滞后型岩爆孕育过程的围岩时效变形

马天辉， 唐春安， 张文东

(大连理工大学 土木工程学院， 辽宁 大连 116024)

0 引 言

在我国水电、交通等工程领域，近年来有越来越多的长大隧道工程进入施工期，地下工程“长、大、深、群”的特点也将愈加明显，带来的深部岩石力学问题日益显著，其中尤以岩爆最为突出。由于岩爆灾害不仅破坏地下工程结构，损坏生产设备，而且对现场人员人身安全造成严重威胁，已成为目前世界上深部地下工程中亟需解决的技术瓶颈问题[1-8]。一般将岩爆分成瞬时型岩爆和滞后型岩爆。瞬时型岩爆就是在开挖过程中或者在开挖完很短时间内发生的岩爆；滞后型岩爆往往要在开挖结束后，还要经过一段滞后时间才发生。岩爆滞后发生的危险性是显而易见的，它可以使人们觉得岩爆危险已不存在，过早进入作业区而遭遇危险，国内外很多地下工程中的岩爆都有滞后现象。

一般距离掌子面2～50 m范围为岩爆高发区域，岩爆发生以后强度随着时间的推移而逐渐减弱。我国二滩水电站、雅砻江锦屏二级水电站、天生桥、太平驿以及瑞典、挪威Sima等大型水电站引水隧洞的岩爆一般在开挖爆破以后的一定时间段内发生[9-12]。二滩水电站左侧导流洞内岩爆一般发生在距离掌子面2.0～10 m的范围内，爆破以后的瞬时岩爆最为强烈，随着时间的推移而逐渐减弱；雅砻江锦屏二级水电站的强烈岩爆滞后20 h左右，延续时间长达1～2月，有的甚至达到1 a以上，发生的位置大多在设备掘进或爆破工作面10～35 m范围内；南盘江天生桥引水隧洞岩爆主要在距离掌子面5～10 m的地方发生，岩爆时间具有随机性；太平驿水电站岩爆一般在距离掌子面2～30 m的区域内发生，瞬时岩爆和滞后岩爆同时存在。瑞典某引水隧洞岩爆主要发生在距掌子面2倍洞径的范围内，随着掌子面的推进在3～4 d内衰减[13-16]。

岩爆是一种由渐进破坏诱发突变的过程，有着极其复杂的力学作用机制，目前国内外对于岩爆的发生机理研究还未突破假说和经验阶段。国际著名岩石工程学家Brown教授曾经指出：人们对于岩爆的定义形成一致意见都是很困难的，目前全世界的很多研究中心都为岩爆问题的成功解决而努力奋斗着，有关岩爆的任何进展都代表着岩石力学这门学科的极大发展和重大突破[17]。Hoek等也曾指出：“目前对这种渐进破坏过程还很不清楚，它是岩石力学研究工作者所面临的一个挑战性难题。”因此，进行滞后型岩爆的机理研究不仅是国家建设的重大需求，也是科学研究必须解决的难题。

笔者认为“变形的局部化是形成岩爆最主要内因”。具有硬岩性质的岩石在深部高应力环境中将可能呈现明显的延性与时效变形特征，并在持续高应力作用下诱发岩体工程大变形失稳。因受到开挖卸荷影响而向新平衡态转移的过程也不是瞬时完成的，而是一个随时间变化并可产生显著时效变形的过程。一般来说，岩体的流变变形与破坏，是一个细观微破裂萌生扩展以及宏观结构面摩擦滑动的不可逆的演化过程，而这一过程因环境与荷载因素的差异会表现出不同的时间效应。在特定条件下，岩石可由脆性向延性转化，并产生明显的塑性和流变变形[19-21]。可见，在卸荷条件下围岩体在高应力环境中的时效变形是诱发岩爆的最主要因素。但是，更多学者都静止地看待这个主要的内因，而过多的强调开挖扰动、爆破震动等外在因素的触发作用，试图从能量、应力波等角度定量的找到岩爆的起爆点进行岩爆的预测。因此，对于滞后型岩爆的机理研究，应着眼于围岩体的时效变形特性以及岩体强度的动态演化过程。

