滯后型巖爆孕育過程的圍巖時效變形

馬天輝， 唐春安， 張文東

(大連理工大學 土木工程學院， 遼寧 大連 116024)

0 引 言

在我國水電、交通等工程領域，近年來有越來越多的長大隧道工程進入施工期，地下工程“長、大、深、群”的特點也將愈加明顯，帶來的深部巖石力學問題日益顯著，其中尤以巖爆最為突出。由于巖爆災害不僅破壞地下工程結構，損壞生產設備，而且對現場人員人身安全造成嚴重威脅，已成為目前世界上深部地下工程中亟需解決的技術瓶頸問題[1-8]。一般將巖爆分成瞬時型巖爆和滯后型巖爆。瞬時型巖爆就是在開挖過程中或者在開挖完很短時間內發生的巖爆；滯后型巖爆往往要在開挖結束后，還要經過一段滯后時間才發生。巖爆滯后發生的危險性是顯而易見的，它可以使人們覺得巖爆危險已不存在，過早進入作業區而遭遇危險，國內外很多地下工程中的巖爆都有滯后現象。

一般距離掌子面2～50 m范圍為巖爆高發區域，巖爆發生以后強度隨著時間的推移而逐漸減弱。我國二灘水電站、雅礱江錦屏二級水電站、天生橋、太平驛以及瑞典、挪威Sima等大型水電站引水隧洞的巖爆一般在開挖爆破以后的一定時間段內發生[9-12]。二灘水電站左側導流洞內巖爆一般發生在距離掌子面2.0～10 m的范圍內，爆破以后的瞬時巖爆最為強烈，隨著時間的推移而逐漸減弱；雅礱江錦屏二級水電站的強烈巖爆滯后20 h左右，延續時間長達1～2月，有的甚至達到1 a以上，發生的位置大多在設備掘進或爆破工作面10～35 m范圍內；南盤江天生橋引水隧洞巖爆主要在距離掌子面5～10 m的地方發生，巖爆時間具有隨機性；太平驛水電站巖爆一般在距離掌子面2～30 m的區域內發生，瞬時巖爆和滯后巖爆同時存在。瑞典某引水隧洞巖爆主要發生在距掌子面2倍洞徑的范圍內，隨著掌子面的推進在3～4 d內衰減[13-16]。

巖爆是一種由漸進破壞誘發突變的過程，有著極其復雜的力學作用機制，目前國內外對于巖爆的發生機理研究還未突破假說和經驗階段。國際著名巖石工程學家Brown教授曾經指出：人們對于巖爆的定義形成一致意見都是很困難的，目前全世界的很多研究中心都為巖爆問題的成功解決而努力奮斗著，有關巖爆的任何進展都代表著巖石力學這門學科的極大發展和重大突破[17]。Hoek等也曾指出：“目前對這種漸進破壞過程還很不清楚，它是巖石力學研究工作者所面臨的一個挑戰性難題。”因此，進行滯后型巖爆的機理研究不僅是國家建設的重大需求，也是科學研究必須解決的難題。

筆者認為“變形的局部化是形成巖爆最主要內因”。具有硬巖性質的巖石在深部高應力環境中將可能呈現明顯的延性與時效變形特征，并在持續高應力作用下誘發巖體工程大變形失穩。因受到開挖卸荷影響而向新平衡態轉移的過程也不是瞬時完成的，而是一個隨時間變化并可產生顯著時效變形的過程。一般來說，巖體的流變變形與破壞，是一個細觀微破裂萌生擴展以及宏觀結構面摩擦滑動的不可逆的演化過程，而這一過程因環境與荷載因素的差異會表現出不同的時間效應。在特定條件下，巖石可由脆性向延性轉化，并產生明顯的塑性和流變變形[19-21]。可見，在卸荷條件下圍巖體在高應力環境中的時效變形是誘發巖爆的最主要因素。但是，更多學者都靜止地看待這個主要的內因，而過多的強調開挖擾動、爆破震動等外在因素的觸發作用，試圖從能量、應力波等角度定量的找到巖爆的起爆點進行巖爆的預測。因此，對于滯后型巖爆的機理研究，應著眼于圍巖體的時效變形特性以及巖體強度的動態演化過程。

