深部岩石工程力学特性及地应力测试研究综述

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(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室， 武汉 430010)

1 研究背景

随着我国社会经济的高速发展，水利资源显现大规模开发趋势，与之相关的地下工程呈现出大规模大埋深的特点。以雅砻江锦屏一级、二级及南水北调西线为代表的西部水利水电工程在高山峡谷和深部岩体中修建，具有超长、大埋深、超高地应力、超高外水压等特点，如锦屏二级引水隧洞单洞长16.6 km，一般埋深1 500～2 000 m，最大埋深2 525 m，最大埋深处地应力达70 MPa，最大外水压力10.2 MPa，施工中的岩爆、突水事件频现。大渡河丹巴电站引水线路围岩垂直埋深一般为500～800 m，最大埋深1 220 m，最大地应力超过30 MPa，基本上与工程围岩的强度接近，软岩大变形问题突出。这些深部岩石工程中面临的高地应力、高外水压力引起的结构安全、岩爆、大变形等问题是近10余年来岩石力学研究的难点与热点[1-2]。

由于赋存环境不同，与浅埋隧洞相比，深部工程岩体具有独特的“三高与时间效应”，即高地应力、高地温、高渗透压力和高应力流变等特点。开挖后岩体的力学响应将会表现出与浅部岩体根本的差别，其变形和强度特性表现出明显的高应力作用效应特征：①岩石的流变性明显增大，即使硬岩也会因大的应力差产生明显的时效变形；②岩石强度曲线改变，在低围压下服从线性莫尔-库仑强度准则的岩石，在高围岩下存在着明显的非线性特征；③脆性-延性转化，在较低围压下强度峰值后表现为脆性的岩石，在高围压下转化为延性；另外，深部岩石工程近场围岩在开挖卸荷后还会产生明显的瞬时变形及时效变形，难以采用传统的岩石力学理论解释。

针对深部地下工程的开发现状及发展前景，国家自然科学基金委员会于2003年启动了《深部岩体力学基础研究与应用》和《持续高应力作用下深埋长隧洞软弱围岩长期变形研究》重点科研项目；2007年度启动了雅砻江联合基金重点项目《深部岩体工程特性的理论与实验研究》；2010年度科技部启动了973项目《深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论》。依托不同的工程背景，均对深部岩石工程的力学特性开展了系统研究，这些研究均促进了深部岩石力学特性研究及地应力测试方法的进展。

本文重点对深部岩石试验技术、高应力复杂应力路径下的岩石力学特性、深部岩石的流变特征、深部围岩的质量分级与评价、地应力测试与分析等方面研究成果的进展作简要综述。

2 深部岩石试验技术

我国的水利水电工程岩石力学试验技术主要起源于20世纪50年代后期启动的三峡工程岩基研究，在自主创新、引进消化相结合的基础上，提出和发展了系列室内与现场岩石力学试验方法，包括岩石室内物理与力学试验、岩体与结构面现场强度试验、岩体变形特性现场试验、现场大尺度三轴试验、隧洞弹性抗力试验等内容，并编制了岩石力学试验规程[3]。20世纪90年代以来，针对复杂条件岩石力学试验问题，1990年许东俊等[4]研制出岩石高压真三轴室内试验设备，1994年葛修润等[5]研制出伺服性三轴与剪切试验系统等设备，推动了复杂应力条件岩石室内试验技术的进步。

随着科技进步，岩石试验设备的稳压系统采用伺服闭环控制、滚珠丝杠和液压相结合开始成为主流。在岩石力学室内试验技术发展上，为了研究高应力并增强成果代表性，试验设备向大尺寸、高吨位方向拓展。例如，同济大学2002年研制出岩石双轴流变试验机，垂直轴方向的最大加载压缩力为500 kN，最大加载拉伸力为250 kN，水平轴方向的最大加载压缩力为300 kN，立方体试样尺寸可达30 cm[6]；长江科学院2004年与厂家联合研制出TLW-2000型岩石三轴蠕变试验仪，围压达70 MPa，轴向荷载达2 000 kN，最大试样尺寸为Φ100 mm×200 mm[7]。针对深部岩体的高温、高渗透压力等特点，赵阳升等[8]研制出20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机，该试验系统最大轴压和侧压达10 000 kN，最高加热温度600℃，试件尺寸Φ200 mm×400 mm。在节理剪切-渗流耦合试验方面，也有重要进展[9]。

针对锦屏二级引水隧洞等工程现场高应力条件下的岩石力学试验技术，长江科学院在高应力条件下的现场三轴试验及流变试验技术方面取得研究进展。2010年张宜虎等[10]研制出YXSW-12型微机控制现场岩体真三轴伺服试验系统，该系统提供15 MPa围压和20 MN轴向载荷，试样尺寸50 cm×50 cm×100 cm，可获得高压真三轴复杂应力路径条件的全过程应力-应变试验曲线。在现场岩体流变试验方面，研制出RXZJ-20000型微机伺服控制岩体真三轴流变试验系统，该系统具有高应力、大尺寸、实时采集等特点[11]。

