钻爆法在目前乃至将来很长一段时间仍将是隧道开挖的主要施工方法,在富含地下水地区采用钻爆法开挖板岩隧道时,爆破与地下水协同作用于隧道围岩,易发生围岩稳定性问题甚至引发重大工程事故。板岩在我国湘、贵、云地区分布广泛,是一种细粒状鳞片变晶结构、岩性较致密、通常具有密集板状劈理(简称板理)的岩石,成分以绢云母、石英、绿泥石、绿帘石、伊利石等黏土矿物为主,特殊的成分及构造使得板岩的胶结结构在地下水作用下逐渐变得松散,体积不断膨胀,强度与力学性质遭到显著劣化。在干燥环境下,爆破对板岩隧道围岩产生的作用主要是使岩体发生损伤、劣化、开裂。但是,当地下水丰富时,长期累积爆破产生的爆炸应力波和爆生气体与地下水发生协同作用,共同劣化隧道围岩的各类性质,具体表现为:爆炸应力波使岩体发生初始劣化开裂,在岩体内形成“爆破内伤”,与此同时,爆炸动力作用使孔隙水压力升高、传输;随后,爆生气体和地下水两相渗流进入裂隙,导致裂隙在准静态、动态压力下张开、扩展;最后,爆生气体在多孔裂隙岩体中传输并作用于孔隙水上,形成周期性的水楔作用,最终形成“爆炸应力波-爆生气体-地下水-围岩”的物理和化学耦合作用,使围岩微细宏观结构、物理化学性质、力学强度发生劣化。随着我国在地下水丰富地区采用钻爆法开挖隧道数量的不断增加,对爆破-地下水协同作用下板岩隧道围岩性质劣化演变机理这一科学问题展开研究,既能为板岩隧道结构设计提供精确化指导,又能进一步丰富完善水-岩相互作用理论体系,对富水-软岩相互作用理论具有较好的科学意义,对修订完善隧道结构设计规范、指导富水地区板岩隧道钻爆设计和施工具有一定的工程应用前景。本文以板岩隧道围岩性质劣化机理为研究中心,以爆破作用及赋存富水环境为工程背景,以沪昆客运专线长昆湖南段第CKTJ-9标段23座隧道为工程对象,通过现场调查、理论分析、现场试验、室内试验、数值模拟等研究手段,从微细观、宏观、理化、力学等层面,开展了爆破-地下水协同作用下板岩隧道围岩性质劣化机理研究,论文完成的主要工作包括以下几个方面:(1)对选题来源、目的和意义、国内外研究进展、发展趋势及存在问题展开了全面分析和评述,对研究内容、技术路线及创新性进行了详细阐述。(2)研究区工程概况和地质条件调研及分析:依托沪昆客专长昆湖南段第CKTJ-9标段工程实际,对研究区23座隧道的工程背景、概况及地质条件进行了精细现场调研,对现场资料进行了搜集整理,对已有勘察报告实施了分析,为爆破-地下水协同作用下板岩隧道围岩性质劣化机理研究提供了工程与地质基础。(3)板岩隧道围岩微细观劣化机理研究:从“结构及矿物成分微观劣化规律、表面形貌细观劣化规律、微裂纹扩展细观劣化准则、微裂纹细观断裂扩展过程”四个方面,研究了爆破-地下水协同作用下板岩隧道围岩微细观劣化机理。通过开展岩石薄片(切片)偏光显微镜试验,分析了不同工况下板岩的微观结构、胶结类型、矿物颗粒排列情况,获取了板岩微观结构劣化规律。通过多功能X-射线衍射(XRD)试验,分析了板岩矿物成分及含量的变化情况,揭示了板岩矿物成分微观劣化规律。通过环境扫描电子显微镜试验,分析了板岩表面形貌细观特征,揭示了板岩表面形貌细观劣化规律。从爆炸应力波、爆生气体以及地下水孔隙水压力三者耦合角度,构建了板岩微裂纹扩展的细观劣化准则。