深部硬巖巷道圍巖板裂破壞試驗(yàn)研究進(jìn)展與展望

羅 勇，宮鳳強(qiáng)

(1.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001；2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211189)

0 引 言

隨著淺部礦產(chǎn)資源開(kāi)采量的逐漸枯竭，國(guó)內(nèi)外許多礦山相繼進(jìn)入深部開(kāi)采狀態(tài)[1-3]。目前，南非的Mponeng金礦最大開(kāi)采深度已經(jīng)達(dá)到地下4 000 m，印度目前已經(jīng)關(guān)閉的Kolar金礦開(kāi)采最大深度達(dá)到了地下3 200 m，加拿大LaRond多金屬礦最大開(kāi)采深度已經(jīng)超過(guò)了地下3 000 m水平，美國(guó)的Lucky Friday多金屬礦山目前開(kāi)采深度已經(jīng)進(jìn)入地下2 920 m ，而澳大利亞Mount Isa 銅礦開(kāi)采已達(dá)到了1 900 m深度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)千米以上的深部金屬礦山有16座[4]，其中開(kāi)采深度最大的靈寶崟鑫金礦采深已達(dá)到1 600 m，夾皮溝金礦采深達(dá)到了1 500 m，新疆阿舍勒銅礦開(kāi)拓深度超過(guò)了1 200 m，冬瓜山銅礦開(kāi)采深度達(dá)到了1 100 m，且開(kāi)采深度逐年快速增加，預(yù)計(jì)未來(lái)10 a將有1/3以上的金屬礦山開(kāi)采深度達(dá)到或超過(guò)1 000 m，最大開(kāi)采深度可達(dá)2 000～3 000 m[4]。此外，以我國(guó)東北、華東為代表的中東部區(qū)域煤炭資源開(kāi)采以10～25 m/a 的速度向深部推進(jìn)，有47 對(duì)礦井深度超過(guò)1 000 m[5]。由此可見(jiàn)，未來(lái)能源和礦產(chǎn)資源深部開(kāi)采在我國(guó)將逐漸成為一種常態(tài)，是我國(guó)礦山持續(xù)發(fā)展的必由之路。

在深部礦山開(kāi)采過(guò)程中，受高地應(yīng)力和工程卸荷擾動(dòng)等因素影響，硬巖易發(fā)生淺部少見(jiàn)的高應(yīng)力誘導(dǎo)破壞現(xiàn)象[6]，表現(xiàn)為圍巖被近似平行于自由面的裂隙切割，形成一層層近似平行開(kāi)挖面的薄板狀巖片[7-8]，這種破壞現(xiàn)象被稱為板裂破壞，英文表述稱其為“spalling”或者“slabbing”[9]。板裂破壞的產(chǎn)生與圍巖內(nèi)部張拉裂紋的擴(kuò)展與貫通密切相關(guān)[10-11]，在一些情況下還表現(xiàn)出與時(shí)間有關(guān)的破壞過(guò)程，是深部硬巖典型破壞形式之一。在不支護(hù)和非均勻應(yīng)力場(chǎng)條件下，隨著板裂過(guò)程發(fā)展會(huì)在洞壁形成一個(gè)V形破壞區(qū)[12]。研究表明，圍巖板裂破壞所需的應(yīng)力門檻值遠(yuǎn)低于其單軸抗壓強(qiáng)度，例如花崗巖一般為單軸抗壓強(qiáng)度的0.35～0.40倍[13]。此外，圍巖板裂破壞與巖爆災(zāi)害的發(fā)生表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性[14-16]，認(rèn)為板裂是巖爆的一種前兆信息，可以以一種穩(wěn)定的形式或者劇烈的應(yīng)變巖爆形式發(fā)生，與巖爆的觸發(fā)密切相關(guān)。而隨著深度增大，板裂破壞逐漸向劇烈?guī)r爆發(fā)生轉(zhuǎn)變[17-18]，表現(xiàn)為板裂形成的巖板發(fā)生折斷，并與圍巖突然分離而形成巖爆[19]，板裂破壞與巖爆之間表現(xiàn)出明顯的相關(guān)和本質(zhì)的聯(lián)系[16]。例如，當(dāng)圍巖最大切向應(yīng)力(σθ,max)與其表觀單軸抗壓強(qiáng)度(σu)比值達(dá)到0.35時(shí)會(huì)發(fā)生板裂破壞，σθ,max/σu=0.5時(shí)則出現(xiàn)弱至中等巖爆，而在σθ,max/σu>1的情況下則發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆[17]。板裂破壞在深部硬巖巷道中經(jīng)常出現(xiàn)，給深部硬巖礦山開(kāi)采中巷道施工、支護(hù)及后期維護(hù)等帶來(lái)許多不利因素，嚴(yán)重影響巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定，而誘發(fā)巖爆動(dòng)力災(zāi)害則往往造成人員傷亡、設(shè)備損壞和工期延誤[20-21]，給深部硬巖礦山安全高效開(kāi)采和持續(xù)發(fā)展提出了巨大的挑戰(zhàn)。在眾多因素影響下，目前對(duì)板裂破壞發(fā)生機(jī)理以及板裂破壞誘發(fā)巖爆災(zāi)害的作用機(jī)制仍難以給出合理解釋。因此，深入揭示板裂破壞的發(fā)生機(jī)理，不僅對(duì)解決深部硬巖巷道板裂破壞及其誘發(fā)巖爆災(zāi)害的防治和保障礦山開(kāi)采向深部發(fā)展均具有重大工程實(shí)踐價(jià)值，而且對(duì)深部巖石力學(xué)發(fā)展也起到了巨大的推動(dòng)作用，具有重要的科學(xué)意義。