本文提出了滞后型岩爆孕育过程中的围岩时效变形研究新思路。基于隧洞围岩的变形及微破裂监测、室内声发射监测辅助岩石三轴蠕变实验，建立反映材料流变特性的本构关系和损伤演化方程，以及微震活动信息与物理、力学参数变化之间的联系，并应用大规模数值分析方法对围岩变形的时间效应及其损伤演化规律进行系统的研究，揭示隧洞滞后型岩爆的围岩时效变形诱发机理，为寻求隧洞围岩的变形失稳控制和防治方法提供理论依据。

1 研究的新思路

笔者提出的滞后型岩爆孕育过程中的围岩时效变形研究新思路，是以“滞后型岩爆孕育过程的围岩时效变形”为研究对象，从而凝练出“岩石蠕变过程声发射前兆及其时空演化规律”和“卸荷条件下围岩流变失稳的作用机理”两条需要解决的科学问题，然后各自细分为四个具体的研究内容，通过多种方法和理论的融合，预期达到“围岩的流变失稳孕育过程与滞后型岩爆机理”的研究成果。具体研究思路如图1所示。

1.1 岩石三轴卸荷蠕变实验

进行现场调研，根据实验目的确定样本的采集地点，尽量减小因样本而带来实验结果的差异性。按照国际岩石力学协会对岩石试样的要求加工岩样，进行室内不同围压下的三轴蠕变实验。实验设备主要采用“岩石多场耦合过程三轴流变实验系统”，根据隧洞赋存环境特点同时结合岩样的瞬态抗压强度，研究并确定实验所采用的应力取值。岩样的上部作用有均匀分布的轴向静压力，环向施加恒定的外部围压。按照特定围压卸荷路径，开展不同初始偏应力作用下三轴流变实验。整个实验过程由计算机控制数据采集和处理，最后获得试样的轴向变形、环向变形随时间变化的全部数据。

图1 研究思路框图

同时，采用声发射仪监测声发射活动，分析岩样在不同实验条件下卸荷流变的微破裂时空分布和演化特征，总结不同应力作用下岩石卸荷蠕变变形及蠕变率随时间发展阶段特征。研究不同应力对岩石卸荷蠕变的影响规律及相关联系，根据不同实验条件下岩石声发射活动规律及时空演化过程，探讨岩石卸荷流变损伤特征。研究岩石非均匀性与岩石破坏中的声发射序列之间的联系，建立几种典型岩石的声发射模式，进一步研究不同类型的岩石声发射现象的围压效应。

图2中的声发射事件三维定位结果直观反映了岩样裂纹初始位置、扩展方位、裂纹宽度变化、裂纹的演化过程以及裂纹扩展的曲面形态，为深入研究裂纹的扩展过程及空间形态奠定了基础。同时，亦为研究岩样在不同实验条件下卸荷流变的微破裂时空分布和演化特征提供了可能。

图2 声发射事件“空白区”与裂纹贯通区

1.2 微破裂前兆及时空演化规律

(1) 岩体流变致失稳的灾变模型。岩体在受载过程中内部不断产生的微破裂，是岩体非线性变形的主要原因。这些微破裂继续发展形成宏观裂纹，最后达到突变状态导致岩体失稳破坏，而岩体内部的微破裂信息正是围岩宏观失稳的前兆。因此，笔者提出岩体渐进破裂诱发失稳的灾变模型，研究岩石渐进破坏过程中的微震时间序列和空间序列特征。根据微破裂的时、空、强(时间、空间、强度)特征和频度与聚集程度及其宏观发展规律，研究微破裂分布及变形破坏过程局部化现象，提出岩石渐进破裂诱致灾变前兆模式。通过研究岩体工程灾害孕育过程中的应力积累、应力释放和应力迁移的3S现象及基本规律，建立背景应力场扰动与微震活动性关系，总结岩体灾害孕育过程中的微震活动时空演化机制，建立岩体工程灾害的微震前兆信息和失稳模式，为建立灾害预警模型提供理论依据。

(2) 工程扰动下的岩体损伤演化及其微震活动性分析。运用微震监测技术获取岩体工程在不同工程扰动下的微震信息，综合运用时-频分析技术研究岩体微震波形、幅频特征及微破裂时空演化规律。图3为锦屏二级水电站某排水隧洞段极强岩爆监测到的微震事件分布和云图。

