南昌大學(xué)研究生創(chuàng)新專項資金項目申請表課件

1、附件三：南昌大學(xué)研究生創(chuàng)新專項資金項目申 請 表項 目 名 稱： 深埋洞室開挖爆破振動誘發(fā) 圍巖破壞機理 申 請 人： XXX 指 導(dǎo) 教 師： XXX 培養(yǎng)單位(簽 章): 填 報 時 間: 2016 年 4 月 13 日南昌大學(xué)研究生院制一、項目申報人基本情況姓 名XXX性別男（像片）出生年月1991.12籍貫XXX在讀學(xué)歷層次碩士入學(xué)日期2015.9在讀專業(yè)結(jié)構(gòu)工程身份證號導(dǎo)師姓名XXX研究方向本科(碩士)畢業(yè)學(xué)校XXXX專 業(yè)土木工程所在院系建筑工程學(xué)院E-mailXXX聯(lián)系電話無手機XXX二、項目基本情況項目主要研究內(nèi)容（2000字以內(nèi)。文科包

2、括：研究的主要問題、目的、意義、研究方法、創(chuàng)新點等；理工科包括：主要問題、關(guān)鍵技術(shù)、解決方案、研究方法、創(chuàng)新點等）：1. 研究意義 江西地處華南成礦區(qū)的中心地帶，是我國的礦產(chǎn)資源大省，享有“世界鎢都”、“稀土王國”，銅、鎢、鈾、鉭、稀土、金、銀“七朵金花”等桂冠，豐富的礦產(chǎn)資源為江西省的經(jīng)濟和社會發(fā)展提供了重要的物質(zhì)保障。全球人口數(shù)量的逐年增長和世界經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展對礦產(chǎn)資源的需求量與日俱增，礦產(chǎn)資源開采強度不斷加大，淺部資源日漸消耗乃至瀕臨枯竭，國內(nèi)外礦山都相繼進(jìn)入深部資源開采狀態(tài)。目前江西省境內(nèi)的部分礦山也正在進(jìn)入千米以下的開采深度。如豐城礦區(qū)B2煤層開采深度已達(dá)9001100 m；曲江礦區(qū)

3、目前主要開采水平為-850 m以下，212工作面已達(dá)-904 m開采水平；鳴山煤礦礦井已進(jìn)入地下750 m開采深度；WS銅礦的開采深度已延伸到地下610 m。此外，巋美山鎢礦中的石英脈型黑鎢礦體向下延伸已達(dá)700 m，矽卡巖型白鎢礦體向下延深已達(dá)到600 m，目前大部分鎢礦已進(jìn)入500 800 m的開采深度。地應(yīng)力實測結(jié)果表明，江西省鎢礦采深大于500 m的深部巖體其地應(yīng)力可達(dá)2040 MPa。深埋洞室高地應(yīng)力巖體爆破開挖是炸藥爆炸產(chǎn)生的動應(yīng)力和地應(yīng)力共同作用的結(jié)果，動靜荷載的共同作用常導(dǎo)致圍巖發(fā)生片幫、板裂等開裂破壞現(xiàn)象，并誘發(fā)微地震，甚至可能產(chǎn)生強烈的巖爆和圍巖持續(xù)松動大變形等工程災(zāi)害1-

4、4。如何實現(xiàn)深部礦產(chǎn)資源的安全、高效開采對保證江西省的經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。 爆破荷載產(chǎn)生的巖體振動引起巖體原始裂紋激活和擴展、以及結(jié)構(gòu)面松動和滑移，常造成洞室圍巖發(fā)生應(yīng)力型破壞或結(jié)構(gòu)性災(zāi)變，是巖體開挖爆破最為嚴(yán)重的危害之一。國內(nèi)外對爆破振動作用下地下洞室的動力響應(yīng)特征、破壞機理、安全判據(jù)及控制措施等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，取得了大量具有實用水平的研究成果。但以往的研究主要針對淺埋洞室，對于深埋洞室開挖地應(yīng)力卸荷影響下的爆破振動安全問題尚缺乏深入系統(tǒng)的研究，大多參照淺埋地下洞室的研究成果。這影響了深埋地下洞室爆破開挖效果和施工效率，嚴(yán)重情況下甚至?xí)l(fā)工程災(zāi)害。 本項目以江西省深部礦產(chǎn)

