英语原文共 26 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
用有限——离散元法评估深埋隧道中的应变爆破
Ioannis Vazaios *，Mark S. Diederichs，Nicholas Vlachopoulos，加拿大金斯敦女王大学地质科学与地质工程系
摘要：深部隧道中的岩爆是一种复杂的现象，在硬岩体内和高地应力下的地下开挖的设计和施工阶段都面临着重大挑战。虽然现场经验，现场监测和数据丰富的分析是常用于管理危害和相关风险的一些工具，但基于不连续模型的先进数值技术也显示出有助于评估岩爆的潜力。在这项研究中，混合有限离散元法（FDEM）被用来调查失效和压裂过程，以及能量储存和快速释放导致爆裂的机制，以及评估其作为设计过程的一部分的效用地下挖掘。在对数值模型进行校准以模拟坚硬的大质量岩体中的深部开挖之后，将离散裂缝网络（DFN）几何结构整合到模型中，以检查岩石结构对高地应力下岩爆的影响。得到的分析结果不仅突出了明确模拟模型中预先存在的关节的重要性，因为它们影响了运动的失效机制和应变岩爆现象的强度，而且还显示了所采用的关节网络几何形状，场应力条件，它们的相互作用会影响挖掘诱发损伤的程度和深度。此外，对喷射岩块的质量和速度进行严格分析，并将获得的数据与完善的半经验方法进行比较，证明该方法有可能提供岩爆过程中释放的动能的实际估算，以确定能量作为支撑。
关键词：岩爆；有限 - 离散元法（FDEM）；深层开挖；硬岩基坑；脆性断裂；离散裂缝网络（DFN）
1.介绍
在大深度和大规模或高度互锁的岩体中，由地下挖掘引起的高应力集中释放导致脆性破裂，其本质上可能是非暴力或爆炸性的。根据发生的压裂的性质，硬岩和岩体的脆性破坏可分为两大类，包括剥落和应变爆破（Diederichs，2007）。剥落是在高压应力下可见的拉伸断裂的结果。虽然剥落与坚硬岩体中的挖掘有关并且本质上是脆性的，但它不一定是剧烈的过程，并且在高应力下在地下开口周围的低限制环境中的结晶岩中经常遇到。一般的剥落可以是暴力的或非暴力的，并且在某些情况下可以由依赖于时间的相关现象驱动。相反，由于高的原位应力状态，由于来自开挖壁的岩石体积的爆炸性破裂，发生了应变破裂（岩爆）。在剥落中，岩石伸展断裂可以在实际的岩爆或应变爆破事件之前发生。通过形成薄平行板导致的地下开口稳定性的干扰导致储存的应变能的突然释放（Diederichs，2007,2014）。本文的重点是由于岩爆和应变爆破现象引起的爆炸性失效。
深挖掘中的脆性破坏问题一直是与采矿作业相关的各种研究人员感兴趣的主题。更具体地说，关于岩爆，有各种机制可以在采矿中导致它。这些包括由于柱芯上的应力集中超过其强度容量而导致的支柱失效，并且随着矿山几何形状的变化，整个系统正在转变为卸载，由于应力波传播导致的交感应变爆发，大规模采矿导致大的应力变化，地震诱发的地面下陷影响先前受损的岩石等（Diederichs，2018）。
图一
然而，在深隧道中，随着隧道的推进，在开挖附近的复杂应力路径导致在开挖的墙壁和面上发生应变破坏（Kaiser等，1995）。隧道掘进作业中涉及应力变化，能量储存和释放机制等现象具有更局部性，通常与挖掘边界重合（Diederichs，2014,2018）。在这种情况下观察到的失效机理是由于高强度引起的应力引起的动态破裂之一，失效的程度和强度由先前存在的不连续性和整个岩体--隧道系统在控制。
由于岩体破坏后的快速应变能量释放或由于相邻挖掘或主要岩体结构特征（例如，由于相邻挖掘引起的应变波的传播）可以触发大规模或高度互锁的岩体爆裂。隧道的地震活动主要由岩体本身产生，动态破裂事件发生在活动开挖面附近，包括裂缝岩石的屈曲或基于喷射。在图1中表示出了不同动态强度的应变爆发现象的一些示例。
