国际深部地下实验室岩体原位力学响应研究综述

李邵军，谢振坤,2，肖亚勋，丰光亮，潘鹏志，王兆丰

(1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉，430071；2.中国科学院大学，北京，100049)

随着深地科学的发展，人们越来越意识到21世纪所面临的地球科学前沿问题将在地下深部得到解决，从而提高人类对粒子、地球、宇宙、生命等的认识和国家的科技力量水平。由于岩石这种天然材料对宇宙射线、地表干扰、人类活动等有阻隔作用，物理学家在地下开展极为灵敏的粒子物理和天体物理实验来发现宇宙的奥秘，生物学家也研究高地温、高地压等苛刻环境下微生物生存发展的规律，同时，地球科学家和岩石力学专家也致力于探索地下深部岩石的力学行为等关键科学问题。这些科学问题的创新突破不仅会极大地推动本领域学科的进步，同时也将促进粒子物理学、天体物理学、地球物理学、生命科学及岩体力学等领域的相互融合[1−3]。国际上许多国家已经建成或开始着力建设深部地下实验室(underground research laboratory，URL)，并在中微子双贝塔衰变、暗物质、地底原生微生物研究以及水−热−力−化学作用下岩石的力学行为等重大基础性研究方面取得了重大进展。地下实验室的安全建设和运行面临的首要问题是深部岩石力学问题，包括洞室稳定性、岩爆、板裂、塌方、深层破裂等工程灾害及其防控等问题。为此，众多学者从岩体变形、应力、声波测试、微震、声发射、钻孔摄像及理论数值分析等多个角度对此进行了系统研究，本文对当前国际上主要地下实验室的概况以及关键岩体原位力学响应的研究进展进行系统总结。

1 国际深部地下实验室建设概况

目前国际上已建成并投入使用数十个地下实验室[4]，用于暗物质、古生物、高放废物地质处置、CO2地质封存、深部岩石力学行为等前沿课题的研究，其中，以美国杜赛尔(DUSEL)地下实验室、加拿大AECL和SNOLAB 地下实验室、日本神冈地下天文台、韩国襄阳地下实验室(Y2L)、中国锦屏地下实验室(CJPL)等最具有代表性，表1所示为世界主要地下实验室的地理位置、垂直岩石覆盖厚度、容积、建设时间等信息。其中，位于四川省凉山彝族自治州的中国锦屏深部地下实验室二期(CJPL-II)是目前国际上埋深最大、规模最大的地下实验室[3,5]，其最大埋深为2 400 m，容积为300 000 m3，其主体共有9 个实验室，包括8 个物理实验室和1个深部岩体力学实验室，主要布置如图1所示。

图1 中国锦屏地下实验室二期隧洞布置图Fig.1 Tunnel layout of Jinping underground laboratory phase II,China

表1 世界主要地下实验室信息[4]Table 1 Information of the major underground laboratories in the world[4]

2 地下实验室原位监测技术研究

由于地下实验室所处特殊的地质环境，需要在深部地下实验室开挖和运行过程中，采用综合原位监测技术掌握实验室工程围岩原位的性质及其演化特征。岩体力学与工程原位监测技术指的是在现场保持围岩应力状态、结构及构造条件的基础上，获取围岩力学响应信息的测试方法，目前常见的监测技术包括变形、应力、声波测试、微震、声发射、钻孔摄像等，可以实现对岩体工程稳定性多方位、多角度的跟踪分析和安全预警。

2.1 地下实验室围岩变形监测

洞室变形是地下实验室开挖扰动效应最直接的响应[6]，常用于反映围岩动态信息，判别围岩损伤范围，分析围岩稳定性，优化支护参数、设计方案以及数值模拟中模型力学参数的反演等[7]，是分析地下实验室开挖扰动效应的重要参数之一。研究表明，围岩位移与地下洞室的初始地应力大小及方向、开挖施工顺序以及软弱结构面密切相关[8−9]，因此，为减小开挖后围岩的过度变形所造成的严重后果，在地下洞室开挖前需进行详细勘察研究，并在施工期间对围岩收敛位移进行实时监测，从而探明围岩变形的机制及规律，以指导设计施工。现有变形的监测技术主要包括围岩的表面变形监测和深部多点变位监测，表面变形代表性的监测设施有洞室收敛变形计、全站仪、激光扫描仪等，深部变位代表性监测设施有多点位移计、滑动测微计等。

