深埋隧洞纵轴向应力对岩爆影响的模拟试验研究.pdf

分类号 TV32密级UDC专业学位硕士学位论文深埋隧洞纵轴向应力对岩爆影响的 模拟试验研究专业学位名称工程硕士（水利工程领域）深埋隧洞纵轴向应力对岩爆影响的模拟试验研究摘要岩爆是深部隧洞开挖过程中发生的一种典型的动力地质灾害现象，常 伴随着岩石碎片的快速弹射和能量的释放。随着隧洞工程不断向深部发展,岩爆灾害问题日益突出。当前，由于岩爆机制高度复杂，岩爆灾害的合理 预测和防控仍是世界性难题。围岩应力状态是岩爆发生的重要因素。一般 来说，隧洞开挖后围岩发生应力重分布，环向应力逐渐增大，径向应力急 剧减小，而隧洞纵轴向应力趋于不变。以往的隧洞设计常忽略纵轴线方向 应力的影响，但对于高地应力条件下的深部隧洞，纵轴向应力往往较大，它对于岩爆灾害发生的影响尚不清楚。针对隧洞纵轴向应力对岩爆影响尚不清楚的问题，本文利用真三轴岩 爆试验系统，结合视频观测和声发射系统，对含预制圆孔的立方体花岗岩 试样进模拟了不同纵轴向应力条件下圆形截面隧洞的岩爆过程，揭示了不 同纵轴向应力对隧洞岩爆的影响规律与机制，主要结论如下：1、试验结果表明，隧洞纵轴向应力对岩爆过程各阶段持续时间与破坏 特征具有不可忽视的影响。不同纵轴向应力条件下的圆形隧洞岩爆过程分 为无宏观破坏、颗粒弹射、岩板劈裂及块片喷射4个阶段。纵轴向应力越 高，无宏观破坏与岩板劈裂阶段的持续时间越长，而颗粒弹射、块片喷射 的持续时间以及两阶段的间隔时间越短，且颗粒弹射与块片喷射破坏越剧 烈。2、纵轴向应力越大，在环向第一主应力和纵轴向中间主应力的双重泊 I松效应作用下，裂纹的扩展更具有方向选择性，围岩劈裂破坏更易发生，沿洞纵轴线方向的劈裂岩板尺寸将可能更大，岩爆发生前或发生后的围岩 劈裂破坏情况更为严重。3、高地应力条件下，纵轴向应力对深部隧洞岩爆发生风险与烈度具有 重要影响。纵轴向应力的增大，虽然在一定程度上抑制了围岩损伤的发生,延缓了裂纹的扩展，并使岩爆的发生需要更高的应力水平，由此降低了围 岩的岩爆风险，但当应力水平足够高时，一旦围岩发生破坏，纵轴向应力 的增大会促进岩爆的孕育速度，使得岩爆具有更为显著的突发性，且释放 更多的能量，导致岩爆烈度增大，这对于深部隧洞工程的岩爆灾害防控设 计具有重要指导意义。关键词：水工结构工程隧洞岩爆真三轴试验中间主应力S IMULATION TES T S TUDY ON INFLUENCE OF LONGITUDINAL AXIAL S TRES S OF DEEP TUNNEL ONROCKBURS TABS TRACTRockburst is a typical dynamic geologic disaster during the excavation of deep tunnels,which is frequently accompanied by rapid ejection of rock fragments and release of energy.With the development of deep underground engineering,the problem of rockburst disaster has become increasingly prominent.At present,due to the high complexity of the rockburst mechanism,the reasonable prediction and prevention of rockburst disaster is still a worldwide problem.The stress state of surrounding rock is an important factor in the occurrence of rockburst.Generally speaking,the stress redistribution occurs in the surrounding rock after tunnel excavation,the hoop stress increases gradually,the radial stress decreases sharply,and the longitudinal axial stress of the tunnel tends to be constant.In