5、資源開采和我國西南高地應(yīng)力區(qū)水電工程建設(shè)中的深埋洞室爆破開挖過程為背景，采用理論分析、數(shù)值計算和現(xiàn)場監(jiān)測試驗相結(jié)合的綜合方法，研究深埋洞室爆破開挖過程中爆炸荷載與巖體開挖卸荷(包括重分布的靜態(tài)地應(yīng)力和開挖瞬態(tài)卸荷附加動應(yīng)力)共同作用下的圍巖振動及引起的巖體損傷破壞，揭示靜態(tài)地應(yīng)力場和巖體開挖瞬態(tài)卸荷動力擾動對圍巖爆破振動破壞的影響機理。研究成果對揭示深埋洞室開挖擾動區(qū)形成機理與演化規(guī)律、完善爆破振動安全控制理論等方面具有重要的理論意義，而且在深部采礦、水利水電和核廢料處置等深部巖體工程的優(yōu)化設(shè)計與施工控制方面具有實用價值和應(yīng)用前景。 2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析和發(fā)展趨勢 深部巖體開挖效應(yīng)與安全控

6、制是近年國內(nèi)外巖體力學(xué)領(lǐng)域研究的熱點和重點之一。關(guān)于地應(yīng)力和開挖卸荷對包括爆破振動在內(nèi)的巖體爆破開挖效應(yīng)的影響，國內(nèi)外研究者主要從靜力和動力兩方面開展了研究，主要包括靜態(tài)地應(yīng)力對爆破破巖機理、爆炸應(yīng)力波傳播、圍巖破壞形態(tài)等方面的影響；以及巖體開挖動態(tài)卸荷對擾動區(qū)的形成機理、擾動區(qū)內(nèi)巖體力學(xué)特性等方面的影響。 上世紀(jì)70年代，H. K. Kutter和C. Fairhurst5對巖體單軸受壓條件下炮孔周圍爆生裂紋傳播過程進(jìn)行了試驗研究；近年來，F(xiàn). V. Donze等6、G. W. Ma和X. M. An7、Z. Aliabadian等8、A. Omer9、O.Yilmaz和T. Unlu10、

7、白羽等11采用各種數(shù)值模擬方法研究了不同地應(yīng)力狀態(tài)下單個炮孔周圍爆生裂紋的擴展過程和巖體開裂區(qū)的分布特征。一致認(rèn)為地應(yīng)力的存在改變了爆生裂紋的傳播方向和擴展長度，爆破產(chǎn)生的裂紋首先呈輻射狀從炮孔壁向外傳播，而后逐漸平行于最大地應(yīng)力方向向外擴展；炮孔周圍的爆破開裂區(qū)呈橢圓形分布，在平行于最大地應(yīng)力方向上裂紋分布密集且較長；隨著地應(yīng)力水平的提高，裂紋擴展范圍不斷減小，地應(yīng)力相當(dāng)于提高了巖體的抗拉強度，對爆破致裂起抑制作用。但國內(nèi)學(xué)者謝源12認(rèn)為爆生裂紋的擴展主方向不在主地應(yīng)力方向上，而是與最大主應(yīng)力成一定角度，這個角度為1545。基于地應(yīng)力對爆破致裂的影響，戴俊和錢七虎13、付玉華等14提出高地應(yīng)

8、力條件下爆破應(yīng)減小爆破抵抗線和炮孔間距，增加單位耗藥量和循環(huán)炮孔的數(shù)量，并選用高爆速的炸藥。 在地應(yīng)力場對爆炸應(yīng)力波傳播特性的影響方面，國內(nèi)外也進(jìn)行了初步的研究。劉殿書和謝夫海15通過激光動光彈實驗研究發(fā)現(xiàn)，在初始應(yīng)力中稀疏波及反射拉伸波的波頭均不明顯，而壓縮波頭得到加強，這使得爆破壓縮破碎區(qū)增大；較低的靜應(yīng)力可以隱沒在動應(yīng)力場中，而較高的靜應(yīng)力能夠影響甚至改變動應(yīng)力場的傳播過程。范新16認(rèn)為低應(yīng)力下巖體中的彈性波速隨壓力增大而增加迅速，增大的梯度在低應(yīng)力下較高，在高應(yīng)力下趨于一常數(shù)值。張志呈等17發(fā)現(xiàn)主地應(yīng)力方向上實測的爆破振動值要遠(yuǎn)大于預(yù)測的爆破振動值的現(xiàn)象，并認(rèn)為初始地應(yīng)力場對爆破振動存

