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复杂环境条件下软弱围岩深埋长大隧道开挖爆破技术及危害控制关键技术研究补充1.项目的立项依据在隧道工程中，关键问题在于爆破开挖技术及爆破灾害的预防。在爆破开挖技术中，为了提高爆破质量、减少超挖及欠挖情况的发生，光面爆破技术被大量采用。影响光面爆破效果的因素很多，其中岩石在爆炸载荷下的动力响应及破碎机理是一个尤为重要的问题。炸药在岩体内爆炸时所释放出来的能量是以高温高压的爆生气体的形式作用于岩体的，并以冲击波的形式向四周传播，整个过程在几个到几十个毫秒的时间内完成。岩石的本构模型及参数决定了初始冲击波的强度、持续时间、衰减过程等特性，而这对于更进一步的认清岩石的破碎规律有着重要的作用，所以研究该地岩石的本构关系有着重要的意义。岩石本构关系应该能够描述岩石材料的围压效应、应变率效应、硬化效应、软化效应和孔隙压实效应等。近年来，岩石动态本构关系的研究受到越来越多的关注，相继出现了TCK、HJC、RHT等具有代表性的动态本构关系。TCK模型以脆性拉伸损伤为主，损伤演化与平均拉应力、裂纹密度和体积应变率有关，该模型可以较好地反映爆炸成坑、裂纹扩展，但未考虑压缩损伤累积，致使计数值计算结果与试验偏差较大。HJC模型较好地考虑了压缩强度的围压效应、应变率效应和压缩损伤累积，但未考虑应变硬化和第3应力偏量不变量3J影响。RHT模型则综合考虑了围压效应、应变率效应、应变硬化、软化和孔隙压实效应，能够比较全面地反映岩石动态力学性能，近年来在岩石爆炸、弹体侵彻的数值模拟中得到了比较广泛的应用。但是，RHT模型参数有20多个，要真实反映该地岩石的力学性能，必须进行相应的试验研究，再通过一定的分析方法取得。本文准备采用相应的拉、压试验，SHPB（SplitedHopkinsonPressureBar）试验来获取岩石的相关参数。由于岩石是一种非均质各向异性介质，加上爆炸作用过程本身的复杂性，使得岩石爆破破岩机理的研究变得困难。目前，一般认为岩石破碎主要有：爆生气体膨胀作用、爆炸应力波反射拉伸作用以及上述两种行为联合作用等等。由于岩土介质的复杂多样、分析域界和工况的多变性，加上岩石发育程度、节理、层理的存在，使得破碎规律变得特别复杂，而这对于爆破方案设计、灾害的预防起着重要的作用。近10年来随着计算机的发展，数值模拟方法得到了广泛的应用，已经成为研究岩土力学及工程问题的最重要手段之一。目前较常用的数值计算方法有：有限元法、边界元法、有限差分法、加权余量法、离散元法、刚体元法、不连续变形分析法、流形元法等。本课题采用有限元法首先计算隧道断面的自重应力场，然后模拟隧道的开挖施工过程，计算隧道开挖爆破引起的爆破振动。通过对爆破振动的实际监测数据与数值计算值进行比较，对数值计算模型进行校核，以确认数值模拟方法的有效性和模拟结果的可信性。然后计算支护结构及围岩的静态应力场和位移场，模拟爆破施工时对围岩及支护结构的影响。根据围岩及支护结构的振动响应情况来对爆破装药参数提出建议。最后模拟隧道通车之后，车体的振动对本隧道及相邻隧道结构体系的动力响应。2.本项目研究内容、研究目标研究目标以某复杂条件下隧道开挖为背景，采用理论分析、实验及数值模拟相结合的方法研究岩石在爆炸载荷下的动力响应问题，得出岩石的动力学材料参数。以此为基础，研究该岩石在均匀、存在节理及层理等情况下的破碎机理及规律，对爆破方案提供理论指导；通过对隧道断面的自重应力场及隧道开挖过程及支护后的应力场及位移场进行数值模拟，给支护结构及方法提出理论指导；采用试验及数值模拟研究相结合的方法对爆破振动对围岩、支护结构、相邻隧道的影响进行评估。最后，隧道通车后，对车体振动对隧道及相邻隧道结构体系的动力响应进行分析，对隧道在多种条件下的安全性进行评估。研究内容其主要的研究内容如下：（1）对国内外隧道开挖时的灾害预防方法进行广泛资料调研；（2）对岩石进行取样，进行静态的拉压试验及SHPB试验，得出该岩石的动、静力学参数；（3）针对岩石这种特殊材料，研究其本构关系，并得出其相关参数；（4）对均匀岩石、存在节理、层理及不同发育情况时的破碎特性及规律进行研究，得出不同条件下岩石的破碎规律；（5）基于有限元法，对隧道断面的自重应力场及隧道开挖过程及支护后的应力场及位移场进行数值模拟研究，对支护结构及方法提供理论指导；（6）采用试验及数值模拟研究相结合的方法对爆破振动对围岩、支护结构、相邻隧道的影响进行评估；（7）对车体振动对隧道及相邻隧道结构体系的动力响应进行分析，对隧道在多种条件下的安全性进行评估。