半经验方法和数值模拟是评估此类现象的一些工具。在本文中，利用混合有限--离散元法（FDEM），以便通过使用软件包Irazu（Geomechanica Inc.，2017）更好地了解深硬岩基坑中应变爆裂事件期间发生的压裂机制。为了研究在高强度应力下硬岩体的脆性断裂，加拿大原子能有限公司（AECL）地下研究实验室（URL）的详细记录案例（Martin，1994; Martin等，1997; Chandler，2003）用于模型的初始校准。接下来，为了模拟大规模岩体（无裂缝）和两个高度互锁的岩体（两种不同的裂缝强度情况），开发了三种不同的模型几何形状，用于五种不同的地应力情景。
2. 应变爆裂力学
如前所述，对于与隧道施工相关的地下开挖，应变爆破现象的主要原因是岩体本身围绕开挖边界引起的地震活动。此外，远离活动面的应力变化和爆破操作可以产生结构地震活动性。然而，无论地下开口的尺寸和形状如何，在主动挖掘面附近或附近的应变爆裂事件是最常见的情况。
在表1中，根据加拿大岩爆支持手册（Kaiser等，1995）列出了各种机制和定性强度等级。然而，这些水平主要是为采矿作业开发的，因此根据采用的施工方法，挖掘尺寸和整体运行环境可能不适合挖掘隧道。在孤立的隧道场地中，通常观察到的主要行为类型是弹射膨胀，如表1所示。在这种情况下由正常静态支撑提供的限制可能足以在通过摩擦动作破裂期间协助能量耗散，破裂岩石可以在重力的影响下保持或分离。然而，支撑的失效可能导致过剩的能量没有消散并导致弹出的块。必须指出的是，由于重力作用而失效的岩石块不会产生与岩爆有很大不同的安全风险，无论是否跟随地震事件。如果预期事件的能量有限，则安装静态适当的支撑系统可以保持岩体的结构完整性。请注意，自表1发布以来，动态能量吸收支持已取得很多进展，因此能量限制低于当前标准。当在隧道附近可能发生更大的动态破裂时，可能需要具有增强的排量的支撑以增加安全性。
对于隧道中的应变岩爆，以下条件是必要的:
( 1）应力集中；
（2）限制减少；
（3）脆性压裂；
（4）储能；
（5）快速释放能量的机制；
（6）运动中的岩石体积（总能量）。
|
Damage mechanism |
Damage severity |
Cause of rockburst damage |
Thickness (m) |
Weight (kN/m2) |
Closure (mm)a |
ve (m/s)b |
Energy (kJ/m2) |
|
Bulking causing ejection |
Minor Moderate Major |
Highly stressed rock with significant stored strain energy |
lt;0.25 lt;0.75 lt;1.5 |
lt;7 lt;20 lt;50 |
50 150 300 |
1.5e3 1.5e3 1.5e3 |
Not critical 2e10 5e25 |
|
Ejection by remote seismic event |
Minor Moderate Major |
Seismic energy transfer to jointed or broken rock |
lt;0.25 lt;0.75 lt;1.5 |
lt;7 lt;20 lt;50 |
lt;150 lt;300 gt;300 |
gt;3 gt;3 gt;3 |
3e10 10e20 20e50 |
表一
图二
2.1应力集中
对于不在活动开挖面附近的隧道边界，根据方程式，应力集中在主应力（主要和次要）表示的最大壁应力（）。 对于平面内圆形截面：
