高应力大型地下洞室具有高应力、大跨度、高边墙、复杂地质构造等特性，且各洞室间结构相互交叉、施工相互扰动。在这种极端应力状态和复杂施工环境下，大型地下洞室围岩变形破坏的频次、范围和程度十分严重，地下洞室群的支护难度和施工成本也相应增加。
白鹤滩水电站
中国最新建成的白鹤滩水电站是仅次于三峡的中国第二大水电站，同时还是世界上在建规模最大的水电站，未来甚至有望在发电量上超越三峡。白鹤滩水电站的左、右岸地下洞室群分别布置8 台1000 MW 立式水轮发电机，电站总装机容量为16000 MW。
为了有效揭示爆破荷载下围岩宏观破坏的孕育演化过程，识别宏观破坏的前兆规律，预警围岩的宏观变形破坏，确保地下洞室群施工期和运营期的安全稳定，中科院武汉岩土力学研究所陈炳瑞研究员团队联合江苏大学、矿大(北京)、郑州大学、长安大学、华北水利水电大学等机构科研人员以白鹤滩水电站高应力大型地下厂房为研究对象，综合采用微震监测、多点位移计、锚杆(索)测力计等多种高精度设备，揭示了多次爆破荷载下高应力硬岩内部微破裂演化行为及其累积损伤机制。相关研究成果以《爆破荷载下白鹤滩大型地下厂房累积损伤机制研究》为题在《岩石力学与工程学报》进行了网络首发，赵金帅为第一作者。
白鹤滩水电站右岸地下厂房水平埋深约230～450 m，垂直埋深约420～520 m。右岸主副厂房洞断面尺寸为：长438 m，高88.7 m，悬臂吊车梁以下开挖跨度31 m，悬臂吊车梁以上开挖跨度34 m。右岸地下厂房岩性以硬脆性玄武岩为主，其次为凝灰岩，局部分布错动带等软弱夹层岩体。地下厂房开挖规模巨大，沿高程方向共划分十层。
本次主要研究主厂房第IV 层开挖过程中多次爆破诱发的岩体累积损伤效应，评估大型地下洞室的稳定性。
地下厂房分层开挖示意图
白鹤滩大型地下洞室原位综合监测网络拓扑图
微震监测采用南非IMS(Institute of MineSeismology)公司生产的微震监测设备，主要包括微震传感器(加速度型和速度型)、采集仪、调制解调器、转换器、服务器等。加速度传感器频率响应范围0.1～8 000 Hz；速度传感器频率响应范围7～2 000 Hz。为了研究主厂房安装间第IV 层开挖诱发的岩体振动响应特性，本次研究选取安装在研究区域附近的微震传感器，协同多点位移计、锚杆(索)测力计，共同捕捉岩体破坏孕育过程中的破裂、变形及应力演化信号。
8 通道微震传感器可以实时连续的监测地下厂房安装间开挖活动，将监测到的微震信号转换为电信号，经通讯电缆传输至采集器，通过A/D 转换成数字信号，最终被微震服务器自动记录并保存下来。然后，将微震服务器中的数据传输至白鹤滩项目部办公室，由经验丰富的工程技术人员开展微震信号的数据解译及岩体破裂可视化分析工作。
原位综合监测方案正视图
监测方案为：在白鹤滩地下厂房第IV 层开挖前，利用临近主厂房侧排水廊道向下钻孔，然后注浆埋设微震传感，实现传感器和围岩的耦合作用，有助于全面捕捉岩体微破裂释放的弹性波信号。微震传感器采用放射状布置方式，可以有效监测主厂房安装间第IV 层开挖过程围岩破裂的演化特征，识别出岩体破裂的高风险区域。锚杆应力计ASyc0+332 的安装桩号为0+332，测点距离边墙距离分别为1.5 和6.5 m；锚索测力计DPyc0+329 的安装桩号为0+329。微震监测可以捕捉大范围区域内的岩体破裂信号，宏观掌握地下厂房大范围区域内岩体破裂特征，在此基础上，协同多点位移计、锚杆(索)测力计开展精细化监测，重点关注研究区域内围岩的力学响应行为，全面揭示岩体的“破裂–变形–应力”演化机制。
研究得到如下结论：
(1) 高应力下硬岩大型地下厂房爆破开挖过程中，围岩破坏的本质是微破裂。新生微破裂萌生或原生微裂隙扩展至一定量级后，围岩内部裂纹发生张开、错动，伴随围岩变形及应力的增长。围岩宏观破坏是其内部微破裂萌生、扩展、交汇的累积发展结果。
(2) 围岩“破裂–变形–应力”原位协同观测表明，瞬时爆破后，围岩破裂、变形和应力均发生了一定程度的增长，说明爆破荷载下围岩的破裂、变形及应力响应具有协调一致性。
(3) 爆破开挖诱发围岩内部微破裂，同时应力发生重分布和调整，伴随围岩变形和集中应力渐进增长。虽然爆破当日诱发的围岩变形速率小于1mm/d，但多次连续爆破荷载作用下，围岩内部微破裂发生扩展、丛集，围岩损伤劣化程度不断加剧，这是导致长期应力调整过程中围岩变形增量较大的内在原因之一。
(4) 爆破荷载作用下，地下洞室岩体经历原生裂纹压密、新生裂纹萌生和裂纹扩展等破裂阶段，同时伴随围岩变形的增长。围岩内部破裂至一定程度后形成开挖损伤区，在爆破荷载或开挖扰动激发作用下，围岩表层开裂、剥落等随即出现。
研究最后指出，对于高应力大型地下洞室而言，如何采取合理、有效的支护手段控制爆破开挖诱发的岩体内部微破裂及其后续不利发展，是从根本上控制围岩大变形和失稳破坏的关键。
这项研究得到了江苏省高层次创新创业人才引进计划、国家自然科学基金项目、国家自然科学基金青年基金项目的资金支持。
引用格式：赵金帅,陈炳瑞,江权,等.爆破荷载下白鹤滩大型地下厂房累积损伤机制研究[J/OL].岩石力学与工程学报.[https://doi.org/10.13722/j.cnki.jrme.2021.0796]
