深部重大工程灾害监测与防控技术研究现状及发展趋势

李利平，贾超，孙子正，刘洪亮，成帅

(1.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南，250061；2.山东大学齐鲁交通学院，山东济南，250002)

深部工程建设及资源开发事关国家安全与国计民生，为实现国民经济可持续快速发展及国家安全工程建设，我国推动实施了交通强国、能源转型和深地战略，在建、拟建大批交通、水电、矿山、能源领域的深部工程[1−3]。“十四五”规划和“二〇三五”远景目标建议指出，要重点发展深地资源开发等多项科技前沿领域，实施川藏铁路、西部陆海新通道、国家水网、雅鲁藏布江下游水电开发等重大工程，开启了我国深部工程开发新纪元。

近年来，各类深部工程已向1 km 以深发展，如：在交通隧道领域，峨汉高速公路隧道最大埋深1 944 m，川藏铁路隧道最大埋深2 600 m；在水电隧洞领域，引汉济渭输水隧洞最大埋深2 012 m，锦屏水电站引水隧洞最大埋深2 025 m；在矿山井巷领域，新汶孙村煤矿最大埋深1 503 m，云南会泽铅锌矿最大埋深1 584 m；在能源储库领域，金坛盐岩地下储气库埋深1 200 m，湖北应城盐穴储气库埋深1 300 m。此外，当前地热资源开采深度已超3 000 m，油田开采深度已超7 500 m，如文登—威海—荣成—威海深部地热测温孔达3 000 m，新疆塔河油田开采深度达到8 800 m。特别是伴随2021年3月发布的《国家综合立体交通网规划纲要》等国家战略的实施推进，川藏铁路、滇中调水、渤海湾通道等一大批超级工程的持续推动，未来，我国深部岩石工程建设将趋于常态。

深部岩石工程赋存地质环境极端复杂，高地应力、高地温、高渗透压等问题突出，与浅部地层相比，地质灾害发生频率更高、成灾机理更复杂，呈现强突涌水、高强度岩爆、软岩持续大变形、巨石垮塌、煤矿冲击地压等恶性形态，严重影响施工与运营安全[4−7]。同时，各类深部岩石工程地质灾害是难以解决的工程痼疾，且灾害共生−次生现象显著，如持续大变形易诱发突涌水、动压等灾害，催生链式灾害效应，导致重大人员伤亡、严重经济损失和恶劣社会影响，如2005年7月7日，江西省萍乡市上栗县赤山镇高兰永胜煤矿发生特大突水事故，死亡15人，直接经济损失500万元；2009年11月28日，四川省锦屏二级电站施工排水洞发生极强岩爆灾害，7人遇难，1人受伤，救援工作长达35 d，救援入洞1 850 人次。因此，深部岩石工程灾害以其复杂的地质赋存环境、动力灾变过程和治理控制机制极大制约了灾害过程监测预警和调控治理，导致长期处于被动防治局面。

近年来，在深部岩石工程重大灾害预防与控制方面，国内外学者进行了大量的理论研究及试验分析。在突涌水治理方面，文献[8]提出了突涌水治理五先五后原理；在岩爆方面的成果有岩(煤)柱应变型岩爆的定量预测、围岩应变型岩爆定量预测、断裂滑移型岩爆预测[9]；在软岩大变形方面，何满潮等[10]研发了具有泊松比效应的新型恒阻大变形锚杆/索。然而，考虑深部工程岩石力学行为的复杂性和特殊性，其预防与治理难度很大[11]，主要包括：1)对复杂环境深部工程灾变机理认识不清；2)重大灾害监测预警手段尚不成熟；3)重大灾害控制措施仍不健全[12−13]。本研究将从深部岩石工程重大灾害出发，对强突涌水、高强度岩爆、软岩持续大变形、巨石垮塌和煤矿冲击地压5类典型灾害的监测预警和控制研究现状进行总结分析。同时，结合智能化、机械化和信息化技术的发展及应用，深入探讨深部岩石工程重大灾害的研究重点和方向，为深部岩体工程灾害预防与控制提供参考。

1 强突涌水灾害

地下工程岩体赋存大量裂隙和充填结构面，在地下水和工程双重扰动下演化成过水通道诱发突涌水灾害。基于隔水阻泥结构破坏模式，突水类型可划分为隔水岩体破裂突水和充填结构失稳突水。对于裂隙岩体，其突水类型通常为岩体高压水力劈裂型，突水通道的形成机制主要表现为高压裂隙水作用下岩体裂隙的扩展、贯通直至破裂的渐进过程；对于强渗透性充填型地质构造，当附近存在大型灾害源时，充填构造就成为突水的优势通道。在强渗透压力与开挖扰动作用下，地质构造内的充填介质受到潜蚀，诱发管涌、流土等失稳现象。当力学状态满足一定条件时，地质构造内的充填物被迅速冲垮形成突水通道，比如渗透性较好的夹层充填结构、裂缝充填结构以及充填型断层、岩溶管道等[14]。深部岩石工程面临复杂地质环境，常赋存高压地下水和高地应力，突涌水灾害呈现显著的超高水压、超大流量、高隐蔽性、强突发性和强破坏性特点，其预防与控制的关键在于防突岩体内部裂隙扩展贯通演化与突水通道充填介质动态渗透态势的有效监测预警和控制，特别是基于应力场和地球物理场多元信息的关联变化因素，其灾变演化态势预测与突水通道空间定位，是实现深部岩石工程突涌水预防控制的核心所在。

