拟采用理论分析、室内试验、现场试验及数值分析方法，针对深部高储能岩体爆破开挖过程中岩体应变能的瞬态释放过程及效应展开研究。首先，采用围压瞬态卸载试验装置实现室内试验岩样围压的瞬间卸载，揭示岩体应变能瞬态释放的机理，建立能量瞬态释放效应的计算模型和考虑能量瞬态释放效应的岩石损伤判据；其次，结合现场开挖损伤区检测、围岩振动监测和数值计算，研究能量瞬态释放诱发围岩损伤和高应力破坏的规律及影响因素，分析瞬态释放能量诱发振动响应的衰减规律及时空分布；最后，提出基于开挖程序和钻爆设计优化及应力解除爆破的高储能岩体爆破开挖能量瞬态释放效应控制方法。本课题既符合国家基础工程建设的重大需求，又是深部岩体力学理论发展急需解决的关键问题，研究成果有助于加深对深部岩体爆破损伤及破坏的机理的认识，对保障深埋洞室的施工安全具有重要意义，可为我国深部岩体工程设计及施工提供新的设计和分析理论。

本项目针对深部高储能岩体爆破开挖过程中应变能的瞬态释放动力效应开展研究，主要内容包括应变能瞬态释放的机理及计算模型，应变能瞬态释放导致围岩损伤、诱发振动特性及空间分布，应变能瞬态释放效应控制等。在4年的研究期内，除原定瞬态卸载室内试验调整至现场深部原位实验室进行外，项目基本按照原定研究计划展开，圆满完成研究任务。 研究表明，深部岩体开挖改变了原有的应力和能量平衡状态，导致岩体部分应变能高速释放，且围岩浅部出现能量聚集现象。TBM开挖条件下围岩应变能聚集的最大值高于钻爆法开挖，且围岩应变能聚集的最大值更接近于开挖面；开挖进尺越大，能量释放的动力效应越明显。此外，岩体的脆性、应变软化等不同的峰后力学特性也对岩体应变能的瞬态释放效应具有重要影响。室内岩石力学试验的结果受深部岩样初始取样损伤的影响较大，且取样损伤程度及范围很大程度上取决于初始应力状态和水平，岩样的微结构的影响次之。 爆炸荷载和地应力瞬态卸载所诱发的围岩损伤程度和范围均随地应力量级的提高而显著增大；爆炸荷载作用条件下损伤区的分布有随着侧压力系数的增大而向应力集中区发展的趋势，而地应力瞬态卸荷所产生的围岩破坏以受拉破坏为主，表层损伤区沿开挖呈轮廓均匀分布的趋势。高地应力条件下爆破开挖产生的围岩振动由爆炸荷载和应变能瞬态释放（或地应力瞬态调整）耦合作用引起。后者可成为周围岩体振动的主要组成部分，这有赖于岩体自身的蓄能能力、岩体开挖方式及开挖面的大小。因此，对应变能瞬态释放效应的控制，应一方面通过特殊的应力解除爆破设计改善围岩应力集中的程度，降低岩体的储能能力，另一方面可通过减小爆破开挖进尺，减缓应变能释放速率以控制开挖扰动。 本项目的研究成果对加深对深部岩体爆破损伤及破坏的机理的认识具有一定意义，可为我国深部岩体工程设计及施工安全保障提供新的设计思路。 结合本项目的研究，共发表论文23篇，其中SCI收录9篇（含录用2篇），EI收录12篇（含录用4篇）；申请发明专利11项，授权5项；培养博士生3人，硕士生7人。部分研究成果获中国工程爆破协会科技进步奖一等奖（个人排名第5）。参与撰写专著《深部岩体开挖瞬态卸荷机制与效应》（共8章，执笔其中2章）。各项考核指标均超过申请书预定目标。 2100433B

