层状岩体隧洞开挖岩爆机理数值研究

"该研究为2011年的自然科学论文，主要探讨了在不同层状结构岩体中隧洞开挖引发岩爆的机理。通过建立完整岩体、水平层状岩体和急倾斜层状岩体的数值模型，利用RFPA2D软件进行了数值试验，以分析岩爆孕育过程及微破裂前兆规律。研究表明，结构面对围岩的破坏模式有显著影响，导致不同的破坏状态。水平层状岩体中岩爆破坏最严重，其次是倾斜层状岩体，而完整岩体中相对较弱。此外，破坏模式在不同岩体中有不同表现，水平层状岩体和完整岩体呈现对称性，倾斜层状岩体则显示非对称特征。岩体破坏过程显示出强烈的脆性特征，伴有沿卸荷方向的扩容破坏和洞壁膨胀，导致洞室断面收缩。" 这篇论文详细探讨了岩爆这一地质灾害在隧道工程中的触发机制，特别是在不同层状岩体条件下的特点。岩爆是指在地下开挖过程中，由于应力重分布和岩石内部能量积累到一定程度，导致岩石突然快速破裂并释放能量的现象，可能对施工安全造成严重影响。论文采用数值模拟方法，通过RFPA2D（岩体断裂力学有限元程序）进行仿真研究，这是一种广泛应用的分析岩体破坏和稳定性问题的工具。 研究首先建立了三种类型的岩体模型，包括代表性的完整岩体、水平层状岩体和急倾斜层状岩体。通过模拟隧道开挖过程，分析了岩体结构面对其稳定性的影响。结果表明，结构面的性质和排列方式对岩爆的发生和破坏模式起着决定性作用。例如，水平层状岩体由于其层理特性，更容易产生强烈的岩爆现象，而倾斜层状岩体则表现出不同程度的岩爆和非对称破坏。 此外，研究还揭示了岩体破坏的脆性特征，当岩体受到卸载压力时，会沿着特定方向发生扩容破坏，这可能导致隧道周围岩石的侧向膨胀，进而使洞室断面变小。这种现象对于设计安全的隧道支护方案至关重要，因为理解这些动态过程可以帮助预测和预防岩爆的发生，确保地下工程的安全。 该研究提供了深入理解岩爆机制的见解，有助于在实际工程中采取有效的预防措施，如合理设计开挖顺序、选择适当的支护材料和方法，以降低岩爆风险。此外，这些发现也为未来更复杂的地质环境下的隧道工程研究奠定了理论基础。