1.1 监测预警技术现状及发展态势

多年工程实例证明，突涌水灾变过程在地球物理场、力场和地质前兆特征上有明显响应，部分学者从传统地质角度出发，探索了突涌水灾害的宏观前兆特征，取得了一定的效果，主要包括掌子面围岩、探水孔出水情况和区域水文地质特征。实质上，掌握地球物理场和力场信息方面的突水前兆特征对突涌水监测预警更为重要[14−16]。我国在20世纪90年代研发了煤矿底板突水前兆监测设备，主要围绕底板弹性波、钻孔水压和位移开展监测；日本采用水质分析及摄影测量方法开展了海下采煤突水监测预警；基于水质监测原理，德国、英国等研发了广泛应用于地下工程突水化学监测预警的传感器。各类传感器的应用推进了灾害监测预警的进步[17−22]。同时，近些年来海下等水下隧道工程越来越多，于水下隧道而言突涌水问题更加重要，对此，国内外学者进行了相关研究工作，李术才等[23]通过加权的方法得到了确定海底隧道最小岩石覆盖厚度的方法和原则，基于大量数值分析，提出了通过最小位移确定海底最小岩石覆盖厚度的方法。

同时，微震监测技术逐步发展成为地下工程突涌水灾害防控中不可或缺的一种技术手段，特别是在深部岩石工程中得到了广泛应用[24]。在水害防治领域，微震技术的应用始于2000年[25]，主要涉及确定煤矿断裂带垮落带发育高度、定量化突水模型以及定位突水通道和确定岩层断裂突水前兆规律等，为突水预测预报奠定了理论基础，此后，微震技术在多个领域地下工程得到了成功应用，确定了高地应力分布及集中区，圈定了潜在突水区域，为突涌水害治理调控提供了技术支撑。

上述研究为地下工程突涌水监测预警提供了坚实的技术基础，然而，随岩石工程向深部拓展，当前技术装备在高温、高地应力围岩等极端环境下出现了应用弊端，如现有传感器存在存活率低、精度低、不耐高温、不耐高压和寿命短的问题。未来拟针对国家重大深部工程如川藏铁路极端环境下隧道围岩监测难题，研发耐高温高压的高精度长寿命无线传感器，测量应力、应变、位移及渗压参数，同时提出内置围岩监测元件的配套施工装备及安装工艺，并针对监测传感器埋设问题，拟研发集钻孔、安装及锚固于一体的施工装备，配套车载式无线补能装备对传感器进行无线充电。此外，针对高风险区域重点监测，提出突涌水多元前兆信息靶向监测设计方法，实现灾害演化过程海量监测信息的有效获取。最终构建集数据采集与传输、数据管理与分析、预警等功能于一体的突涌水大数据远程监测与预警平台，实现致灾结构在时间和空间上的力场与微震监测，实现掌子面岩性和出水点的表面与影响实时动态监测，如图1所示。总体而言，针对深部工程强突涌水灾害监测预警问题，无人化、无线智能监测预警技术与装备将成为应对强突涌水突发性灾害的有效手段和研究热点，针对大型地下工程越来越复杂的工程地质环境，智能化监测技术得到广泛应用，如光纤光栅自动化监测、光电式双向位移计自动化监测、分布式光纤自动化监测、3D 数字摄影测量技术、三维激光扫描仪等[26]。

图1 深部工程强突涌水内部力场−外部机器视觉联合监测技术Fig.1 Combined monitoring technology of internal force field and external machine vision for strong water inrush in deep engineering

1.2 防控技术现状及发展态势

目前，针对深部岩石工程突涌水灾害的治理主要集中在灾害发生后，通过引排水、灾后注浆治理或超前预注浆进行被动治理，不可避免地浪费大量人力财力，同时地质灾害频发的现状难以得到有效解决[27]。以灾害发生前期和中期进行“对症下药”的主动调控来代替被动治理将成为应对强突涌水灾害的有效手段和研究重点。明晰机理、有效监测和科学预警是实现重大突水突泥灾害主动防控的重要前提与有效途径，长期以来对灾害风险的静态认知和过程调控缺失，导致面对突水突泥灾害长期处于被动局面[28−33]。目前对不同孕灾模式下的突涌水灾变演化过程关键控制因素及其相应的控制方法尚不确定，难以建立相应的决策模型，鲜有学者开展突涌水等灾变过程的“控制理论”研究。采用模拟分析方法与计算程序，可以揭示不同孕灾模式地下工程突涌水灾害的灾变演化全过程；基于突涌水全过程中应力场、渗流场以及位移场等信息的演变特征，可以划分其灾变过程的演化阶段。利用不同演化阶段中岩体结构状态特征、地下水运动规律和多场特征信息，并结合多源预报结果和前兆多元信息的实时监测与识别，可以实现突涌水灾变过程和演化阶段的状态判识。通过研究不同灾变演化阶段的关键因素与控制参数，可实现突涌水发生位置、时间及量级的有效预测，得出地下工程突涌水的最佳控制时机，最终实现不同类型突涌水灾变过程及与其状态相适应的最佳控制模式决策[34]。

