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爆破与开挖瞬态卸荷双重动力扰动下岩溶隧道掌子面突水灾变机理研究

项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

郭佳奇

项目受资助机构

河南理工大学

立项年度

2017

立项时间

未公开

项目编号

51778215

项目级别

国家级

研究期限

未知 / 未知

受资助金额

61.00万元

学科

工程与材料科学-建筑与土木工程-地下与隧道工程

学科代码

E-E08-E0808

基金类别

面上项目

关键词

失稳判据 ; 破裂演化 ; 双重动力扰动 ; 掌子面突水 ; 岩溶隧道 ; karst tunnel ; water inrush of tunnel face ; dual dynamic distrubance ; fracture evolution ; instability criterion

参与者

刘希亮；于建新；林志斌；陈峰宾；张勃阳；陈帆；贺振宇；檀俊坤

参与机构

河南理工大学

项目标书摘要：突水灾害已成为我国岩溶隧道建设的重大安全挑战。本项目以钻爆法施工的岩溶隧道掌子面突水为研究背景，认识到爆破和开挖瞬态卸荷双重动力扰动是掌子面突水的重要诱因。项目首先基于大量岩溶隧道掌子面突水案例的系统调查分析和归类统计，从岩体水力学角度归纳出掌子面防突岩体典型结构；其次，开展以防突岩体结构、岩溶水压、初始地应力、爆破开挖损伤程度为主控因素的掌子面突水物理模型试验，提出与防突岩体结构相对应的掌子面突水失稳模式，揭示防突岩体突水破坏的宏观机理。建立考虑爆破和瞬态卸荷耦合影响的三维离散元—计算流体力学动力模拟方法，从细观层面揭示工程动力扰动下掌子面破裂演化及突水通道形成过程与流态转换。然后依据模型试验和数值模拟结果，获取掌子面突水失稳临界特征信息，建立掌子面整体动力失稳判据及防突安全厚度分析方法。最后基于现场试验，对研究结论进行验证。研究成果对岩溶隧道突水灾害预警和防治具有重要意义。

Application Abstract: Water inrush has become a major security challenge in the construction of karst tunnel in China.This research is intended to take the frequent occurrence of water inrush for working face in karst tunnel excavated by the drilling and blasting method as the engineering background.it is found that dual dynamic disturbance induced by blasting and transient unloading of excavation is an important inducement to water inrush of tunnel face.Firstly,based on investigation analysis and classification statistics of massive cases of water inrush for karst tunnel face,the typical structures of rock mass to prevent water inrush ahead of tunnel face are concluded from the view of hydraulic properties of rock mass.Then,the model tests are carried out to present the instability styles of water inrush corresponding to the typical structures of rock mass ahead of tunnel face coupled by structures of water-resisting strata ahead of tunnel face,initial in-situ stress,karst water pressure and damage degree by blasting excavation.The macroscopic fracture mechanism of water inrush for rock mass in front of tunnel face base on results of physical model tests.3D DEM-CFD of dynamic simulation is established considering the coupling dynamic effect of blasting and transient unloading.The evolution law of rock mass in front of tunnel face fracture,the formation process of bursting water channel and flow state conversion are illustrated under the engineering disturbance from meso level by this numerical simulation method.Subsequently,the critical feature information of instability due to water inrush of tunnel face is achieved,meantime,the dynamic instability criterion and the method to determine water-resisting thickness of rock mass are built on the basis the results of model tests and numerical simulation.Eventually,the outcomes of theoretical research is verified by the field tests.Research results will devote to the early warning and preventive treatment for water inrush hazards of karst tunnel.for simulating water inrush of tunnel face

项目受资助省

河南省

项目结题报告(全文)