the past,the design of tunnel often ignored the influence of longitudinal axis stress.However,the longitudinal axial stress tends to be large for deep tunnels under high geostress conditions,and its influence on the rockburst disaster is still unclear.In order to perfect the influence of the longitudinal axial stress of the tunnel on the rockburst,the rockburst simulation test of cubic granite samples with prefabricated holes under different longitudinal axial stress conditions is carried IIIout by using the true triaxial rockburst test system,combining video observation and acoustic emission system.The influence and mechanism of different longitudinal axial stresses on rockburst in tunnels are revealed.The main conclusions are as follows:(1)The test results show that the longitudinal axial stress of the tunnel has a non-negligible influence on the duration and failure characteristics of each stage of the rockburst process.The rockburst process of circular tunnel under different longitudinal axial stress conditions can be divided into four stages:no macroscopic damage,particle ejection,rock fracturing and block ejection.The higher the longitudinal axial stress,the longer the duration of no macroscopic failure and the slab cracking stage,and the shorter the time of the particle ejection and the slab ejection and the interval between the two stages,the more severe of the particle ejection and the block ejection damage.(2)The higher the longitudinal axial stress,under the double poisson effect resulting from the tangential first principal stress and the axial intermediate principal stress,the crack extension will be more directional and the splitting failure will be more obvious,the size of the split rock plate along the longitudinal axis of the tunnel will be larger,and the splitting failure of the surrounding rock before or after the rockburst will be more serious.