同时，针对岩体含水裂隙破裂与结构面失稳导致的多类型灾害风险，国内学者提出综合风险评估模型与综合风险指数，建立地质灾害不确定性识别与概率预测方法，实现突水突泥、围岩垮塌等综合风险的动态定量评估[35]。基于以光纤激光微震为载体的多元信息融合监测系统，融入风险动态评估信息和施工动态信息，提出了一种全新的风险调控机制：灾害源定量识别→防突岩体状态监测→动态风险评估→施工许可机制，开发了隧道施工全过程风险管控与安全决策平台，实现深部岩石工程强突涌水灾害的风险预警和科学决策，构建施工风险控制的指导性方法。同时，在定位防突岩体演化状态识别和内部突水突泥通道的前提下，提出基于静储量地质预报和动储量区域估算的总突水量计算方法，研究基于“全程地质预报、突水突泥通道微震定位与多元信息融合监测”的综合预警方法，提前预判灾害演化状态、位置和突水量级。此外，基于大数据云平台对突涌水地质前兆信息、预报前兆信息和施工监测信息预判断得出强突涌水灾害发生的可能性与规模、致灾构造的空间位置与大小，建立深部工程强突涌水灾害不同演化阶段全过程综合控制与智慧决策系统，最终通过智慧云端分析治理方案，提出综合治理决策，有效地将突涌水灾害消灭在萌芽中[36]，实现深部岩石工程强突涌水有效调控。

2 高强度硬岩岩爆灾害

伴随地下工程埋深持续增大，深部工程赋存环境复杂程度日益极端化，高强度硬岩岩爆问题逐渐突出。岩爆是在开挖或其他外界扰动下，地下工程岩体中聚积的弹性变形势能突然释放，导致围岩爆裂、弹射的动力现象。静力学理论认为岩爆常常发生于坚硬的脆性岩石中，巷隧道横断面上的应力分量之和(σ1+σ2)的量级一般较高，应力接近岩体强度的高储能体的存在是岩爆产生的内因，某些附加荷载的触发是其产生的外因，被众多学者广泛采用的岩爆预测判据围岩切应力(σθ)与单轴抗压强度(σc)之比(σθ/σc)也是基于这一理论。岩石静力学理论在岩爆机理研究中的作用很大，但其局限性也很明显，现有的岩爆机理理论还不能对若干重要的岩爆问题进行合理解释[37]。在动力学理论方面，钱七虎[38]认为岩爆的能量释放率及其动力效应取决于岩爆区内或岩爆结构面上应力释放的速度，若地应力达到一定量级，且巷道卸荷面形成速度达到阈值，则脆性岩体就可能出现岩爆现象。岩爆呈现出滞后性、延续性、衰减性、突发性、猛烈性的特点，造成支护系统损毁、设备瘫痪，诱发大规模岩体坍塌，严重威胁施工人员安全[39−41]。岩爆等级是描述岩爆强烈程度与破坏规模的指标，当前划分依据主要侧重实际的破坏表观现象，包括岩爆对工程危害程度、发生时声响特征、围岩爆裂破坏特征、力学特征等，此外，对于岩爆还有五因素综合判据[42]、距离判别方法[43]等，当前一般将岩爆等级分为3个或4个等级，代表性分级为无岩爆、弱岩爆、中等岩爆和强岩爆这4个等级[44−48]。

2.1 监测预警技术现状及发展态势

深部岩石工程岩爆发生机制十分复杂，精准预报岩爆发生时间与地点非常困难，然而，岩爆主要诱发因素为深部岩体开挖卸荷产生的地应力变化和工程扰动作用，同时大空间采掘、结构面发育以及支撑压力高会提升岩爆发生概率，因此，在岩爆监测预警工作中，施工地质勘察、地应力场分析、岩石力学试验、模型试验和数值模拟分析有助于开展岩爆发生可能性评估预测。