9、在所謂的“波導(dǎo)效應(yīng)”，可以增強其振動能量。任慶峰和宗琦18則認(rèn)為受地應(yīng)力場的影響，爆破時的質(zhì)點振動速度隨時間衰減更快。 地應(yīng)力場的存在改變了爆破振動作用下地下洞室總體應(yīng)力場的分布，從而也改變了爆破振動作用下地下洞室的破壞機理和破壞形態(tài)。Q. Liang等19通過現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)洞室頂拱的巖體破壞主要是由爆破產(chǎn)生的動應(yīng)力引起，而在邊墻底部則主要是由靜態(tài)地應(yīng)力引起。史秀志等20通過對高應(yīng)力條件下爆破振動引起的巖體的破壞分析，得出了高應(yīng)力條件下爆破振動對巖體的破壞作用更加明顯的結(jié)論。李夕兵等21指出，承受高應(yīng)力的巖體，隨著所受初始靜載應(yīng)力的增大，外界的動力擾動對其影響就越明顯；承受

10、高靜載應(yīng)力的礦柱，較小的動力擾動可能會使其發(fā)生塑性破壞而導(dǎo)致深部開采時的“多米諾骨牌”效應(yīng)。 目前國內(nèi)外大多以質(zhì)點峰值振動速度(PPV)作為地下洞室爆破振動安全控制指標(biāo)。以往多采用采用一維應(yīng)力波理論，根據(jù)巖體抗拉強度或極限拉伸應(yīng)變推算臨界振動速度22-23。對于深埋洞室爆破開挖，該方法因未考慮巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)，可能帶來過嚴(yán)的爆破振動限制或工程安全問題。針對地應(yīng)力對巖體爆破振動破壞的影響，有學(xué)者開始嘗試建立地應(yīng)力影響下的爆破振動安全判據(jù)及控制標(biāo)準(zhǔn)。如朱瑞賡和李錚24提出以巖體動力強度和洞室圍巖所受動靜應(yīng)力之和相平衡的條件確定爆破振動破壞的臨界振速；李新平等25、朱俊等26采用FLAC3D數(shù)值模

11、擬評價了靜態(tài)地應(yīng)力和爆破動荷載對洞室穩(wěn)定性的影響，并結(jié)合巖體動態(tài)抗拉強度提出了相鄰洞室圍巖破壞的臨界振速；X. Xia等27采用數(shù)值模擬、基于圍巖損傷提出了相應(yīng)的爆破振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)；賈虎和徐穎28根據(jù)爆炸應(yīng)力波衰減規(guī)律，將上覆巖體的應(yīng)力作用計入在內(nèi)，推導(dǎo)爆炸應(yīng)力損傷范圍計算公式及相應(yīng)的臨界振速。 需要指出的是，上述考慮地應(yīng)力影響的爆破振動安全判據(jù)和安全閾值，僅考慮了靜態(tài)的原巖應(yīng)力或開挖后圍巖應(yīng)力重分布過程結(jié)束條件對振動傳播特性和圍巖損傷破壞過程的影響。爆破破巖巖體開裂過程分析、鉆孔爆破高速攝影均表明，巖體爆破過程中，開挖面上的地應(yīng)力在數(shù)毫秒內(nèi)釋放29-30，伴隨爆破而發(fā)生的開挖面上巖體卸荷是

12、一個瞬態(tài)過程，在圍巖中產(chǎn)生的附加動應(yīng)力誘發(fā)了圍巖振動并影響到了巖體動態(tài)損傷破壞過程31-35。Toks M N等36在研究地下核爆炸引起的地表振動時就發(fā)現(xiàn)，因爆炸導(dǎo)致的巖體應(yīng)變能突然釋放能夠產(chǎn)生應(yīng)力波并引起地表強烈振動，振動的大小取決于巖體性質(zhì)和地應(yīng)力水平，地應(yīng)力水平越高、巖體越堅硬，應(yīng)變能釋放產(chǎn)生的振動越大，甚至可能超過爆炸本身產(chǎn)生的振動。盧文波等37著重考察了爆破過程中巖體開挖瞬態(tài)卸荷所激發(fā)的圍巖振動，指出深埋洞室鉆爆開挖產(chǎn)生的圍巖振動是爆炸荷載振動和巖體開挖瞬態(tài)卸荷振動疊加而成，并認(rèn)為高地應(yīng)力條件下開挖瞬態(tài)卸荷引起的振動可超過爆破振動而成為圍巖振動的主要影響因素；開挖面上地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷在

