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摘要:為了研究地下洞室邊墻圍巖變形突變的產(chǎn)生機制，建立了邊墻圍巖嵌入塊體的模型，從理論上分析了塊體受到爆破擾動時產(chǎn)生滑移的機理，并采用LS-DYNA數(shù)值軟件，計算了不同地應力下爆破開挖引起的塊體的水平位移，認為爆破擾動誘發(fā)超低摩擦效應導致塊體產(chǎn)生殘余位移是引發(fā)變形突變的原因之一。研究結(jié)果表明：當側(cè)壓力系數(shù)相同時，隨著水平地應力的增加，近區(qū)和遠區(qū)爆破擾動所誘發(fā)的塊體相對位移均呈現(xiàn)拋物線狀增加，遠區(qū)的爆破擾動誘發(fā)的塊體位移平均可達到近區(qū)的60%左右。此外，研究了嵌入在邊墻圍巖內(nèi)的兩個塊體在爆破擾動下的動力響應，發(fā)現(xiàn)爆破產(chǎn)生的能量主要被靠近臨空面一側(cè)的塊體吸收消耗。

關鍵詞:塊體,地應力,爆破開挖,超低摩擦效應,變形突變

近年來，大規(guī)模的水電工程陸續(xù)修建，其中主要分布在西南地區(qū)的高山峽谷地帶。受地形地質(zhì)條件的限制，許多水電站采用了地下廠房的設計。這些處于較高地應力條件下的洞室在開挖過程中往往會誘發(fā)一系列的變形穩(wěn)定問題，如突發(fā)大變形、巖爆等。

大量地下廠房的施工期安全監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，高地應力條件下，在爆破開挖的過程中，多點位移計的監(jiān)測數(shù)據(jù)往往會呈現(xiàn)出一種階梯式的突變，如表1所示。不難發(fā)現(xiàn)，地下廠房所在區(qū)域的地下巖體在結(jié)構(gòu)面的影響下多以塊狀、層狀等結(jié)構(gòu)體的形式存在。在爆破開挖過程中，應力波在結(jié)構(gòu)面上進行能量的累積和傳遞。在循環(huán)加卸載循環(huán)中，一部分不可逆的變形能會積聚在巖體內(nèi)。

微小的擾動會使巖體產(chǎn)生變形，這種變形可能是引發(fā)位移變形突變的動力性質(zhì)[1]。同時，如果這種擾動的能量達到一定的水平，塊系巖體的界面性狀和應力狀態(tài)將發(fā)生改變，導致塊體接觸面間的動摩擦系數(shù)大大降低，引起塊體產(chǎn)生滑移，即超低摩擦效應.

近年來，深部巖體的超低摩擦現(xiàn)象引起了國內(nèi)外巖石力學領域?qū)＜覍W者的關注。Kurlenya在對深部塊系巖體動力傳播研究中發(fā)現(xiàn)了超低摩擦現(xiàn)象[2]，錢七虎和王明洋等研制出可進行動力和靜力研究的多功能實驗裝置[3，4]，并進行了沖擊荷載下超低摩擦效應實驗。吳昊研究了超低摩擦現(xiàn)象產(chǎn)生的內(nèi)在機理[5]。潘一山等等研究了塊系巖體的超低摩擦效應發(fā)生的規(guī)律，分析了巖塊尺度、巖體特性和外界擾動等對超低摩擦的影響[6，7]。王來貴采用數(shù)值模擬研究了地震作用下含有結(jié)構(gòu)面的邊坡的超低摩擦效應和啟滑機制[8]。根據(jù)深部地下洞室所處的巖體結(jié)構(gòu)特征，從超低摩擦效應的角度入手，結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬，對不同地應力條件下洞室圍巖的變形突變機制進行了探討。

1理論分析

變形突變現(xiàn)象大多伴隨洞室爆破開挖產(chǎn)生，在分部開挖中的各個階段都有可能出現(xiàn)，受施工的影響程度較大。如錦屏水電站地下廠房在分層開挖過程中，通過多點位移計的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)洞室圍巖出現(xiàn)了位移突變的現(xiàn)象，尤其是在第四層的開挖初始階段，出現(xiàn)了明顯的突變現(xiàn)象[16]，給工程安全施工帶來了極大的隱患，因此在地下洞室爆破開挖過程中需要對圍巖變形的產(chǎn)生機理進行深入研究。

地下工程中的巖體，可以看作是具有不同尺寸等級塊系巖體的組合。李杰在研究微擾動誘發(fā)的滑移型巖爆時，假定地下坑道圍巖中存在一錐形關鍵塊體，提出了圖1所示的簡化模型，分析了巖塊在微擾動下狀態(tài)的改變，并給出了巖塊失穩(wěn)所應當滿足的條件[17]

以克服界面對運動的阻力時，巖塊將失穩(wěn)。