总体而言，在模拟深部岩石力学特性的研究方面，室内试验设备发展相对成熟，变形测试精度高，现场试验设备因荷载大，运行环境恶劣，设备的可靠性与测试设备的稳定性需要进一步研究。

3 高应力复杂应力路径下的岩石力学特性

主要针对锦屏引水隧洞等深埋隧洞工程的深部岩体力学特性问题，基于MTS和RMT等高应力岩石力学伺服型试验系统，开展了大量的高应力加卸载复杂应力路径条件岩石的变形破坏规律及非线性强度特性研究。在高应力条件下的试验中，室内岩石试样三轴试验最大围压可达150 MPa，轴向压力5 000 kN。现场高应力条件下的力学试验，大试件岩样围压可达15 MPa, 轴向载荷水平达30 000 kN。

下面介绍一些典型的研究成果。 高春玉等[12]利用锦屏一级水电站的大理岩试件进行了加载和卸载条件下的系列三轴试验， 对大理岩在加、 卸载条件下的力学参数进行了计算整理，揭示了大理岩在加、 卸载条件下力学特性的差异； 周宏伟等[13]通过岩块实验， 研究深部岩体在高围压作用下脆性变形向延性变形的转化点; 陈景涛等[14]针对拉西瓦新鲜花岗岩， 在设定的加载方式下， 通过真三轴试验模拟了高地应力条件下地下工程开挖引起的复杂应力路径的演化规律； 李宏哲等[15]对大理岩开展卸围压破坏及卸围压多级破坏试验， 讨论了其变形特性的差异性， 表明卸荷更容易导致岩石破坏； 汪斌等[16]针对锦屏引水隧洞大理岩， 利用MTS试验系统对岩石试样开展了单轴加载全过程， 单轴加-卸载循环全过程试验， 高应力三轴压缩试验以及高应力条件下的峰前、 峰后卸围压4种不同应力路径的试验，得到了应力-应变全过程曲线、 变形破坏特征和主要力学参数的变化规律； 黄润秋等[17]基于室内三轴卸荷试验及破裂断口SEM细观扫描分析， 研究了高应力条件下不同卸载速率对大理岩的变形与破坏过程的影响规律； 周火明等[18]在锦屏引水隧洞平洞内，进行大理岩原位高压真三轴卸载试验， 开展了大尺度(50 cm×50 cm×100 cm)、高应力(σ2=11.2 MPa)、 真三轴卸σ3的力学试验， 获得了真三轴卸载条件下岩体的强度参数； 陈卫忠等[19]对大理岩进行三轴试验和峰前、 峰后卸围压试验， 提出用非线性幂函数型Mohr强度准则反映大理岩峰前、 峰后卸围压的强度特征； 汪斌等[20]基于室内岩石三轴加、卸载力学试验， 研究了高应力条件及应力路径对岩石强度参数的影响规律。 研究表明， 在高应力加载和卸载应力路径下的岩石破坏的强度判据可采用幂函数型Mohr准则来描述。

4 深部岩石的流变特征

流变性质是指材料的应力-应变关系随时间变化的性质。材料变形与强度特性随时间变化的现象称为流变。大量的工程现场测量与试验结果表明，软弱岩石以及含有泥质充填物和夹层破碎带的岩体，其流变特性通常比较显著。坚硬岩体，若受多组节理裂隙切割，或在高应力作用下，也需要考虑岩体流变的影响。因此，岩石流变性质的研究是岩石力学特性研究的重要内容。

孙钧[21]就岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展问题，围绕软岩和节理发育岩体的流变试验、流变模型辨识及其参数确定、高应力隧洞围岩非线性流变、岩石流变损伤与断裂及其相关应用等进行了系统梳理和总结。近年来，围绕锦屏水电站等高应力条件下的岩石流变力学问题，在高应力条件下复杂加卸载路径室内流变力学试验、现场流变试验、岩石流变力学特性及非线性流变模型研究及参数辨识等方面，取得一些研究进展，尤其是针对深部岩石的流变特征，开展流变规律的非线性描述和考虑卸荷特点的流变试验等方面成果较多。