国内外学者从地质条件、施工力学、岩爆孕育及灾变规律多个角度出发，对高强度岩爆监测预警方面的研究进行了大量工作，采用的技术方法主要包括微震法、钻屑法、微重力法、水分法以及开挖诱发隧道围岩变形的红外热像试验法，此外，还有地震波预测法、光弹法、流变法和以电磁原理为基础的地球物理预报方法等[49−51]。岩爆作为一种动力现象，从储能角度分析岩爆倾向性及预测是一种重要的研究思路，这方面的代表性研究成果有倾向性剩余能量指数[52]、能量冲击性指数判据ACF[53]、弹性应变势能PES 判据[54]、基于线性储能规律和剩余弹性能指数的岩爆倾向性判据[55]。此外，微震监测技术应用最为广泛，相关学者对此进行了大量的研究工作，陈炳瑞等[56]分析了滞后型岩爆的孕育过程和微震演化规律(图2)；冯夏庭等[57]研究了即时型岩爆孕育过程和破坏的力学响应；于群等[58]研究了锦屏引水洞岩爆孕育演化规律和岩体能量转化过程；张文东等[59]基于锦屏引水洞岩爆微震数据，揭示了岩爆的前兆规律，提出了具有可行性的监测预警理论；刘超等[60]研究了微震事件的标定与噪声识别剔除方法，提高了微震的准确性和可靠性；马天辉等[61]基于隧道围岩蠕变相关研究显著推进了岩爆监测预警技术的发展。总体而言，现阶段基于微震技术的岩爆监测预警结果多基于灾后现场数据与监测数据对比，依赖人工总结规律并建立监测预警方法，这种经验总结尚处于定性认识阶段，未能形成岩爆监测预警的智能方法，同时与岩爆孕育及灾变机理有机结合尚不紧密，有待于开发基于多源监测信息的智能监测预警技术。

图2 岩爆微震监测原理示意图[56]Fig.2 Schematic diagram of rock burst microseismic monitoring principle[56]

2.2 防控技术现状及发展态势

基于岩爆防治理论而言，深部岩石工程隧址位于易发生岩爆的高地应力集中区域，为减小应力集中系数，防止岩爆或降低岩爆烈度等级，在规划设计时应尽量将工程洞轴线沿最大主应力方向平行布置，同时优化工程洞室布置位置及洞群间距，缩短潜在岩爆区域穿经长度[62−63]。

深部工程岩爆控制技术主要侧重3 个方向：1)改善围岩物理力学性能，采用喷洒冷水和钻孔均匀注水措施，降低表层围岩和岩体强度，然而，相关研究认为，坚硬岩石在注水作用下，由于内裂隙受注水润滑作用易触发引起“地震”，往往起不到应有的软化围岩效果；2)减少围岩应力集中，在岩爆地段尽量采用钻爆法施工、短进尺掘进、减小药量，控制光爆效果，改善围岩应力条件，减少围岩表层应力集中；3)加固围岩，对于不同程度岩爆，围岩加固措施存在差异，对于轻度和中等强度岩爆，一般采用梅花形锚网支护，锚杆深度为1.0～2.5 m[64−67]。

针对深部岩石工程高强度岩爆灾害，相关措施围绕降低岩体可释放能量开展，一般采用“三步走”策略进行防控，具体内容为：1)减少开挖引起的岩体内部能量集中水平，对于深部岩石工程高强度岩爆段，遵循“短进尺，多循环”的开挖原则，采用仰拱施工紧迫成环的全环支护施工工法同时施工时，应尽量减小爆破振动触发岩爆的可能性；2)释放和转移岩体部分能量，对于高强度岩爆区域，施作并优化长短结合的应力释放孔，采取松动爆破法、超前钻孔与预爆法等加强能量的释放；3)利用支护系统吸收岩体释放能量，对于高强度岩爆，多采取深加密系统锚杆(锚杆长度为2.5～3.5 m)、加垫板和整体网，并进行多个循环喷砼及格栅钢架支撑，必要时对掌子面同样喷砼，并进行全封闭处理或采用长度为3.5 m 的40 mm超前缝管式加固锚杆。深部岩石工程高强度岩爆控制技术和防控措施还应根据监测结果对支护参数进行动态调整，合理优化[68−70]。

3 软岩持续大变形灾害

深部岩石工程在高地应力和施工扰动共同作用下，围岩应力状态较浅部相比产生了显著变化，促使深部岩体呈现软岩特征。进入塑性变形阶段，产生大变形和强流变等现象，同时，高应力条件下围岩变形不再主要由地质结构面的张开变形构成，岩块破坏产生的变形所占比重增加，软岩持续大变形体现的时效变形特征反映了围岩破坏的渐进扩展过程。深部工程软岩大变形灾害具有形变量大、形变速率快和持续时间长的特点，直接导致衬砌结构变形，引发大型塌方及次生地质灾害。软岩持续大变形问题在煤矿深部开采中尤其突出，受超高地应力、高地温、高渗压、高湿长期作用，煤岩体结构、力学特征和工程响应程度发生巨大变化，围岩呈现非线性持续大变形特征，显著扩展了围岩峰后区，极大遏制了支护和维护效果，往往历经多重修复仍无法满足矿井安全生产所需的断面要求。除涵盖传统围岩变形致灾因素外，持续大变形的产生常由多个因素共同影响，包括岩体矿物、岩层产状、结构、地应力场方向、高温高湿等[71−76]。针对软岩持续大变形灾变机理，于学馥等[77]提出了“轴变论”的观点，用弹性理论分析了冒落拱的发生与发展过程，认为椭圆形状在各种巷道破坏形状中最具有代表性，用椭圆形状巷道“应力分布轴比规律”阐明了巷道围岩应力分布的基本规律。靖洪文等[78]使用稳定的围岩松动圈厚度定量分析了软岩工程和软岩巷道非线性变形破坏机理。将大松动圈软岩分为碎胀型、水胀型和复合型3类。