在開(kāi)展板裂破壞機(jī)理研究中，一般采用案例分析、理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法。其中，室內(nèi)試驗(yàn)是一種直觀的研究方法，可以較好地再現(xiàn)深部硬巖板裂破壞現(xiàn)象，有助于詳細(xì)了解板裂破壞的發(fā)生過(guò)程和破壞特征，對(duì)明確深部硬巖巷道誘發(fā)板裂破壞的演化規(guī)律和機(jī)理具有重要的指導(dǎo)作用。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞板裂破壞開(kāi)展了大量室內(nèi)試驗(yàn)研究，取得了較多有益研究成果。筆者首先根據(jù)板裂破壞室內(nèi)試驗(yàn)研究所采用的試樣不同，對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)板裂破壞試驗(yàn)研究所取得的進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)和分析，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上對(duì)目前板裂破壞室內(nèi)試驗(yàn)研究中亟待解決的關(guān)鍵難題和板裂破壞室內(nèi)試驗(yàn)研究未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

1 板裂破壞室內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)展歷程與進(jìn)展

深部硬巖巷道圍巖板裂破壞與高地應(yīng)力和開(kāi)采擾動(dòng)等密切相關(guān)[10,19]。根據(jù)開(kāi)采后圍巖工程特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于試驗(yàn)條件和考慮的主要因素，選用不同試樣形狀和加載方式開(kāi)展了板裂破壞室內(nèi)試驗(yàn)研究，如試樣形狀主要有長(zhǎng)方體、含預(yù)制孔洞長(zhǎng)方體和“先加載后孔內(nèi)卸荷”長(zhǎng)方體試樣，而加載方式有單軸、雙軸、真三軸、真三軸加卸載等。筆者從選用試樣形狀不同對(duì)巷道板裂破壞室內(nèi)試驗(yàn)研究進(jìn)展進(jìn)行如下分類總結(jié)。

1.1 實(shí)心長(zhǎng)方體試樣板裂試驗(yàn)

