基于宏观(力学行为特征、破坏特征、能量演化)和微观(裂纹演化)视角综述预制钻孔和高应力实时钻孔在解析钻孔卸压防治岩爆灾害机理方面的试验研究进展,阐述钻孔卸压防治岩爆灾害的合理性和有效性。理论研究、试验分析证实钻孔卸压是解除深部围岩高应力、高能量的关键技术,为应用钻孔卸压防治岩爆方案制定优化提供参考。高应力实时钻孔试验方法是一种更为科学的揭示钻孔卸压防治岩爆内在机理的新研究方法。根据岩爆诱发机理和当前多功能试验系统的技术条件,对解析钻孔卸压防治岩爆机理的试验研究提出6个发展方向:研发适配真三轴试验系统的高应力钻机试验设备;考虑扰动因素下的高应力实时钻孔卸压模拟试验;模拟深部隧洞(巷道)开挖后的实时钻孔卸压试验(“三维六面加载-单面卸载-实时钻孔卸压”试验);构建三维高应力实时钻孔卸压下围岩能量演化的解析模型;探究卸压钻孔的空间尺寸效应与围岩应力场及围岩内部能量耗散机制的关系;基于数值模拟软件建立大尺度高应力围岩的钻孔卸压防治岩爆的计算模型。

为探究复杂应力路径下波纹钢加固盾构隧道受力变形规律的异同和加固效果,基于MIDAS GTS NX有限元软件构建三环错缝精细化模型,从管片加固前后收敛变形量、波纹钢应力、管片塑性变形等角度衡量波纹钢加固效果,对比分析堆载、卸载工况下波纹钢加固盾构隧道受力变形演化规律。研究结果表明:复杂受荷环境下管片最大收敛变形部位分布不同,堆载以腰部收敛为主,卸载以顶底部竖向收敛为主;卸载下施作波纹钢加固效果优于堆载工况,最大加固效率可达70%;堆载与卸载工况下,不同板厚波纹钢加固管片的收敛变形、波纹钢应力发展规律类似且均呈现线性增长趋势;波纹钢能有效延缓混凝土塑性发展态势,但对于卸载工况下的环间错台抑制能力较弱。

基于流变力学和黏弹性力学,建立预应力锚索锚固力损失与岩体蠕变耦合的理论模型。考虑预应力锚索加固岩体时的预应力损失效应的影响,推导稳定蠕变岩体和不稳定蠕变岩体的蠕变变形方程,得出锚索预应力随时间变化的计算公式。结果表明:锚索张拉完成的一段时间内,预应力损失较快;随后预应力损失速率逐渐减小,最终趋于稳定,岩体蠕变变形也最终趋于稳定。计算结果与已有文献的试验结果对比分析,二者的曲线变化规律一致,验证了本研究模型的正确性与实用性。结合锦屏水电站锚索预应力变化与理论模型的计算结果对比,证明了本研究模型应用于工程实例的准确性,本研究模型比以往的耦合模型具有更广泛的适用范围,不仅适用于稳定蠕变岩体,也适用于非稳定蠕变岩体,对锚索锚固力的变化异常预警和边坡工程的长期安全运营有广泛的工程应用价值。

采用一种新型的无网格化方法——近场动力学理论,在微观弹脆性本构模型(prototype microelastic brittle, PMB)基础上,引入可反映长程力作用强度随物质点间距变化的核函数,通过Fortran语言编写高地应力状态下岩石双孔爆破的数值求解程序,研究不同炮孔间距、不同地应力状态和不同侧压力系数下岩石双孔爆破动态破坏过程,获得岩石双孔爆破时裂纹萌发、扩展、贯通的全过程。结果表明:随着炮孔间距从100 mm增加至200 mm,开裂区面积由306.59 cm²增大至449.07 cm²,但当炮孔间距增加至200 mm时,双孔之间产生的裂纹不能连接贯通;在静水地应力水平下,随着地应力的增加,裂纹扩展时间减少,损伤起始时间滞后,损伤面积由123.24 cm²减小至32.96 cm²,主裂纹扩展长度由87.73 mm减小至14.42 mm;非静水地应力水平下,爆生裂纹扩展倾向于最大主应力方向,随着侧压力系数增加、损伤面积减小,裂纹扩展的方向性越明显。地应力对岩石爆破开裂起抑制作用,非静水地应力水平对裂纹的扩展具有导向作用。在实际爆破开挖中,选择合适的炮孔间距,沿最大主应力方向布置炮孔有利于形成良好的爆破开挖面,提高破岩效率。