13、最大主應(yīng)力方向引起的振動速度最大，巖體地應(yīng)力場對爆源中遠(yuǎn)區(qū)的振動影響較近區(qū)更為顯著。范勇等38分析了地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷過程中圍巖應(yīng)變能、動能、徑向應(yīng)力做功3者之間的平衡機制，建立了基于開挖巖體應(yīng)變能的瞬態(tài)卸荷誘發(fā)振動衰減公式。此外，國內(nèi)外其他學(xué)者在研究巖爆、微震和分區(qū)破裂化現(xiàn)象等深部巖體開挖效應(yīng)時也揭示了爆破開挖過程中巖體開挖瞬態(tài)卸荷的動力擾動效應(yīng)39-41。如M. C. He等39研究發(fā)現(xiàn)，處于三軸加載狀態(tài)下的巖體，快速卸載水平向應(yīng)力則可導(dǎo)致巖爆發(fā)生，其規(guī)模與初始應(yīng)力及卸荷速率有關(guān)，高應(yīng)力和高卸荷速率條件下將導(dǎo)致瞬時巖爆。 大量的理論研究和工程實踐已經(jīng)表明，將質(zhì)點峰值振動速度作為唯一的爆破振動安

14、全判據(jù)有較大的局限性和不合理性，爆破振動對建(構(gòu))筑物的破壞效應(yīng)須綜合考慮質(zhì)點峰值振動速度、振動頻率和振動持續(xù)時間3個因素的影響。顯然，對于地下洞室爆破開挖，爆炸荷載和巖體開挖瞬態(tài)卸荷激發(fā)的振動互相疊加，必然影響爆破振動的頻譜構(gòu)成42。可見，研究爆炸荷載與巖體開挖瞬態(tài)卸荷瞬態(tài)卸荷共同作用激發(fā)振動的傳播特性和頻譜構(gòu)成是建立合理的深埋洞室爆破振動安全判據(jù)和控制標(biāo)準(zhǔn)的前提。 綜上所述，由于爆炸荷載與巖體開挖卸荷相互作用過程的復(fù)雜性，目前對深埋地下洞室的爆破振動破壞機理、破壞模式等問題尚未完全認(rèn)識清楚，也缺乏相應(yīng)的爆破振動安全判據(jù)和控制標(biāo)準(zhǔn)。因此，迫切需要通過系統(tǒng)的研究，探明巖體開挖卸荷(包括重分布的

15、靜態(tài)地應(yīng)力和開挖瞬態(tài)卸荷附加動應(yīng)力)對爆破過程誘發(fā)圍巖振動和圍巖損傷破壞的影響機理，建立開挖卸荷影響下的爆破振動分析評價方法，為我國地下洞室的高效、安全爆破施工提供理論參考。主要參考文獻(xiàn) 1 馮夏庭, 張傳慶, 陳炳瑞, 等. 巖爆孕育過程的動態(tài)調(diào)控J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2012, 31(10): 1983-1997. 2 朱維申, 李勇, 張磊, 等. 高地應(yīng)力條件下洞群穩(wěn)定性的地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2008, 27(7): 1308-1314. 3 魏進(jìn)兵, 鄧建輝, 王俤剴, 等. 錦屏一級水電站地下廠房圍巖變形與破壞特征分析J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2

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31、l. Influence of unloading rate on the strainburst characteristics of beishan granite under true-triaxial unloading conditionsJ. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2014, 47(2): 467-483. 41 李樹忱, 馮現(xiàn)大, 李術(shù)才, 等. 深部巖體分區(qū)破裂化現(xiàn)象數(shù)值模擬J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2011, 30(7): 1337-1344. 42 Lu W B, Li P, Chen M, et al. Compari

32、son of vibrations induced by excavation of deep-buried cavern and open pit with method of bench blastingJ. Journal of Central South University of Technology, 2011, 18: 1709-1718.3. 研究內(nèi)容、研究目標(biāo)和擬解決的關(guān)鍵問題 (1) 研究目標(biāo) 本課題擬通過對地下洞室爆破開挖過程中爆炸荷載與巖體開挖卸荷共同作用激發(fā)圍巖振動的傳播衰減規(guī)律、分布特征、頻譜特性，及引起的巖體損傷破壞等問題開展研究，探明重分布的靜態(tài)地應(yīng)力和巖體開挖