本文提出了滯后型巖爆孕育過程中的圍巖時效變形研究新思路。基于隧洞圍巖的變形及微破裂監測、室內聲發射監測輔助巖石三軸蠕變實驗，建立反映材料流變特性的本構關系和損傷演化方程，以及微震活動信息與物理、力學參數變化之間的聯系，并應用大規模數值分析方法對圍巖變形的時間效應及其損傷演化規律進行系統的研究，揭示隧洞滯后型巖爆的圍巖時效變形誘發機理，為尋求隧洞圍巖的變形失穩控制和防治方法提供理論依據。

1 研究的新思路

筆者提出的滯后型巖爆孕育過程中的圍巖時效變形研究新思路，是以“滯后型巖爆孕育過程的圍巖時效變形”為研究對象，從而凝練出“巖石蠕變過程聲發射前兆及其時空演化規律”和“卸荷條件下圍巖流變失穩的作用機理”兩條需要解決的科學問題，然后各自細分為四個具體的研究內容，通過多種方法和理論的融合，預期達到“圍巖的流變失穩孕育過程與滯后型巖爆機理”的研究成果。具體研究思路如圖1所示。

1.1 巖石三軸卸荷蠕變實驗

進行現場調研，根據實驗目的確定樣本的采集地點，盡量減小因樣本而帶來實驗結果的差異性。按照國際巖石力學協會對巖石試樣的要求加工巖樣，進行室內不同圍壓下的三軸蠕變實驗。實驗設備主要采用“巖石多場耦合過程三軸流變實驗系統”，根據隧洞賦存環境特點同時結合巖樣的瞬態抗壓強度，研究并確定實驗所采用的應力取值。巖樣的上部作用有均勻分布的軸向靜壓力，環向施加恒定的外部圍壓。按照特定圍壓卸荷路徑，開展不同初始偏應力作用下三軸流變實驗。整個實驗過程由計算機控制數據采集和處理，最后獲得試樣的軸向變形、環向變形隨時間變化的全部數據。

圖1 研究思路框圖

同時，采用聲發射儀監測聲發射活動，分析巖樣在不同實驗條件下卸荷流變的微破裂時空分布和演化特征，總結不同應力作用下巖石卸荷蠕變變形及蠕變率隨時間發展階段特征。研究不同應力對巖石卸荷蠕變的影響規律及相關聯系，根據不同實驗條件下巖石聲發射活動規律及時空演化過程，探討巖石卸荷流變損傷特征。研究巖石非均勻性與巖石破壞中的聲發射序列之間的聯系，建立幾種典型巖石的聲發射模式，進一步研究不同類型的巖石聲發射現象的圍壓效應。

圖2中的聲發射事件三維定位結果直觀反映了巖樣裂紋初始位置、擴展方位、裂紋寬度變化、裂紋的演化過程以及裂紋擴展的曲面形態，為深入研究裂紋的擴展過程及空間形態奠定了基礎。同時，亦為研究巖樣在不同實驗條件下卸荷流變的微破裂時空分布和演化特征提供了可能。

圖2 聲發射事件“空白區”與裂紋貫通區

1.2 微破裂前兆及時空演化規律

(1) 巖體流變致失穩的災變模型。巖體在受載過程中內部不斷產生的微破裂，是巖體非線性變形的主要原因。這些微破裂繼續發展形成宏觀裂紋，最后達到突變狀態導致巖體失穩破壞，而巖體內部的微破裂信息正是圍巖宏觀失穩的前兆。因此，筆者提出巖體漸進破裂誘發失穩的災變模型，研究巖石漸進破壞過程中的微震時間序列和空間序列特征。根據微破裂的時、空、強(時間、空間、強度)特征和頻度與聚集程度及其宏觀發展規律，研究微破裂分布及變形破壞過程局部化現象，提出巖石漸進破裂誘致災變前兆模式。通過研究巖體工程災害孕育過程中的應力積累、應力釋放和應力遷移的3S現象及基本規律，建立背景應力場擾動與微震活動性關系，總結巖體災害孕育過程中的微震活動時空演化機制，建立巖體工程災害的微震前兆信息和失穩模式，為建立災害預警模型提供理論依據。

