穿越富水断层带隧道爆破围岩突变失稳判据研究

doi:10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2022.05.0887

中国安全科学学报 ›› 2022, Vol. 32 ›› Issue (5): 104-111.doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2022.05.0887

穿越富水断层带隧道爆破围岩突变失稳判据研究

彭亚雄¹(), 刘广进¹, 黄智刚²^,³, 吕虎波⁴, 吴立²

¹ 湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室,湖南湘潭,411201
² 中国地质大学(武汉) 工程学院,湖北武汉 430074
³ 福州水务平潭引水开发有限公司, 福建福州 350001
⁴ 浙江省隧道工程集团有限公司,浙江杭州 3100303

收稿日期:2021-12-11 修回日期:2022-03-15 出版日期:2022-08-17 发布日期:2022-11-28
作者简介:
彭亚雄 (1990—),男,湖南宁乡人,博士,讲师,主要从事隧道与爆破工程等方面的研究。E-mail: 1020172@hnust.edu.cn。
黄智刚, 高级工程师
吴立, 教授
基金资助:
国家自然科学基金资助(41672260); 湖南省自然科学基金资助(2020JJ5163); 湖南省教育厅科学研究项目(19C0736); 湖南省教育厅科学研究项目(20C0815)

Study on catastrophe instability criterion of surrounding rock in tunnels blasting crossing water-rich fault zones

PENG Yaxiong¹(), LIU Guangjin¹, HUANG Zhigang²^,³, LYU Hubo⁴, WU Li²

¹ Hunan Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan Hunan 411201, China
² Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan Hubei 430074, China
³ Fuzhou Water Affairs Pintan Water Diversion Development Co., Ltd., Fuzhou Fujian 350001, China
⁴ Zhejiang Tunnel Engineering Group Co., Ltd., Hangzhou Zhejiang 310005, China

Received:2021-12-11 Revised:2022-03-15 Online:2022-08-17 Published:2022-11-28

摘要/Abstract

摘要：

为解决穿越富水断层带隧道爆破失稳问题,基于爆破作用下隧道-断层系统失稳的力学模型,考虑爆破与地下水共同作用影响,建立穿越富水断层带隧道失稳的尖点突变模型,揭示隧道-断层系统围岩失稳机制,形成围岩失稳判据,并以福建平潭及闽江口水资源配置为例,评价穿越富水断层带隧道围岩的稳定性。结果表明:穿越富水断层带隧道围岩失稳是系统内部与外部因素共同作用的结果;在长期水岩作用与累积爆破作用下,富水断层带中围岩力学性质不断弱化,突变判据k值不断降低,导致围岩失稳破坏的可能性提高;利用失稳判据获得的失稳风险评价结果与现场工况一致。

关键词: 富水断层带, 隧道爆破, 失稳判据, 地下水, 尖点突变模型

Abstract:

In order to solve instability problems of tunnels blasting through rich water fault zones, based on instability mechanical model of tunnel-fault system under blasting, a cusp catastrophic model was established considering the combined effects of blasting and groundwater. Instability mechanism of surrounding rock under tunnel-fault system was revealed, and its instability criterion was developed. Then, with resource allocation project of Pingtan and Minjiangkou in Fujian as an example, rock stability of tunnels crossing water-rich fault zones was evaluated. The results show that the instability of surrounding rock is a result of internal and external factors. Due to long-term water-rock interaction and cumulative blasting, mechanical properties of surrounding rock in water-rich fault zones are constantly weakened, and catastrophe criterion, k value, is constantly reduced, which probably leads to instability and failure of the rock. The results of instability risk evaluation based on the criterion are consistent with field conditions.

Key words: water-rich fault zone, tunnel blasting, instability criterion, underground water, cusp catastrophe model

彭亚雄, 刘广进, 黄智刚, 吕虎波, 吴立. 穿越富水断层带隧道爆破围岩突变失稳判据研究[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(5): 104-111.

PENG Yaxiong, LIU Guangjin, HUANG Zhigang, LYU Hubo, WU Li. Study on catastrophe instability criterion of surrounding rock in tunnels blasting crossing water-rich fault zones[J]. China Safety Science Journal, 2022, 32(5): 104-111.

