大型深埋地下厂房洞室群建设是我国西南丰富水能资源开发的关键,大型地下厂房往往存在大跨度、大埋深、高边墙以及结构复杂等特点,在开挖过程中会产生围岩变形和应力集中现象,甚至可能出现岩爆、围岩损伤开裂及突发大变形等变形破坏现象。目前,水电站地下厂房通常采用分层分部开挖,其中应用最为广泛的是预留边墙保护层的开挖程序。鉴于地下洞室开挖过程中围岩变形与稳定控制的要求越来越高,地下厂房合理的边墙保护层厚度的选择至关重要,但现有的边墙保护层厚度设计主要还是采用经验法。因此,有必要对复杂条件下地下厂房边墙预留保护层厚度的确定和优选展开深入研究。本文针对水电站大型地下厂房开挖,考虑开挖过程中爆炸荷载与开挖瞬态卸载的耦合作用,建立了厂房爆破开挖的计算模型,研究了不同保护层厚度的开挖方案对地下厂房爆破开挖效果的影响,并对不同初始应力条件下不同开挖方案对围岩扰动的影响规律进行了研究,对于地下厂房开挖过程中开挖程序的选择和优化具有一定意义。首先,对当前水电站地下厂房分层开挖程序进行了详细的总结梳理,对断面尺寸、围岩稳定因素、地应力水平等影响边墙保护层厚度的因素进行了分析,以便更好地研究边墙预留保护层开挖程序的优化。以白鹤滩水电站地下厂房爆破开挖为背景,对不同预留保护层厚度的开挖方案进行数值计算,研究不同开挖方案对围岩变形、损伤及动力响应特性的影响。结果表明,随着预留保护层厚度的增加,围岩损伤范围、围岩振动响应及位移等均呈现先减小后增大的趋势,存在一个与地应力水平相适应的合理保护层厚度。对于白鹤滩水电站地下厂房,其开挖时合理的边墙保护层厚度取值为2～4m。考虑到地应力水平对围岩的爆破效果影响,利用动力有限元程序LS-DYNA对不同初始地应力水平下的厂房开挖进行数值模拟。结果表明,不同的初始地应力条件下,随着预留保护层厚度的增加,围岩的损伤、变形等特征均呈现先减小后增大的趋势。基于围岩扰动程度,不同地应力水平下均存在一个优选的保护层厚度取值;在一定的地应力范围内,随着初始地应力的增加,优选保护层厚度也逐渐增大;地应力在10MPa左右时优选保护层厚度为2m,当地应力增大至约50MPa时可预留4～6m左右的保护层。最后,结合典型实际工程实例的对比分析,在考虑厂房尺寸、地应力水平、岩体质量等的影响情况下,给出了不同条件下保护层厚度的选取建议值,能够为地下厂房施工时边墙保护层厚度的选取提供一定的参考。

水电工程建设、矿藏资源开采以及地下防护工程的建设均涉及到深埋岩体开挖卸荷。深部岩体的开挖改变了原有岩体的赋存环境,导致应变能动态调整,产生一系列工程地质灾害,比如围岩振动、损伤、岩爆或者冲击地压等。当开挖深度较高,地应力较大时,岩体的动态调整效应更为显著。因此,探索高地应力条件下岩体开挖引起的应力场和能量场动态变化过程,对工程应用和安全控制有着重要意义。深部岩体开挖过程复杂。本文利用半无限长杆模型和球形空腔模型获得应力瞬间卸载条件下的应力场;深埋隧洞开挖中的应力和能量是一个瞬态释放过程,基于弹-靶冲切和深埋隧洞开挖在力学机制上一致性,建立冲切模型,从平面应力的角度进一步分析应力瞬态释放条件下岩体开挖力学响应;利用能量变化特征,基于能量释放率指标不足,提出能量释放速率指标,建立相应的能量破坏准则,推广到土木工程领域;分析了深埋岩体开挖过程中岩爆发生的条件和判据,指出现有判据存在的不足,从物理机制上分析了能量释放速率在评价围岩破坏倾向性的合理性。对于半无限长杆模型,矩形荷载引起的动、静应力大小相等,卸载瞬间不会激起应力峰值,也不会出现拉应力,对于球腔模型,卸载瞬间会出现拉应力峰值;应力瞬态卸载使靶板产生动应力,靶板内径向应力先增大后减小最后趋于稳定,切向应力则出现先减小后增大的趋势;卸载时间越短,动应力的变化效应越明显,动应力变化率越大;相同卸载时间下,径向应力的变化率大于切向应力变化率。根据靶板内应力场获得能量变化情况,通过能量变化曲线可以看出:应力快速卸载条件下,靶板内应变能先减小后增大,产生动态波动;能量从靶板外向冲切面上传递,促使应变能发生聚集,越靠近冲切面,应变能积聚程度越明显;卸载时间越短,靶板中应变能的积聚程度越高。利用能量破坏准则对岩爆临界深度进行评价,得到如下结论:卸载时间与岩爆临界深度息息相关,应力瞬态卸载使得临界深度范围增大4.8%～11.9%;最后提出了控制应变能释放的施工方法。