3.1 监测技术现状及发展态势

监控量测技术是地下工程变形监测领域应用最广泛的监测技术，监测对象为围岩及地下工程结构，监测内容涉及围岩或结构应力、位移等信息，主要包括拱顶沉降、净空收敛、洞内围岩压力、钢架内力、锚杆轴力和围岩松动圈等，虽经多年发展，其监测方案和信息源的较为单一[77−80]。此外，传统监测方法以点式模式为主，在实际操作中可能遗漏地下工程高危区域，同时为增强监测范围及可靠性，业内多采用增设监测密度的方法，但其工作量及成本将显著增加。在监测设备方面，当前不同监测设备各自成体系，监测内容及信息之间存在共享性差的问题，不利于时空域内持续大变形灾害分析。伴随分布式传感器(光纤)、无线传输、同轴激光−摄影测量技术的发展，特别是惯性导航在深部工程中的绝对坐标精确性控制技术的发展，有望解决深部岩石工程持续大变形信息长时间高精度感知问题。在软岩持续大变形预警机制方面，现有深部岩石工程软岩持续大变形预警指标体系不够完善，特别是对于工程及水文地质条件、设计参数、施工工艺等综合信息掌握运用能力不够，获取的有限信息无法充分反映深部岩石工程多致灾因子间关联关系，无法量化持续大变形灾害所处状态及预测时间。

高效、准确的软岩持续大变形监测预警要紧密结合灾变机理，特别是区分矿物组成及其岩体在高热高湿、高地应力作用下不同致灾机理，以机理的差异性来分析区别软岩持续大变形发生的特征[81−82]。同时，基于多物理场信息的不同响应程度判断软岩持续大变形的时空特性以及强度特征。当前监测设计方法以及传感器缺乏针对性，不能对具体软岩持续大变形灾害进行精准监测，亟须开展专项设计和定向研发。随科技进步及深部地下工程建设对智能化信息化要求的提高，目前铁路基础设施建设已提出施工工地无人化、装备智能化和管理信息化要求，在持续大变形监测预警技术方面，具备无人化自动扫描功能和绝对坐标三维建模能力的地质扫描机器人将逐步成为未来发展方向，图3所示为山东大学岩土工程团队研发的隧道与地下工程地质扫描机器人，该机器突破了无人高效巡检，实现了极端环境隧道地质编录、超欠挖检测功能，可以构建隧道三维轮廓，能够通过时序性三维建模和数字孪生软件平台，实现持续大变形的监测分析。

图3 隧道与地下工程地质扫描机器人Fig.3 Tunnel and underground engineering geology scanning robot

3.2 防控技术现状及发展态势

深部软岩变形破坏机理是软岩持续大变形灾害控制技术方案设计的理论基础。国内外学者从岩石力学特性、岩石强度理论与本构模型、围岩与支护平衡特性、围岩控制理论以及锚固支护理论与技术方面展开了大量研究[73,83−90]。对于地质力学环境导致的地下工程围岩差异性变形控制问题，主要从充分利用围岩和支护结构自身承载能力、提升围岩结构力学性能和加强对围岩关键部位支护角度出发，控制因围岩局部剧烈变形破坏导致的非对称大变形灾害。学术界关于高地应力地下工程围岩大变形的控制研究已取得很多成果，以锚杆系列为主体的隧道支护体系已形成行业标准。在设计方面，我国JTG D70—2004“公路隧道设计规范”与TB 10003—2016“铁路隧道设计规范”都规定了软弱围岩地段的支护措施。施工方面，我国TZ 204—2008“铁路隧道施工技术指南”与JTG/TD 70—2010“公路隧道设计细则”针对挤压性围岩和具有膨胀性的围岩及高地应力区的隧道提供了指导性建议。