然而，受开挖顺序限制，在地下洞室开挖过程中，位移量测设备安装前，围岩产生的位移无法量测，即存在损失位移[10]。常规围岩收敛位移的监测结果只是掌子面继续掘进后围岩进一步变形直至收敛过程中的位移(见图2)，从而对基于位移监测结果的工程稳定性分析产生不利影响。近年来，随着监测技术水平不断提高，众多学者通过数值模拟、超前布设量测钻孔及监测设备等获得了岩体在开挖全过程中的响应特征并分析了其变形演化规律，如：SATO等[11]通过对日本的Tono地下矿场开挖过程中的超前位移进行监测，获得了岩体的开挖全过程位移变化曲线，发现掌子面掘进超过监测断面时围岩位移迅速增加，并在掌子面超过监测断面2倍洞径距离时位移逐渐收敛；李二兵等[6]以中国北山地下实验室工程为依托，采用超前埋设多点位移计的方式对掌子面经过监测断面前后围岩位移进行动态监测，系统分析了巷道爆破开挖全过程中围岩位移变化的时态曲线；LI等[12−13]以中国锦屏地下实验室一期工程为依托，采用滑动测微计测试了实验室F支洞开挖支护全过程的围岩变形情况，揭示了岩爆灾变过程位移分阶段(变形加速期、平静期、再加速期)的变化特征，如图3所示。FENG等[14]依托锦屏地下实验室二期，采用多点位移计监测技术，发现位移随施工活动的四阶段特征以及不同深度的测点在开挖过程中呈现出更复杂的空间分布特征，即远离边墙的测量点的位移大于侧壁附近的位移，观察到深部位移多波峰的分布特征如图4所示。其中，图4(a)中DSP-01-M-A 表示01 断面的位移测点A，其余类推；图4(b)中sI为中导洞掌子面到监测断面的距离，sII为上层边墙到监测断面的距离。

图2 围岩位移随掌子面掘进的变化规律Fig.2 Variation law of surrounding rock displacement with heading face driving

图3 锦屏地下实验室一期岩爆灾害过程位移的变化特征Fig.3 Relationship between displacement of surrounding rock mass and excavation progress and rockburst in CJPL-I

图4 锦屏地下实验室二期岩体深部位移监测结果Fig.4 Displacement monitoring by multipoint extensometer in CJPL-II

2.2 地下实验室围岩应力监测

地下实验室围岩应力的测量包括2个方面：一是未进行地下实验室开挖时工程所在区域的初始地应力场测量；二是初始地应力场经过开挖扰动、围岩应力重分布后的二次应力场测量。

在初始地应力测量中，考虑地下实验室的埋深较大，目前主要采用的地应力测量方法是水压致裂法。作为目前深部地应力测量的唯一有效手段，水压致裂法可以提供可靠的最大水平主应力方向和最小水平主应力[15]，但在估计最大水平主应力时存在不确定性[16]。考虑该方法的局限性，近年来将水压致裂与其他测试技术相结合的方法逐渐被运用于深部地应力测量中。ZHANG 等[17]在中国北山地下实验室采用水压致裂和声波成像测井的方法测量了工程区的地应力，发现该地区的地应力场由最大水平主应力主导。JO 等[18]在韩国原子能研究机构地下实验洞(KYRT)对700 m 深度的水压致裂和钻孔成像方法的地应力进行测量，发现围岩地应力方向大致为ESE—WNW方向。

在二次应力场测量中，常见的方法有套孔应力解除法、应力恢复法等，这些方法都能测出洞室围岩的地应力，但均存在不足。套孔应力解除法在钻孔套芯解除时常由于应力集中导致岩芯饼化严重而无法获取应力解除全过程[19]，应力恢复法中常用的扁千斤顶法属于一维应力测量方法，在同一位置不同方向的测量结果会互相干扰[20]。针对以上问题，一些学者根据地下实验室特点对原有应力测试技术进行了改进，如李邵军等[21−22]在中国锦屏地下实验室中使用套孔应力解除法(见图5)对地应力进行测量(结果见图6，其中括号内数据分别表示应力、方位角和倾角)，并研发了基于钻孔变形法的无线地应力测量系统，并从现场情况和数值模拟角度验证了测试结果的可靠性(如图7所示)。

图5 中国锦屏地下实验室套孔应力解除法测量装置及测试过程Fig.5 Measurement equipment and processes of casing stress relief method in Jinping underground laboratory of China

图6 中国锦屏地下实验室套孔应力解除法地应力测试结果[22]Fig.6 In situ stress test results of casing stress relief method in Jinping underground laboratory,China[22]

图7 中国锦屏地下实验室围岩破坏分布及数值模拟结果[22]Fig.7 Failure distribution and numerical simulation results of surrounding rock in Jinping underground laboratory of China[22]

2.3 地下实验室岩体声波测试

地下工程中岩体声波测试是了解岩体开挖损伤区的重要手段之一。声波技术应用于岩体测试约始于20世纪60年代，包括声波测量、声波衰减和声发射测量，是一种介于地球物理勘探和工程震动之间的测试技术。岩体声波波速测试通过测定围岩中压缩波(P 波)和剪切波(S 波)的传播速度，实现对地下实验室围岩的岩体质量、岩体参数等评估[23]。

