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深埋高地应力条件下,硬脆性岩体开挖卸荷形成的岩爆灾害逐步成为制约深部工程安全建设的瓶颈。岩爆灾害下科学的支护控制体系的设计对于保障施工人员和设备的安全意义重大。本文以锦屏二级水电站深埋隧洞发生频率最高的板裂屈曲岩爆为研究对象,针对此类岩爆支护控制机制与理念不清、优化设计困难等问题,以室内试验和理论分析为主要研究手段,开展了不同锚固型式锚杆锚固止裂效应、板裂屈曲岩爆模拟试验及简支板模型分析、预应力锚杆对板裂化控制机制、板裂屈曲岩爆支护控制优化等内容的研究。 论文研究工作主要集中在以下几个方面: (1)以含不同倾角预制裂隙石膏试样为对象,通过施加预应力(不同预应力条件下)及全长粘结式锚杆研究了2种锚固型式锚杆的锚固止裂效应(加锚试样主要力学参数变化规律、裂纹扩展特征、锚杆轴力变化规律);应用断裂力学相关理论,理论分析了2种锚固型式加锚试样锚固止裂机制。 (2)结合深埋隧洞典型岩爆案例分析板裂屈曲岩爆发生机制,在上述岩爆机制分析基础上,配制满足板裂化围岩结构特征的模型试样,考虑板裂化围岩结构受力特征,进行板裂屈曲岩爆室内模拟试验,结果表明模拟试验合理反映了岩板屈曲失稳破坏过程,该试验方法为此类岩爆的室内模拟提供了新的思路。结合岩爆机制的分析及模拟试验的认识,建立符合岩板受力特征的简支板模型,分别考虑岩板轴心受压和偏心受压两种工况,分析了岩板失稳破坏时弹性应变能及岩块弹射速度与长厚比、偏心距、弹性模量等的关系,计算结果为此类岩爆的风险评估及支护设计提供了依据。 (3)在板裂屈曲岩爆模拟试验研究的基础上,采用2种不同的预应力锚杆施加方案(板裂区域边界及内部),通过加锚试样主要力学参数及破坏模式变化的对比并结合支护围压影响下的简支板模型分析了预应力锚杆对板裂化破坏的控制机制。 (4)基于板裂屈曲岩爆孕育演化过程的分析,提出了板裂屈曲岩爆防治支护(以抑制板裂化围岩结构形成、降低岩爆发生概率为目的)与防护支护(以吸收岩块冲击动能、降低岩爆烈度为目的)相结合的支护控制理念。分析了岩爆灾害下不同支护结构工作机制与锚固特性,提出了建立以预应力锚杆为主要支护结构的岩爆防治支护体系和以吸能锚杆为主要支护结构的岩爆防护支护体系。基于能量平衡原理,给出了吸能锚杆布设密度理论计算式。提出了预应力锚杆支护效果优化的技术措施,设计了一种能够满足高预应力施加、适应围岩变形能力强的新型预应力锚杆,开展了其锚固特性的室内及现场拉拔试验。