在單軸壓縮試驗(yàn)方面，F(xiàn)AIRHURST等[9]最早于1966年從圓柱體石英巖的單軸壓縮試驗(yàn)中以及在埋深1 219.2 m處石英巖隧道側(cè)壁上觀察到了板裂破壞現(xiàn)象(圖1)，并且對(duì)這種最大壓縮方向平行于圍巖洞壁表面的板裂破壞現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)描述和分析。LI等[22]對(duì)3種不同高寬比長(zhǎng)方體花崗巖試樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，研究高寬比對(duì)硬巖破壞特征的影響。結(jié)果表明，試樣高寬比逐漸降低至0.5以下時(shí)，其對(duì)應(yīng)的破壞模式逐漸由較大高寬比的剪切破壞變?yōu)檩^小高寬比的板裂破壞。HIDALGO等[23]為了評(píng)價(jià)硬巖應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)是否能對(duì)2個(gè)真實(shí)開(kāi)挖案例板裂區(qū)的破壞和變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)石灰?guī)r和石英巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，指出硬巖開(kāi)挖破壞過(guò)程能夠用應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。劉云鵬[24]對(duì)花崗巖、千枚巖以及片巖3 種板裂原巖(即發(fā)生了板裂化的巖體)沿平行板裂和垂直板裂2個(gè)方向進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在相同加載應(yīng)力條件下沿平行板裂方向比垂直板裂方向更易引起潛在板裂巖石變形破壞，形成板裂。張傳慶等[25]以白鶴灘水電站地下廠房隱晶質(zhì)玄武巖出現(xiàn)的片幫、開(kāi)裂、破裂松弛等破壞現(xiàn)象為背景，采用偏光顯微鏡、CT 掃描、高速攝像、聲發(fā)射、掃描電鏡等手段，對(duì)隱晶質(zhì)玄武巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，含隱微裂隙試樣主要發(fā)生劈裂破壞，而含宏觀裂隙試樣主要發(fā)生剪切破壞。周輝等[26]利用高強(qiáng)度石膏材料制作板裂破壞試樣，并對(duì)其進(jìn)行一側(cè)約束的單軸加載試驗(yàn)，認(rèn)為高應(yīng)力隧洞開(kāi)挖后洞壁圍巖會(huì)形成板裂結(jié)構(gòu)，并不斷發(fā)生壓曲變形和儲(chǔ)存能量，當(dāng)達(dá)到極限條件或受外界擾動(dòng)作用時(shí)，板裂結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生巖片的折斷，進(jìn)而釋放能量而發(fā)生巖片的彈射，形成板裂屈曲巖爆，即板裂化模型試樣失穩(wěn)破壞過(guò)程為預(yù)制裂隙尖端張拉裂紋萌生和擴(kuò)展、劈裂成板、巖板屈曲變形、巖板壓折和巖片彈射。TAROKH等[27]利用自行研制的裝置對(duì)砂巖試樣進(jìn)行水平方向三面約束的單軸壓縮試驗(yàn)，并借助數(shù)字散斑技術(shù)對(duì)壓縮狀態(tài)下試樣表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)加載達(dá)到峰值荷載70%時(shí)位移場(chǎng)發(fā)生扭曲，而局部損傷在達(dá)到峰值應(yīng)力前形成板裂破壞。

