1、拋擲型巖爆機理分析與模擬試驗技術第1頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四 前 言 1 對拋擲型巖爆機理的新認識 2 對拋擲型巖爆機理模擬試驗技術的分析與建議 3 對拋擲型巖爆機理模擬試驗裝置的研發 4 新裝置巖爆試件模擬試驗概況 結 語匯報提綱第2頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四前 言 巖爆是在高地應力地區硬巖隧洞施工中經常發生的一種動力地質災害。因為巖爆發生時會有大量巖塊飛出，往往會給人員、設備造成重大災害（見圖），所以巖爆問題倍受人們關注。下面是錦屏二級水電站在隧洞施工中的巖爆現象。錦屏二級水電站引水隧洞施工中巖爆破壞景象第3頁，共38頁，202

2、2年，5月20日，0點24分，星期四錦屏二級水電站排水洞施工中巖爆破壞景象 盡管國內外學者對巖爆問題進行了多方面的研究，也取得了不少成果，但目前仍有不少問題，如巖爆機理、巖爆定義、巖爆類型等都還沒有統一的認識，尚待研究解決。第4頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四 我們也按目前對巖爆機理的認識設計加工了一套試驗裝置。該裝置對巖爆影響因素考慮的比較全，如初始地應力場的影響，開挖效應、時空效應、巖體特征等影響都做了考慮。但在試驗中發現巖爆試件只產生靜力型破壞，未產生拋擲型巖爆。 上述現象促使我們對巖爆機理和模擬試驗技術進行了深入思考，認識到目前我們對巖爆機理的認識上還不夠全面，

3、在試驗研究方法上還存在缺陷。第5頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四 我們結合拋擲型巖爆的特點（因為拋擲型巖爆具有巖爆的典型特征：有聲響，有拋擲現象等），對其機理進行了深入分析，有了新的認識。在此基礎上，研制出新的試驗裝置，開展了新的試驗。在試驗中較好地實現了拋擲型巖爆現象。 為了交流經驗，促進這項事業的發展，我向大家做一簡要匯報，有不合適的地方，歡迎批評指正！第6頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四 前人對巖爆機理已經做了較多的研究。我們是在前人研究的基礎上，針對拋擲型巖爆的特點，再談點新認識。共有四點：1 對拋擲型巖爆機理的新認識第7頁，共38頁，2

4、022年，5月20日，0點24分，星期四（1）在巖爆應力判據中給出的圍巖應力/Rc=0.30.7的條 件下就可發生巖爆，甚至可發生強烈巖爆，是因為在圍 巖內存在軟弱結構區之故。 實際工程中很少看到整個圍巖都發生巖爆的現象，一般都是局部發生。這是因為圍巖不是均勻的，其內有層理、節理、裂隙、斷層等軟弱結構面形成的軟弱結構區。因為軟弱結構區內巖體強度低，在圍巖內整體強度還沒有達到破壞標準時，軟弱結構區就可能已達到破壞標準，這就造成在/ Rc=0.30.7條件下，圍巖內就可能發生巖爆，甚至可能發生強烈巖爆的現象。 上述觀點啟示我們，在巖爆模擬試驗中，應該考慮軟弱結構區的影響。 第8頁，共38頁，202

5、2年，5月20日，0點24分，星期四（2）單靠巖爆體本身積蓄的能量不足以發生拋擲型巖爆， 要 發生拋擲型巖爆，必須要有外力功對其破壞過程進行能 量補充。 這是因為，當應力狀態給定后，對于不全被被封閉或不全被約束的巖爆試件，通過外力做功使其吸收的內能總量是有限的，其最大值應該等于材料變形達到極限時外力所做的有效功。超過這個數值再加外力，材料就要用破壞來消耗外力功。這就像用水桶裝水，水裝滿了再加水，水就要流出來一樣。 換句話說，材料吸收的內能達到極限時，材料并不發生破壞。材料要破壞，外力必須再做功。第9頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四 對巖爆問題來說，巖爆體也是一種不被全部