针对深部岩石工程软岩持续大变形灾害控制技术，国内外学者分别提出了围岩支护控制理论，郑雨天[76]在新奥法的基础上提出了联合支护技术，建立了先柔后刚、先让后抗、柔让适度和稳定支护的原则，发展了锚喷(网)、锚带网(喷)架、锚喷网架支护技术等。董方庭[82]提出了松动圈支护理论，认为支护的对象是松动圈产生、扩展过程中的岩石碎胀变形，支护的目的为防止围岩松动圈过度变形。何满潮等[63,83]将工程地质学和现代大变形力学相结合，提出了软岩工程地质学支护理论。当前在支护形式上，“锚网喷+锚索+底角锚杆”的非对称耦合式支护方式在工程实践中取得了良好的应用效果，控制了巷道围岩关键区域的非对称变形，并延伸出一系列相关控制技术。除在支护方式上，近年来，为了解决持续大变形问题，人们对锚固控制材料进行了研发并取得了一定进展[89−91]。由于传统支护材料无法突破持续大变形产生的变形量限制问题，过往锚固材料在灾变过程中容易出现拉断时效问题，为此，何满潮等[92]研发了一种能保持锚杆/索恒定工作阻力且同时提供较大变形量的新型横阻大变形锚杆/索，如图4所示。由图4可知：该锚杆/索是一种由负泊松比材料与结构组成的复合装置，对抗深部软岩持续大变形破坏时，可以吸收软岩变形能量，将过往施加于锚固材料的变形转移至结构自身，由结构变形替代材料变形来避免岩体变形，进而维护深部岩体和岩石工程稳定性。静力拉伸试验、动力冲击试验和现场工程实践证明，新型横阻大变形锚杆/索在应对深部岩石工程软岩持续大变形方面具有一定的效果，有助于保证深部岩石工程围岩稳定性。

图4 负泊松比锚杆示意图[92]Fig.4 Schematic diagram of negative Poisson's ratio anchor bolt[92]

4 巨石垮塌灾害

巨石垮塌是地下工程开挖过程中，原生结构面及工程扰动形成的具有临空面的孤立或半孤立岩块或岩层，在原始平衡状态丧失而发生的岩体局部失稳灾害。深部工程巨石垮塌灾害具有突发性强、成灾频率高的特点，在各类深部岩石工程实践中，是II 级及III 级围岩条件下工程安全建设面临的主要威胁之一[93]。

4.1 监测预警技术现状及发展态势

当前巨石垮塌灾害监测预警多围绕地质条件分析、围岩稳定性判识和监控量测展开，传统的防控理论难以有效捕捉灾变位移前兆，无法实现对巨石垮塌突发行为的动态跟踪与稳定监控，同时深部地下工程复杂环境限制了试验的进行。目前，隧道巨石垮塌监测主要包括2个研究方向，一是针对危石位移和应力监控的实时监测技术，能够较好地反馈围岩变形与应力变化，但监测方式仍然以单点监控为主。该方法的主要局限在于难以精准辨识巨石垮塌临灾时刻，无法进行有效监控，故该方法主要适用于巨石加固后的稳定性判别[94]。二是针对多物理场响应信息监控的监测预警技术。针对巨石垮塌灾变过程物理响应，分析多源异构信息关联关系，有助于增强巨石垮塌灾变监测，如图5所示。因而从隧道施工动态理念出发，将巨石垮塌作为一全过程动态力学问题，提出巨石垮塌前兆监控体系，实现危石势态有效监控，建立危石失稳预警机制，实现危石失稳预警，是该灾害防控理论发展方向之一。可发展基于三维激光扫描、自动化机器人、视觉识别等于一体的岩体位移监测预警设备，融合微震、声发射、超前预报等手段，捕捉巨石垮塌灾变位移前兆，实现对加固危石状态的动态跟踪与稳定性监控[93]。

图5 关键致塌块体激光测振仪和无线振动传感器监测方法Fig.5 Monitoring methods of laser vibrometer and wireless vibration sensor for key cave-causing blocks

同时，针对深部岩石工程巨石垮塌这一极端环境重大地质灾害，应推动装备智能化、信息化发展，特别是发展基于自动化机器人、同轴激光−机器视觉识别于一体的信息化监测设备，基于激光测振寻点锁定与高精度光纤微震区域圈定，建立隧道围岩块体垮塌灾害“点−域”同步监测方法，解决致塌块体稳定状态与潜在危险区域的同步监测难题。针对隧道无人化与智能化的监测需求，研发台车搭载式激光测振仪与无线式监测元件，解决监测数据获取难题。通过台车搭载式激光测振仪，进行块体稳定状态快速判识，通过无线振动和无线微震传感器，解决不稳定块体无人值守实施监测难题。同时融合既有超前地质预报、声发射、微震等手段，开展巨石垮塌的智能监测预警工作。此外，地下工程危险区域机器人应用将成为巨石垮塌灾害监测预警的重要手段，图6所示为山东大学岩土工程团队研发的隧道与地下工程施工期表观检测机器人，能够实现地下工程无GPS定位条件下的自主高精度定位和高精度惯性导航，通过时序性地下工程轮廓建模，分析危岩体变形趋势及稳定性，使得智能化、信息化成为深部岩石工程安全、高效、高质建设的重要保障。