以下介绍一些代表性成果：曹树刚等[22]针对岩石的全应力-应变试验过程，分析岩石试验裂隙的扩展与破坏，反映岩石黏滞系数由大到小的变化规律，据此将常参数流变模型中的粘滞系数改为与岩石变形特性及时间相关的变量，构建相应的非线性黏塑性流变模型；徐卫亚等[23]将非线性黏塑性体与5元件线性黏弹性模型串联，建立了1个由7元件组成的非线性黏弹塑性流变模型，通过改变参数取值，可以反映岩石流变3个阶段的流变特性，并基于试验得到的绿片岩三轴流变试验曲线，验证了模型的合理性；朱杰兵等[24]以锦屏引水洞绿砂岩为对象，采用恒轴压、逐级卸围压的应力路径开展室内岩样的流变试验，研究岩石在高应力(最大围压40 MPa)卸载条件下的流变特性，并探讨了考虑损伤演化条件下的非线性损伤黏弹性Burgers模型的建立问题。

熊良宵等[25]对Bingham体的线性黏滞体进行修正，将黏滞系数转换为时间及应力的衰减函数，并与线性黏弹性流变模型组合，形成能反映加速蠕变的非线性黏弹塑性流变模型，基于砂板岩的室内蠕变曲线，对所建立的流变模型进行了验证；沈明荣等[26]对锦屏二级含绿片岩软弱结构面的大理岩试样进行了加载剪切流变试验，研究了不同法向应力条件下岩体结构面的蠕变力学特性及其规律，并讨论了利用改进的非线性Burgers模型描述结构面蠕变特性的适用性；夏才初等[27]对现有的参数非线性流变力学模型及其建立的方法进行了系统的总结，提出了处理参数非线性理论流变模型的3种方式。长江科学院邬爱清等[28]针对锦屏电站的锦屏T2b大理岩、T1绿片岩以及T2y大理岩等，开展了室内高应力下三轴压缩与三轴卸荷流变、单轴压缩流变、结构面剪切流变及现场三轴流变等试验，重点研究了工程围岩在高应力及复杂路径条件下岩石的流变特性，在通过高应力条件下的试验手段揭示深部岩体流变特性方面取得较为系统的研究成果。

5 深部围岩的质量分级与评价

目前，我国针对工程围岩分类主要采用水电围岩分类HC法、巴顿等人建立的Q系统法、Bieniawski提出的RMR法、国标BQ法等。而深部地下工程岩体具有的高地应力、高地温、高渗透水压等特点。就应用效果而言，以上几种方法的适应性，在学术及工程应用上，存在各类不同的观点，部分应用成果表明，岩体评价结果与现场实际相差较大。基于深部地下工程勘察及TBM施工的要求，在上述分级方法的基础上，国内外学者针对深部工程的具体特点开展了相应的分级修正方法研究，取得一些研究进展。

以下介绍一些典型成果：王广德等[29]结合锦屏引水隧洞的围岩分级实践，通过引入地应力修正系数、岩爆烈度、水力劈裂的临界水头压力等，建立了反映高地应力、高外水压力特色的围岩分类方法——深埋隧洞围岩分类方法 JPHC分类；刘业科等[30]以RMR分级为基础，通过引入水弱化修正系数RW、热弱化修正系数Rθ、岩石流变弱化修正系数Rt对岩石的单轴抗压强度σc进行修正，同时增加地应力修正项P7，并对分类指标P1，P2，P3和P7进行连续性修正，建立深部岩体工程围岩分类修正RMR系统；刘现春等[31]针对西南某电站引水隧洞TBM施工中的围岩质量分类问题，发现TBM施工方法对结构面的节理组数，节理间距等揭露不充分，在Q系统基础上对该系统的参数进行调整，建立适合TBM施工的JPQT系统，经应用检验，JPQT系统在TBM开挖引水隧洞适用性较好；邬爱清等[32]在国标《工程岩体分级标准》修订的基础上，通过对与国标相关的各类文献成果的整理分析，研究了国标BQ法、RMR法、Q系统及水电工程HC法等方法的相关性，国标对包含高应力条件在内的工程岩体质量评价中的应用效果，对高应力条件下的工程岩体分级问题进行了讨论。

尽管如此，国内外尚无公认的适用于深埋地下工程围岩质量分级的统一标准，对于高应力、高外水压力、高地温等赋存环境下的洞室围岩质量评价及围岩分级问题属前沿性研究课题。

6 地应力测量方法与测试技术进展

岩体中初始地应力的存在以及岩体应力对岩体工程的重要影响， 是岩石力学有别于其他学科的重要特征。 通过一定测试方法和分析手段， 获得工程所在部位岩体初始应力及应力场特征， 是岩石力学的重要研究内容。目前， 工程上普遍采用的应力测量技术为钻孔应力测量， 包括套钻孔应力解除法和水压致裂法等方法。 岩体初始应力测量方法与测试技术进展主要体现为： ①通过测试方法的改进， 使得岩体应力测量对钻孔地质条件的适应性更强； ②通过对水压致裂方法的研究和改进， 获得岩体三维应力测量的测试方法； ③高应力条件下的地应力测量问题； ④千米级及以上深度岩体初始应力测量问题。

