摘 要

在深埋地下洞室的爆破开挖的过程中，有可能会出现各种地质灾害。这些灾害一旦发生，会造成大量的经济损失和人员伤亡。为了在施工中防止此类灾害的发生，有必要对爆破诱发灾变的机理进行研究。本文以白鹤滩水电站地下厂房扩挖为背景，通过LS-DYNA动力有限元软件，研究了不同爆破参数下围岩的振动特性，通过对比分析发现围岩的振动强度与炮孔直径呈负相关，与炸药直径呈正相关，并且耦合装药会大幅提高围岩的振动强度；研究了爆破开挖过程中的瞬态卸荷现象，发现卸荷时间越短，围岩损伤越严重，并且瞬态卸荷是诱发灾变的主要原因。主要内容有：

1. 介绍了动力有限元计算方法和原理、流固耦合算法、子模型技术，为数值计算提供了理论基础。
2. 描述了白鹤滩水电站工程的工程背景和地质条件，介绍了白鹤滩水电站地下厂房爆破振动试验的基本情况，对试验结果进行了整理分析，得出了爆破振动速度的规律曲线。
3. 利用LS-DYNA建立了不同工况下的炮孔模型，得到了爆炸荷载强度与炮孔直径和炸药直径之间的关系。
4. 根据不同工况下炮孔模型的计算结果，对厂房模型进行了加载计算，得到了不同爆破参数下围岩的振动速度曲线，并对计算结果进行了回归分析，得到了不同工况下厂房围岩振动速度的规律曲线。
5. 用应力释放法对洞室模型进行了计算，模拟开挖过程中的瞬态卸荷现象，得到了由瞬态卸荷造成的振动速度曲线和损伤云图。

关键词：深埋地下洞室，爆破振动速度，数值模拟，瞬态卸荷，灾变

Abstract

In the process of blasting excavation of deep underground caverns, there may be various geological disasters. Once these disasters occur, they will cause tremendous economic losses and casualties. To prevent such disasters in construction, it is necessary to study the mechanism of blasting induced disasters. Based on the excavation of the underground powerhouse of Baihetan Hydropower Station, this paper studies the vibration characteristics of the surrounding rock under different blasting parameters by LS-DYNA dynamic finite element software. Through comparative analysis, it is found that the vibration strength of the surrounding rock is negatively related to the diameter of the blast hole, positively related to the diameter of the explosive, and the coupling charge will greatly improve the vibration strength of the surrounding rock. The transient unloading in the process of blasting excavation is studied. It is found that the shorter the unloading time is, the more serious the damage of surrounding rock is and transient unloading is the main factor that contributes to rockburst disaster.The main contents are as follows:

1. The dynamic finite element method and principle, fluid structure coupling algorithm and sub model technology are introduced, which provide theoretical basis for numerical calculation.
2. This paper describes the engineering background and geological conditions of Baihetan Hydropower Station, introduces the basic situation of blasting vibration test of the underground powerhouse of Baihetan Hydropower Station, sorts out and analyzes the test results, and obtains the regular curve of blasting vibration speed.
3. The model of blasthole under different working conditions is established via LS-DYNA, and the relationship between explosion load intensity and blasthole diameter and explosive diameter is obtained.
4. According to the calculation results of the blasthole model under different working conditions, the load calculation of the plant model is carried out, and the vibration velocity curve of the surrounding rock under different blasting parameters is obtained, and the regression analysis of the calculation results is carried out, and the law curve of the vibration velocity of the surrounding rock of the plant under different working conditions is obtained.
5. In this paper, the stress release method is used to calculate the tunnel model, and the transient unloading phenomenon in the excavation process is simulated. The vibration velocity curve and damage nephogram caused by the transient unloading are obtained.

Key words: deep underground cavern, blasting vibration speed, numerical simulation, transient unloading, catastrophe