图6 隧道与地下工程施工期表观检测机器人Fig.6 Robot for apparent detection during tunnel and underground engineering construction

4.2 防控技术现状及发展态势

4.2.1 围岩结构垮塌灾害风险评价

围岩结构垮塌灾害风险评价是灾害分级防控的必要前提。隧道围岩结构垮塌具有突发性强、结构控制性强的显著特点，区别于松散体失稳垮塌，与边坡危岩崩塌灾害具有一定的相似性[95−101]。目前对于此类灾害的灾害风险分级评价研究较早开始于边坡工程领域。

1)边坡危岩崩塌灾害风险评价。根据对大量公路边坡危岩崩塌灾害的案例统计结果，此类灾害的发生符合泊松分布规律，基于此提出的灾害发生年平均概率公式在川藏公路典型地质段落得到了成功应用。随着模糊综合评价方法等数学模型的提出和发展，边坡危岩崩塌灾害的发生概率和强度预测也得到了进一步发展。对于隧道岩体结构垮塌灾害，目前的研究大多集中于洞口段边仰坡岩体受结构面切割引发的落石冲击灾害。从落石致灾可能性和致灾后果严重性角度出发，相关学者建立了洞口区域落石灾害危险性等级评价方法，进一步发展了致灾可能性和致灾严重性的概率计算公式，并提出应考虑防治措施对落石灾害概率修正效果，依据风险水平进行防控决策。

2)围岩结构垮塌灾害风险评价。尽管研究者在边坡工程及隧道洞口落石等方面开展了大量的研究与应用，但在隧道洞内围岩结构垮塌的风险评价与分级防控方法方面，目前尚未进行深入研究。隧道在地质环境、结构封闭性及施工特点等方面与边坡工程有显著区别，深入挖掘隧道围岩结构垮塌关键致灾因素，建立相应的工程安全标准和分级治理方法，是实现隧道围岩结构垮塌灾害防控所需要首先解决的工程难题。

4.2.2 隧道潜在垮塌结构加固

目前，隧道围岩加固方法尚不完善，难以实现潜在垮塌结构的针对性加固。锚杆、锚索作为裂隙岩体加固的有效手段，在边坡危岩体防控领域得到普遍应用，但在隧道围岩垮塌结构防控方面与工程实际存在一定脱节。隧道是封闭结构，周围岩体结构特征难以探明，针对隧道危石的锚固方位、锚固长度、锚固时机设计等往往存在锚不准、锚不住的问题[102−108]。

1)传统加固方法。目前对于节理裂隙较为发育的围岩段落，大多考虑其节理倾角产状，以块体理论、赤平投影法等理论方法对支护方案设计进行指导。针对结构产状相对复杂的围岩段，在理论解析方法的基础上结合离散单元数值仿真方法，可为支护设计提供较为可靠的参考和指导。

2)新型加固方法。为了提高对软弱破碎围岩的加固效果，陆士良等[89−90]对锚杆结构和加固方式进行了大量的创新设计[102−104]。以恒阻大变形锚杆、囊式扩体锚杆、让压锚杆等为代表的新型锚杆在煤矿巷道和隧道工程中得到了初步应用，工程实践证明其锚固性能与传统锚杆的性能相比取得了较大提升。以裂隙岩体内部和外部拉结加固方法为代表的新型加固方式进一步丰富了裂隙岩体锚固技术，并在边坡危岩体加固方面得到了初步应用，有效增强了裂隙岩体加固效果和提高了经济效益。

尽管国内外在岩体垮塌结构加固方面开展了大量研究，但都未考虑隧道围岩内部的不确定性结构面分布特征，难以根本解决锚不住、锚不准的工程难题[109−115]。因此，开展围岩内部不确定性结构面预测方法研究，提出确定与不确定性结构面耦合作用下的围岩结构最不利状态分析方法，建立相应的靶向加固方法，从根源上解决围岩结构加固有效性难题，是该灾害防控理论重点发展方向。

5 煤矿冲击地压灾害

煤矿冲击地压是指井巷或工作面周围岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，发生前一般没有宏观预兆，而是以突然、急剧、猛烈的形式将煤岩体抛出造成支架损坏、片帮冒顶、巷道堵塞、人员伤害，甚至由于巷道堵塞导致人员窒息死亡[116]。煤矿冲击地压可根据应力状态、显现强度、发生的不同地点和位置进行分类。根据应力状态分类，可分为重力型、构造应力型、重力−构造型等；根据冲击的显现强度分类，可分为弹射、矿震、弱冲击、强冲击；根据震级强度和抛出的煤量分类，可分为轻微冲击、中等冲击、强烈冲击；根据发生的地点和位置分类，可分为煤体冲击、围岩冲击[117]。其中，煤体压缩型冲击地压和顶板断裂型冲击地压是矿山开采中常见的冲击地压灾害，煤体压缩型冲击地压发生机理是由于煤体的抗压强度地围岩的抗压强度低，是煤岩结构中的薄弱部分，煤岩结构的变形向某一特定区域集中，煤岩结构系统由平衡态向非平衡态发展，当受到外界扰动时，煤岩结构发生失稳；顶板断裂型冲击地压发生机理是顶板的稳定性主要受拉应力控制，岩石微破裂的发生、发展是拉伸破裂的结果，每一次拉伸破裂都是拉伸失稳释放能量的结果，顶板岩层突然断裂，产生大量裂缝，使弹性能迅速释放而发生顶板断裂型冲击地压[118]。

