岩爆研究 毕业论文

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1、第35页1绪论1.1引言我国是一个多山国家，山地和丘陵占国土面积的三分之二，同时又是一个人多地少的国家。为了满足社会与经济发展日益增长的需求，我国在向空中发展的同时，隧道和地下空间的开发也不断地向深部发展。在西部各省区，隧道和地下空间的发展更是国家西部大开发战略的迫切需要，西部交通条件的改善、丰富水利资源的开发与利用、南水北调工程等，这些都不可避免地涉及到隧道和地下空间的开挖和修建以及有关这些地下工程的稳定性和可靠性评价研究。其中，深埋特长隧道工期长、造价高，施工难度大，且多为穿越山岭等地质构造复杂区域，有深埋特长隧道特有的高地应力、硬岩岩爆、围岩大变形、高压涌水等关键问题。

2、随着岩体力学、地下工程、结构工程等多学科的快速发展，国内外学者在卸荷岩体力学、工程岩体破坏机制、深埋岩体热—力—水的相互作用、非线性科学及其它软科学理论方面虽然已取得了很大的成绩，然而随着交通建设、水电工程建设、能源矿产资源开发和城市地下交通和地下空间的快速发展，隧道和地下空间的开发也不断地向深部发展，埋深增加、跨度和长度增大，能量场逐渐由保守场转为耗散场，地应力、温度和地下水渗透压将进一步增加，岩爆风险将进一步加大，另外，还可能出现塌方、岩溶塌陷、有害气体及瓦斯突出、活断层等地质灾害。这些问题是当前国际岩石力学研究的难点和热点，这些带根本性的问题并未得到很好的解决。况且，深

3、埋隧道围岩破坏是一个复杂的非平衡、非线性的演化过程，由于岩石材料的非均匀性，理论上很难对其构成特征作准确的描述，目前更多的工作停留在应力状态和破坏判据的研究上，对深埋隧道围岩破坏过程的理论研究工作并不多见，国内外虽然通过大量岩石（体）破裂的相关实验对其进行了一定程度的研究，但对深埋隧道围岩破坏的相关机理仍然缺乏深入的认识，许多问题需要进一步深入研究。由此可见，开展对深埋隧道围岩破坏过程及其相关机理的研究非常必要且十分重要。从岩石力学角度讲，大深度开采诱发的一个突出问题就是岩爆，岩爆问题就是脆性围岩的破坏问题，脆性围岩的破坏规模就是岩爆发生概率的表征[52]，随着深度的增加，岩

4、爆问题日益突出[124]。自18世纪30年代末英国锡矿岩爆被首次报道以来，世界范围内已有前西德、南非、中国、前苏联、波兰、捷克、匈牙利、保加利亚、奥地利、美国、意大利、瑞典及挪威等国家的岩爆记录最多。近20多年来，我国天生桥水电站引水隧洞、岷江太平驿电站引水隧洞、锦屏水电站勘探平硐、二滩水电站引水隧洞、西康铁路秦岭特长隧道II线平导及川藏公路二郎山隧道等一大批长大隧道工程相继发生突发性严重岩爆，使得隧道施工防不胜防，爆裂破坏所造成的岩块（片）则可以爆裂松脱、爆裂剥离、爆裂弹射或抛掷等不同方式脱离母岩体，直接威胁施工人员、设备和地下工程的安全，严重影响了工程进度[125,126

5、]。第35页南非金矿的开采深度目前是世界上最大的，平均在2000m以上，本世纪计划开采到4500～5000m深度。何满潮[123]（2002）等把国际岩石力学学会定义的硬岩发生软化的深度（一般为500m）作为进入深部工程的界限，并将深部工程分为较深工程（500~1000m）、超深工程（1000~2000m）和极深工程（>2000m），深部岩体形成历史久远，留有远古构造运动的痕迹，其中存在有构造应力场或残余构造应力场，二者的叠合累积为高应力，在深部岩体中形成了异常的地应力场。根据南非地应力测定，深度为3500~5000m时，地应力水平为95~135Mpa，在如此高的应力状态下进

6、行工程开挖，作为深部工程岩体主要组成部分之一的铁质或硅质胶结的砂岩类、结晶岩类在浅部状态时基本无变形，处于线弹性工作状态，在深部状态下表现为猛烈的岩爆和片帮破坏，确实面临严峻挑战。1.2国内外岩爆研究现状岩爆是隧道开挖过程中围岩的一种非正常破坏现象，主要表现为大范围的岩体突然破坏，破裂围岩的动力抛掷，并伴有不同程度的爆炸、撕裂声，围岩释放大量能量，使几米至几百米的硐室瞬间破坏，严重的岩爆可将巨石猛烈抛出，甚至一次岩爆就能抛出数以吨计的岩块和岩片，常常造成人员伤亡和设备损失。岩爆不仅使人产生恐惧感，而且直接威胁施工人员和设备的安全，严重的会诱发地震，造成地表建筑物的破坏。所以对

7、岩爆发生的可能性及其危险程度的预测是隧道设计、施工企业在高地应力区岩质隧道建设过程中所必须解决的问题。近十几年来，国内外学者在岩爆预测预防方面做了大量的研究工作，利用强度、刚度、能量、扰动、稳定、断裂、损伤、突变、分形、微重力和声发射等诸多理论和方法对岩爆现象进行了分析，提出了多种岩爆预测方法和判据。强度理论是最早的岩爆发生理论，但存在诸多缺陷，库克在总结南非15年岩爆研究与防治的基础上，提出了能量理论，提出了以解析式表达的开挖能量释放率（即开挖单位体积矿体所释放的能量）。能量理论考虑了岩爆时大量能量释