實(shí)際上，深部巖體在開(kāi)挖前處于三維應(yīng)力狀態(tài)，開(kāi)挖會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生卸荷效應(yīng)，且開(kāi)挖后巷道圍巖大多處于二維應(yīng)力狀態(tài)。為使試驗(yàn)加載應(yīng)力路徑與實(shí)際工程更接近，何滿潮等[28-29]研制了能夠?qū)崿F(xiàn)真三軸加載和真三軸卸載功能的深部巖爆試驗(yàn)系統(tǒng)(圖2)，并利用該系統(tǒng)對(duì)花崗巖長(zhǎng)方體試樣進(jìn)行了大量真三軸加卸載試驗(yàn)，研究花崗巖在真三軸壓縮與單面卸載條件的破壞行為。同時(shí)借助激光輪廓儀和SEM電鏡掃描技術(shù)對(duì)花崗巖的破壞行為從宏觀和微觀尺寸進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明試樣卸載面上的張拉裂隙由試樣頂部擴(kuò)展至底部，在巖片張裂過(guò)程中表現(xiàn)出較明顯的板裂破壞特征，并有巖片從卸載面發(fā)生彈射分離，而SEM電鏡掃描結(jié)果也表明破裂巖片斷面上呈現(xiàn)明顯的板裂破壞特征。ZHAO等[30]發(fā)現(xiàn)花崗巖卸荷強(qiáng)度隨試樣高厚比減小呈增大趨勢(shì)，高厚比較大時(shí)發(fā)生張拉破壞，高厚比較小時(shí)發(fā)生單面剪切破壞?；◢弾r三維高應(yīng)力卸荷條件下破壞形式有顆粒彈射破壞、片狀劈裂破壞和塊狀崩落破壞，觀察到了花崗巖巖爆前發(fā)生了明顯的板裂破壞現(xiàn)象，進(jìn)而提出了巖爆板狀結(jié)構(gòu)演化模型，將花崗巖誘發(fā)巖爆過(guò)程分為垂直板裂化、垂直板屈曲變形及巖爆破壞。利用該設(shè)備， GONG等[31]、吳世勇等[15]以錦屏II級(jí)水電工程深埋大理巖排水和引水隧洞發(fā)生的2種不同類型板裂破壞為背景(其中一條隧洞發(fā)生了非劇烈的板裂化片幫，而另?xiàng)l隧洞則發(fā)生了劇烈的板裂化巖爆破壞)，將現(xiàn)場(chǎng)取回的大理巖加工成長(zhǎng)方體試樣，進(jìn)而開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試樣沿平行最大應(yīng)力方向發(fā)生了明顯的板裂化現(xiàn)象，這與現(xiàn)場(chǎng)隧洞掌子面及洞壁實(shí)際破壞情況非常相似。ZHAO等[32]對(duì)長(zhǎng)方體花崗巖試樣進(jìn)行了不同卸載速率下的真三軸加卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在高卸荷速率下，花崗巖試樣主要發(fā)生應(yīng)變型巖爆破壞，而卸荷速率降低時(shí)試樣破壞則可由應(yīng)變巖爆向非劇烈的板裂發(fā)生轉(zhuǎn)變。此外，在該設(shè)備基礎(chǔ)上，為適應(yīng)深部巖體更為復(fù)雜的應(yīng)力路徑需求，HE等[33]研制了能夠?qū)崿F(xiàn)多面水平卸載的新真三軸巖爆試驗(yàn)機(jī)(圖3)，并對(duì)砂巖試樣進(jìn)行了真三軸加載與單面、雙面、三面和四面卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)卸載的面越多，巖石破壞也變得越劇烈。

圖3 高壓伺服真三軸巖爆試驗(yàn)機(jī)[33]Fig.3 High pressure servo true-triaxial rockburst testing machine[33]