6、約束的結構體（因它有自由面)。當巖爆體吸收的內能達到極限時，它并不會發生破壞（巖爆）。它要發生破壞（巖爆），也必須要有外力功對其破壞過程進行能量補充，也就是必須讓洞壁圍巖繼續對它產生擠壓變形。 上述觀點啟示我們，在巖爆機理模擬試驗中 ，必須對巖爆試件進行能量補充，以保持試件的破壞過程。第10頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四（3）工程中巖爆發生時，洞壁圍巖會對巖爆體產生能量匯 聚 ，這是拋擲型巖爆發生的重要前提 。 在實際工程中看到：在高地應力地區開挖隧洞時，洞壁圍巖往往要產生很大的收斂變形，有時會把洞內的支護、襯砌都壓垮（見圖1-1）。圖1-1 洞室收斂擠壓變形狀態第1

7、1頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四 另外，從圍巖彈塑性理論分析中也可看出（見圖1-2），在洞室開挖之后，洞壁圍巖要產生徑向位移，要限制這種位移的發展，需要對洞壁提供較大的支撐力 。圖1-2 洞壁位移-支護抗力關系曲線第12頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四 巖爆是發生在洞壁圍巖中。圍巖中的應力在開洞時已產生了一次應力集中，如果再發生巖爆，將引起第二次應力集中。因而在巖爆發生時，洞壁圍巖將會對巖爆體產生更大的擠壓變形和釋放更多的能量。 我們把洞壁圍巖對巖爆體釋放能量的過程稱為能量匯聚。 能量匯聚是拋擲型巖爆發生的重要前提，也是我們在巖爆機理模擬試驗中

8、，對巖爆試件進行能量補充的重要依據。 第13頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四（4）在拋擲型巖爆發生時，存在由靜態到動態的轉化工程， 這種轉化是由洞壁圍巖對巖爆體釋放的能量有剩余造成 的。 眾所周知，拋擲型巖爆發生時有一個由靜態到動態的轉變過程。這個過程的轉化是由于巖爆發生時，洞壁圍巖對巖爆體釋放的能量有剩余造成的。這可從洞壁圍巖與巖爆體相互作用簡圖中看出，簡圖1-3。 圖1-3的繪制是根據巖爆應力判據中，圍巖應力在/Rc=0.30.7的條件下，即在圍巖尚處于彈性條件下就可能發生巖爆，因此我們可用彈簧代替周圍巖體對巖爆體的作用。第14頁，共38頁，2022年，5月20日，

9、0點24分，星期四圖1-3 洞壁圍巖與巖爆體相互作用原理示意圖 從圖1-3中看出：在巖爆發生前，彈簧（圍巖）與巖爆體是處于應力平衡狀態的 。在巖爆發生時，因巖爆體材料已進入峰值后期階段，其剛度逐漸降低，而彈簧的剛度不變。根據變形協調條件，彈簧和巖爆體的位移相等，故彈簧釋放的彈性能就大于巖爆體吸收的變形能。多余能量消耗在巖爆體材料的破壞上。第15頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四 隨著巖爆過程的發展，巖爆體材料的剛度越來越低，彈簧剩余的能量比例也就越來越大。這就為巖爆體破壞過程越來越快創造了條件。最終導致巖爆體從初始靜力破壞狀態轉變為動力破壞狀態。 因巖爆體在動力破壞過程中

10、，巖爆體材料自身具有了速度，也就是據有了動能，所以巖爆碎塊可以飛離試件，形成拋擲型巖爆。第16頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四2、對拋擲型巖爆機理模擬試驗技術的 分析與建議 采用普通油壓控制系統加載，無法使巖爆試件或洞室模型產生拋擲型巖爆。這是因為，普通油壓控制系統加載，油路系統供油緩慢，不能滿足巖爆試件迅速破壞的要求。它只能使試件產生緩慢的靜力型破壞，見圖2-1。 2.1 用普通油壓控制系統加載是無法產生拋擲型巖 爆的 第17頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四 要使巖爆試件產生拋擲型巖爆，必須解決使巖爆試件產生迅速破壞的技術問題。 圖2-1 用普

11、通油壓控制系統加載 試件和洞室模型破壞形態(a) 洞室模型(b) 巖爆試件第18頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四 試件材料要有硬脆性特征； 試件上要有應力集中現象； 在加載過程中要有能量補充。（1）巖爆試件應滿足如下要求： 根據前面對巖爆機理與試驗技術的分析，我們對拋擲型巖爆模機理擬試驗技術提出如下建議：2.2 對拋擲型巖爆機理模擬試驗的建議第19頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四 （2）加載裝置與試驗方法 如圖2-2所示，加載裝置采用彈簧-油缸系統。對彈簧的要求是變形剛度要小于試件的剛度，最大恢復力要等于材料后期強度某點上的承載力，見圖2-3。圖