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参考文献 16

[1]	陈明, 卢文波, 严鹏, 等. 爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动机制[J]. 岩土力学, 2014, 35(6): 1555-1560.
	CHEN Ming, LU Wenbo, YAN Peng, et al. Disturbance mechanism of blasting excavation to aquiferous rock crack propagation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(6): 1555-1560.
[2]	左清军, 吴立, 林存友, 等. 富水软岩隧道跨越断层段塌方机制分析及处治措施[J]. 岩石力学与工程学报, 2016, 35(2): 369-377.
	ZUO Qingjun, WU Li, LIN Cunyou, et al. Collapse mechanism and treatment measures for tunnel in water-rich soft rock crossing fault[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(2): 369-377.
[3]	KIANI M, AKHLAGHI T, GHALANDARZADEH A. Experimental modeling of segmental shallow tunnels in alluvial affected by normal faults[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2016, 51: 108-119. doi: 10.1016/j.tust.2015.10.005
[4]	吕国鹏, 周传波. 隧道断层带注浆加固围岩体爆破动力损伤特征[J]. 岩石力学与工程学报, 2021, 40(10): 2038-2047.
	LYU Guopeng, ZHOU Chuanbo. Damage characteristics of tunnel grouting rock mass induced to blasting in fault zones[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2021, 40(10): 2038-2047.
[5]	祁彬溪, 王凡, 陈捷翎. 粘滑断层错动作用下穿越断层隧道结构响应数值模拟[J]. 建筑结构, 2020, 50(增2): 753-758.
	QI Binxi, WANG Fan, CHEN Jieling. Numerical simulation on structural response of tunnel passing through fault under the action of stick slip fault dislocation[J]. Building Structure, 2020, 50(S2): 753-758.
[6]	张向阳, 任尚磊, 许林峰. 断层错动作用下隧道衬砌围岩破坏机理研究[J]. 地下空间与工程学报, 2021, 17(1): 290-299.
	ZHANG Xiangyang, REN Shanglei, XU Linfeng. Study on coupled failure mechanism of tunnel structural surrounding rock under fault motion[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2021, 17(1): 290-299.
[7]	宋瑞刚, 张顶立, 文明. 穿越断层破碎带深埋隧道围岩失稳的突变理论分析[J]. 土木工程学报, 2015, 48(增1): 289-292.
	SONG Ruigang, ZHANG Dingli, WEN Ming. The cusp catastrophe theory analysis for instability of deep-buried tunnels surrounding rock through fault fracture zone[J]. China Civil Engineering Journal, 2015, 48(S1): 289-292.
[8]	PENG Yaxiong, WU Li, CHEN Chunhui, et al. Stability analysis of surrounding rock in tunnel crossing water-rich fault based on catastrophe theory[J]. Geotechnical and Geology Engineering, 2020, 38(1):415-423.
[9]	王家臣, 孙书伟. 露天矿边坡工程[M]. 北京: 科学出版社, 2016: 26-29.
[10]	殷有泉, 杜静. 地震过程的燕尾型突变模型[J]. 地震学报, 1994, 16(4): 416-422.
	YIN Youquan, DU Jing. A swallowtail catastrophe model of seismic process[J]. Acta Seismologica Sinica, 1994, 16(4): 416-422.
[11]	朱传云, 喻胜春. 爆破引起岩体损伤的判别方法研究[J]. 工程爆破, 2001, 4(1): 12-16.
	ZHU Chuanyun, YU Shengchun. Research on the discrimination method of rock mass damage caused by blasting[J]. Engineering Blasting, 2001, 4(1): 12-16.
[12]	王智德, 马祖遥. 爆破荷载作用下顺层岩质边坡的损伤特性研究[J]. 中国安全科学学报, 2018, 28(11): 72-79. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2018.11.012
	WANG Zhide, MA Zuyao. Damage characteristics of bedding rock slope under blasting load[J]. China Safety Science Journal, 2018, 28(11): 72-79. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2018.11.012
[13]	周子涵, 陈忠辉, 包敏, 等. 顺倾断续节理岩质边坡的稳定性突变[J]. 煤炭学报, 2020, 45(增1): 161-172.
	ZHOU Zihan, CHEN Zhonghui, BAO Min, et al. Stability of rock slope with bedding intermittent joints based on catastrophe theory[J]. Journal of China Coal Society, 2020, 45(S1): 161-172.
[14]	夏开宗, 刘秀敏, 陈从新, 等. 考虑突变理论的顺层岩质边坡失稳研究[J]. 岩土力学, 2015, 36(2): 477-486.
	XIA Kaizong, LIU Xiumin, CHEN Congxin, et al. Analysis of mechanism of bedding rock slope instability with catastrophe theory[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(2): 477-486.
[15]	刘波, 肖红飞. 隧道下伏溶洞顶板安全厚度确定方法[J]. 中国安全科学学报, 2019, 29(4): 104-111. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2019.04.017
	LIU Bo, XIAO Hongfei. Method for determining safe thickness of cave roofs under a tunnel[J]. China Safety Science Journal, 2019, 29(4): 104-111. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2019.04.017
[16]	秦四清, 王思敬, 孙强, 等. 非线性岩土力学基础[M]. 北京: 地质出版社, 2008: 37-38.