(3)Longitudinal axial stress has an important influence on the risk and intensity of rockburst in deep tunnels under high ground stress conditions.The increase of the longitudinal axial stress,although to some extent,inhibits the IVoccurrence of surrounding rock damage,delays the crack propagation,and requires a higher stress level for rockburst,thereby reducing the risk of rockburst.However,when the stress level is high enough,once the damage occurs in the surrounding rock,the increase of longitudinal axial stress will promote the germination speed of rockburst,making the rockburst more conspicuous,and more energy will be released,resulting in a more intense rockburst.This has important guiding significance for the design of rockburst disaster prevention and control in deep tunnel engineering.Keywords:hydraulic structural engineering tunnel rockburst true triaxial test intermediate principal stressv目录摘要.IABSTRACT.Ill第一章绪论.11.1 课题研究背景及意义.11.2 国内外研究现状.41.2.1 真三轴条件下的岩爆试验研究现状.41.2.2 纵轴向应力对岩石破坏的研究现状.61.2.3 声发射在岩爆领域应用的研究现状.71.2.4 目前研究存在的问题.81.3 研究内容、方法及技术路线.91.3.1 研究内容.91.3.2 研究方法.91.3.3 技术路线.10第二章试验方案设计.122.1 引言.122.2 试验设备.122.2.1 真三轴岩爆试验系统.122.2.2 声发射监测系统.142.2.3 视频监测系统.152.3 试验方案.162.4 岩样制备.172.5 小结.18第三章不同纵轴向应力条件下隧洞岩爆破坏过程.193.1 引言.193.2 岩爆弹射破坏过程.193.3 试样破坏形态.253.4 岩爆碎屑形态.273.5 小结.29VI第四章不同纵轴向应力条件下隧洞岩爆破坏特征对比分析.304.1 引言.304.2 岩爆的围岩表面破坏过程对比.304.3 岩爆的围岩内部开裂过程对比.334.4 岩爆的特征应力条件对比.354.5 岩爆的烈度对比.384.6 小结.41第五章纵轴向应力对隧洞岩爆影响的机制分析.435.1 前言.435.2 纵轴向应力对围岩破裂形态的影响.435.3 纵轴向应力对岩爆风险的影响.465.4 纵轴向应力对岩爆烈度的影响.475.5 小结.49第六章结论与展望.506.1 结论.506.2 展望.50参考文献.52攻读学位期间发表论文情况.57致谢.58VII广西大学工程硕土学位论文隧洞深埋纵柚向 应力 对岩爆影 响 的 楂拟设验研究第一章绪论1.1 课题研究背景及意义在全球经济快速发展以及一带一路战略实施的背景下，为了满足我国的发展需求，出现了大量的深部地下岩石工程，且开挖深度逐年增加，涉及的岩石力学问题越来越复 杂，工程事故也随之增多，岩爆灾害问题就是其中之一。岩爆是高地应力条件下地下工 程开挖过程中，硬脆性岩石因开挖卸荷导致洞壁应力分异，储存于岩体中的弹性应变能 突然释放，因而产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力学失稳地质灾害叫 是深埋地下工程中时常发生的危害性最大的地质灾害之一因。