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齐热哈塔尔水电站引水隧洞全长15.639km,最大埋深1720m,超过1000m埋深洞段3.3km,隧洞穿越地层以加里东中晚期侵入岩(γ32-3)为主,岩性为片麻状花岗岩。工程地处喀喇-昆仑山区,水平构造运动强烈,区内构造应力较高,位于本工程上游的下坂地水利枢纽工程和距本工程100km的布伦口-公格尔水电站工程的实测资料均表明该区赋存较高的水平地应力。岩石强度高、脆性特征明显,水平地应力高,岩体完整性好,地下水不发育,围岩类别以Ⅱ、Ⅲ类为主,勘探钻孔中存在饼状岩心,这些均说明本工程具备发生岩爆的基本条件。岩爆现场编录成果表明,本工程岩爆具有如下特点:岩爆形成受地形、构造影响明显,地应力场和岩体的宏观构造和微观结构决定了岩爆的形成机理;从岩爆的发生时间上来看,存在瞬时发生的即时型岩爆、同一区域多次发生的重发型岩爆和开挖结束后较长时间才发生的滞后型岩爆;岩爆破坏形式多样,体现在岩体破碎特征和破坏后洞壁形态等方面。岩石力学试验认为本工程岩体具备明显的“弹-脆-塑”性特征,不同加载方向与片麻理倾角的组合决定了岩样的破坏形式,不同的破坏形式对应不同的应力脆性跌落系数和岩爆倾向性特征。岩样破坏断口薄片电镜扫描(SEM)结果显示了岩样不同破坏模式的力学机理,表明剪断破坏是本工程岩爆形成的主要机理。以此为基础,结合岩石力学试验和实际测量成果,提出了本工程岩爆爆裂体是在超应力作用下,受岩体宏观、微观结构控制的碎裂化结构岩体,其结构形式决定于最大主应力、片麻理和临空面的三者组合关系,板裂化结构和以片麻理+破裂面形成的切割结构是本工程岩爆爆裂体两种结构形式,其破坏过程中的能量耗散与释放决定了岩爆的烈度特征;鳞片柱状变晶结构的微观构造使得爆裂体剥落后洞壁出现鳞片状的薄片岩石,不同的受力状态和破坏模式决定了岩爆区的持续鼓折和剥落破坏。 本研究以Hoek—Brown破坏准则(2002)为理论基础,应用Roclab1.0软件分析了深部岩体的强度特征,利用Examine2d软件分析了不同地形条件和应力状态下隧洞部位的应力集中特征,结果显示应力集中坑底指向与最大主应力方向近似垂直,表明岩爆爆裂体形成于压应力区,进一步证明岩爆爆裂体的破坏机理是以压剪破坏为主的。对比岩爆发生情况及烈度特征,对Russense判据、Barton判据和Hoek判据三个经典的应力强度比判据进行了修正,用修正后的三种判据综合预测岩爆发生烈度等级证明是适用的,同时提出了由岩爆部位洞壁的切向应力σθ和岩体强度σcm的比值来预测岩爆等级的方法。利用Griffith能量准则推导了考虑侧压系数的岩爆发生的临界埋深计算公式,这一公式适用于水平应力为主应力的区域内的岩爆预测。提出了以最大主应力σ1和岩体强度σcm的比值为基础,考虑影响岩爆发生特征的各种因素的综合预测方法,经验证具有较好的适用性。利用Examine2d软件计算不同桩号断面的应力集中范围,据此对岩爆发生位置进行预测。研究已建工程和本工程中已采用的防治措施,提出了系统的岩爆区的施工与防治措施。针对性的采取防护和治理措施,在工程中得到了有效的验证,并对局部防护措施失效现象进行了分析,提出了建议。总之,本研究以齐热哈塔尔水电站引水隧洞岩爆现象为对象,对其发生、发展过程进行现场编录,利用地应力实测资料、室内试验、围岩松动圈监测与测试等手段结合岩爆现场编录资料研究了本工程岩爆的破坏模式和形成机理,提出岩爆爆裂体的概念,并研究了爆裂体的形成与发展过程,解释了本工程岩爆的形成机理;同时结合前人研究成果,对岩爆预测方法进行了修正,并提出了适合本工程的岩爆综合预测方法。在研究其他工程岩爆防治措施和本工程已采用防治措施的基础上制定了本工程岩爆洞段施工预防和防护措施。