在波速测试技术的实际工程应用中，常使用超声波法、地震波法等进行地下实验室围岩的弹性波波速测试，通过对岩体进行外力冲击，岩体受到瞬时应力并产生相应的应变，当应力消散后，应变则以弹性波的形式在岩体中传播，之后使用单孔法或跨孔法(见图8)对弹性波波速进行测量。由于工程岩体的弹性波波速与岩性、密度、裂隙发育程度、软硬程度等有关[24]，因而，测得的波速能够有效反映工程区岩体的性质。

图8 单孔法和跨孔法测试示意图[23]Fig.8 Schematic diagrams of single hole method and cross hole method[23]

目前，多研究者开展了深部岩体的声波测试试验。CARLSON 等[25]在垂直岩石覆盖厚度420 m的加拿大原子能机构(AECL)地下实验室测试了围岩超声波波速，发现纵波波速具有强烈的各向异性，其最大速度和最小速度分别与隧道轴向平行和正交，并且纵波波速和横波波速均随着距洞壁距离增加而增加。FALLS 等[26]对加拿大原子能机构(AECL)地下实验室和瑞典核燃料废物管理公司(SKB)硬岩实验室(HRL)开展了声发射和超声波波速测试研究，其隧洞底板和洞壁的波速测试结果同样显示超声波波速具有很强的各向异性(如图9(a)所示)，并且在距隧道洞壁2 m 的位置内波速逐渐增加(见图9(b))，从而可根据测试结果有效确定围岩开挖损伤区范围。

图9 加拿大AECL地下实验室Mine-by隧洞声波测试结果[26]Fig.9 Acoustic test results of mine by tunnel in AECL underground laboratory,Canada[26]

然而，目前地下实验室声波测试技术仍存在不足。当使用单孔法或跨孔法进行测试时，因需要预先钻孔，故所测波速是围岩经过钻孔扰动后围岩的波速，不能准确反映开挖后岩体的波速特征；此外，对于单孔测试方法，波速测试结果仅能表征该孔附近的岩体性质，无法反映大范围的地下实验室围岩特性[27]。

2.4 地下实验室岩体微破裂微震监测

在深部地下实验室开挖过程中，应力重新分布及岩体开挖卸荷作用导致围岩变形，裂缝扩展、岩块错动等，并且使得积蓄在洞室围岩内的弹性应变能以弹性波的形式释放，进而导致岩体内部产生微震事件[28]。其能量释放的强度与围岩力学行为有密切联系，包含了大量有关岩体破裂情况、构造活动程度等影响地下实验室围岩稳定性的有用信息。通过在地下实验室围岩一定范围内合理布设传感器，组成传感器网络，便可通过其收集的微震信息获得岩体的局部状态和应力条件[29]，从而得到地下实验室围岩破裂情况、能量释放程度等的动态信息。

目前多个地下实验室研究者进行了微震监测研究。冯夏庭等[3,5]在锦屏地下实验室(CJPL)二期隧洞开挖工程中开展了包微震监测等工作，微震监测传感器采用立体式放射性分布，有效捕捉了开挖过程中的微震事件分布(见图10，其中，小球位置、大小、颜色分别表示岩体破裂位置、释放能量以及监测时间)，微震活动且大事件反映了实际开挖过程中发生的岩块弹射现象，监测结果与现场情况具有很好的一致性。王超圣[30]分析了北山地下实验室坑探设施微震信息，对微震时间到时拾取、微震事件特征参量、能量指数分布特征、微震事件b值、频带能量分布进行了研究。READ[31]根据加拿大AECL 地下实验室420 m 深处进行的Mine-by试验洞微震监测结果发现微震信号大多发生在隧道掌子面附近，并聚集在压应力集中位置。

图10 中国锦屏地下实验室二期隧洞开挖岩爆和微震事件分布图[5]Fig.10 Distribution of rockburst and microseismic events in tunnel excavation of Jinping underground laboratory phase II,China[5]

但由于地下实验室施工过程中常涉及爆破开挖，使得所捕捉的微震信息常混入爆破事件中[32]，导致所测数据需要进行合理筛选，常用方法有单通道多事件识别、小波分形特征分析、逻辑回归和神经网络方法、Fisher判别分析方法等，以上方法均不同程度地存在计算量巨大、判别结果存在误差、计算延迟大的问题，未来需要提出更完善的爆破和微震事件识别方法。

