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深部地下空间的进一步开发和利用已经成为岩土工程发展的趋势,随着埋深或应力水平的增高,深埋硬岩隧洞开挖时的围岩破坏问题日显突出,施工人员及设备的安全将面临巨大威胁,并可能导致工期的严重延误。高应力背景下深埋隧洞围岩破坏特征与规律,已成为深部岩体力学研究中的一项重大课题。因此,开展深埋隧洞围岩破裂原位声发射监测方法研究,揭示围岩破裂特征与规律,具有重大的工程及科研意义。 本文依托中国锦屏地下实验室二期工程为背景,基于声发射技术,在9-1#和9-2#实验室中进行原位监测试验,针对隧洞建设过程中现场施工特点,提出岩石破裂声发射传感器优化布置原则,建立原位声发射监测数据分层筛选处理方法,在此基础上,对硬岩深埋隧洞开挖过程中围岩破坏特征与规律进行了研究,获得的研究成果和主要结论如下: (1)建立适宜的声发射传感器布置方法以尽可能的记录隧洞开挖时岩体破裂所发出的弹性波,是基于声发射技术揭示围岩破裂特征与规律的前提。针对锦屏地下实验室钻爆法施工、多洞室错落布置等工况特点,建立了整体协同、全局最优、重点关注的声发射传感器优化布置原则,并据此设计了9-1#和9-2#实验室原位声发射监测试验方案。 (2)针对原位声发射监测试验中噪音源多样性、不稳定性等特点,提出了高效处理原位声发射监测信号的数据分层筛选处理方法。通过现场实地观察与测试试验,基于快速傅里叶变换方法,分析了典型声发射源的频域特征,建立原位声发射监测信号样本库,研究噪音信号产生过程的时序分布特征,确定了时序滤波阈值。基于人工神经网络方法,建立多指标神经网络滤波模型。结合最小二乘法的Geiger优化迭代定位算法,形成了系统的原位声发射监测试验数据处理方法。通过应用实践验证了所建立的原位声发射监测试验数据处理方法的实用性及有效性。 (3)基于爆破开挖后围岩声发射活动特征,对深埋隧洞围岩稳定恢复时间进行了研究。9-1#实验室掌子面附近围岩恢复稳定状态至少需要2h,其他区域围岩在1h内可以恢复平静。受洞室形状和断层构造等因素影响,9-2#实验室内,掌子面附近围岩恢复至稳定的时间在4h以上,其他洞段需要2h围岩才能达到稳定状态。掌子面附近区域,围岩破裂活动相对更加剧烈。 (4)基于对典型洞段进行的隧洞开挖围岩损伤破裂断面分布特征研究,推断了开挖卸荷和断裂构造影响下应力方向的调整变化规律。9-1#实验室开挖前期应力方向呈现不规律性,经过逐步调整,稳定在北侧拱肩至南侧拱脚方向。9-2#实验室应力方向主要是沿着南侧拱肩至北侧拱脚方向。断层构造影响了隧洞开挖过程卸荷作用引起的围岩内部应力调整的方向和程度,并造成了断层附近洞室围岩应力方向发生了偏转。 (5)综合分析了深埋隧洞围岩破裂特征时空演化规律,研究开挖卸荷影响下围岩破裂范围和时间,通过对比研究,探讨了断层构造对卸荷作用的影响。9-1#实验室围岩破裂主要发生掌子面前3m至后7m的范围内,开挖完成5天之后,几乎不再受开挖卸荷作用影响,距离边墙约3m以内的区域,围岩破裂比较严重,以1.5m处破裂最为严重。断层构造扩大了9-2#实验室中开挖卸荷作用的影响范围,加剧了洞室围岩破裂活动,使得卸荷作用的影响在滞后掌子面约3天时达到最强,并一直持续到洞室开挖完成。卸荷作用和断层构造共同影响下,9-2#实验室围岩破裂沿着断层的走向呈条带状逐渐发展,形成了超过7m的围岩损伤区。