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本文从能量转化的角度分析了岩爆形成的机理,在此基础上,建立了基于弹性应变能释放率指标的岩爆数值分析方法,并将其应用到了荒沟抽水蓄能电站地下洞室和西成高铁天华山隧道岩爆计算,取得了较好的模拟效果。具体内容如下:(1)基于相关试验结果,通过热力学定律和细观岩石力学理论从能量转化的角度分析了岩爆的形成机理:外力对岩体做功产生能量,一部分用来使岩石产生微裂隙和不可恢复的塑性变形,称为耗散能;另一部分用来使岩石产生可恢复的弹性变形,称为弹性应变能。地下工程开挖中,围岩因卸荷导致洞壁应力变化,岩体储存的弹性应变能会快速释放。当释放的弹性应变能超过岩体破坏的极限值时,岩体发生动态破坏,致使岩爆发生。(2)根据岩爆形成的机理,建立了基于弹性应变能释放率的岩爆数值分析方法。选取Mohr-Coulomb塑性模型来模拟岩体材料的力学特性,基于岩爆是岩石中积聚的弹性应变能超过其储能极限而导致多余能量突然释放而引起的工程灾变现象的认识,将岩体单元的弹性应变能释放量,即岩体单元发生脆性破坏前后的弹性应变能差值,作为衡量岩爆发生的指标,并给出了该指标的计算公式和数值实现方法。最后,根据文献研究成果,选取岩爆能量判据对岩爆发生的强度进行判断。(3)针对荒沟抽水蓄能电站地下洞室,应用上述岩爆数值分析方法分析了洞室开挖后围岩弹性应变能释放量的分布状态,结果显示,地下厂房发生岩爆的位置集中在拱腰、拱肩和底板部位,而引水隧洞和尾水隧洞发生岩爆的部位主要集中在拱顶。岩爆数值计算结果和岩爆现场统计结果对比分析表明,数值计算结果较好的模拟了实际工程中发生的岩爆现象。(4)在天华山隧道初始应力场分析基础上,结合上述数值分析方法,选取埋深分别为200m(低应力水平)、500m(中等应力水平)、800m(高应力水平)、1000m(极高应力水平)四种工况进行岩爆分析预测,隧道开挖后的弹性应变能释放量分布状态表明埋深200m的低应力水平下基本不会发生岩爆;埋深为500m的中等应力水平下可能发生轻微岩爆;埋深为800m的高应力水平下可能发生中等强度岩爆;埋深为1000m的极高应力水平下可能发生中等~强烈程度的岩爆。