随着我国西南、西北地区水利工程建设的兴起，深埋长距离引水隧洞工程的修建将 越来越多，其中南盘江天生桥二级水电站的3条引水隧洞，单洞长9.55 km,最大埋深 760 m；已投产发电的雅碧江锦屏二级水电站引水隧洞，长1618 km,最大埋深2500 m；四川宝兴水电站引水隧洞，长18 km,最大埋深700 m；规划中的南水北调西线工程也 有多条长50130 km的深埋引水隧洞；在交通隧洞工程领域，截至2015年底，全国 在建铁路隧道3784座，总长8692 km；规划隧道4384座，总长9345 km；2015年新增 开通运行铁路隧道1316座，总长2160 km,其中10 km以上隧道18座，总长245 km闺。其中，成昆铁路关村坝隧洞全长为6187 m,最大埋深约为1650 m；秦岭隧洞全长约为 18460m,最大埋深为1600m。在金属和煤矿开采行业，经过多年的持续高强度开发，我国浅部矿产资源逐年减少，部分已枯竭，矿产资源开采正向深部全面推进。就金属资 源开采而言，目前已有16座地下金属矿山采深达到或超过1000 m,其中，吉林夹皮沟 金矿、云南会泽铅锌矿和六苴铜矿、河南釜鑫金矿均超过1500 mo就煤炭能源开采而言,包括沈阳采屯矿、开滦赵各庄矿、徐州张小楼矿、北票冠山矿、新汶村矿、北京门头沟 矿、长广矿等煤矿的开采深度均已超过1000m；为了满足经济日益增长对能量的需求,煤矿的开展深度正以每年812 m的速度增加。此外，我国大量的军事高放废料和核电 站废料的处置工作也需要在深部地下空间完成，现阶段的主要任务是选址并完成地下试 验室的修建，其中涉及有大量深部隧洞的开挖和修建。由此可见，21世纪是地下空间作 为资源加以大力开发利用的世纪，也是深部地下工程大发展的世纪。我国的深部地下工 程正以前所未有、举世瞩目的速度和规模发展，且日益向深部拓展。图1-1列举了我国1广西大学工程硕士学位论文旗洞深埋纵轴向应力对岩爆影响的模拟试验研究现有的一些深部地下工程。(a)中国首个极深地下实验室一一锦屏地下实验室(b)中国第一个高放废物地质处置实验室-一甘肃北山(c)国内在建的世界最大水电站一白鹤滩水电站图1-1我国现有的深部地下工程Fig.1-1 Chinas existing deep underground engineering我国现有记载的最早发生的岩爆事故为1933年抚顺胜利煤矿的煤爆，该煤矿当时 开采深度较浅，仅为200 m。新中国成立后，由于经济建设的需求，各类矿产资源不 断被开采，据32个重点煤矿的不完全统计，自1949到1985年，曾至少发生过1842起 岩爆和煤爆间。近年来，随着我国深部地下工程的迅速发展，岩爆灾害的发生也日益频 繁。如2007年，秦岭终南山隧洞在施工过程中发生多次岩爆，其中包含多次规模强烈 的岩爆，给施工造成很大的困难，对施工安全、快速掘进构成严重威胁。2008年，千秋 煤矿发生冲击地压，造成13名施工人员死亡。2009年，锦屏二级水电站施工排水隧洞 发生极强岩爆，爆坑深度达89 m,爆方总量达近千立方米，岩爆发生的大量粉尘在洞 内弥漫达10 min,TBM设备被毁，支护系统全部毁坏，7名工人遇难，1人受伤，严重 影响施工进度71。2010年，锦屏二级水电站钻爆施工的2#引水隧洞发生极强岩爆，岩爆 区段达37 m,造成边坡拱脚围岩大面积垮塌，严重损坏正在工作的出渣车和装载车。2011年，九龙峡水电站的隧洞掌子面在开挖过程中，周边不断发出响声，并伴随不规则 片状岩块的脱落，正在钻爆台车上施工的一名钻工头的安全帽被一块岩片砸破。2011 年，千秋煤矿发生严重冲击地压，造成10人死亡，直接经济损失达2000万元。20132广西大学工程硕士学位论文隧洞深埋纵轴向应力对岩爆影响的模拟试验研究年，黑龙江鹤岗峻德煤矿发生岩爆，煤岩体突然抛出，产生巨大气浪，围岩遭到严重损 坏，3名矿工不幸遇难。2014年，千秋煤矿的21032回风上山掘进头发生冲击地压，巷 道严重变形，造成6人死亡网。2014年，云南独龙江公路隧洞在施工时突遇岩爆，大量 岩石猛然坠落，3名施工人员不幸遇难。2015年，川藏铁路桑珠岭隧洞发生岩爆，岩爆 频率一天最高可达20次，弹射的岩石碎屑飞出距离可达40 m,轻则碎片横飞，重则整 块大岩石爆出来，重达4吨的开挖台车被岩爆震跳。2016年，济宁梁宝寺煤矿在作业中 突然发生岩爆，两名矿工不幸遇难。