33、瞬態(tài)卸荷動力擾動對爆破振動特性的影響機理，揭示深埋洞室爆破振動的破壞機制和破壞模式，提出考慮巖體開挖卸荷動靜力影響的圍巖爆破振動破壞判據(jù)及安全閾值。 (2) 主要研究內(nèi)容 深埋洞室爆破開挖誘發(fā)圍巖振動機理及傳播特性 研究深埋洞室爆破開挖過程中不同地應(yīng)力狀態(tài)下爆炸荷載激發(fā)圍巖振動的特性，分析靜態(tài)地應(yīng)力場(重分布的地應(yīng)力)對爆炸荷載激發(fā)振動傳播衰減規(guī)律、空間分布特征和頻譜特性的影響機理；比較爆炸荷載、巖體開挖瞬態(tài)卸荷動力擾動及二者耦合作用激發(fā)的圍巖振動特性，分析瞬態(tài)卸荷動力擾動對爆破開挖誘發(fā)圍巖振動的影響機理。 深埋洞室爆破開挖過程中的圍巖損傷機制 分析深埋洞室爆破開挖過程中不同地應(yīng)力狀態(tài)下靜荷載

34、(重分布的地應(yīng)力)、動荷載(爆炸荷載和開挖瞬態(tài)卸荷動力擾動)以及動靜荷載聯(lián)合作用下圍巖應(yīng)力場的分布特征，建立相應(yīng)的巖體動靜力損傷模型，研究動靜荷載聯(lián)合作用下的圍巖損傷機理和分布特征，確定巖體開挖卸荷對圍巖損傷特性的動靜力影響機理。(3) 擬解決的關(guān)鍵問題 爆炸荷載與巖體開挖卸荷共同作用下的圍巖振動致?lián)p機理； 爆炸荷載與巖體開挖卸荷共同作用下的巖體動靜力損傷模型；4. 擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實驗方案及可行性分析 (1) 研究方法 本課題擬采用理論分析、數(shù)值計算和現(xiàn)場監(jiān)測試驗相結(jié)合的研究方法。 理論研究 地下洞室的爆破振動破壞機理及安全判據(jù)研究涉及爆炸力學(xué)、巖石動力學(xué)、應(yīng)力波理論、斷裂與損傷

35、力學(xué)及地震學(xué)等多學(xué)科理論，屬于學(xué)科交叉的力學(xué)邊緣科學(xué)問題。本課題以力學(xué)和數(shù)學(xué)分析為基礎(chǔ)，以理論計算和數(shù)值模擬為手段，系統(tǒng)研究深埋地下洞室爆破開挖過程中爆炸荷載和巖體開挖卸荷共同作用下圍巖振動的傳播衰減規(guī)律、空間分布特征、頻譜特性，以及振動誘發(fā)圍巖損傷的演化規(guī)律和分布特征，建立質(zhì)點峰值振動速度與巖體損傷之間的關(guān)系，提出考慮巖體開挖卸荷動靜力影響的圍巖爆破振動破壞判據(jù)和安全閾值。 現(xiàn)場監(jiān)測試驗 結(jié)合錦屏地下實驗室實驗洞及相關(guān)輔助洞室的爆破開挖施工，開展不同地應(yīng)力狀態(tài)下巖體爆破開挖生產(chǎn)性試驗，根據(jù)爆破振動監(jiān)測成果研究不同地應(yīng)力狀態(tài)下地下洞室的爆破振動傳播衰減規(guī)律、空間分布特征和頻譜特性；采用聲波檢測

36、和鉆孔電視掃描相結(jié)合的損傷區(qū)測定方法，研究深埋洞室爆破過程中爆炸荷載和巖體開挖卸荷共同作用下的圍巖損傷演化規(guī)律和分布特征。(2) 技術(shù)路線 本課題針對深埋地下洞室爆破開挖，研究爆炸荷載和巖體開挖卸荷共同作用下的圍巖振動和圍巖損傷，最終確定開挖卸荷影響下的圍巖爆破振動破壞機理和破壞模式，提出考慮巖體開挖卸荷動靜力影響的圍巖爆破振動損傷判據(jù)和安全閾值。所采用的技術(shù)路線如下： 深埋洞室爆破開挖誘發(fā)圍巖振動機理及傳播特性 地下洞室爆破開挖過程中，伴隨著炸藥爆轟、巖體破碎及新開挖面的形成，開挖邊界上的巖體地應(yīng)力(開挖荷載)在巖體爆破破碎瞬間也隨之釋放，該過程為一瞬態(tài)卸荷力學(xué)過程。炸藥爆炸與巖體開挖瞬態(tài)卸