图3 隧道剖面的微震事件分布和云图 (2009年11月28日锦屏二级水电站施工排水洞发生的 极强岩爆微震事件)

统计分析一段时间内一定地段所有获得的微震震级-频率关系特征，重点关注易于发生岩爆的特定地质结构附近的b值变化规律，综合分析岩体裂隙与断层等构造异常区的微震演化规律及微震事件震源发生机理，为隧洞围岩稳定性反馈分析奠定基础。

研究岩体与工程扰动的相互作用，探寻开挖扰动等因素对岩体损伤的影响，识别和圈定岩体内部已知断层的活化和演化规律，并依据微破裂分布规律推断和预测未知地质缺陷(断层)的走向、范围及其灾变演化特征。

例如，现场施工中经常会遇到很多地质勘测中没有发现的未知地质结构(见图4)，目前这些未知断层和结构面在开挖前只有通过微震活动规律才能准确地反映出来。未知断层的成功探测有助于现场施工进度安排、方案制定和修改、及时采取安全防护措施防范岩爆灾害，而且对于隧洞滞后型岩爆的机理研究具有重要意义。

图4 几条断层上的微震信息显示 (微震监测系统监测到的微震事件沿着断层响应， 图中红色线框表示断层的位置及走向)

(3) 基于微震监测数据反馈的岩体损伤模型建立。对震源精确定位以后，微震监测系统得到的震源参数信息十分丰富，例如震级、矩震级、能量大小以及静动态应力降等与岩石损伤破裂相关的信息。首先建立整个微震监测范围内的全尺寸三维岩体计算模型，将三维模型坐标与微震事件空间坐标一一对应。然后根据能量耗散原理，结合微震监测得到的震源信息，研究微震活动演化的不同阶段中岩体类型、强度和裂隙分布特性与微震事件率、能量率之间的关系。推演微破裂能量损失与岩体物理力学参数变化之间的规律，建立基于微震损伤效应的岩体劣化准则。根据岩体劣化准则修正模型的物理力学参数，导入到三维数值模型中开展大规模科学计算反馈分析，研究岩体渐进破坏过程中的微震损伤效应和失稳演化机制。图5所示为微震监测和计算分析原理流程图。

将监测到的微震信息放到背景应力场中。一方面，提取应力场中合理的因素，以便对微震活动进行解释；另一方面，根据微震信息，调整局部单元的力学参数，使之符合微震监测的结果。这个过程是需要经过几次调整才能使应力场分布和微震监测的结果吻合。根据微震数据的解析理论和微震空间分布规律、时间序列特征与施工工序的关系，分析围岩变形与微破裂演化之间的联系，揭示隧洞卸荷作用下围岩发生变形失稳的前兆规律，同时与室内岩石蠕变实验结果进行对比分析。

图5 基于微震监测数据反馈的岩体损伤计算流程图

1.3 岩体卸荷蠕变损伤模型

在对岩石卸荷作用下基本力学特性和蠕变试验研究成果的分析整理基础上，借助于流变力学、细观损伤力学、岩石力学等理论，对岩石变形的时效特性进行理论分析，建立反映材料流变特性的本构关系和损伤演化方程。利用RFPA强度折减计算方法对岩体卸荷蠕变破坏过程进行数值模拟，与物理实验蠕变过程和岩石真实破坏结果比较分析,如图6～8所示。其中图6为数值模拟试样应力分布图，图7为模拟结果的声发射分布图(图中红色区域表示拉破坏，白色区域表示压破坏)。观察物理实验监测到的微震事件空间分布规律与数值模拟声发射事件的分布关系，利用数值手段验证并进一步深入研究岩体卸荷蠕变损伤的破坏过程。

图9为现场岩爆图片和数值分析结果图。通过建立分析围岩体在特定地质条件下的损伤模型，将微震监测结果和模拟破坏模式进行对比分析，提高微震监测数据的有效性和可靠性，并在此基础上进行从微观损伤到宏观破坏过程的反馈分析。反映岩体内部损伤情况，再现围岩体内部微破裂产生、发育、扩展以及贯通形成滑移面全过程，辅助提高基于微震监测的岩爆预警机制。将数值模拟结果与地质资料、施工资料等现场情况相结合，研究扰动条件下背景应力场积累、释放、转移的基本规律，能够揭示卸荷围岩蠕变失稳破坏模式和失稳破坏演化机理。