可见，岩爆灾害已然成为深部地下工程开挖过程中 的巨大安全隐患，严重阻碍了地下岩石工程建设的顺利开展。岩爆灾害具有显著的突发 性、强烈的破坏性，发生时威力极大，破坏力极强，往往会损毁施工设备，延误施工进 度，严重威胁施工人员的生命安全，造成不可估量的经济损失。岩爆灾害之所以频繁发 生，究其根本原因还是岩爆过程和机制不清，预测不准。因此，开展室内岩爆试验，模 拟现场岩爆的发生过程，对于揭示岩爆过程及机理，推进我国深部地下工程快速发展具 有重要意义。图1-2为工程现场岩爆灾害实例。图1-2工程现场岩爆灾害Fig.1-2 Engineering site rockburst disaster3广西大学工程硕士学位论文隧洞滦埋纵轴向应力对岩爆影响的模拟试验研究大量工程实践表明，岩爆灾害多出现在深部地下工程开挖边界附近岩体。这主要是 因为开挖卸荷改变了围岩原有的应力状态。开挖前，深部岩体处于一个真三轴的应力状 态(6及方)，如图l-3a所示。开挖后，岩体出现临空面，围岩发生应力重分布，沿 水平起拱线方向的洞壁切向应力的不断集中，洞壁表面上的径向应力所锐减至零，因 切向应力集中产生的泊松效应，径向应力且沿洞径方向会不断增大最后趋于稳定，而洞 轴线方向的应力扇开挖前后变化很小，如图l-3b所示。当切向应力的超过围岩的强度 时，易引发岩爆灾害，且径向应力缶对岩爆的发生也有一定的促进作用。因此，以往的 岩爆机制研究，学者们更加关注切向应力集中诱发的岩爆以及径向应力对岩爆的影响，而隧洞纵轴向应力常被忽略。然而，已有多项的研究及工程实践均表明纵轴向应力对于 岩石的破坏与强度、裂纹的形成与扩展、力学响应特征都有重要影响。因此，纵轴向应 力对隧洞岩爆的孕育、发生过程也必定存在重要影响，而这方面的研究尚未系统开展。所以，开展不同纵轴向应力条件下的隧洞岩爆模拟试验，揭示纵轴向应力对隧洞岩爆过 程的影响，完善岩爆机制的研究，对深部地下工程的安全施工具有重要的指导意义。(a)开挖前(b)开挖后图1-3开挖前与开挖后围岩应力状态Fig.1-3 S tress state of surrounding rock before and after excavation1.2 国内外研究现状1.2.1 真三轴条件下的岩爆试验研究现状随着人们对地下岩石工程认识的不断加深，岩爆试验研究也在不断发展。过去，由 于试验条件的限制，学者们主要开展单轴以6】、双轴I】。以及常规三轴21四条件下的岩 爆试验，探究岩爆的破坏特征，为岩爆的研究提供了诸多有价值的信息。近些年来，能 4广西大学工程硕士学位论文隧洞深埋纵轴向应力对岩爆影响的模拟试验研究更为准确地描述深部地下岩石工程开挖卸荷过程中边界围岩应力状态和边界条件转变 的真三轴岩爆试验越来越受到人们的关注，并开展了大量的真三轴岩爆试验研究，取得 了丰硕的成果，推动了岩爆研究的进一步发展。何满潮【29】利用自行设计的深部岩爆过程试验系统，采用板状花岗岩试样，完成了国 内外首例室内真三轴岩爆弹射过程试验，成功再现了深部地下洞室开挖卸荷后岩爆现 象，将花岗岩岩爆过程分为平静期、小颗粒弹射、片状剥离伴随着颗粒混合弹射及全面 崩垮4个阶段，将破坏形式分为颗粒弹射破坏、片状劈裂破坏和块状崩落破坏。随后，何潮团队利用该试验机开展了大量的岩爆研究3。-33李德建35等通过真三轴卸载试验，研究了不同卸载速率下的岩爆碎块特征。马艾阳网等为了查明高储能岩体快速卸荷变形 破坏机制，利用长方体锦屏大理岩设计了真三轴岩爆试验，结合试件的宏观破坏特征及 声发射信号的演化趋势，解释了岩爆试验的渐进破坏过程。ZhaoXGR%等研究了真三 轴条件下卸载速率和高宽比分别对棱柱体形状的天湖花岗岩和北山花岗岩破坏的影响，发现北山花岗岩的峰值强度有随卸载速率减小而减小的趋势，天湖花岗岩高宽比较小 时，应变型岩爆更猛烈。张晓君网通过真三轴加卸载试验，证实了隧洞开挖后围岩浅部 的岩爆破坏主要为脆性劈裂破坏，且轴向应力对围岩发生劈裂破坏以及劈裂程度起重要 作用。苏国韶砌等利用自主研发的真三轴岩爆试验系统，采用棱柱体花岗岩试样，开展 了低频周期荷载与静载联合作用下岩爆过程的真三轴试验，探讨了不同荷载对岩爆过程 的影响。随后该团队基于该试验系统开展了大量真三轴岩爆试验，取得了丰硕的成果 一 45。DUH。1等研究了真三轴条件下局部动力扰动荷载作用下的不同岩石的破坏特征，并结合声发射系统和高速摄像系统探究了岩石的实时弹射破坏过程。