2.5 地下实验室围岩声发射测试

声发射(acoustic emission,AE)是指材料在外力作用下内部变形或裂纹扩展过程中由应变能的瞬态释放而产生弹性波的现象。地下深部岩体在高地应力作用下，其内部的矿物晶体间将可能产生滑移、错断、拉裂等破坏，进而表现为岩体中微裂纹的产生和扩展，同时，该过程也将伴随声发射信号释放，因此，声发射结果含有围岩的破裂演化过程、破裂位置、破裂尺度等重要信息，从而被广泛应用于地下实验室工程中。

声发射监测与其他测量相比简单易行，常被用于深部地下实验室围岩监测。冯夏庭等[3]在中国锦屏地下实验室中开展了声发射测试试验，实时监测开挖过程中的声发射活动，研究开挖岩体的破裂演化过程，从而对开挖过程中可能产生的岩爆风险进行实时预警。王超圣[30]对北山坑探设施声发射测试监测结果进行了分析，统计了研究区声发射事件分布情况，研究了声发射事件分布对北山地下实验室围岩稳定性的影响。孙雪等[33]对北山地下实验室花岗岩在三轴压缩下的声发射特征进行了研究，其结果反映了北山花岗岩在不同围压和破裂阶段的变形特征，对北山地下实验室工程的研究有重要意义。READ[31]总结了加拿大AECL地下实验室所得到的各种测试成果，其中MBE 试验和HFT 试验均使用声发射的监测手段，用于分析围岩破裂集中部位及破裂演化过程以及开挖、压力和热作用下的声发射事件数目变化规律(见图11)。

图11 加拿大AECL地下实验室HFT声发射活动变化规律[31]Fig.11 Variation of HFT acoustic emission activity in AECL underground laboratory,Canada[31]

目前声发射存在的主要问题是监测范围过小，一般认为声发射的有效监测范围在2 m左右，相对于地下实验室尺度来说监测范围太小，工程区全范围监测会导致监测成本上升。因此，在未来地下实验室乃至深地工程中，需采取更加高效的声发射测试技术。

2.6 地下实验室岩体结构和破裂的直接原位观测方法

深部岩体结构及其开挖损伤过程的破裂是岩体力学特性的决定因素，岩体破裂过程一般是从初始的微缺陷到最终的断裂破坏的渐进损伤劣化和不断累积的过程，是内部微缺陷不断扩展、贯通的结果。裂隙本身的几何形态、力学特性及其与开挖工程空间位置关系影响其在外荷载作用下的扩展和贯通过程，进而影响岩体的变形和强度。目前，在工程实际中，数字钻孔摄像是国际上认可的直接观测最可靠的手段之一[34]。其测试原理是将孔壁圆柱面图像经过截头锥面镜反射成像于锥面反射镜底部的某一平面或近似平面上，从而获得钻孔全长孔壁360°的全景图像。后经数字化处理得到圆柱面的平面展开图，进而能够获取裂隙产状、位置、形态、扩展情况等信息。它是一套全新的勘探设备，集电子技术、视频技术、数字技术和计算机应用技术于一体，解决了钻孔内工程地质信息采集的完整性和准确性问题，以确定结构面产状和隙宽，可发现对工程安全和稳定影响较大的结构面、监测裂隙宽度扩展情况，探测开挖损伤区范围，评价局部岩体完整性等[35]。

当前，国内外对于数字钻孔摄像技术的研究和应用主要集中在地质勘探和工程地质检测领域[36−37]。李邵军等[38−39]基于锦屏二级水电站深埋隧洞，对开挖损伤区形成与演化过程开展了数字钻孔摄像观测与分析，并基于锦屏实验室一期隧洞开挖工程观测了一次典型岩爆过程中的围岩裂隙萌生、扩展、贯通至闭合全过程的演化信息，如图12所示，认为丰富的裂纹萌生、扩展和聚集有时可以作为岩爆发生的前兆。如何量化钻孔摄像观测的围岩裂隙演化信息，将观测结果有效运用到工程设计施工中是目前亟待解决的问题。

图12 锦屏地下实验室一期钻孔裂隙形成与演化特征Fig.12 Formation and evolution characteristics of cracks in the first phase borehole of Jinping underground laboratory

3 地下实验室围岩开挖损伤区特性研究

3.1 深部地下实验室围岩岩芯饼化研究

岩芯饼化是处于高应力状态下的围岩在钻探取芯过程中由卸荷引起的岩芯拉伸破坏、断裂成饼的现象[19]，是深部工程的典型特征。研究表明，地应力大小及其方向[40]、地质结构[41]以及岩体强度参数[42]等对饼状岩芯的形成有重要影响，因此，通过对地下实验室围岩钻孔取芯，分析岩芯断面形态并统计岩芯长度，就能够获取地下实验室围岩的地应力分布、岩体结构完整性等重要信息。