5.1 监测技术现状及发展态势

冲击地压具有突发性、破坏性、随机性、复杂性等特点，导致预测冲击地压灾害十分困难，齐庆新等[119]从不同角度对冲击地压理论进行了研究，并提出了一系列监测预警方法，其中最具代表性的理论是强度理论、能量理论、冲击倾向性理论和“三准则”理论。KIDYBIŃSKI[120]提出将煤层冲击倾向性指标作为与煤地质物性相关的重要参数；赵鑫毅等[121]提出煤的冲击倾向性与其细观结构特征紧密相连；潘俊峰等[122]提出冲击启动理论来描述冲击地压的发生过程，认为冲击地压的发生过程由冲击启动、能量传递、冲击显现3部分组成。目前，我国用于煤矿冲击地压监测预警的主要方法有综合指数法、微震监测法、电磁辐射法、钻屑法、钻孔应力测量法、顶板动态仪、矿压观测法等方法。在此基础上，窦林名等[123]提出了“震动场−应力动态”一体化监测预警系统；尹永明等[124]研发了KJ615 掘进面冲击地压实时监测预警系统；安振军[125]提出了冲击地压逐级预测预报技术，采用综合指数法、微震监测法、矿压分析预测法、电磁辐射法及钻屑法5种方法相结合进行冲击地压预测预报。总体而言，现阶段煤矿冲击地压的监测预警技术尚不成熟，多依赖于人员在现场操作仪器设备开展预测预警工作，且与煤矿冲击地压灾变机理有机结合尚不紧密，有待开展无人化、智能化、信息化的煤矿冲击地压监测预警技术。

5.2 防控技术现状及发展态势

基于冲击地压应力控制理论，冲击地压问题实质上就是煤岩体的应力问题，控制冲击地压灾害的发生，实质上就是改变煤岩体的应力状态或控制高应力区的出现，以保证煤岩体不足以发生失稳破坏或非稳定破坏[119]。冲击地压控制技术主要有以下几点。

1)减弱煤岩应力集中，通常从2 个方面着手。第一，对于应力集中或者巷道采煤较深，一般设置卸压孔，通过卸压避免冲击地压发生。第二，找到良好的减压位置，一般步骤为：采用无煤柱的形式进行开采，对煤体存在突出位置予以清除，保证在开采的过程中不会受到煤柱的影响；有效消除邻近层煤柱的相互作用，进一步降低冲击地压发生的概率；优化开采顺序。

2)优化煤岩的力学性能，通常在煤层中注入一定的高压水，从而对煤层起到弱化的作用，有效地消除围岩位置出现的能量聚集。

3)支护煤岩体，实施喷浆，以此实现柔性支护，进而卸载围岩中的能量，起到前期卸压的效果；打锚杆改变围岩强度，优化围岩应对应力变化，进一步减小冲击地压发生的概率。

4)煤层卸载爆破技术是在已确认具有冲击危险的区域，通过对煤体实施爆破，以解除冲击危险；深孔断顶爆破针对组成煤岩体的顶板−煤体−底板的高刚度承载系统，采用深孔爆破技术人为地切断顶板，破坏系统的应力分布状态和聚集弹性能的条件，削弱采空区与待采区之间的顶板连续性，同时释放顶板中所聚集的能量，减小顶板来压时的强度和冲击地压[126−127]。

现阶段冲击地压控制技术及设备各自成体系，尚未形成系统化的综合冲击地压控制系统，对于冲击地压的控制效果十分有限，有待研发系统化、智能化的综合冲击地压控制技术，以期实现冲击地压灾害主动防控。

6 结论与展望

1)更加明确深部岩石工程在地质环境、结构封闭性及施工等方面特点，深入挖掘地下工程重大灾害关键致灾因素，建立对应的工程安全标准与分级治理方法。

2)切实做到深部岩石工程重大灾害实时预警，获取、分析和判断监测信息的变化情况，超前反馈隧道岩石工程重大灾害灾变，及时设防，实现重大灾害的主动防控。

3)开展岩石工程围岩内部不确定性结构面预测理论研究，提出不同类型结构面耦合作用下的围岩结构分析方法，构件靶向防控技术体系，从根源上解决灾害防控有效性难题。

4)推进地下工程施工无人化、装备智能化和管理信息化发展。建立地下工程巡检机器人体系及主体工程数字孪生平台，推动深部地下工程重大地质灾害防控装备研发。