可以发现以上的真三轴试验都是基于长方体试样开展的，这些试验确实可以为岩爆 机制的研究提供一些有价值的信息、，但是也都存在一定的局限性。长方体试件只能在围 岩材料层面模拟局部岩石岩爆过程，而不能有效的在结构层面模拟整个隧洞围岩的力学 响应，因此无法反应岩爆孕育的时空演化特征。此外，圆形隧洞的开挖面曲率对岩爆的 影响也不能很好地模拟。针对长方体岩样的不足，一些学者开展了岩爆结构模型试验。例如，李天斌阳，48等开展了岩爆相似材料模拟方面的研究，探讨了热一力作用下隧洞岩 爆的温度效应。陈陆望149-5”等基于物理模型试件，探讨了不同开挖形状下地下洞室围岩 岩爆破坏过程与机理。宫凤强E等基于含预制孔洞的红砂岩立方体试样，深入认识了深 部圆形隧洞中板裂屈曲岩爆的发生机制。司雪峰网等以具有极强岩爆倾向性的花岗岩，5广西大学工程硕士学位论文隧洞深埋纵轴向应力对岩爆影响的模拟试验研究探究了深部圆形洞室三维受力下岩爆的全过程。岩爆模拟试验的开展，确实得到了一些 更有价值的信息，且与工程现场岩爆状况较为相似，在一定程度上弥补了长方体试样的 不足。因此，开展真三轴条件下含预制贯穿圆形孔洞的隧洞岩爆模拟试验更符合工程实 际，也能更有效的模拟现场岩爆的发生。1.2.2 纵轴向应力对岩石破坏的研究现状高地应力条件下的隧洞开挖后，围岩应力重分布，自由面上的径向应力锐减至零，环应力不断集中，而隧洞纵轴线向应力趋于不变。在多数的深部地下工程中，隧洞纵轴 向围岩的应力通常比环向应力小，比径向应力。因此，隧洞纵轴线方向的应力在以往的 真三轴试验研究中也常被称为第二主应力或中间主应力。关于纵轴向应力对岩石破坏的影响，相关学者做了大量的研究。早在上世纪六十年 代，学者发现常规三轴压缩试验。2=。3)中岩样的强度明显小于常规三轴拉伸试验(m=b2(T3严J6,并就此认识到了 6对岩石变形、强度的影响。随后Wiebols and Cookm 基于能量的理论模型分析了 G对岩石强度的影响，并发现随着。的增大，岩石的峰值 强度先逐渐增大，当。2超过某一个值时，岩石的峰值强度稍微下降。Mogi网首次通过 真三轴试验证实了。2对花岗岩、白云岩等岩石变形、强度的影响。Haimson。等认为岩 石的。2效应源于膨胀性的微观裂纹，并就不同岩石对72的响应做了大量研究；Kwasniewsk*。等通过真三轴条件下的岩石力学试验发现岩样的贯穿性剪切裂纹受到方 的影响，且贯穿性剪切裂纹的角度随。2的增大呈不断增大趋势；Li XB等开展了花岗 岩、砂岩、灰岩在不同应力水平下的卸荷试验，研究了方对岩石开裂模式的影响；S uG S 等探讨了隧洞纵轴向应力对应变型岩爆的影响，认为轴向应力对岩石发生岩爆时的 强度、岩爆坑的体积以及岩爆的弹射动能都有重要的影响。另外，数值方法为。2对岩石 破坏的影响提供了更深入的认识。例如，Cai M9结合FEM和DEM,从岩体内部裂纹 的形成过程，分析了岩石峰值强度随及先增大后减小的变化趋势：当增大。不超过某 个值时，。的存在抑制了平行于第三主应力方向裂纹的产生，从而使岩体的峰值强度增 大；当。2增大超过某个值时，。虽然抑制了平行于第三主应力方向裂纹的产生，却极大 的加快了平行。方向裂纹的产生，从而使岩体的强度降低。Pan PZ等基于EPCA3D 软件，认为端部效应和材料的非均匀性是。效应的主要原因，并解释了岩石峰值强度随 e先增加后稍微下降的趋势。此外，。2对岩石的扩容、内部裂纹的产生同样存在较大影 响。近几年来，关于。2对岩石变形破坏的影响逐步被认识，一些考虑。的岩石变形破 6广西大学工程硕士学位论文隧洞深埋纵柚向应力对岩爆影响的模拟试验研究坏准则相继被提出侬，66,进一步推动了该方面研究的发展。可以发现，。2对岩石力学响应方面己经取得了颇为丰富的成果。然而，大部分的研 究更加关注。2效应下岩石静态破坏的结果，而岩爆从孕育到发生是一个复杂的渐近过 程，是由静力到动力，由稳定破坏到非稳定破坏的过程，。2对岩爆孕育、发生过程的影 响，尚未得到系统的开展。因此开展。2对岩爆弹射破坏过程的影响，更有助于对岩爆机 制的认识。1.2.3 声发射在岩爆领域应用的研究现状声发射（Acoustic Emission,简称AE）是指材料中局域源能量快速释放而产生瞬态 弹性波的现象，它是材料损伤时伴随的一种常见的物理现象。近年来，声发射监测技术逐步应用于岩石力学与工程领域，通过声发射活动研究岩 石内部损伤演化特征，对于理解岩石破裂机制、预防岩石破裂失稳造成的灾害事故具有 重要指导意义167】。