目前，国外针对岩芯饼化的研究主要集中在室内试验、数值模拟及力学机制上，对地下实验室岩芯饼化现象的描述较少[43]，而国内的相关研究在此基础上还依托于锦屏地下实验室工程展开了大量的现场试验研究。陆彤等[43]在此进行了岩芯的现场取样，采用非接触式扫描技术详细记录了饼化岩芯的表面形态，探讨了岩饼断面形态形成的应力机制。李占海等[19]分析了锦屏辅助洞1 500 m深的钻孔岩芯空间分布规律，并通过断口电镜扫描试验获得了岩芯饼化现象的微观破裂机理，提出了岩芯饼化现象形成的力学机制(见图13)。周济芳[44]针对不同直径钻孔的岩心饼化现象进行了统计分析，探讨了饼化岩芯的数目、厚度与钻孔直径和地应力的关系。ZHONG 等[45]根据锦屏深部地下实验室大理岩岩芯饼化现象从现场岩芯厚度分布特征、表面形态、数值模拟角度等进行了分析，认为岩芯饼化过程中伴随着岩芯的拉伸和剪切破坏，其中拉伸破坏集中于岩芯中部，而岩芯边缘以剪切破坏为主。

图13 饼化岩芯形成力学机制示意图[19]Fig.13 Mechanical mechanism of core formation[19]

3.2 深部地下实验室围岩开挖损伤区特性研究

地下实验室围岩的开挖损伤区(excavation damaged zone,EDZ)是指由于开挖扰动引起岩体中微破裂数目迅速增加，在地下实验室围岩周围形成的一个岩体力学强度显著劣化的区域[46]，其形成主要由开挖扰动、开挖后围岩的应力重新分布、支护结构应力以及与地下水有关的岩石的膨胀或部分溶解等因素有关[47]，而其范围又与初始地应力状态、开挖方式、支护方式、地质构造条件等密不可分[46]，常通过对工程现场的应力、位移、波速测试、微震、声发射等监测数据进行分析整合后圈定，所以，EDZ 能够综合反映地下实验室围岩的力学特性，从而成为影响地下实验室规划设计的重要因素。

研究表明[48]，可将地下实验室中的开挖损伤区被进一步分为外损伤区和内损伤区(见图14)。内损伤区靠近围岩，表现为岩体声波波速快速下降，随着远离围岩，在外损伤区内表现为岩体声波波速下降幅度降低以及岩体渗透性快速上升，最终与未扰动岩体一致，KWON 等[47]对韩国KAERI 地下研究隧道的测试结果也体现了这一点(见图15)。严鹏等[49]对锦屏二级辅助洞爆破开挖损伤区进行了检测和数值模拟，认为内损伤区的形成与爆破荷载和地应力的快速卸荷有关，而外损伤区与隧洞围岩的应力重新分布有关。

图14 不同开挖方式下EDZ分布示意图[48]Fig.14 EDZ distribution diagram under different excavation methods[48]

图15 韩国KAERI地下研究隧道围岩开挖损伤区岩石力学性质变化示意图[47]Fig.15 Schematic diagram of rock mechanical properties change in excavation damage area of KAIRI underground research tunnel in South Korea[47]

在开挖损伤区测试技术方面，徐光黎等[50]考虑到应力损伤区的特征，综合国内外应力损伤区测试经验，推荐使用声波波速测试、围岩位移监测、钻孔摄像、声发射这4 种检测手段来确定其深度，并提出了由不同检测手段得到的应力损伤区的分区标准及4种方法的综合判别标准。LI等[34]利用钻孔摄像获得的孔壁360°数字图像，分析了裂隙的演化过程，给出了开挖损伤区的新定义，即基于可测试手段识别新生裂隙出现的位置与隧洞壁面间的区域，并对锦屏地下实验室隧洞在不同洞径、不同施工方法、不同埋深等条件下的开挖损伤区进行了测试分析，获得开挖损伤区的范围及其时空演化特征[51](见图16)。

图16 锦屏试验支洞C损伤区钻孔摄像揭示的裂隙形成与演化过程Fig.16 EDZ formation and evolution observed by digital borehole camera in branch tunnel C of Jinping underground laboratory

3.3 深部地下实验室岩爆发生机理研究

岩爆作为深地工程中高地应力区域由开挖卸荷引起岩体弹射性破裂的一种动力破坏事件[52]，其发生机制复杂，同时强烈岩爆危害巨大，施工期间岩块的突然冲击弹射对工作人员、施工设备、工程设施造成巨大威胁，严重影响施工安全。国内外许多学者从室内试验、原位试验、数值仿真等方面对岩爆机理开展了大量研究。