《深部岩体开挖瞬态卸荷机制与效应》主要介绍深埋洞室岩体开挖瞬态卸荷机制、效应和控制技术，包括深部岩体开挖瞬态卸荷力学过程和计算模型、钻爆开挖过程围岩应力和应变能的瞬态调整机制、深部岩体开挖瞬态卸荷激发的围岩振动、深部岩体爆破开挖引起的围岩开裂机制和岩爆效应、深部岩体爆破开挖过程中的围岩损伤演化机制、开挖瞬态卸荷引起的围岩松动与变形机制、深部岩体开挖瞬态卸荷动力效应控制技术等内容。

能量意外释放理论从事故发生的物理本质出发，阐述了事故的连锁过程：由于管理失误引发的人的不安全行为和物的不安全状态及其相互作用，使不正常的或不希望的危险物质和能量释放，并转移于人体、设施，造成人员伤亡和(或)财产损失，事故可以通过减少能量和加强屏蔽来预防(见图5 能量意外释放理论描述的事故连锁示意图)。人类在生产、生活中不可缺少的各种能量，如因某种原因失去控制，就会发生能量违背人的意愿而意外释放或逸出，使进行中的活动中止而发生事故，导致人员伤害或财产损失。

图5 能量意外释放理论描述的事故连锁示意图

3.两类危险源

两类危险源的分类，使事故预防和控制的对象更加清晰。

正是由于系统中危险源的发展变化和相互作用，才使能量发生了意外释放。根据危险源在事故发生、发展中的作用，可以分为两类。第一类危险源是系统中可能发生意外释放的各种能量或危险物质;第二类危险源是导致约束、限制能量措施失效或破坏的各种不安全因素。第一类危险源的存在是事故发生的前提;第二类危险源是第一类危险源导致事故的必要条件。两类危险源共同决定危险源的危险性。第一类危险源释放出的能量，是导致人员伤害或财物损坏的能量主体，决定事故后果的严重程度;第二类危险源出现的难易，决定事故发生的可能性的大小(见图6 两类危险源在事故中的作用示意图)。

图6 两类危险源在事故中的作用示意图

在具体的安全工程中，第一类危险源客观上已经存在并且在设计、建造时已经采取了必要的控制措施，其数量和状态通常难以改变，因此事故预防工作的重点是第二类危险源，事故控制的重点是第一类危险源。

4.行业安全工程

(1)化工安全工程。化工安全工程技术人员应了解化学能释放发生火灾、爆炸和毒害事故的机理;了解化学品物质的危险性;掌握一般化工火灾爆炸事故分析方法，并能提出相应的防范措施;掌握化工火灾爆炸事故、化学物质毒害事故预防和控制方法。

(2)建筑安全工程。建筑安全工程技术人员应掌握建筑施工中的常见事故类型及其预防措施，重点掌握高处坠落事故的事故成因和预防措施;熟悉影响建筑本体的主要危险因素及其事故预防的主要措施;熟悉建筑消防工程的主要内容。

(3)机械安全工程。机械安全工程技术人员应了解机械安全设计与机器安全装置的基本知识、机械设备使用安全的基本知识;掌握机械伤害的种类及预防机械伤害的措施，机械设备在设计、生产、使用、维修等各个环节的安全技术和安全措施;特别应具备起重、压力容器类机械事故的预防能力。

(4)电气安全工程。电气安全工程技术人员应了解电气安全技术的概况、电气事故的类型、绝缘防护的基本知识、防止触电的基本方法、静电的特性和危害、雷电的基本参数和雷电的种类与危害;掌握电气安全的屏障防护和间距防护、电气设备和设施的保护接地与保护接零、安全供电技术、电气防火防爆措施、消除静电的基本途径、防雷分类及装置、基本的防雷技术。

(5)职业危害与人机安全工程。安全工程技术人员应掌握职业危害的来源、种类及防护措施;了解工作场所环境监测目的及工业场所的职业卫生要求，掌握工业毒物危害控制措施;了解人机安全工程的主要研究内容，掌握人机系统常见事故及其原因。

四、发展方向和趋势

安全工程是阐明事故发生和预防规律的科学，并随着科技进步和社会发展而不断更新和发展。近年来随着科技进步和社会发展，针对生产实际的不断变化和需求，安全工程主要发展方向包括以下方面。