声发射应用到岩爆方面的研究，主要从声发射特征参数及波形特征等 方面68四，对岩爆孕育机制开展研究。何满潮79-82等开展室内岩爆试验并采集声发射数 据，对不同岩石的声发射信号在岩爆前、岩爆中、岩爆后的主频、幅值分布规律进行了 探讨，并借助S EM电镜扫描技术，研究了岩爆孕育过程中岩石的微观破裂模式。向天 兵83,84等通过开挖与支护应力路径下硬岩破坏过程的真三轴与声发射试验研究，发现声 发射绝对能量能较好地定量描述和研究硬岩的脆性破坏过程，并通过不同试验声发射绝 对能量的变化关系，探讨了开挖支护条件下结构面的破坏。陈炳瑞陷等开展深埋隧洞 TBM施工过程围岩损伤演化声发射试验，揭示了开挖过程中围岩的损伤演化规律，讨 论了传感器选取与布置、现场噪音及地质条件等各种因素对围岩损伤演化结果的影响。苗金丽阳等对花岗岩应变型岩爆声发射信号进行频谱分析和时频分析，探讨了声发射参 数RA值与裂纹类型的关系。宫宇新等以花岗岩单轴压缩为实例，开展岩石破坏声发 射波形分析研究，为岩爆等地质灾害的预测提供了原理上的支持。张航86等为研究热.力作用下花岗岩的破裂规律，开展了不同温度下花岗岩三轴压缩试验的声发射特性，结 果表明声发射事件的密集程度和声发射累积振铃计数以及最大AE能率随温度升高而增 加，但当温度超过一定值时，又随温度的增加而减小。张艳博於89等开展了一系列花岗 岩巷道岩爆模拟试验，分析了声发射特征参数和主频特征，为优选声发射监测频段提供 了方法和依据。姚旭龙【9。】等对岩石破裂的声发射信号进行分析，构建了基于能量贡献率 的声发射信号的优选方法。石炎炯网开展了花岗岩试件岩爆过程的声信号特征研究，发 7广西大学工程硕士学位论文隧洞深埋纵柚向 应力对岩爆影响 的模拟试骗研究现临近岩爆前夕，声发射撞击数存在一段“平静期”，可以作为岩爆前的预警信息。可以发现关于岩石破坏过程中声发射信号的研究已经取得了诸多成果，为将来声发 射监测技术应用到现场岩爆研究提供了理论支持，但关于隧洞岩爆模拟试验的声发射信 号研究的成果还是很少。1.2.4 目前研究存在的问题通过上述研究现状可知，学者们针对岩爆问题，从不同的角度采取了不同的方法进 行了大量的研究，取得了诸多有益成果，对我们认识岩爆机制具有重要的意义。但由于 岩爆本身的复杂性，当前相关研究仍然存在许多问题和不足之处，有待我们的进一步理 解与认识，归纳如下：(1)以往的岩爆试验的研究，因科学技术发展水平的限制，多以单轴、双轴以及 常规三轴试验为主。这些试验的开展确实为岩爆的研究提供了诸多有价值的信息，但是 这些物理试验都很难准确反应深部地下工程开挖卸荷后的围岩应力状态。而真三轴条件 下的岩爆试验，采用三向不等压独立加载的方式，可以更为准确的描述实际工程开挖过 程中边界围岩应力状态和边界条件转变，模拟应力不断集中诱发岩爆的全过程。因此，开展真三轴条件下的岩爆试验，受力更加合理，也更能有效模拟岩爆孕育、发生的全过 程。(2)以往的真三轴岩爆试验研究，所采用的岩样多为长方体试件，它是取自开挖 边界附近的代表性岩体。因此，它模拟的是开挖边界岩体的局部力学行为，而不是整个 隧洞围岩的力学响应。其次，岩石的峰后响应不是其本质行为，而取决于岩样的几何特 征，因此长方体岩样并不能很好的模拟实际开挖形状、曲率对于岩爆过程及机制的影响。此外，岩爆通常形成的“V”型岩爆坑在长方体岩样岩爆试验中也没有得到很好的还原。因此，有必要开展含预制贯穿圆形孔洞的隧洞岩爆模拟试验，以更贴合实际工程。(3)以往的岩爆机制研究，学者们更加注重切向应力集中诱发的岩爆以及径向应 力对于岩爆的影响，因此关于纵轴向应力对岩爆影响的成果较少，从而导致在深部隧洞 设计中常忽略隧洞纵轴向应力的影响，这在轴向应力较高的地区是非常不利的。因此，有必要开展不同纵轴向应力条件下的真三轴岩爆试验，揭示纵轴向应力对岩爆孕育、发 生过程的影响，这对于岩爆机制研究的完善及工程实践均具有重要的指导意义。8广西大学工程硕士学位论文陇洞深埋纵轴向应力对岩爆影响的模拟试验研究1.3 研究内容、方法及技术路线1.3.1 研究内容本文利用广西大学自主研发的真三轴岩爆试验机系统，对含有预制050 mm的圆形 贯穿孔洞的100 x100 x100 mm3花岗岩试样，开展不同纵轴向应力条件下圆形隧洞岩爆模 拟试验，再现花岗岩的岩爆弹射破坏过程，并利用微型摄像机对圆形隧洞岩爆孕育及弹 射破坏过程进行实时监测，并且通过声发射系统捕捉试验过程中伴随的开裂信息。