6.1 钻孔应力解除法方面的进展

刘允芳等[33-34]对深钻孔三维应力解除法进行了改进和发展。该方法在20世纪80年代引进瑞典深孔水下三向应变计钻孔孔壁应变解除法基础上，自行研制CKT-1型水下粘结计，并将空心包体式三向应变计替代原水下应变计，形成了地质适应性更强的深钻孔三维应力解除法地应力测量方法，相继在三峡以及广蓄、惠州及阳江等抽水蓄能电站中得到应用，最大测试深度达365 m。葛修润等[35]研发了三维地应力BWSRM 测量方法及其测井机器人，提出了钻孔局部壁面应力解除法(BWSRM)三维地应力测量方法的原理，以及基于BWSRM方法的地应力测井机器人，并在锦屏水电站引水隧洞试验平洞内得到应用。

6.2 水压致裂地应力测量方法及技术上的进展

刘允芳[36]提出了利用钻孔中原生裂隙的重张试验，在单钻孔中进行水压致裂法的三维地应力测量原理和计算方法。刘允芳等[37]提出的水压致裂三孔交汇三维地应力测量方法应用于水布垭地下厂房实际工程的地应力测量，并对水压致裂测量经典理论成果进行了对比分析与讨论。蔡美峰等[38]为实现厚度达700 m煤田上覆层的岩体应力测量，对传统水压致裂法测量方法和设备进行了改进，增强测量系统的耐压能力，提高相关测试精度，使得地应力测试深度超过1 100 m，最大测量深度1 105 m，创造了国内水压致裂地应力钻孔测试的新记录。马鹏等[39]针对锦屏二级水电站引水隧洞超高地应力的特点，研制出最大测试压力为100 MPa的水压致裂法地应力测试系统，已完成现场6组三维地应力的测试，单孔实测最高岩体致裂压力达92.1 MPa。

6.3 其它测试方法上的进展

林为人[40]针对以科学研究为目的的深钻孔地应力测量问题，提出了结合钻孔法和岩芯法获得三维地应力的大小和方向的测试方法-非弹性应变恢复量测法，并给出了具体应用实例(岩样获取深度783 m)，该方法可作为钻孔解除法及水压致裂法的一种有效补充。B.C.HAIMSON[41]提出了一种测量深部垂直钻孔中3个初始主应力的混合方法，该方法利用钻孔崩落的定向图像及钻孔岩样强度特性，建立极限平衡方程，由此获得钻孔最大主应力。

7 存在的问题与展望

尽管围绕上述深部岩石工程科学问题在理论和应用方面已取得了大量和富有成效的成果，但岩土体本身的复杂多异性和地下工程日益超大规模化，许多理论方法还有待进一步提高，很多问题还需要进一步地深入研究。

(1) 高地应力下岩石类工程介质材料本构模型的研究是合理分析地下工程稳定性的关键问题，而这一特殊环境下洞室开挖扰动导致了围岩力学性质发生了明显的劣化和弹脆性破损。因此，如何考虑围岩变形破坏过程中岩体力学参数的变化过程，以及如何反映岩体的弹脆塑性力学行为的硬岩本构模型特别是峰值后应力下降段的力学行为还需要进一步研究。

(2) 地下工程洞室开挖对围岩的扰动是一个动态过程，故围岩二次应力场调整也是一个动态过程，二次应力场这种变化特性对围岩的损伤破坏也是动态变化的。因此，采用合适的指标用以描述二次应力大小、方向和弹性势能的改变，分析对围岩损伤的影响过程和影响程度，并在此基础上评价和预测围岩的稳定性，以及变形机理和破坏模式还有待进一步研究。

(3) 计算参数取值一直是困扰岩土工程数值模拟的“瓶颈”。如何吸取现有优化算法，系统地形成岩体参数反分析思路，并结合工程现场多种监测信息，获得对数值分析正确性影响最为明显的岩体等效参数值，是数值模拟方法较好地服务工程建设的前提和基础。

(4) 地应力测量方法和技术方面，现深部地应力直接测量主要是水压致裂法，国外改进设备测深达9 000 m，而我国目前最大测深约千余米，需对传统水压致裂设备升级改造，研制耐高温高压的封隔器以及深孔成像技术，并从理论上建立考虑岩体非线性、孔隙弹性效应的破裂准则。另外，由于软岩或破碎岩体非线性和非连续性突出，现仍无有效测量方法。软弱破碎岩体地应力测量研究也将是今后的研究重点。

(5) 针对满足当前水利资源配置需求的长距离调水问题，研究以线路钻孔勘察为主要手段的基于钻孔条件下的岩体特性测试与评价方法，也是深部岩石力学特性研究的一种新的需求。

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