(2) 工程擾動下的巖體損傷演化及其微震活動性分析。運用微震監測技術獲取巖體工程在不同工程擾動下的微震信息，綜合運用時-頻分析技術研究巖體微震波形、幅頻特征及微破裂時空演化規律。圖3為錦屏二級水電站某排水隧洞段極強巖爆監測到的微震事件分布和云圖。

圖3 隧道剖面的微震事件分布和云圖 (2009年11月28日錦屏二級水電站施工排水洞發生的 極強巖爆微震事件)

統計分析一段時間內一定地段所有獲得的微震震級-頻率關系特征，重點關注易于發生巖爆的特定地質結構附近的b值變化規律，綜合分析巖體裂隙與斷層等構造異常區的微震演化規律及微震事件震源發生機理，為隧洞圍巖穩定性反饋分析奠定基礎。

研究巖體與工程擾動的相互作用，探尋開挖擾動等因素對巖體損傷的影響，識別和圈定巖體內部已知斷層的活化和演化規律，并依據微破裂分布規律推斷和預測未知地質缺陷(斷層)的走向、范圍及其災變演化特征。

例如，現場施工中經常會遇到很多地質勘測中沒有發現的未知地質結構(見圖4)，目前這些未知斷層和結構面在開挖前只有通過微震活動規律才能準確地反映出來。未知斷層的成功探測有助于現場施工進度安排、方案制定和修改、及時采取安全防護措施防范巖爆災害，而且對于隧洞滯后型巖爆的機理研究具有重要意義。

圖4 幾條斷層上的微震信息顯示 (微震監測系統監測到的微震事件沿著斷層響應， 圖中紅色線框表示斷層的位置及走向)

(3) 基于微震監測數據反饋的巖體損傷模型建立。對震源精確定位以后，微震監測系統得到的震源參數信息十分豐富，例如震級、矩震級、能量大小以及靜動態應力降等與巖石損傷破裂相關的信息。首先建立整個微震監測范圍內的全尺寸三維巖體計算模型，將三維模型坐標與微震事件空間坐標一一對應。然后根據能量耗散原理，結合微震監測得到的震源信息，研究微震活動演化的不同階段中巖體類型、強度和裂隙分布特性與微震事件率、能量率之間的關系。推演微破裂能量損失與巖體物理力學參數變化之間的規律，建立基于微震損傷效應的巖體劣化準則。根據巖體劣化準則修正模型的物理力學參數，導入到三維數值模型中開展大規模科學計算反饋分析，研究巖體漸進破壞過程中的微震損傷效應和失穩演化機制。圖5所示為微震監測和計算分析原理流程圖。

將監測到的微震信息放到背景應力場中。一方面，提取應力場中合理的因素，以便對微震活動進行解釋；另一方面，根據微震信息，調整局部單元的力學參數，使之符合微震監測的結果。這個過程是需要經過幾次調整才能使應力場分布和微震監測的結果吻合。根據微震數據的解析理論和微震空間分布規律、時間序列特征與施工工序的關系，分析圍巖變形與微破裂演化之間的聯系，揭示隧洞卸荷作用下圍巖發生變形失穩的前兆規律，同時與室內巖石蠕變實驗結果進行對比分析。

圖5 基于微震監測數據反饋的巖體損傷計算流程圖

1.3 巖體卸荷蠕變損傷模型

在對巖石卸荷作用下基本力學特性和蠕變試驗研究成果的分析整理基礎上，借助于流變力學、細觀損傷力學、巖石力學等理論，對巖石變形的時效特性進行理論分析，建立反映材料流變特性的本構關系和損傷演化方程。利用RFPA強度折減計算方法對巖體卸荷蠕變破壞過程進行數值模擬，與物理實驗蠕變過程和巖石真實破壞結果比較分析,如圖6～8所示。其中圖6為數值模擬試樣應力分布圖，圖7為模擬結果的聲發射分布圖(圖中紅色區域表示拉破壞，白色區域表示壓破壞)。觀察物理實驗監測到的微震事件空間分布規律與數值模擬聲發射事件的分布關系，利用數值手段驗證并進一步深入研究巖體卸荷蠕變損傷的破壞過程。