掌子面突水是一种致灾性极强的岩溶隧道地质灾害，因对其灾变机理认识不清导致难以有效遏制该类型灾害发生，造成严重的人员伤亡和经济损失。项目围绕钻爆法施工的岩溶隧掌子面突水灾变机理为这一核心科学问题，综合采用文献调研、理论分析、模型试验和数值模拟相结合的方法，从岩溶隧道掌子面防突岩体结构及失稳模式、掌子面防突岩体破裂演化及突水通道形成过程、掌子面防突岩体整体失稳判据与临突特征信息等方面开展了深入系统的研究。主要研究成果如下:(1)划分了岩溶隧道突水致灾构造类型，建立了岩溶隧道掌子面防突岩体大类—亚类—次亚类的分类方法，厘清了掌子面各典型防突岩体结构突水失稳模式及灾变过程；基于弹性厚板理论、断裂力学理论、关键块体理论及莫尔—库伦理论揭示了各典型结构掌子面防突岩体失稳机制。(2)分析了掌子面突水的爆破与开挖瞬态卸荷双重动态效应，建立爆破与地应力瞬态卸荷耦合作用下支裂纹尖端应力强度因子的计算方法，揭示了爆破和开挖瞬态卸荷触发防突岩体破裂失稳的力学机制。(3)开发了岩溶地层流固耦合相似材料，研制了融合开挖卸荷扰动效应和多元信息监测技术的岩溶隧道突水灾变演化模拟试验系统。(4)建立了综合考虑开挖卸荷扰动及高压岩溶水耦合影响的且能反映掌子面防突岩体突水破裂形成过程的三维离散元模拟分析方法。(5)基于物理模型试验和数值模拟结果，揭示了不同结构类型掌子面防突岩体突水通道动态形成过程及应力场、位移场、渗流场等多场变化规律，明晰了岩溶隧道掌子面突水不同阶段的水流转换特征。(6)获取了掌子面防突岩体整体失稳时应力、位移及渗压等物理量临突特征信息，揭示了岩溶隧道掌子面突水不同阶段的前兆信息特征，建立了典型结构防突岩体的整体失稳判据及最小防突安全厚度与临界水压力的分析方法；依据宜万铁路马鹿箐隧道和重庆市快速路一横线歇马隧道验证和完善了理论研究成果。研究成果对岩溶隧道掌子面突水灾害预警和防治具有重要意义。

  • 排序方式：
  • 1
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  • 1.爆破开挖扰动下岩溶隧道突水灾变机理研究

    • 关键词：
    • 岩溶隧道;瞬态卸荷;爆破开挖;突水;灾变机理;数值模拟
    • 黄猛
    • 指导老师：河南理工大学 郭佳奇
    • 学位论文

    随着西部大开发和“一带一路”伟大战略的深入实施,我国交通和水利水电工程建设重心明显向地形地质条件极端复杂的西部山区和岩溶地区转移,越来越多“大埋深、高应力、强岩溶、高水压、大流量”等高风险深长岩溶隧道工程投入建设。钻爆法施工过程中,爆破荷载作用及由其引起的地应力瞬态卸荷效应会加剧岩溶隧道发生突水突泥灾害的风险,对隧道建设安全造成重大威胁。本文采用理论分析与数值计算相结合的方法,分别开展了静态、爆破荷载作用及爆破荷载与地应力瞬态卸荷耦合作用下隧道围岩稳定性研究,含高压水裂隙围岩在爆破荷载与地应力瞬态卸荷耦合作用下裂隙开裂扩展规律研究,以及隧道周边溶腔在爆破荷载与地应力瞬态卸荷双重动力扰动下突水演化机制研究,取得了如下研究成果:（1）深埋岩溶隧道采用钻爆法施工时,爆破荷载的强扰动作用会引起隧道开挖轮廓面处围岩初始地应力的瞬态卸荷效应,使隧道围岩稳定性下降。通过开展隧道围岩稳定性的离散元数值模拟,进一步证实爆破荷载与地应力瞬态卸荷作用能够在一定程度上劣化隧道围岩的稳定性;（2）修正和完善了含高压水裂隙围岩的裂纹扩展理论。考虑地应力瞬态卸荷作用,当侧压力系数大于1/3时,采用修正的计算公式获得的支裂纹应力强度因子大于修正前的支裂纹应力强度因子;首次揭示了隧道爆破开挖过程中裂隙围岩动态响应机制,建立了爆破荷载与地应力瞬态卸荷双重动力作用下围岩裂纹尖端应力强度因子的计算方法。理论研究发现,爆破荷载和地应力瞬态卸荷对原始裂隙的开裂与扩展起促进作用。原因在于爆破荷载对围岩强烈的冲击和拉压作用以及地应力瞬间卸荷引起的应力集中效应,加剧了原始裂隙的开裂与扩展;（3）考虑爆破荷载与地应力瞬态卸荷耦合作用影响,开展了含高压水裂隙围岩原始裂隙的开裂与扩展规律的数值模拟。结果显示,随着裂隙倾角的增大,原始裂隙的开裂与支裂纹的扩展速度呈现出增大趋势。当裂隙倾角为0°和90°时,裂隙分别沿着水平和竖直方向扩展;当裂隙倾角为15°和75°时,裂隙均沿着原始裂隙所在的斜面发生滑移错动的现象;当裂隙倾角为30°、45°和60°时,裂隙均沿着爆破荷载作用与地应力卸荷方向开裂扩展。在地应力瞬态卸荷作用的影响下,裂隙在沿着径向开裂扩展的同时,出现向切向方向偏转扩展的趋势,最终在裂隙尖端出现切向的支裂纹;（4）含高压水溶腔位于隧道上部的离散元数值模拟研究发现,增大岩层倾角,防突层的稳定性与抗突水能力逐渐降低,当倾角为0°时,其稳定性和抗突水能力最强;防突层的稳定性及抗突水能力与防突层厚度和隧道埋深呈正相关,当防突层厚度为4m、隧道埋深为800m时,其稳定性与抵抗岩溶水破坏的能力最好;溶腔位于隧道下部的数值计算结果显示,随着岩层倾角的减小、防突层厚度的增加或隧道埋深的增加,防突层的稳定性与抵抗岩溶水破坏的能力逐渐提高。当岩层倾角为0°、防突层厚度为4m、隧道埋深为800m时,防突层的稳定性与抗突水能力最强;（5）含高压水溶腔位于隧道侧部的离散元数值计算结果表明,随着岩层倾角的增加,防突层的稳定性逐渐增强,其抵抗突水的能力逐渐提高,当岩层倾角为30°时,防突层具有较好的稳定性。另外,防突层的稳定性与防突层的厚度呈现出正相关的关系,当防突层厚度为4m时,其稳定性较好。防突层的稳定性与隧道埋深并没有严格的正相关或负相关的关系,当隧道埋深为500m时,防突层的稳定性较好,其抗突水能力较高,而当隧道埋深为800m时,防突层的稳定性最差。