目 录

中文摘要 3

Abstract 4

第一章 绪论 8

1.1 研究背景及意义 8

1.2 国内外的研究现状 9

1.2.1地下工程地质灾害防治研究 9

1.2.2爆破振动效应与围岩稳定性研究 9

1.2.3地下洞室爆破开挖瞬态卸荷现象研究 10

1.3 本文的研究内容与方法 11

第二章 白鹤滩水电站地下洞室开挖爆破振动试验 12

2.1 工程概况 12

2.1.1工程简介 12

2.1.2工程地质条件 12

2.1.3地下洞室开挖方案 13

2.2 爆破振动试验 14

2.2.1爆破方案 14

2.2.2测试系统 15

2.2.3测点布置 15

2.3 试验结果汇总与分析 16

2.3.1试验结果汇总 16

2.3.2振动速度回归分析 18

2.6 本章小结 19

第三章 单个炮孔爆破的数值模拟 20

3.1 概述 20

3.2 动力有限元数值计算方法 20

3.3 动力有限元计算软件 21

3.4 爆炸荷载的处理方法 21

3.5 炮孔单元模型 22

3.5.1计算模型尺寸 22

3.5.2边界条件 24

3.6 材料模型及状态方程 24

3.6.1岩石材料模型及其参数 24

3.6.2炸药的材料模型及其状态方程 26

3.6.3空气材料模型及状态方程 26

3.7 数值模拟的结果及分析 27

3.7.1荷载时间曲线分析 27

3.7.2应力云图分析 28

3.8 不同工况下的数值模拟 32

3.8.1参数变量的选取与工况设计 32

3.8.2数值模拟结果对比分析 32

3.9 本章小结 34

第四章 深埋地下洞室开挖爆破诱发灾变机理研究 35

4.1 概述 35

4.2 爆炸荷载的施加 35

4.2.1子模型技术介绍 35

4.2.2模型加载顺序 35

4.3 白鹤滩水电站地下厂房爆破开挖计算模型 36

4.2.1厂房模型尺寸 36

4.2.2开挖区模型尺寸及炮孔布置 38

4.2.2边界条件 40

4.4 材料模型参数选取 41

4.5 数值模拟的结果及对比分析 41

4.5.1开挖区模型计算结果 41

4.5.2厂房模型计算结果 41

4.5.3模拟结果与监测数据的对比分析 45

4.6 不同工况下洞室围岩的振动特性 46

4.6.1不同工况下开挖区模型计算结果 46

4.6.2不同工况下厂房模型的计算结果 51

4.6.3计算结果分析 52

4.7 本章小结 67

第五章 爆破开挖中瞬态卸荷诱发灾变机理研究 68

5.1 概述 68

5.2 瞬态卸荷的作用过程 68

5.2.1地应力卸荷力学模型 68

5.2.2地应力卸荷作用规律 69

5.3 计算方法与计算过程 69

5.3.1应力释放法 69

5.3.2计算过程 70

5.4 模型的建立与材料参数选取 70

5.5 工况设计 70

5.5.1地应力与卸荷时间的选取 70

5.5.2边界条件设置 70

5.6 计算结果与分析 71

5.6.1开挖前模型计算结果 71

5.6.2开挖后模型计算结果 72

5.7 本章小结 77

第六章 结论与展望 78

6.1 结论 78

6.2 展望 78

致谢 79

参考文献 80

1. 绪论
   1. 研究背景及意义

水电是各国社会经济发展过程中重要的动力来源之一，与其相关的开发建设工程已经成为了各国经济建设的重要环节。我国幅员辽阔，水能资源十分丰富，其中以西南地区水力资源最为集中。自上世纪中叶起，我国就开始了水电站地下厂房的建设历程。近年来，随着经济建设的腾飞，我国对于能源方面的需求不断加大。只有解决能源问题，经济社会的发展才能持续，因此我国投入了大量资源到水电站的建设当中。据统计，我国至2015年底已经建成超过120座地下水电站，建设规模位居世界前列。

由于受到地形条件的限制，水电站的开发建设大多需要在岸边的地下空间内进行。自二十一世纪以来，随着地下施工技术的发展以及工程规模的扩大，地下厂房的埋深呈现出越来越大的趋势。我国水电站地下洞室群大多集中在水力资源丰富的西南地区，这些区域地质条件十分复杂，在施工过程中时常会出现一些地质灾害，其中包括我们熟知的涌突水、塌方、岩爆等。涌突水是在地下工程施工中最常遇的一种地质灾害，危害性极大。涌突水一旦发生，不仅会使施工进度减慢增大建设成本，还有可能引起地面塌陷，造成人员伤亡。在渝怀线圆梁山隧道的施工过程中，发生了多达几十次的涌突水，造成了九人死亡的严重后果。塌方是由多重因素引起的洞室周围围岩失稳的现象。塌方的出现会给施工带来极大的困难同时还会造成经济损失和人员伤亡。大岗山水电站地下厂房在进行第一层开挖的过程中，主厂房的顶部发生了严重塌方。在处理塌方段时，花费了大量时间进行加固支护，由此使得工期延误。在地下厂房的施工过程中，如果工程所处地区地应力水平较高并且岩石性质较脆，爆破开挖有可能会扰动原岩，会导致岩体内储存的能量释放，发生脆性破坏，这种现象称为岩爆。岩爆不仅会使施工设备损坏，还会直接威胁到施工人员的生命安全。位于四川省的瀑布沟水电站，所处地区地质条件复杂，地应力水平较高，在施工过程中岩爆现象屡次发生，造成了大量经济财产损失。

为了保障施工人员的生命安全，减少经济财产损失，有必要对地下厂房施工过程中的灾变机理进行研究。本文主要针对塌方灾害进行研究。自然因素和人为因素都有可能会引发洞室塌方，其中人为因素占主导作用。首先，爆破开挖时，地震冲击波会使得围岩振动。如果爆炸荷载过大，围岩振动速度超过安全限值，那么就有可能会引发塌方。其次，爆破开挖时产生的瞬态卸荷现象会改变围岩的应力状态，当工程所在地区地应力水平较高时，卸荷有可能造成围岩失稳，最终引起塌方。目前，爆破开挖诱发塌方灾变的机理尚未被完全揭示，本文将以白鹤滩水电站地下厂房扩挖为背景，从爆破振动和瞬态卸荷两个方面开展研究。

• 1. 国内外的研究现状

1.2.1地下工程地质灾害防治研究