12、2-2 拋擲型巖爆試件 模擬試驗方案圖2-3 彈簧的最大恢復力等于材料后期強度某點上的支撐力 第20頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四3、對拋擲型巖爆機理模擬試驗裝置的研制 我們自主研發了如下兩套試驗裝置： 第一套裝置是彈簧-油缸系統，見圖3-1，油缸最大出力50噸。在油缸壓頭與試件表面之間設置一個8噸的蝶形彈簧（噸位大小可靈活確定）。 第二套裝置是油-氣復合系統，見圖3-2，該系統是專門為巖爆機理模擬試驗研制的，其氣體壓力大小及釋放時間可以控制。使用效果表明，兩套裝置均可使試件產生拋擲型巖爆現象。第21頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四圖3-1 彈

13、簧-油缸系統巖爆模擬試驗裝置 圖3-2 油-氣復合系統 巖爆模擬試驗裝置第22頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四 4 新裝置巖爆試件模擬試驗概況 我們用多塊水泥砂漿巖爆試件進行了巖爆模擬試驗。試件尺寸：150mm150mm200mm（長寬高），材料強度Rc=20MPa左右。加載方法如前面圖3-1、圖3-2所示。 共做了三種不同烈度的巖爆試驗，結果如下： 第23頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四（a）輕度巖爆4.1 試件的巖爆景象第24頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四（b）中等巖爆第25頁，共38頁，2022年，5月20日，0點

14、24分，星期四（c）劇烈巖爆第26頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四 從錄像片中可以看出，巖爆發生時，均有較大聲響，并有大量碎塊飛離試件。巖爆烈度越高，飛離的碎塊越多，飛離的距離越遠，表現出了典型的拋擲型巖爆特征。各試件飛離碎塊的散布特征見圖4-1。4.2 試件的宏觀破壞現象第27頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四（a）輕度巖爆 圖4-1 飛離碎塊的散布特征第28頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四（b）中等巖爆第29頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四(c) 劇烈巖爆第30頁，共38頁，2022年，5月20日

15、，0點24分，星期四 為了分析巖爆碎塊的散落狀態，我們把巖爆碎塊飛離距離分成幾個區間進行統計，把每個區間內的碎塊質量求和（用試件質量的百分比表示）作為該區間內中點的質量 M，用該區間中點至試件表面的距離作為碎塊拋擲水平距離 S，用試件的高度中點至地面的距離，作為碎塊降落高度 H。 根據上述數據就可計算出巖爆碎塊質量分布及其平均動能等數據統計表，見表1。4.3 巖爆碎塊飛離狀態統計規律（1）巖爆碎塊飛離狀態統計表第31頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四 從表中看到，巖爆烈度與試件動的能大小、碎塊質量的多少和飛離距離的遠近均成正比關系。試驗序號巖爆烈度評價試件總質量巖爆質量百

16、分比巖爆碎塊在不同區間的質量分布 /g巖爆動能/J0.3-1.0m1.0-2.0m2.0-4.0m4.0-6.0m1輕度巖爆892040.1%2055.04 1345.16 137.00 39.00 38.922中等巖爆859044%1355.6 502.5 1574.4 337.0 154.963劇烈巖爆840063.5%2395.9 1043.6 874.8 1018.0 268.04表1 巖爆碎塊飛離狀態統計表第32頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四（2） 巖爆碎塊質量分布柱狀圖，見圖4-2。圖4-2 碎塊質量分布柱狀圖（b）中等巖爆（c）劇烈巖爆（a）輕度巖爆第3

17、3頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四 從圖中看到，一般情況下，大部分碎塊質量都落在試件附近，0.31m范圍內。但也有例外，如圖4-2b,中，大部分質量分布在24m 范圍內。產生這種現象的原因尚待分析。第34頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四圖4-3 巖爆碎塊質量大小比例柱狀圖 （3）巖爆碎塊質量大小比例柱狀圖，見圖4-3。 （c）劇烈巖爆（a）輕度巖爆 （b）中等巖爆第35頁，共38頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四 從圖中看到，巖爆烈度低的，大質量巖爆碎塊所占比例高，如圖4-3a中300g以上的占70%多。巖爆烈度高的，小質量的巖爆碎塊所占比例高，如圖4-3c中，50g以下的占56%以上。而中等巖爆烈度的，小質量的巖塊占45%，大質量的巖塊占33%，中等質量的巖塊占22%。