1)室内试验方面，苏国韶等[53−54]利用广西大学研发的真三轴岩爆试验系统成功模拟了室内应变型岩爆的发生过程，采用不同的试验方案开展了大量室内真三轴试验，深入分析了岩爆孕育过程中的声发射频谱演化特征，认为振铃撞击比大幅度增加并呈多峰变化的现象可作为岩爆发生的前兆(见图17)，为进一步探索声发射预测岩爆的可行性提供依据。何满潮等[55]针对北山花岗岩进行了不同卸荷速率下的岩爆试验，对比分析了爆坑深度、岩石碎屑、微裂纹及声发射特征，发现随着卸荷速率增大，试件爆坑深度加大，微粒、细粒和中粒碎屑比例上升，破裂面张性特征明显，声发射主频带变宽等，对认识不同卸荷速率下的岩爆发生机制具有重要意义。宫凤强等[56]对含贯穿圆形孔洞的立方体岩石试样进行了真三轴室内模拟试验，并利用微型摄像机实时监测了试样板裂屈曲岩爆的全过程，将岩爆孕育过程分为平静期、细颗粒弹射剥落期、板裂屈曲破坏期和强烈破坏期，揭示了深埋硬岩隧洞岩爆孕育过程。冯夏庭等[57]通过总结前人岩爆室内试验成果后认为，未来基于立方体试样的三面加载(σ1−σ3不断增大)以及三面加载(σ2−σ3不断增大)且施加扰动应力的应力路径将成为研究重点(其中，σ1为立方体试样所受最大主应力，σ2为中间主应力，σ3为最小主应力)。

图17 室内真三轴条件岩爆孕育过程声发射振铃计数变化[54]Fig.17 Variation of acoustic emission ringing count during rockburst incubation under true triaxial condition in laboratory[54]

2)原位试验方面，岩爆孕育过程现场实时监测内容包括应力、位移、微震等，其中微震监测应用最广泛[57]。肖亚勋等[58]基于锦屏二级引水隧洞群岩爆微震监测数据，研究了TBM和钻爆法下强烈岩爆的孕育规律，建立了岩体破裂微震主频的计算方法，该方法可以有效反映岩体破裂的微震波频率特征。陈炳瑞等[59]改进了现有微震监测技术，针对锦屏二级水电站3号引水隧洞开展了实时微震监测，揭示了围岩微震活动与TBM 掘进速度的关系，获得了岩爆发生前的微震事件和能量释放规律(见图18)。明华军等[60]根据微震监测数据的矩张量结果，推导了岩体破裂面方位的计算公式，同时依托锦屏二级水电站深埋引水隧洞工程，进一步验证了该方法的可靠性，并探究了即时性应变−结构面滑移型岩爆的孕育过程。

图18 锦屏二级水电站3#引水隧洞主要岩爆区域及微震事件分布[59]Fig.18 Main rockburst area and microseismic event distribution of No.3 diversion tunnel of Jinping II Hydropower Station[59]

3)数值仿真方面。VAZAIOS 等[61]基于FDEM方法研究了岩爆孕育过程的岩体破裂、能量积蓄及快速释放机理，模拟结果显示各向异性岩体在高地应力作用下产生的破坏形式以拉伸破坏为主，并且在岩爆过程中，体型较大、速度较低的岩块往往比体型较小、速度较快的岩块具有更大的动能，靠近开挖边界的岩体的动能比远离开挖边界的岩体的动能更大。赵红亮等[62]采用离散单元法数值分析程序，基于锦屏二级水电站辅助洞开挖工程探讨了断裂型岩爆的发生机理，认为断裂型岩爆是断裂构造在高应力下错动从而对围岩产生剧烈冲击的结果。

4 地下实验室围岩稳定性数值模拟方法研究

4.1 深部岩石的力学模型研究

地下实验室通常要求在硬岩中选址。在硬岩的破坏力学模型方面，早前的研究旨在通过经典弹塑性理论建立反映硬岩脆性破坏行为的岩石力学模型。最常见硬岩力学模型为弹性模型，这种模型可以通过弹性力学的应力分析确定岩体的扰动应力，进而通过与岩体强度比较来评估破坏的深度和程度。另外一个著名的模型是Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，它包括2个破坏准则定义的参数(内摩擦角φ和黏聚力c)和1个描述塑性流动规律的参数(剪胀角Ψ)。一些修正的Mohr-Coulomb 模型考虑了破坏准则的变化，如将Rankine破坏准则与Mohr-Coulomb准则[63]合并，反映低围压下的脆性断裂。除了弹性模型和Mohr-Coulomb 理想弹塑性模型外，还有2 种经典的模型，分别为弹脆塑性模型和应变软化模型，它们与Mohr-Coulomb 理想弹塑性模型的唯一区别是峰后的响应不同，其中，弹脆塑性模型认为峰后立刻发生脆性跌落，而应变软化模型认为峰后应力随塑性变形增加而缓慢降低，如图19(a)所示。