圖9為現場巖爆圖片和數值分析結果圖。通過建立分析圍巖體在特定地質條件下的損傷模型，將微震監測結果和模擬破壞模式進行對比分析，提高微震監測數據的有效性和可靠性，并在此基礎上進行從微觀損傷到宏觀破壞過程的反饋分析。反映巖體內部損傷情況，再現圍巖體內部微破裂產生、發育、擴展以及貫通形成滑移面全過程，輔助提高基于微震監測的巖爆預警機制。將數值模擬結果與地質資料、施工資料等現場情況相結合，研究擾動條件下背景應力場積累、釋放、轉移的基本規律，能夠揭示卸荷圍巖蠕變失穩破壞模式和失穩破壞演化機理。

圖7 數值模擬的試樣蠕變破壞過程

圖8 試樣蠕變破壞過程中的聲發射 (圖中紅色區域表示拉破壞，白色區域表示壓破壞)

圖9 現場巖爆圖片和數值分析結果

1.4 圍巖時效變形大規模數值計算

根據建立的數理模型，研究開發巖石蠕變和松弛等時間效應的數值模擬分析系統，并用室內實驗結果進行驗證，實現高應力作用下圍巖時效變形誘發滯后型巖爆孕育過程和沖擊效應的真實再現。建立微震活動性信息與物理、力學參數變化之間的聯系，應用大規模數值分析方法進行不同偏應力作用下隧洞圍巖的流變失穩研究，獲得應力場、位移場、裂紋的萌生和擴展過程以及微破裂時空演化規律，揭示隧洞滯后型巖爆的圍巖時效變形誘發機理。為尋求隧洞變形失穩控制及長期穩定性的預測提供理論和應用基礎。所有大規模數值分析均在如圖10所示的并行集群上進行計算的。

圖10 聯想深騰1800并行計算機群體系結構

因此，結合流變損傷數值模型和微震監測手段，進行卸荷條件下圍巖體中微觀裂隙的萌生、孕育、擴展以及相互作用和貫通機理研究，了解巖體漸進破壞過程中應力場和微震活動性空間演化的基本規律。將微震監測獲得的工程擾動、斷層錯動和裂隙帶活動等地質構造異常信息與數值模擬的損傷失穩過程應力場進行耦合分析，揭示卸荷蠕變誘發圍巖體失穩的作用機制，從而認識隧洞滯后型巖爆的圍巖時效變形誘發機理。

2 結 語

本文采用流變力學、損傷力學、信息科學等多學科交叉的方法，提出了滯后型巖爆孕育過程中的圍巖時效變形研究新思路。基于隧洞圍巖的變形及微破裂監測實踐、室內聲發射監測輔助巖石三軸蠕變實驗，研究深埋隧洞圍巖在蠕變過程中的微破裂前兆及其時空演化規律，根據卸荷蠕變變形損傷演化規律及蠕變率隨時間的發展階段特征，建立反映材料流變特性的本構關系和考慮微震損傷的巖體劣化方程，以及微震活動信息與物理、力學參數變化之間的聯系，并應用大規模數值分析方法對圍巖變形的時間效應及其損傷演化規律進行系統的研究。研究結果表明：深埋巖體隧洞中，巖爆的時間、空間、強度等分布存在較明顯的規律性，巖爆發生之前普遍存在一個孕育過程，并伴隨著大量微破裂的產生和微震能量的釋放(微震前兆)，微震活動對巖爆事件普遍具有時間優先性和空間一致性，可利用其指導安全施工，從而為滯后型巖爆預測和安全施工提供新的研究思路。

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