断层带编号	里程	围岩容重γ/ (kN·m^-3)	G_e/GPa	G_s/GPa	m	l_e/l_s	ω_e/%	ω_s/%	d/m	θ/(°)
F32	D12+199~D12+211	19.4	2.14	2.01	1.2	0.3	22.8	23.8	12	65
F55	D3+845~D3+863	19.8	2.25	1.98	1.2	0.2	24.4	26.9	18	76

炮孔类型	孔数	孔深/m	药量/kg	起爆段别
掏槽孔	4	2.3	7.2	1
辅助孔	54	2.1	75.6	3、5、7、9
底孔	9	2.1	10.8	13
光爆孔	19	2.1	11.4	11

断层带编号	孔深/m	累积爆破次数
断层带编号	孔深/m	0	5	10	15
F32	3.0	3 380	3 231	3 061	2 844
	4.0	3 510	3 366	3 200	2 988
	5.0	3 613	3 469	3 304	3 105
D	—	0	0.082	0.171	0.276
断层带编号	孔深/m	累积爆破次数
断层带编号	孔深/m	F55	3.0	3 588	3 407	3 204	2 947
4.0	3 660		3 486	3 291	3 045
5.0	3 801		3 627	3 434	3 202
D	—	0	0.094	0.193	0.308

穿越富水断层带隧道爆破围岩突变失稳判据研究

Study on catastrophe instability criterion of surrounding rock in tunnels blasting crossing water-rich fault zones

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[1]	付晓强, 俞缙. 隧道爆破信号交叉项抑制及雷管延期时间研究^*[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(12): 53-61.
[2]	冯阵图, 李达. 砂卵石深基坑支护嵌入比安全优化研究[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(1): 125-131.
[3]	陈文涛, 杨志全, 朱颖彦, 张智伟, 张杰, 罗志刚. 阿塔巴德滑坡形成条件与诱发机制分析[J]. 中国安全科学学报, 2020, 30(11): 148-155.
[4]	李玉飞, 叶义成, 刘晓云, 胡南燕, 罗斌玉, 元宙昊. 机械施工荷载作用下采空区顶板稳定性研究[J]. 中国安全科学学报, 2017, 27(7): 133-138.
[5]	吕鹏飞, 陈学华. 煤岩“震-冲”动力系统冲击失稳致灾机制研究[J]. 中国安全科学学报, 2017, 27(4): 145-150.
[6]	陈学华, 吕鹏飞, 宋卫华. 高位硬岩运动诱导矿震活动规律与传播响应特征[J]. 中国安全科学学报, 2017, 27(3): 71-76.
[7]	陈伟珂，张铮燕，龙昭琴. 基于尖点突变模型的地铁深基坑土压力预警阈值研究[J]. 中国安全科学学报, 2012, 22(4): 157-.
[8]	贾楠，罗周全，张旭芳，谢承煜. 地下水害防治水位动态监测孔网数值优化[J]. 中国安全科学学报, 2012, 22(10): 24-.
[9]	张钦礼，曹小刚，王艳利，刘洪强. 基于尖点突变模型的采场顶板-矿柱稳定性分析[J]. 中国安全科学学报, 2011, 21(10): 52-.
[10]	赫英臣，龚斌，郝爱民，李楠. 矿区浅层地下水污染机理探讨[J]. 中国安全科学学报, 2007, 17(5): 5-.
[11]	温国明，李翔，马红霞，刘秀玲. 洛阳市饮用水源地水质安全研究[J]. 中国安全科学学报, 2007, 17(3): 15-.
[12]	李胜勇，韩华. 建筑抗浮设计水位取值方法--以北京市某工程为例[J]. 中国安全科学学报, 2005, 15(7): 58-.
[13]	王勐，许兆义，王连俊，李治国. 圆梁山毛坝向斜段隧道涌突水灾害及对地下水的影响[J]. 中国安全科学学报, 2004, 14(5): 6-.
[14]	王凯，位爱竹，陈彦飞，俞启香. 煤层底板突水的突变理论预测方法及其应用[J]. 中国安全科学学报, 2004, 14(1): 11-.
[15]	奚成刚，陈家军，许兆义. 油田开发过程中事故环境风险评价[J]. 中国安全科学学报, 2002, 12(3): 35-.