    ...

  • 2.岩溶隧道掌子面断续节理防突岩体突水演化规律

    • 关键词：
    • 岩溶隧道;断续节理防突层;安全厚度;位移场;渗流场
    • 陈帆
    • 指导老师：河南理工大学 郭佳奇
    • 学位论文

    进入21世纪以来,我国经济建设迅猛发展,在西部岩溶地区修建的基础设施越来越多,然而在隧道的修建过程中经常遭遇突水突泥地质灾害,不仅影响施工进度,而且严重危及施工人员的生命安全。本文运用理论分析研究了岩溶隧道突水发生时,隧道掌子面与溶腔之间断续节理防突层的最小安全厚度,运用离散元软件模拟了隧道突水过程中位移场和渗流场的变化。取得了如下研究成果:（1）以岩溶隧道掌子面与岩溶之间的断续节理防突层为研究对象,将节理的破坏分为轴向贯通破坏和岩桥剪切破坏两种模式,建立了裂隙水压劈裂破坏模型和隧道掌子面安全厚度模型。采用断裂力学理论分别分析了这两种模式下节理扩展的临界水压力,并以此为基础,求出其相对应的最小安全厚度公式。（2）在裂纹轴向贯通破坏下,岩溶隧道掌子面断续节理防突最小安全厚度随掌子面前伏岩溶水压力的增大而近似呈线性增大,掌子面防突层最小安全厚度随断续节理排距的增大而减小,且体现出随裂隙排距的增大,最小安全厚度减小的速率逐渐减小。随着断续裂纹与最大主应力之间夹角的增加,掌子面防突层最小安全厚度先增大后减小。（3）在裂纹岩桥剪切破坏模式下,随着主裂纹长度的逐渐增大,岩溶隧道掌子面断续节理防突最小安全厚度也逐渐增大。且两者基本呈线性关系。在既定裂纹密度下,主裂纹长度越大,不仅会导致分支裂纹的增长,还会减少裂隙之间的岩桥距离,则其抵抗水压的能力越低,所需要的抗裂保护区厚度越大,隧道掌子面岩体愈加不稳定。岩溶隧道掌子面断续节理防突最小安全厚度随掌子面前伏岩溶水压力的增大而近似呈线性增大。（4）利用三维离散元软件建立了隧道开挖数值模型,模拟了掌子面突水灾变过程中位移场和渗流场的演化规律,分析了岩溶水压、溶腔位置、节理倾角和溶腔大小对防突层安全厚度的影响。（5）随着节理倾角的增加,防突层岩体中的裂隙长度不断增加,岩体的物理力学性质降低,越容易发生渗水,防突层最小安全厚度也就越来越大;当岩溶水压增加时,在同一内计算时间,各点位移和水压不断增加,流体的最大渗流速度也不断增加,防突层越早发生突水破坏;溶腔规模越大,岩溶水通过裂隙流入防突岩体的水流越多,同一时间内流体扩散范围越广,流体渗流速度越大,各点节理水压越高,掌子面与溶腔之间的防突层岩体越早发生破坏。溶腔与隧道掌子面斜相交时相比,当溶腔与隧道掌子面正交时所需要的安全厚度较大,且在突水破坏过程中,在同一时间内,各点的水压较大。

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