37、荷幾乎同步發(fā)生，二者在實測的振動時程曲線中沒有明顯的分界點。因此，為研究地下洞室爆破開挖誘發(fā)圍巖振動的機理，首先針對地下圓形隧洞爆破開挖的典型炮孔布置和毫秒延遲起爆順序，采用動力有限元計算方法分別研究爆炸荷載、巖體開挖瞬態(tài)卸荷及二者耦合作用激發(fā)的圍巖振動。分析爆源因素和重分布的靜態(tài)地應(yīng)力狀態(tài)對爆炸荷載激發(fā)振動的傳播衰減規(guī)律、分布特征和頻譜特性的影響，分析地應(yīng)力狀態(tài)、瞬態(tài)卸荷速率、卸荷方式等因素對巖體開挖瞬態(tài)卸荷激發(fā)振動的影響；比較不同地應(yīng)力狀態(tài)下爆炸荷載、巖體開挖瞬態(tài)卸荷及二者耦合作用激發(fā)的圍巖振動。通過這兩部分工作，確定巖體開挖卸荷對圍巖振動傳播衰減規(guī)律、空間分布特征和頻譜特性的動靜力影響機

38、理；根據(jù)不同激勵源激發(fā)振動特性的不同，建立爆炸荷載與巖體開挖瞬態(tài)卸荷激發(fā)振動的解耦計算方法。 數(shù)值計算中，為避免爆破破巖過程中炮孔近區(qū)巖體破碎及后續(xù)的拋擲運動而導(dǎo)致連續(xù)介質(zhì)分析方法失效，并考慮到爆破振動的研究對象是中遠(yuǎn)區(qū)巖體，以及巖體開挖瞬態(tài)卸荷發(fā)生在開挖面上的事實，將炮孔內(nèi)的爆炸荷載氣體壓力通過荷載等效方法施加于開挖面上，在此基礎(chǔ)上，在時間域內(nèi)建立爆炸荷載與巖體開挖瞬態(tài)卸荷耦合作用誘發(fā)圍巖振動的計算模型。 對現(xiàn)場監(jiān)測試驗所獲得的不同地應(yīng)力狀態(tài)下的實測圍巖振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用振動解耦計算方法識別和分離爆炸荷載與巖體開挖瞬態(tài)卸荷激發(fā)的圍巖振動，對比二者的振動特性，驗證上述理論分析和數(shù)值計算的正

39、確性。 深埋洞室爆破開挖過程中的圍巖損傷機制與分布特征 首先針對地下圓形隧洞全斷面毫秒延遲爆破，分析爆炸荷載、巖體開挖卸荷及二者耦合作用下圍巖應(yīng)力場的動態(tài)時空變化規(guī)律，根據(jù)相應(yīng)的巖體破壞準(zhǔn)則，建立同時反映重分布的靜態(tài)地應(yīng)力、爆炸荷載與巖體開挖瞬態(tài)卸荷動力動力聯(lián)合作用的巖體動靜力損傷模型。在此基礎(chǔ)上，采用動力有限元計算比較(a)靜態(tài)二次應(yīng)力、(b)靜態(tài)二次應(yīng)力與爆炸荷載聯(lián)合作用、(c) 靜態(tài)二次應(yīng)力、爆炸荷載與巖體開挖瞬態(tài)卸荷動力擾動聯(lián)合作用三種情況下的圍巖損傷分布特征，分析地應(yīng)力狀態(tài)、爆源因素、卸荷速率、卸荷方式等因素對圍巖損傷的影響。 其次，選取34個不同地應(yīng)力水平的生產(chǎn)性試驗洞段進(jìn)行現(xiàn)場損

40、傷檢測，內(nèi)容包括鉆設(shè)垂直于壁面的聲波檢測孔進(jìn)行爆前、爆后進(jìn)行聲波檢測和鉆孔電視掃描，獲取圍巖的損傷深度和分布特征，分析爆炸荷載和巖體開挖卸荷對損傷區(qū)形成機理和分布特征的影響。 再次，采用所建立的巖體動靜力損傷模型模擬現(xiàn)場爆破試驗過程，通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場檢測損傷區(qū)的對比驗證數(shù)值模擬的合理性，并進(jìn)一步解釋不同地應(yīng)力狀態(tài)下地下洞室爆破開挖過程中的圍巖損傷機理與演化規(guī)律，研究爆炸荷載與巖體開挖卸荷對損傷區(qū)貢獻(xiàn)的大小。 深埋洞室開挖的爆破振動破壞模式及影響因素 實際工程中地下洞室的形狀、尺寸、所處的地應(yīng)力狀態(tài)和采用的爆破方式都不盡相同，研究不同因素對地下洞室爆破振動破壞機理和破壞模式的影響。擬定的研究方