隧道几何形状更复杂，导致更复杂的应力再分布，因此应力的局部增大和减小会影响地下洞口的稳定性（Zhang和Goh， 2015年）。场应力通常表示为上覆重量和横向压力系数K的函数，其与垂直和水平应力分量相关。侧向压力系数取决于地质场条件，通常在0.5，高松弛或伸展环境或斜坡通道的范围内，在近地表，无理环境中等于5或6，在构造上为1.5到2.5。然而，必须注意的是，对于硬岩条件，系数K仅用于方便，因为水平应力主要受构造力而不是上覆应力控制。另外，根据挖掘的几何特征，在方形开口的陡角处产生的高应力集中可能造成潜在的危险，其中存在垫层或持久连接并且与挖掘表面平行或略微倾斜。此外，主应力分量的方向可能导致在开挖面处的复杂应力集中，具有高的平面外并且沿着隧道对准应力沿着开口轮廓产生高应力区域，而面部的核心是放松，因此导致爆发潜力增加。
此外，由于在距隧道面的近距离处对比材料刚度，因此可以产生应力集中，因此产生增强的应力集中和局部能量释放。不易变形的较硬地层会吸引更多的应力。这些集中的应力导致材料超过其强度能力并过早失效。相反，与较硬单元相邻的较软，更具延展性的单元充当用于喷射的能量储存器。随着挖掘的进展，单位吸引更多的诱导应力，在其中累积更多的应力损伤并且爆裂的可能性增加。由于较硬的单元从更柔软且更具韧性的单元吸引更多的应力，因此在存储的应变能和随后的运动学方面产生更剧烈的动态破裂的条件，较软的岩石增加了失效后弹射的可能性。随着隧道挖掘在从较硬的岩石到较软的岩石的交替单元内的推进，面部或舷梯不稳定性的可能性随着面部和较软岩石之间的区域超载并可能弯曲而急剧增加。在这种情况下，并且取决于原位应力的大小，条件可能有利于岩爆。
|
Youngrsquo;s Modulus, E (GPa) |
Poissonrsquo;s ratio, n |
Unconfined compressive strength, UCS (MPa) |
Crack initiation stress, CI (MPa) |
Crack damage stress, CD (MPa) |
Tensile strength, st (MPa) |
Cohesion, c (MPa) |
Friction angle, 4 () |
|
69 5.8 |
0.22 0.04 |
213 20 |
90 |
172 |
9.3 1.3 |
30 |
59 |
表二
图三
2.2限制减少
硬岩基坑的反应和随后发生的脆性断裂对现有的约束条件非常敏感。由于平行于隧道表面产生的高幅度切向应力，在地下开口轮廓附近遇到的低限制环境促进并增强了脆性断裂。由于这些高强度的压缩应力，剧烈弯曲或突然的粗糙破裂和剪切的可能性增加，因此导致岩爆。与开挖表面平行的岩体结构的解除限制与增加的共面开挖引起的应力相结合可导致突然失效，因为少量的膨胀使小的互锁粗糙的影响无效。
此外，取决于挖掘几何形状，方形开口的平坦壁和陡角不允许最佳的应力重新分布。另外，不稳定块的移除和平滑的横截面轮廓的损失可导致动态破裂，特别是在具有普遍结构的岩体中。
2.3脆性压裂
拉伸损伤和约束减少的组合在应力引起的深部硬岩破坏中起重要作用。在开挖边界处和附近遇到的低约束应力下的拉伸断裂是由于超过由对约束相对不敏感的破坏引发机制控制的岩体强度以及在低约束应力下控制岩体响应的破裂传播机制而发生的（Diederichs，2003）。这导致微裂纹损伤累积，导致裂纹强度，这对于裂纹相互作用和聚结是至关重要的。这最终导致地下挖掘周围的岩体的剥落和/或板岩。虽然剥落不是爆裂，但是与隧道周围的主要主应力（切向应力）平行的伸展性裂缝可能产生屈曲或其他突然释放能量的可能性。在图2中，表示出了岩石质量强度包络的示意图和可以促进剥落和脆性压裂的条件。
2.4能源储备
岩体储存能量的能力与其强度和可变形性有关，简单的无侧限抗压强度（UCS）测试是最简单的储能指标。UCS与硬岩的抗拉强度之间的比率通常用于量化岩石的脆性并提供岩爆潜力的预测（Diederichs，2007）。岩石内的应力路径源于原地
全文共23614字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[1188]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