有些模型考虑塑性发展对弹性性质如弹性模量E的耦合影响，这种模型通常被称为考虑弹塑性耦合的岩石力学模型[64]。这种峰后软化行为往往是通过力学参数如黏聚力c、内摩擦角φ以及弹性模量E随等效塑性应变的弱化或者劣化实现的，通过系统分析这些力学参数的劣化规律，可以建立岩体劣化模型[65]，如图19(b)所示。

图19 深部硬岩破坏的几种力学模型Fig.19 Several mechanical models for failure of deep hard rock

值得注意的是，摩擦角φ和黏聚力c等强度参数的演化从一定程度上可以描述硬岩脆性破坏的破裂机制。HAJIABDOLMAJID 等[66]提出了一种考虑脆性破坏过程中与塑性应变相关的黏聚力弱化和摩擦强化(CWFS)模型(见图20)，这种模型认为硬岩脆性开裂充分发展后出现摩擦行为，而摩擦行为往往发生在开裂形成的新裂纹面上。由于深部硬岩的破坏常常以开裂为主导，CWFS模型比较适用于模拟深部硬岩破坏。

图20 黏聚力弱化和摩擦强化模型(CWFS)概念机理Fig.20 Concept and mechanism of CWFS model

除了这些经典的硬岩弹塑性修正模型外，通过考虑硬岩变形破坏过程中的损伤演化、断裂准则、接触原理、能量规律以及THMC耦合等问题，相应地提出了反映硬岩破坏的其他力学模型。为了描述岩石的脆性破坏，FANG等[67]建立了考虑局部裂纹发展诱导劣化的局部劣化模型。统计损伤模型则更关注岩石的非均质性，研究局部材料性质差异相关的统计损伤演化[68]。此外，将塑性理论与损伤力学相结合，考虑弹性刚度和塑性响应的塑性损伤耦合模型被广泛用于岩石拉伸和压缩破坏的建模[69]。基于岩石破裂过程中的能量演化规律，周辉等[70]提出了考虑岩石统一能量屈服准则的硬岩损伤模型，可更好地表征硬岩从低围压的脆性到高围压的延性转变过程，对硬脆性岩石的工程计算有一定的借鉴意义。对于硬岩的THMC 耦合问题，可以建立弹性、弹塑性、黏弹塑性的THMC 分析模型[71−72]，系统分析硬岩相关的温度−水流−应力−化学耦合作用行为。根据近年来硬岩真三轴压缩试验的新发现，FENG等[73]提出了硬岩三维破坏准则，同时描述了三大类弹塑延脆变形破裂过程。

4.2 深部岩石工程数值模拟方法研究

近年来，随着计算机技术不断发展，数值模拟方法取得很大发展，在深部地下实验室工程的围岩力学行为分析中发挥着至关重要的作用，并广泛运用于核素迁移模拟、多场耦合作用、开挖工序设计等多个方面。

数值模拟方法的选取对模拟结果有重要的影响，其一般分析流程为确定研究区域、建立数值模型、将模型离散、设定模型参数及边界条件、进行数值计算和分析模拟结果等，可以用于求解各种复杂的地下工程问题。表2所示为常用于深部地下实验室岩石力学问题分析的数值模拟方法[75]。

表2 深部地下实验室常用的数值模拟方法[75]Table 2 Numerical simulation methods commonly used in deep underground laboratory[75]

数值模拟方法在深部地下实验室工程中的应用十分广泛。苗雨生[75]对北山地下实验室洞室群围岩稳定性进行了数值模拟分析，获得了洞室群围岩稳定安全系数。ZHONG 等[45]利用数值模拟方法分析了锦屏大理岩岩芯饼化现象的发生机理。READ[31]在研究加拿大AECL 地下实验室进行的开挖稳定试验(ESS)结果时，将数值模拟方法与现场围岩破裂情况相结合，得出了地应力方向与隧洞开挖形状对围岩破裂情况的影响规律(见图21)。PAN等[76]研发了工程岩体破裂过程细胞自动机分析软件CASRock，应用于瑞士Mont Terri地下实验室现场试验加热过程(如图22中绿圈位置)中的温度−渗流−应力耦合行为模拟，并与试验结果和国际上不同研究团队的结果进行对比，图23所示为不同研究团队采用的程序和数值方法的模拟结果与试验结果的对比，其中CAS 代表中科院研究团队，CAS 采用CASRock 软件的EPCA3D 模块进行该过程模拟，模拟结果与试验结果高度吻合[77]。

图21 加拿大AECL地下实验室ESS试验围岩破裂情况[31]Fig.21 ESS test of surrounding rock fracture in Canada AECL underground research laboratory [31]

图22 Mont Terri地下实验室两处原位试验位置Fig.22 Location of the two in situ experiments analysed in this work in the Mont Terri URL

图23 HEDB15和HEDB16在1年内的温度演变实测结果及模拟结果Fig.23 Measured and modelled temperature evolution in HEDB15 and HEDB16 over a 1 year period.