随后 描述了不同纵轴向应力下的岩爆弹射破坏过程、试样的破坏形态及岩爆碎屑特征，接着 对比分析了不同纵轴向应力条件下的岩爆围岩表面破坏过程、岩爆围岩内部破坏过程、特征应力及岩爆的烈度，最后探讨了纵轴向应力对围岩破裂形态、岩爆风险及岩爆烈度 的影响。主要研究内容如下：(1)参考实际深部地下工程开挖后隧洞纵轴向应力的变化，确定纵轴向应力的取 值，设计合理的试验方案；(2)开展不同纵轴向应力条件下圆形隧洞岩爆的真三轴试验；(3)通过对不同纵轴向应力条件下岩爆的整个过程进行详细分析，描述不同纵轴 向应力条件下岩爆的弹射破坏过程、试样的破坏形态及岩爆的碎屑特征，探 究纵轴向应力对岩爆的围岩表面破坏过程、岩爆的围岩内部开裂过程、岩爆 的特征应力条件及岩爆烈度的影响；(4)对比分析不同纵轴向应力条件下圆形隧洞岩爆的声发射演化特征，探究纵轴 向应力对声发射信号演变的影响，通过声发射信号数量的多少衡量试样内部 的损伤程度；(5)综合比较不同纵轴向应力条件下隧洞岩爆模型试验的结果，讨论纵轴向应力 对围岩破裂形态、岩爆风险及岩爆烈度的影响。1.3.2 研究方法(1)室内岩爆试验准备：确定试验方案，对岩石试样进行拍照、尺寸测量、矿物 成分分析及单轴压缩试验，从中获得基本的物理力学参数，为岩爆试验设计 提供依据；(2)室内岩爆模拟试验：利用真三轴岩爆模拟试验系统、声发射采集系统及视频 监控设备，开展不同纵轴向应力条件下圆形隧洞岩爆模型试验，并记录和采 9广西大学工程硕士学位论文陵洞深埋纵轴向应力对岩煤影响的模拟试验研究集实验过程中的相关数据，包括时间-应力变化曲线，声发射特征参数数据、岩爆孕育过程视频。(3)试验结果分析：反复观看录制的岩爆孕育过程视频，结合时间-应力变化曲 线，观察试验不同阶段的破坏特征，分析声发射信号的演化趋势，探究纵轴 向应力对圆形隧洞岩爆的影响。13.3技术路线本文的主要技术路线如图1-4所示。(1)试验方案的设计：纵轴向应力的确定、加载路径的确定、声发射参数设置及 探头位置的确定；(2)试验前期准备：试样基本力学参数的确定、真三轴加载条件下视频实时监控 系统的设计；(3)不同纵轴向应力条件下圆形隧洞岩爆模型试验：开展纵轴向应力为20 MPa、40 MPa、100 MPa三种条件下的岩爆试验，分别代表工程实际中低、中、高 三种纵轴向应力状态,在室内条件下再现岩爆全过程,模拟现场岩爆的发生;(4)试验结果分析：根据试验录制的岩爆弹射破坏过程视频，结合试样的破坏形 态及岩爆碎屑特征，分别从岩爆的围岩表面开裂过程、岩爆的围岩内部开裂 过程、岩爆的特征应力条件及岩爆的烈度四个方面，探究纵轴向应力对圆形 隧洞岩爆孕育、发生的影响；10广西大学工程硕士学位论文隧洞深埋纵柚向应力对岩嬉影响的模拟试验研究图1-4技术路线图Fig.1-4 Path of research technoligy11广西大学工程硕士学位论文隧洞深埋纵轴向应力对岩爆影响的模拟试验研究第二章试验方案设计2.1 引言为了探究隧洞纵轴向应力对圆形隧洞岩爆破坏过程及机理的影响，开展了不同纵轴 向应力条件下圆形隧洞岩爆的真三轴模拟试验。本章详细描述了真三轴岩爆试验系统，声发射监测系统以及真三轴加载条件下试样内部结构破坏实时视频监测系统。同时，还 介绍了试验的加载方案及岩样的制备情况。2.2 试验设备2.2.1 真三轴岩爆试验系统本文试验所采用的试验机是由广西大学和长春市朝阳试验仪器有限公司共同研制 的新型高压伺服动真三轴刚性试验机(TAW15OOO/3OOO),能够在室内条件下再现岩爆 过程。该试验系统主要由加载设备、控制设备、油源设备等三大部分组成。此外，试验 还配置了高速摄像机、补光照明设备、声发射监测设备等，如图2-1所示。图2-1真三轴岩爆试验系统Fig.2-1 The true-triaxial rockburst experimental system12广西大学工程硕士学位论文隧洞深埋纵轴向应力对岩爆影响的模拟试验研究(1)加载设备试验机由互相独立的三套加卸载系统组成，其中两套水平加卸载系统，一套竖向加 卸载系统，均为高刚度加载框架(刚度5000 KN/mm)o两个水平方向的最大加载压力 为3000 kN,竖向最大加载压力为5000 kN,加卸载采用全数字伺服测控器控制，可在 三个垂直方向进行独立加卸载，刚性加载推头可直接将压力作用于岩样外包夹具，如图 2-2所示，具体的技术参数见表。(a)三向加载设备(b)试样真三轴受力示意图图2-2真三轴岩爆试脸力口载图Fig.2-2