图7 数值模拟的试样蠕变破坏过程

图8 试样蠕变破坏过程中的声发射 (图中红色区域表示拉破坏，白色区域表示压破坏)

图9 现场岩爆图片和数值分析结果

1.4 围岩时效变形大规模数值计算

根据建立的数理模型，研究开发岩石蠕变和松弛等时间效应的数值模拟分析系统，并用室内实验结果进行验证，实现高应力作用下围岩时效变形诱发滞后型岩爆孕育过程和冲击效应的真实再现。建立微震活动性信息与物理、力学参数变化之间的联系，应用大规模数值分析方法进行不同偏应力作用下隧洞围岩的流变失稳研究，获得应力场、位移场、裂纹的萌生和扩展过程以及微破裂时空演化规律，揭示隧洞滞后型岩爆的围岩时效变形诱发机理。为寻求隧洞变形失稳控制及长期稳定性的预测提供理论和应用基础。所有大规模数值分析均在如图10所示的并行集群上进行计算的。

图10 联想深腾1800并行计算机群体系结构

因此，结合流变损伤数值模型和微震监测手段，进行卸荷条件下围岩体中微观裂隙的萌生、孕育、扩展以及相互作用和贯通机理研究，了解岩体渐进破坏过程中应力场和微震活动性空间演化的基本规律。将微震监测获得的工程扰动、断层错动和裂隙带活动等地质构造异常信息与数值模拟的损伤失稳过程应力场进行耦合分析，揭示卸荷蠕变诱发围岩体失稳的作用机制，从而认识隧洞滞后型岩爆的围岩时效变形诱发机理。

2 结 语

本文采用流变力学、损伤力学、信息科学等多学科交叉的方法，提出了滞后型岩爆孕育过程中的围岩时效变形研究新思路。基于隧洞围岩的变形及微破裂监测实践、室内声发射监测辅助岩石三轴蠕变实验，研究深埋隧洞围岩在蠕变过程中的微破裂前兆及其时空演化规律，根据卸荷蠕变变形损伤演化规律及蠕变率随时间的发展阶段特征，建立反映材料流变特性的本构关系和考虑微震损伤的岩体劣化方程，以及微震活动信息与物理、力学参数变化之间的联系，并应用大规模数值分析方法对围岩变形的时间效应及其损伤演化规律进行系统的研究。研究结果表明：深埋岩体隧洞中，岩爆的时间、空间、强度等分布存在较明显的规律性，岩爆发生之前普遍存在一个孕育过程，并伴随着大量微破裂的产生和微震能量的释放(微震前兆)，微震活动对岩爆事件普遍具有时间优先性和空间一致性，可利用其指导安全施工，从而为滞后型岩爆预测和安全施工提供新的研究思路。

[1] 钱七虎. 地下工程建设安全面临的挑战与对策[J]. 岩石力学与工程学报，2012，31(10)：1945-1956.

QIAN Qi-hu. Challenges faced by underground projects construction safety and countermeasures [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(10)：1945-1956.

[2] 杨 健, 王连俊. 岩爆机理声发射试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(20): 3796-3802.

YANG Jian, WANG Lian-jun. Study on mechanism of rock burst by acoustic emission testing [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005,24(20): 3796-3802.

[3] 钱七虎. 岩爆机制的简化分析和决定性参数的思考[C]// 中国科协学术部编(岩爆机制探索)， 北京：中国科学技术出版社，2011：3-13.

QIN Qi-hu. Simplified analysis of rockburst mechanism and considerationsof determinative parameters[C]// Academic Department, China Association for Science and Technology ed. Explore Rockburst Mechanism. Beijing：China Science and Technology Press，2011：3-13.

[4] 谢和平，Pariseau W G. 岩爆的分形特征和机理[J].岩石力学与工程学报，1993，12(1)：28-37.

Xie He-ping， Pariseau W G. Fractal character and mechanism of rock bursts [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 1993，12(1)：28-37.

[5] Young R P. Rockbursts and Seismicity in Mines[M]. Ontario, Canada: Balkema, Roterdam, 1993.