5 深部地下实验室的岩体原位力学响应研究方向探讨

1)深部地下实验室岩石破裂机理及时效特性。岩石破裂机理及其时效特性一直是岩石力学领域研究的重点和焦点，更是实验室安全建设需要明确的首要内容。揭示深部岩石破裂机理对实验室工程有决定性作用，体现在：第一，影响地下实验室的开挖方案。目前地下洞室开挖的方式主要有TBM 法和钻爆法，在高地应力环境下需要考虑如何有效破岩并控制深部工程灾害的发生。第二，影响地下实验室的支护设计方法，在开挖完成后探讨如何有效地降低围岩开挖损伤区的进一步开裂、坍塌等问题。研究表明，在深部高应力、高地温条件下，岩石的破裂机理及其时效特性与浅部有显著差异，表现出不同的脆性和延性特征以及时效渐进劣化。

2)深部地下实验室原位测试与监测技术。随着对岩石力学相关领域研究的不断深入，鉴于地下实验室所处地下环境的复杂性，新的测试技术、新的测试仪器、新的测试指标等问题亟待解决，对此，国内外众多学者针对不同地下实验室环境提出了一些新的测试手段，改进了相关测试仪器，有效地解决了地下实验室现场测试技术问题。然而，由于深地实验室一般建设在硬岩内，高应力硬质围岩表现出变形小、隐蔽深层开裂、灾变突发等特点，一方面，需要新的综合监测技术以捕捉岩体变形破裂释放的多元信息，另一方面，需要采用灵敏度和精度更高的智能感知元件以及更加精细的测试方案，实时获取围岩力学行为的基础数据和监测预警实验室围岩的微小破裂和变形。

3)地下实验室深部岩体力学理论与工程设计方法。地下实验室通常选址岩石垂直覆盖层厚度大的位置，从而尽可能地增加岩石对宇宙射线的屏蔽作用，降低地面的人为干扰，降低有害废料对地面的辐射作用等。此外，在深地环境中，在高应力、高地温、地下水、化学及生物作用耦合(THMCB)情况下，岩石的力学性质发生了较大变化，从而导致围岩强度降低、裂缝扩展、过量变形、渗透性增加、开挖损伤区扩大等，进而引起围岩开裂、仪器损毁、实验室结构及其构筑物变形、诱发岩爆、应力性塌方等深部工程灾害，并造成工程构筑物损毁、环境污染等严重的工程事故。因此，与普通的地下工程相比，深部地下实验室赋存的地质条件复杂，埋深大，地应力高，深部岩体力学行为、工程灾变模式等与浅部地下实验室有显著差异，现有的浅部岩石工程设计理论不适应深部地质环境要求，对洞室结构、布置、开挖方式、支护设计等亟需建立新的深部岩体力学理论与工程设计方法，从而确保实验室安全建设和运行过程围岩的稳定性。

4)深部地下实验室稳定性数值分析方法。随着计算机技术的不断发展，各种计算理论、计算方法、计算软件不断被提出，从最初的有限差分、有限元、边界元，离散元等传统数值计算方法，到流形元、物质点法等新型数值计算理论，数值模拟在地下实验室设计施工、机理解译及特殊工程问题分析等方面优势明显。

然而，目前大多数数值模拟方法在深部工程的应用过程中仍存在问题：一些模拟过程过于注重整体模拟效果而忽略局部效应；所建立的准确细观模型仅限于小尺度或仅限于二维条件下的模拟；尚未有业内普遍认可的合理描述深部岩石力学行为的力学模型，且现有数值模拟方法还难以解决深部条件下三维连续−非连续和动力灾变的耦合问题。

6 结论

1)深部地下实验室已成为各国不同领域科学研究的重要依托平台，地下实验室赋存环境不同、用途各异、设计布局各具特点，为保证洞室稳定，岩体力学响应分析与控制是地下实验室首要解决的关键问题，是实验室安全建设和运行的重要保障。

2)深部地下实验室通常处于大埋深、高应力、高水压、高低温等复杂地质环境下，深部岩石的材料特性和力学行为与浅部岩石有显著差异，现有深部岩体力学响应研究主要集中在安全监测与预警技术、灾变机理、围岩开挖损伤区、力学模型和数值模拟方法方面，研究成果为深部地下实验室的安全建设和运行提供了重要支撑。

3)针对深部地下实验室的岩石力学问题研究现状，未来亟需开展的研究方向包括岩石破裂机理及时效特性、高精度原位智能监测与预警技术、地下实验室深部岩体力学理论与工程设计方法、洞室稳定性分析的三维连续−非连续数值方法和软件系统等。