1.风险分析的定量化

安全工程认为，风险是描述系统危险性的客观量。客观、准确地认识风险是预防、控制各类事故的基础和前提。近年来，为了提升安全技术和管理水平，十分重视定量风险分析，提出了一系列风险统计方法和分析模型，这些分析涉及人员、社会风险可接受水平的定量化;风险概率、后果严重度的定量化;风险暴露程度的定量化;人员、财产脆弱程度的定量化等。

2.事故应对的系统化

安全工程认为，事故由事故隐患、故障、偏差、事故、事故后果等一系列互为因果的事件构成。事故的预防和控制过程中需要系统化的研究：危险源及其动态变化情况;事故致因因素及其发展情况;初发事故及后续事故的多米诺规律;事故发生过程中损失的控制屏蔽;事故过后系统的恢复和重建等。

3.安全管理的体系化

人们从大量事故教训中认识到，现代工业事故不是哪一次、哪一个人操作，而是一系列人为失误造成的，是一种文化的、管理体系的缺失。基于这样的认识，国内外广泛推行以戴明管理法则(即PDCA法则)为基础的安全管理体系，将质量、安全、健康、环境融为一体，突出预防为主、全员参与、持续改进的理念，提高安全管理的标准化、现代化水平。

4.安全技术的工程化

本质安全(inherent safety, intrinsic safety)、防护层分析(1ayer of protection)和机能安全(functional safety)代表了近年来安全技术工程化的最新发展方向。

(1)本质安全。针对日益规模化与复杂化的生产系统，人们注重采用本质安全的设计和工艺，最大限度地减少系统的危险性。本质安全的基本技术原则包括：最小化(intensification)，使用较小量的危险物质;替换(substitute)，用危险性小的物质替换危险性大的物质;缓和(moderate)，采用不太危险的条件，不太危险形态的物料，或者危险物料或能量释放影响最小的设备;简化(simplify)，简化设备的设计，消除不必要的复杂性而减少操作失误。

(2)防护层分析。经过本质安全设计后的系统仍然存在“残余危险”，需要采取各种防护措施(protections)来预防事故的发生和减少事故损失。以化工生产为例，过程防护层包括基本工艺控制、工艺警报、操作者监视，危险警报、操作者监视和采取措施，安全监控系统，物理防护，工厂内外的应急等。防护层的防护性能，即防护层的有效性对控制剩余危险起着十分重要的作用。

(3)机能安全。随着计算机、集成电路等技术渗透到所有工业领域并彻底改变工业过程的控制，以计算机为基础的系统也越来越多地用于安全目的。这些复杂系统一旦发生故障，往往会直接或间接地导致事故的发生，有时甚至会造成整个生产系统的瘫痪。鉴于此，安全相关系统的安全机能问题引起了广泛关注。

安全相关系统(safety related sysem)是以某种技术实现安全机能的系统，是被要求实现一种或几种特殊机能以确保危险性在可接受水平的系统。安全相关系统属于主动防护的范畴。安全相关系统可以是独立于设备、过程控制的系统，也可能是设备、过程控制系统本身实现安全机能。机能安全需要研究和解决的问题是，安全相关系统必须具有什么安全机能，以及安全机能必须实现到什么程度。前者称为安全机能要求，后者称为安全度要求。通过危险分析明确安全机能要求，并通过危险性评价得到安全度要求。2100433B