[6] STACEY T R. Dynamic rock failure and its containment[C]//Proceedings of the First International Conference on Rock Dynamics and Applications. Lausanne: CRC Press, 2013: 57-70.

[7] 冯夏庭, 陈炳瑞, 明华军, 等. 深埋隧洞岩爆孕育规律与机制: 即时型岩爆[J]. 岩石力学与工程学报, 2012,31(3): 433-444.

FENG Xia-ting, CHEN Bing-rui, MING Hua-jun,etal. Evolution law and mechanism of rockbursts at deep tunnels: immediate rockburst[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(3): 433-444.

[8] 唐春安，王继敏. 岩爆及其微震监测预报-可行性与初步实践[J]. 岩石力学与工程动态，2010(1)：43-55.

TANG Chun-an, WANG Ji-min. .Microseismic monitoring and prediction of rockburst-feasibility and primary practice [J]. News Journal of CSRME，2010(1)：43-55.

[9] 周德培，洪开荣. 太平驿隧洞岩爆特征及防治措施[J]. 岩石力学与工程学报，1995，19(2)：171-178.

Zhou De-pei，Hong Kai-rong. The rockburst features of Taipingyi tunnel and the prevention methods [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1995，19(2)：171-178.

[10] 李春杰.秦岭隧道岩爆特征与施工处理[J].世界隧道，1999(1)：36-41.

Li Chun-jie. Rock burst characteristics and treatment methods in Qinling tunnel[J]. Tunnelling and Underground Works, 1999(1)：36-41.

[11] 黄运飞. 天生桥引水隧洞岩爆防治措施研究[J].地下空间，1989(2):55-58.

Huang Yun-fei. Research on prevention of rockburst for Tianshengqiao headace tunnels[J]. Underground Space, 1989(2):55-58.

[12] 邹成杰.地下工程中岩爆灾害发生规律与岩爆预测问题的研究[J].中国地质灾害与防治学报, 1992,3(4):48-53.

Zou Cheng-jie. Study on the law of occurring rockburst hazard in underground engineering and its forecasting [J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，1992，3(4)：48-53.

[13] 徐林生.卸载状态下岩爆岩石力学实验[J].重庆交通学院学报，2003，22(1)：1-4.

Xu Lin-shen. Research on the experimental rock mechanics of rockburst under unloading condition [J]. Journal of Chongqing Jiaotong University, 1992，3(4)：48-53.

[14] 张镜剑，傅冰骏，尚彦军. 应变型岩爆地区工作方法初探[J]. 岩石力学与工程动态，2011(3)：35-47.

ZHANG Jing-jian，FU Bing-jun，SHANG Yan-jun. Methods for study of strain mode rockburst [J]. News Journal of CSRME，2011(3)：35-47.

[15] 王瑞红,李建林,蒋轶州等.开挖卸荷对砂岩力学特性影响实验研究[J]. 岩土力学，2010，31 (supp.1)：156-162.

Wang Rui-hong，Li Jian-lin，Chen Xing，etal. Experimental study on the influence of excavation unloading on sandstone mechanical properties[J].Rock and Soil Mechanics，2010，31(supp.1)：156-162.

[16] 黄志平，唐春安，马天辉，等. 卸载岩爆过程数值试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2008，27(1)：171-179.

Huang Zhi-ping，Tang Chun-an，Ma Tian-hui，etal. Numerical test investigation on unloading rockburst process[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(1)：171-179.

[17] Brown E T. Rockbunts: Prediction and control [J]. Tunnels and Tunnelling, 1984，15: 17-19.

[18] Hoek E, Brown E T. Underground excavations in rock [M]. London: The Institution of Mining and Metallurgy, 1980.

[19] Menéndez B, Zhu W, Wong T F. Micromechanics of brittle faulting and cataclastic flow in Berea sandstone[J]. Journal of Structural Geology, 1996, 18 (1): 1-16.

[20] Wong T，David C， Zhu W. The transition from brittle faulting to cataclastic flow in porous sandstones [J]. Mechanical deformation. Journal of Geophysical Research，1997，102 (B2)：3009-3025.

[21] Zhu W， Wong T. The transition from brittle faulting to cataclastic flow: Permeability evolution [J]. Journal of Geophysical Research，1997，102 (B2)： 3027-3041.