针对兰州市水源地建设工程深埋长输水隧洞双护盾TBM在不良地质条件下的施工问题,采用数据统计、工程类比等方法,提出了综合处理技术及措施。在TBM施工前,对F₃及F₈断层带采用钻爆法开挖,初期支护保证围岩稳定后,TBM滑行通过并安装管片;采用了以隧洞沿线地质分析为基础,结合掌子面围岩观察、岩渣分析、掘进参数分析、三维地震法和三维电阻率法等方法的综合超前地质预报方法,对掌子面前围岩地质条件进行综合预报;采用“以排为主,排堵结合”的原则,建立TBM变坡段排水系统,根据涌水量确定排水系统的运行方式,减轻了涌水对施工的影响;根据TBM前盾被卡的特征,采用从伸缩护盾处人工开挖导洞释放围岩压力的方法使TBM脱困;采用化学灌浆和水泥灌浆固结破碎围岩,控制TBM掘进参数,慢速掘进通过破碎带。TBM施工实践表明:所采用的技术行之有效,不良地质条件未对TBM造成严重后果。

为验证全射流纵向排烟V形坡公路隧道火灾时通风排烟系统整体运行控制模式的有效性,并为防止火灾烟气对隧道洞口外人员安全的影响,依托济南黄河济泺路隧道开展全尺寸现场实体火灾试验,确定不同条件下烟气流动特性及烟气出洞口扩散情况。研究表明:V形坡隧道内发生火灾时,全射流纵向排烟系统整体运行有效;无机械通风时,在“烟囱效应”和自然风共同作用下,不同火源功率下烟气蔓延距离不同;近火源区域烟气温度呈脉冲形式,分层不明显,远火源区域竖向温度分层明显;机械通风时,不同火源功率下,风机产生的机械风作用到烟气前锋平均时间为15 s,均能完全控制住上游烟气逆流;烟气出洞口后,扩散距离与纵向风速呈正比关系。明确了隧道洞口外区域的人员安全距离。

为研究注浆加固对隧道岩体贯通节理面抗剪力学特性的影响,对非贯通节理岩体试样进行剪断破坏获得贯通节理面试样,开展注浆加固岩体直剪试验,研究注浆加固贯通节理面在直剪条件下的破坏特征及强度特性。研究结果表明:注浆加固后岩体的破坏模式分为胶结面滑移、完整岩石破裂和浆液固结体破裂三种,破坏模式主要受胶结面强度、浆液固结体强度和岩体强度的影响;水灰比主要影响水泥固结体的强度和胶结面的黏结强度,充填厚度主要影响胶结面的黏结强度;通过注浆加固显著提升了贯通节理面的黏聚力,而对内摩擦角几乎不产生影响;非贯通节理岩体的初始破坏会对贯通破裂面注浆加固效果产生影响,张拉断裂面的注浆加固后强度提升效果优于剪切断裂面。

以丽香铁路中义隧道3#横洞工区为工程背景,通过现场变形监测分析不同断面形式下的平导与正洞大变形特征,研究发现存在片理的变质玄武岩隧道在极高地应力环境下挤压大变形特征明显,水平收敛为洞周收敛的主要变形。通过数值模拟验证隧道断面优化与支护补强措施的有效性,结果显示:减小隧道断面曲率突变和使隧道断面对称能够减小隧道围岩变形量,增设锁脚锚杆与增大钢筋网强度均能有效控制隧道形变,共同作用下可控制超过65﹪的隧道围岩变形量,缩减大变形段围岩塑性区分布,对中义隧道的大变形有很好的控制作用,可为复杂应力环境下铁路隧道施工提供指导。