《岩石力学与工程研究著作丛书》序

《岩石力学与工程研究著作丛书》编者的话

前言

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 深部岩体开挖效应研究现状 4

1.3 岩体开挖卸荷的动力特性 7

1.4 本书的主要内容 9

参考文献 10

第2章 深部岩体开挖瞬态卸荷力学过程和计算模型 19

2.1 岩体开挖的准静态和瞬态卸荷过程 19

2.1.1 钻孔爆破开挖法与隧道掘进机开挖法 19

2.1.2 准静态卸荷与瞬态卸荷的判定 23

2.1.3 岩体开挖瞬态卸荷力学过程 25

2.2 岩体开挖瞬态卸荷力学过程的数学描述 27

2.2.1 炮孔布置与毫秒延迟起爆顺序 27

2.2.2 围岩二次应力场与分步开挖荷载 29

2.2.3 爆炸荷载及其作用历程 32

2.2.4 岩体开挖瞬态卸荷起始时刻与持续时间估算 40

2.2.5 岩体开挖瞬态卸荷方式 42

2.3 爆炸荷载与开挖瞬态卸荷的耦合作用计算模型 44

2.3.1 爆炸荷载的施加 44

2.3.2 开挖瞬态卸荷过程的模拟 48

2.3.3 耦合作用计算模型及其实现 50

2.4 小结 51

参考文献 51

第3章 钻爆开挖过程围岩应力和应变能的瞬态调整机制 54

3.1 开挖瞬态卸荷引起的围岩瞬态应力场 54

3.1.1 围岩瞬态应力场计算的解析方法 54

3.1.2 瞬态卸荷引起的围岩二次应力动态调整过程 60

3.1.3 全断面毫秒爆破下的隧洞围岩二次应力演化与分布规律 65

3.2 爆炸荷载和瞬态卸荷耦合作用下的围岩总动应力场 69

3.2.1 爆炸荷载作用引起的围岩动应力场 69

3.2.2 爆炸荷载和瞬态卸荷耦合作用引起的围岩总动应力场 74

3.3 围岩应变能的集聚过程与空间分布规律 79

3.3.1 围岩应变能的计算 80

3.3.2 开挖过程围岩中的能量平衡 82

3.3.3 开挖过程围岩中的能量传输 85

3.3.4 围岩应变能的积聚特征 88

3.4 开挖过程围岩应变能的释放 89

3.4.1 能量释放指标 89

3.4.2 围岩能量释放规律 90

3.4.3 围岩能量释放的影响因素 100

3.5 小结 104

参考文献 105

第4章 深部岩体开挖瞬态卸荷激发的围岩振动 108

4.1 开挖瞬态卸荷激发围岩振动的机制及影响因素 108

4.1.1 静水应力场中岩体开挖瞬态卸荷激发围岩振动的解析解 108

4.1.2 岩体开挖瞬态卸荷激发围岩振动的影响因素 109

4.1.3 非静水应力场中岩体开挖瞬态卸荷激发围岩振动 114

4.2 瞬态卸荷激发振动与爆破振动的比较 116

4.2.1 爆破振动及影响因素 116

4.2.2 质点峰值振动速度比较 122

4.2.3 振动频率比较 125

4.2.4 实测深埋隧洞开挖过程振动信号的频谱特性 125

4.3 实测瞬态卸荷激发振动的识别与分离 133

4.3.1 深埋隧洞钻爆开挖过程的实测围岩振动 134

4.3.2 开挖瞬态卸荷激发振动的识别 138

4.3.3 开挖瞬态卸荷激发振动的分离 142

4.4 开挖瞬态卸荷激发振动的传播规律 146

4.4.1 基于量纲分析推导的激发振动预测公式 147

4.4.2 实测开挖卸荷激发围岩振动衰减规律 150

4.5 小结 156

参考文献 157

第5章 深部岩体爆破开挖引起的围岩开裂机制和岩爆效应 159

5.1 深埋隧洞爆破开挖过程的裂纹扩展模型 160

5.2 爆炸应力波驱动的岩体开裂机制 161

5.2.1 翼型裂纹扩展的临界条件 162

5.2.2 岩体开裂特征 162

5.3 准静态卸荷引起的围岩开裂机制 165

5.3.1 翼型裂纹产生的临界条件 165

5.3.2 围岩开裂范围与翼型裂纹扩展方向 167