41、案為：圓形、直墻拱形、馬蹄形地下洞室的爆破開挖動力響應(yīng)；不同尺寸地下洞室的爆破開挖動力響應(yīng)；低、中、高地應(yīng)力水平下地下洞室的爆破開挖動力響應(yīng)，靜水、非靜水地應(yīng)力條件下地下洞室的爆破開挖動力響應(yīng)；全斷面開挖與分部開挖情況下地下洞室的爆破開挖動力響應(yīng)等。通過以上研究，總結(jié)不同特征地下洞室爆破開挖過程中的振動傳播特性和圍巖損傷分布特征，確定地下洞室的爆破振動破壞機理、破壞模式及影響因素。 考慮巖體開挖卸荷動靜力影響的圍巖爆破振動破壞判據(jù) 基于上述理論分析和數(shù)值計算結(jié)果，建立不同地應(yīng)力水平下圍巖質(zhì)點峰值振動速度與圍巖應(yīng)力狀態(tài)、圍巖損傷深度之間的關(guān)系，根據(jù)相應(yīng)的爆破振動破壞模式和強度準(zhǔn)則，提出考慮地應(yīng)力

42、影響的圍巖爆破振動損傷判據(jù)，給出不同地應(yīng)力水平下、不同振動頻率范圍內(nèi)的爆破振動安全閾值。 根據(jù)所提出的深埋洞室圍巖爆破振動破壞判據(jù)及安全閾值，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測的爆破振動衰減規(guī)律，預(yù)測現(xiàn)場試驗的圍巖損傷范圍，通過與聲波檢測、鉆孔電視掃描實測的圍巖損傷分布特征進(jìn)行對比，驗證其合理性。 (3) 試驗方案 結(jié)合正在參與的“錦屏地下實驗室深部巖體爆破開挖安全與質(zhì)量控制技術(shù)研究”，開展本課題的現(xiàn)場試驗研究。本課題的試驗為不同地應(yīng)力狀態(tài)下地下洞室圍巖的爆破振動監(jiān)測和巖體開挖損傷區(qū)檢測。其中，爆破振動監(jiān)測可以分析不同地應(yīng)力狀態(tài)下爆炸荷載和巖體開挖瞬態(tài)卸荷激發(fā)振動的傳播特性，研究二者對圍巖總體振動的貢獻(xiàn)，總結(jié)其振動

43、破壞機理；巖體開挖損傷區(qū)檢測主要采用聲波檢測和孔內(nèi)電視掃描相結(jié)合的方法，分析爆炸荷載和巖體開挖卸荷對圍巖損傷區(qū)形成的影響。在此基礎(chǔ)上，建立不同地應(yīng)力狀態(tài)下圍巖質(zhì)點峰值振速與巖體損傷深度之間的關(guān)系。具體試驗方案如下： 分別在最大主應(yīng)力約5 MPa、10 MPa、20 MPa和40 MPa的巖性相似洞段進(jìn)行生產(chǎn)性爆破試驗，在本洞不同方位的多條測線上布置810個測點進(jìn)行爆破振動監(jiān)測。振動測點選擇在完整的基巖上，使用恰當(dāng)?shù)恼澈蟿?如石膏等)將傳感器與基巖緊密粘結(jié)。每個測點布置水平徑向、水平切向和豎直向三只傳感器。采樣儀器采用數(shù)字式自記儀，采樣頻率不低于2000 Hz。 分別在最大主應(yīng)力約5 MPa、1

44、0 MPa、20 MPa和40 MPa的洞室段巖性相似處各選定1個試驗斷面，每斷面布置10個測孔，根據(jù)初步理論分析和經(jīng)驗判斷，在開挖面拱頂處的最大開挖損傷區(qū)位置布置1孔，頂拱其他位置布置3孔，兩側(cè)邊墻各布置2孔，底板布置2孔，每個孔深10 m，孔徑70 mm。每個孔均進(jìn)行爆前、爆后單孔一發(fā)雙收聲波檢測和鉆孔電視掃描。同時收集現(xiàn)場施工安全檢測所取得的聲波檢測、鉆孔電視數(shù)據(jù)。 對所獲得的爆破振動監(jiān)測信號采用數(shù)字信號處理技術(shù)識別和分離爆炸荷載激發(fā)的振動和巖體開挖瞬態(tài)卸荷激發(fā)的振動，確定二者的傳播衰減規(guī)律、分布特征和頻譜特性；對比巖性相似、爆破參數(shù)相近、不同地應(yīng)力狀態(tài)下的爆破振動，分析開挖卸荷對圍巖振

