文提出在深埋隧洞岩爆数值模拟中采用符合深埋隧洞岩爆岩体脆性破坏特征的复合破坏准则弹脆塑性本构模型，并利

5、用ABAQUS的二次开发功能编制了此弹脆塑性本构的I玎讧AT程序并将其用于岩爆的数值模拟。结合锦屏二级水电站辅助洞工程，通过三维有限元数值模拟，综合运用各种判据和方法建立岩爆的预测体系，对岩爆发生情况和部位进行了预测，对岩爆的预测具有一定的参考价值。2数值分析模型2．1计算采用的本构模型与破坏准则岩爆破坏是典型的脆性破坏，其破坏方式主要由拉张破坏、剪切破坏和拉剪复合破坏。以往的研究大多采用理想弹塑性本构关系，并且对屈服破坏的判断采用单一的屈服准则，如MonColllomb准则和DImck昏Prager准则。这些破坏准则只能反映岩石压剪破坏而不能很好的反

6、映岩石的脆断破坏，且理想弹塑性本构关系也不能反映岩石的脆性破坏特征。为了能够模拟岩爆的脆性破坏，本文考虑把反映脆性破裂准则的最大拉应力准则(Ra出鹏准则)和弹脆塑性本构联合，弹脆塑性本构中的屈服准则采用Dlnlck*Prager准则。R加hne准则结合Dnlck肾Prager准则弹脆塑性本构是综合考虑受拉和受压两种破坏模式的复合准则。通过这个复合准则，材料的脆性破坏可被分为拉伸破坏和压剪破坏两种形式，拉伸形式的断裂破坏由＆田kine准则判断，剪切形式的脆塑性破坏由D期豳盯．Prager准则判断。R御Ikine准则可表达为／“，以，曰)=2√3以cos目

7、+厶一3Z。=o(1)又Dn】cker-Prager屈服准则为／=口‘+√以一露=o(2)以上两式中：正，工分别为应力张量的第一不变量和应力偏量的第二不变量；臼为Lode角；Q，K均为和材料的粘聚力c和内摩擦角由有关的参数。联立两式得‘一丛三幽：o1(3)l一2√3口cos臼148陈文亮，章青．深埋隧洞开挖岩爆数值模拟与预测2010年11月令，，3f。一2√3后cos秒‘11—2√3口cos目当dpr≥0时采用Rankine破坏准则，岩体发生脆性拉断破坏；当dpr<0时采用Dnlck小Prager屈服准则，岩体发生剪切形式的脆性破坏，按脆塑性本构理论进

8、行求解。关于脆塑性模型理论分析与数值实现方法，文[15—16]进行了详细的阐述，在此不再赘述。