5.4 瞬态卸荷诱导的围岩开裂机制及影响因素 168

5.4.1 围岩开裂范围 168

5.4.2 围岩开裂的影响因素 169

5.5 开挖卸荷诱导的岩爆效应 172

5.5.1 围岩开裂过程中的能量变化 172

5.5.2 不同卸荷方式下应变型岩爆的特征 177

5.5.3 岩爆碎块弹射速率 179

5.5.4 锦屏二级水电站深埋隧洞开挖过程中的岩爆 180

5.6 小结 186

参考文献 186

第6章 深部岩体爆破开挖过程中的围岩损伤演化机制 189

6.1 深部岩体钻爆开挖导致围岩损伤机理 189

6.1.1 岩体开挖瞬态卸荷诱发围岩损伤机理 189

6.1.2 爆炸荷载作用下的围岩损伤机理 190

6.2 深部岩体钻爆开挖围岩损伤模型 191

6.2.1 损伤破坏准则 191

6.2.2 损伤演化方程 192

6.2.3 损伤变量阈值 193

6.3 深部岩体钻爆开挖围岩损伤演化过程 194

6.3.1 瞬态卸荷作用下的围岩损伤演化过程 195

6.3.2 爆炸荷载与瞬态卸荷耦合作用下的围岩损伤演化过程 198

6.3.3 工程实例分析 203

6.4 锦屏二级水电站深埋隧洞爆破开挖围岩损伤区检测及特性研究 208

6.4.1 工程概况 208

6.4.2 损伤区检测方法 209

6.4.3 损伤区检测结果 210

6.4.4 深埋隧洞爆破开挖围岩损伤特性 214

6.5 小结 217

参考文献 218

第7章 开挖瞬态卸荷引起的围岩松动与变形机制 220

7.1 节理岩体开挖瞬态卸荷松动机理 220

7.1.1 开挖瞬态卸荷松动的能量模型 220

7.1.2 开挖瞬态卸荷松动的应力波模型 222

7.1.3 开挖瞬态卸荷松动的影响因素 228

7.1.4 平行节理组切割岩体的卸荷松动模型 229

7.2 开挖瞬态卸荷引起节理岩体松动模拟试验 234

7.2.1 松动模拟试验系统设计 234

7.2.2 模型材料的选择与相似分析 235

7.2.3 松动模拟试验过程 237

7.2.4 试验结果分析 241

7.3 节理岩体爆破松动机理 244

7.3.1 爆破松动的应力波模型 244

7.3.2 爆破松动的动力有限元分析 247

7.4 含结构面地下厂房高边墙开挖卸荷松动变形实例分析 250

7.4.1 瀑布沟水电站工程概况 251

7.4.2 开挖过程地下厂房实测变形 252

7.4.3 高边墙开挖卸荷松动变形数值分析 254

7.4.4 计算结果与实测数据的对比 259

7.5 小结 261

参考文献 262

第8章 深部岩体开挖瞬态卸荷动力效应控制技术 264

8.1 深埋洞室开挖程序优化 264

8.1.1 典型水电站地下厂房洞群开挖程序 265

8.1.2 大型地下厂房开挖程序比较与分析 270

8.1.3 深埋地下厂房开挖轮廓爆破方式比选 273

8.2 深部岩体开挖瞬态卸荷激发振动控制 279

8.2.1 爆破振动和开挖瞬态卸荷激发振动的预测 279

8.2.2 深埋隧洞开挖瞬态卸荷激发振动控制 280

8.2.3 深埋地下厂房开挖瞬态卸荷激发振动控制 292

8.3 深埋地下洞室开挖瞬态卸荷引起的围岩损伤控制 297

8.3.1 深埋隧洞开挖过程的围岩应力动态演化规律 297

8.3.2 全断面钻爆开挖过程的围岩损伤演化规律 302

8.3.3 基于地应力瞬态卸荷围岩损伤控制的爆破设计优化 303

8.4 基于开挖瞬态卸荷控制的施工期岩爆主动防治 305

8.4.1 基于应力解除的岩爆主动防治 305

8.4.2 基于爆破扰动控制的岩爆主动防治 309

8.5 小结 313

参考文献 314

索引 317

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