45、動特性的動靜力影響。 根據(jù)不同地應(yīng)力水平處測得的巖體聲波波速及新增裂紋分布數(shù)隨孔深的相對變化，分析不同地應(yīng)力水平下爆炸荷載、巖體開挖卸荷對開挖損傷區(qū)分布特征的影響以及爆炸荷載與開挖卸荷聯(lián)合作用對損傷區(qū)分布特征的影響。 將聲波檢測、鉆孔電視掃描確定的圍巖損傷范圍和監(jiān)測的質(zhì)點峰值振動速度衰減規(guī)律和振動頻率進(jìn)行綜合分析，建立考慮巖體開挖卸荷動靜力影響的深埋洞室圍巖爆破振動破壞判據(jù)和安全閾值。 (4) 可行性分析 理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐 近年來，巖石動力學(xué)、爆炸力學(xué)、斷裂力學(xué)、計算力學(xué)、數(shù)值計算方法等相關(guān)學(xué)科的迅速發(fā)展，以及數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步，特別是連續(xù)-不連續(xù)介質(zhì)耦合計算方法在爆破破巖問題中的應(yīng)用，為本

46、項目的研究提供了堅實的理論基礎(chǔ)與計算技術(shù)支持。目前，深部巖體爆破開挖過程中的動態(tài)卸荷效應(yīng)已逐漸引起了深部巖體工程研究者們的關(guān)注和重視，國內(nèi)外對巖體在動態(tài)卸載條件下以及動靜組合荷載條件下的力學(xué)特性、動力響應(yīng)和破壞機理等方面已開展了大量的研究，巖體開挖瞬態(tài)卸荷引起的圍巖振動也有相關(guān)成果報道，這些研究成果和分析方法可為本項目提供借鑒與參考。經(jīng)過長期的經(jīng)驗積累和技術(shù)改進(jìn)，巖體聲波測試與振動監(jiān)測等巖體開挖效應(yīng)現(xiàn)場檢測手段已比較成熟，為本項目現(xiàn)場試驗方案的實施奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 研究能力與研究基礎(chǔ) 項目組由經(jīng)驗豐富的教授和精力充沛的青年科研人員組成，申請人和主要研究成員長期從事巖石動力學(xué)、工程爆破和巖體開裂

47、數(shù)值建模分析等方面的研究工作，知識結(jié)構(gòu)和學(xué)術(shù)梯隊組成合理。申請人和項目組成員先后主持和參與了多項國家自然科學(xué)基金的研究工作，以及錦屏一級、錦屏二級、大崗山、白鶴灘等一批大型水電工程的爆破試驗、爆破振動監(jiān)測、巖體開挖損傷檢測、爆破開挖動力穩(wěn)定性評價及相關(guān)數(shù)值模擬分析等科研服務(wù)工作。在巖體開挖效應(yīng)與安全控制的理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗等方面積累了較為豐富的專業(yè)知識和研究經(jīng)驗，完全具備完成本項目所需的研究及現(xiàn)場試驗工作能力。 計算與試驗測試條件 項目組依托掛靠的南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院擁有ANSYS、LS-DYNA、ADINA等大型有限元(FEM)計算軟件和PFC-3D、UDEC-3D等離散元(FEM)計算程序，并建立了云計算機群；擁有微機控制電液伺服萬能試驗機、微機控制電液伺服巖石三軸試驗機、沖擊動應(yīng)力測試分析系統(tǒng)、動靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，以及智能聲波儀、爆破振動自記儀、地質(zhì)雷達(dá)和智能信號采集處理分析系統(tǒng)等成套儀器設(shè)備。以上計算條件和儀器設(shè)備完全可滿足本項目的數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場試驗需求。 現(xiàn)場試驗場地條件 錦屏地下實驗室利用錦屏二級水電站引水隧洞的輔引施工支洞，新開挖四組實驗洞及相關(guān)輔助洞室。地下實驗室最大埋深2375 m，自重應(yīng)力接近70 MPa，屬極高地應(yīng)力區(qū)。在極高地應(yīng)力區(qū)的巖體中進(jìn)行爆破開挖，存在開挖成型質(zhì)量與圍巖變形穩(wěn)定雙重控制的難題。為此，雅礱江流域水電開發(fā)有限公司委托