随着全球经济的发展和国际环境的巨大变化,能源问题日益突出,石油作为重要的能源之一,其战略储备在经济、政治和军事领域都扮演着重要角色,为此迫切需要建造大型地下水封油库。对于大型地下洞室开挖,钻爆法仍然是主要施工方法。在地下洞室群开挖爆破过程中,由于炸药爆炸时巨大能量瞬间释放,难免会对爆破洞室保留岩体和邻近洞室结构造成冲击并引起振动效应,若控制不当极易造成洞室结构的动力损伤,进而对地下洞室群整体稳定性造成不利影响。当前,针对地下水封油库开挖爆破技术和振动安全控制的研究成果明显不足,且主要集中于爆破方案优选、爆破振动监测和爆破振动预测与控制等方面,对地下水封油库洞室爆破损伤效应、动力响应特征及动力稳定性等基础理论鲜有涉及。此外,由于地下水封油库洞室群的储油功能需求,其洞室结构在规模、空间分布、开挖形式及支护方式上具有一定的独特性,这也让针对其他地下工程的相关研究成果难以在该领域推广使用。因此,深入开展地下水封油库开挖爆破围岩损伤及邻近洞室动力响应特征研究,对完善地下水封油库开挖爆破施工技术、指导爆破设计和振动安全防护具有重要理论价值和现实意义。本文以地下水封油库洞室爆破损伤机理和动力响应机制为研究核心,以山东某地下水封油库开挖爆破工程为研究背景,以丙烷储库洞室开挖爆破工程为研究对象,采用现场调查、现场测试、数值模拟、理论分析相结合的综合方法,开展了地下水封油库开挖爆破围岩损伤及邻近洞室动力响应特征研究,论文主要研究内容和成果如下:(1)地下水封油库开挖爆破振动传播规律研究:在现场精细调研和开挖爆破方案分析基础上,开展了地下水封油库洞室开挖爆破振动现场测试,获取了主洞室开挖爆破作用下邻近水幕巷道和邻近主洞室振动传播规律。结果表明:对于邻近主洞室,传统萨道夫斯基经验公式可以在一定程度上对爆破振动速度衰减规律进行描述。而对于邻近水幕巷道,基于量纲分析考虑高程效应的萨道夫斯基修正公式能更好的反映其爆破振动传播规律。(2)循环爆破荷载作用下地下洞室围岩累积损伤效应研究:通过引入损伤因子,建立了爆破动力损伤分析模型,模拟了地下洞室开挖单次爆破荷载作用下围岩损伤演化过程,获取了围岩的损伤分布规律,并与理论计算结果进行对比,验证了数值方法的可靠性。在此基础上,利用重启动技术,模拟实现了地下洞室循环推进式爆破过程,揭示了循环爆破荷载作用下围岩累积损伤演化规律。结果表明:循环推进爆破围岩累积损伤与爆破次数存在非线性关系,爆破荷载作用下岩体存在累积损伤弱化效应。对地下丙烷储库主洞室和水幕巷道研究区进行现场声波测试,获取了丙烷库主洞室和水幕巷道研究断面位置扰动区范围和岩体力学参数,其中扰动深度分别为3.3m和2.9m。(3)爆破损伤作用下岩体力学参数计算及应用研究:基于爆破作用下岩体性质劣化效应,通过建立岩体纵波波速V_P与地质强度指标GSI值和损伤因子D值之间关系,提出了基于Hoek-Brown准则的岩体力学参数计算新改进公式。利用实际坝基岩体工程和边坡岩体工程对新改进公式的适用性进行了验证,在此基础上,结合室内岩石力学试验和现场声波测试结果,利用新改进方法获取了丙烷主洞室和水幕巷道研究区岩体的力学参数。(4)基于CEEMD方法的爆破振动信号分析及应用研究:分别从“模态混淆抑制能力”和“自适应处理最优算法指标”两个方面,采用仿真信号就CEEMD优化方法在爆破振动信号处理中的优越性和合理性进行了验证。在此基础上,将CEEMD应用到地下油库开挖爆破邻近洞室爆破振动实测信号处理中,并结合Hilbert变换,揭示了地下油库邻近洞室爆破振动信号的时频特征和能量分布规律。结果表明:邻近主洞室和邻近水巷道的爆破振动信号均表现为高频能量多,而低频能量少的特点,其中100Hz以下能量占比非常小,可以忽略。考虑到地下水封油库洞室的固有频率,可认为开挖爆破作用下,邻近洞室不会产生共振现象。(5)地下水封油库洞室开挖爆破邻近洞室围岩动力响应特征模拟研究:考虑开挖爆破对邻近洞室动力稳定性的影响,根据地下油库洞室空间布置和开挖爆破方案,结合研究区岩体力学参数研究成果,针对不同空间位置关系和不同洞室结构的平行主洞室和交叉水幕巷道,构建了考虑爆破损伤的地下水封油库洞室群爆破三维数值模型,并通过现场实测数据验证了模型的合理性。在此模型基础上,分析了地下水封油库开挖爆破邻近洞室围岩的动力响应特征和受振破坏机制。结果表明:主洞室二台阶开挖爆破时,邻近平行主洞室典型横截面迎爆侧曲墙中部为振动最不利位置;主洞室顶层扩挖爆破中,当爆破开挖面与水幕巷道底板中心的水平距离为0m时,邻近交叉水幕巷道底板中部为振动最不利位置。(6)地下水封油库邻近洞室围岩爆破振动安全判据研究:以地下洞室开挖爆破邻近洞室围岩动力响应特征及受振破坏机制为基础,根据应力波传播理论和邻近洞室动力响应统计关系分别建立了地下水封油库邻近洞室爆破振动安全判据计算模型。在此基础上,结合邻近洞室围岩动态强度特征,引入重要性修正系数概念,分别求解了邻近洞室振动速度安全判据。结果表明:考虑到爆破振动速度安全判据严苛程度,邻近主洞室大于邻近水幕巷道。最后,结合我国现有的爆破安全规程提出了邻近洞室综合爆破振动速度安全判据为12cm/s。