采用离散格子弹簧元模型,模拟了板岩细观断裂扩展行为,揭示了板岩的细观断裂劣化规律。(4)板岩隧道围岩理化劣化机理研究:从“基本物理参数指标劣化规律、化学劣化反应过程、地下水溶液化学成分变化特征、劣化板岩化学成分变化规律”四个方面,研究了爆破-地下水协同作用下板岩隧道围岩理化劣化机理。定义了物理性质劣化因子,开展了密度试验、电阻率试验、耐崩解性试验、现场波速测试,获取了不同工况下板岩密度、电阻率、耐崩解性指数、纵波波速等基本物理参数指标的劣化规律,揭示了板岩的物理劣化机理。通过分析板岩各类矿物与地下水发生溶解、水解、氧化、碳酸化等化学作用,揭示了板岩的化学劣化反应过程。开展了干燥板岩室内饱水试验,通过分析板岩在饱水过程中地下水溶液化学成分的变化规律和特征,揭示了板岩由干燥到富水过程中化学性质的劣化规律。通过室内X射线能谱试验,分析了富水劣化板岩化学成分随爆破作用的变化规律,揭示了爆破-地下水协同作用下板岩的化学劣化规律。(5)板岩隧道围岩宏观劣化机理研究:从“围岩振动效应宏观劣化机理、围岩变形宏观劣化机理”两个方面,研究了爆破-地下水协同作用下板岩隧道围岩宏观劣化机理。定义了宏观振动劣化因子,通过开展现场爆破振动测试,获取了不同工况下劣化围岩的质点峰值振动速度、振动主频率、振动持续时间、应力波形态和频带能量等宏观振动参数的变化特征。在爆破地震波理论能量耗散原理的基础上,通过宏观振动劣化因子与宏观动力参数之间的函数关系,建立了宏观振动劣化模型。定义了宏观变形劣化因子,通过开展现场变形监测,获取了不同工况下劣化围岩拱顶沉降、周边收敛等宏观变形参数的演变规律。基于几何原理,在建立拱顶沉降与周边收敛相对位移几何模型的基础上,通过宏观变形劣化因子与宏观变形参数之间的函数关系,建立了宏观变形劣化模型。(6)板岩隧道围岩力学劣化机理研究:从“力学性质参数劣化规律、劣化板岩破坏形态、围岩抗力劣化机理”三个方面,研究了爆破-地下水协同作用下板岩隧道围岩力学性质的劣化机理。定义了力学参数劣化因子,开展了室内三轴压缩力学试验,通过分析不同累积爆破作用下板岩的三轴压缩强度、弹性模量、泊松比等力学参数的劣化规律,揭示了板岩力学性质的劣化机理。建立了围岩抗力理论计算模型,开展了现场径向液压枕抗力试验,获取了富水板岩的抗力系数随累积爆破作用的变化规律,从理论和试验两个层面综合揭示了板岩抗力性质的劣化机理。(7)爆破-地下水协同作用下板岩隧道围岩劣化应用研究:将爆破-地下水协同作用下板岩隧道围岩各个层面的劣化机理与修正的Hoek–Brown强度准则相结合。在微观、细观、宏观结构劣化基础上,定义了岩体结构指数RSI,描述劣化板岩的结构条件;在物理、化学性质劣化基础上,定义了岩体风化指数RWI,描述劣化板岩表面风化条件;以此为基础,建立了能考虑爆破-地下水协同作用的地质强度因子量化计算方法。在宏观振动劣化基础上,通过波动方程建立了声波波速与弹性模量的关系;根据2002版Hoek–Brown强度准则获取了弹性模量与扰动参数的关系;在此基础上,获得了纵波波速与扰动参数的量化关系式,从而建立了考虑爆破作用的扰动参数的量化计算方法。最后,建立了爆破-地下水协同作用的劣化板岩强度定量确定方法并应用于具体工程实际,对劣化后的隧道围岩强度展开分析和计算。