The rapid release of strain energy is an important phenomenon leading to seismic events or rock failures during the excavation of deep rock. Through theoretical analysis of strain energy adjustment during blasting and mechanical excavation, and the interpretation of measured seismicity in the Jin-Ping II Hydropower Station in China, this paper describes the characteristics of energy partition and induced seismicity corresponding to different energy release rates. The theoretical analysis indicates that part of the strain energy will be drastically released accompanied by violent crushing and fragmentation of rock under blast load, and this process will result in seismic events in addition to blasting vibration. The intensity of the seismicity induced by transient strain energy release highly depends on the unloading rate of in-situ stress. For mechanical excavation, the strain energy, which is mainly dissipated in the deformation of surrounding rock, releases smoothly, and almost no seismic events are produced in this gradual process. Field test reveals that the seismic energy transformed from the rock strain energy under high stress condition is roughly equal to that coming from explosive energy, and the two kinds of vibrations superimpose together to form the total blasting excavation-induced seismicity. In addition, the most intense seismicity is induced by the cut blasting delay; this delay contributes 50% of the total seismic energy released in a blast event. For mechanical excavation, the seismic energy of induced vibration (mainly the low intensity acoustic emission events or mechanical loading impacts), which accounts only for 1.5‰ of that caused by in-situ stress transient releasing, can be ignored in assessing the dynamic response of surrounding rock. © 2018, Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration and Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature.

千米级矿产资源在采用房柱法开采过程中,由于深部岩体“三高”赋存环境及爆破开采的“强扰动”性,导致深部矿体开采面临难以预测灾害事故,因此高应力岩体采场爆破对矿柱的损伤机理与效应研究对深部采场作业安全具有重要意义。以陈台沟

以碧沙北路道路工程跨碧岭隧洞为例,研究了在既有隧洞上方修建公路时,车道荷载对隧洞衬砌结构的影响及粘钢加固方案的加固效果。采用非线性有限元的方法进行的数值模拟分析表明:新建公路会造成隧洞衬砌边墙凹陷、底板隆起、开裂增多等不利影响。粘钢加固后,钢板与衬砌共同受力,能有效减小衬砌变形,缓解衬砌应力集中,防止衬砌裂缝扩展,使得新增开裂占比从46.28%降至18.89%。

输水隧洞衬砌结构病害严重威胁隧洞的长期安全稳定运行。粘钢加固法凭借其工艺简便、经济合理、工期较短等特点而常被运用于隧洞衬砌结构加固补强工程中。合理选择粘钢加固技术参数是确保加固效果的关键,依据某输水隧洞设计了6种粘钢加固方案,利用有限元计算对比分析了钢板厚度、钢板材料强度、胶层厚度三个因素对加固效果的影响。经分析,建议在胶层粘结能力较强,锚固措施较好的条件下适当增大钢板厚度,减小胶层厚度,选用"轻质高强"的钢板材料,以保证加固效果。

The in-situ stress has great influence on blasting damage during deep tunnel excavation. However, the effects of in-situ stress on the blasting damage during tunnel excavation are deficient, and its mechanism is not clear. Therefore, theoretical analyses and numerical simulations are adopted to study the rock excavation damage under the coupling effect of in-situ stress and blasting load. The results indicate that the damage extent has obvious correlation with in-situ stress level. The damage extent decreases first and then increases as the stress level rises. In the decreasing part, blasting load is the dominant factor and mainly causes tensile-shear damage. The rising of in-situ stress here raises the tensile-shear yield limit of surrounding rock, which leads to the reduction of damage extent. When it comes to increasing part, the secondary stress field induced by excavation takes place of blasting load while mainly causing compress-shear damage. The damage extent rises up with the in-situ stress level increasing continuously. For the circular tunnel in this paper, the turning point where the trend of damage extent turns to increasing from decreasing is in-situ stress of 12.5 MPa.

基于DP-Smart、DP-Modeler和AR-Explorer建立输水隧洞管养巡检智能AR平台,为管理人员提供更为全面和准确的信息,实现对衬砌缺陷的智能识别、统计、评估,为进一步开展缺陷管理、安全鉴定、延寿改造,实现全生命周期健康维护,优化传统的输水隧洞管理模式,充分发挥水利设施的经济和社会效益。

深埋隧洞爆破损伤直接影响到隧洞施工安全,支护设计中也须着重考量,目前应力条件对爆破损伤产生机制的影响尚未完全揭示,且缺乏兼顾计算效率与计算精度的群孔起爆爆破损伤数值模拟方法。依托锦屏二级水电站辅助洞开挖,提出一种基于法向冲击荷载的爆破损伤模拟方法,通过数值模拟与损伤区原位监测的对比分析,分析了该方法的可行性;并基于该方法研究不同应力条件下爆破损伤孕育机制。结果表明,采用提出的法向冲击荷载可以有效模拟爆破开挖扰动作用下岩体的损伤效应,与传统爆炸荷载施加方法相比,模型最大网格尺寸与最小网格尺寸比值减小82%,计算时间减少50%～87%;隧洞开挖爆破损伤深度与应力水平具有明显的相关性,随着地应力的增大爆破损伤呈先减小后增大的趋势。地应力存在时,爆炸荷载的施加在一定程度上提高了围岩的屈服极限,具体表现为一定程度的地应力对爆破损伤起"抑制作用"。地应力水平较低（小于12.5MPa）时,爆破主要造成拉剪损伤,而当地应力水平继续增大时,拉损伤受到抑制,爆破主要造成纯剪损伤。