LI等[34-35]為能較真實(shí)模擬深部巖體高應(yīng)力環(huán)境和受開(kāi)采擾動(dòng)等影響，研制了TRW-3000型巖石真三軸電液伺服誘變(擾動(dòng))試驗(yàn)系統(tǒng)(圖4)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在真三軸加載條件下實(shí)現(xiàn)單向、雙向卸載試驗(yàn)，且在施加高靜應(yīng)力同時(shí)還可以施加擾動(dòng)荷載。利用該試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)兩巖石材料(紅砂巖和花崗巖)和水泥砂漿共3種類型方形柱體試樣進(jìn)行了卸載試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)增大豎直應(yīng)力和卸載水平最小應(yīng)力來(lái)模擬地下巖體的開(kāi)挖過(guò)程。結(jié)果表明，對(duì)于脆性較強(qiáng)的花崗巖和紅砂巖，當(dāng)中間主應(yīng)力增大至臨界值時(shí)，兩者的破壞模式表現(xiàn)為板裂破壞，而水泥砂漿在相對(duì)高的中間主應(yīng)力作用下也未發(fā)生板裂破壞，而是發(fā)生大的塑性變形，進(jìn)而發(fā)生剪切破壞。此外，對(duì)不同高寬比的長(zhǎng)方體花崗巖試樣進(jìn)行了真三軸卸載試驗(yàn)，研究了高寬比和中間主應(yīng)力對(duì)花崗巖破壞特征的影響，發(fā)現(xiàn)即使在中間主應(yīng)力較小條件下高寬比較小試樣也會(huì)發(fā)生板裂破壞，而只有在中間主應(yīng)力很高的情況下，高寬比大的試樣才有可能出現(xiàn)板裂破壞。DU等[36-37]對(duì)不同類型的巖石(砂巖、大理巖和花崗巖)開(kāi)展了真三軸加卸載試驗(yàn)，探討了第二主應(yīng)力對(duì)硬巖板裂破壞形成機(jī)制的影響，發(fā)現(xiàn)第二主應(yīng)力較小時(shí)主要發(fā)生剪切破壞，而第二主應(yīng)力較高時(shí)，試樣則易發(fā)生板裂破壞，并指出在真三軸加載條件下發(fā)生板裂破壞需要滿足幾個(gè)關(guān)鍵因素，即脆性和高強(qiáng)度巖石、中間主應(yīng)力與最小主應(yīng)力比值超過(guò)一定臨界值和低的最小主應(yīng)力。SI等[38]、LUO等[39]針對(duì)深部硬巖開(kāi)挖發(fā)生高應(yīng)力誘導(dǎo)破壞現(xiàn)象，利用真三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)紅砂巖、花崗巖立方體試樣進(jìn)行了一系列真三軸、雙軸和不同卸載速率下的真三軸加卸載試驗(yàn)，指出卸載速率和圍壓通過(guò)影響裂隙萌生類型和擴(kuò)展方向來(lái)影響硬巖破壞模式和強(qiáng)度特性，并基于試驗(yàn)分析結(jié)果對(duì)高應(yīng)力硬巖隧道卸荷誘發(fā)板裂破壞給出了合理解釋，認(rèn)為在深部硬巖隧道開(kāi)挖過(guò)程中，在卸荷速率的影響下，隧道周圍一定范圍內(nèi)的圍巖會(huì)產(chǎn)生大量的張拉裂隙。在高切向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的共同作用下，這些張拉裂隙沿著近似平行開(kāi)挖面方向擴(kuò)展和貫通，從而導(dǎo)致板裂發(fā)生，且有卸載速率和軸向應(yīng)力越大，板裂破壞深度越大。細(xì)顆?；◢弾r試件在真三軸卸荷壓縮試驗(yàn)中，隨著圍壓的增加，其破壞模式由剪切-張拉破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺埨茐模⒄J(rèn)為卸荷導(dǎo)致破壞模式的轉(zhuǎn)變是巖石發(fā)生強(qiáng)度減弱的主要原因。

圖4 TRW-3000型巖石真三軸電液伺服誘變(擾動(dòng)) 試驗(yàn)系統(tǒng)[35]Fig.4 TRW-3000 rock true-triaxial electro-hydraulic servo mutation (disturbance) test system[35]

蘇國(guó)韶等[40-42]研發(fā)了高壓伺服真三軸試驗(yàn)機(jī)(圖5)，對(duì)花崗巖進(jìn)行了一系列真三軸加卸載試驗(yàn)，考慮了溫度、應(yīng)力路徑、加載速率等對(duì)花崗巖試樣破壞行為的影響。在真三軸加載、卸載條件下，花崗巖試樣表現(xiàn)出巖爆動(dòng)力破壞，在巖爆過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的劈裂成板現(xiàn)象，巖爆破壞過(guò)程可劃分為顆粒彈射、劈裂成板、剪切成塊、板折彈射4個(gè)階段，且隨著加載速率增大，試樣破壞模式由靜態(tài)板裂破壞向動(dòng)力巖爆破壞轉(zhuǎn)變。此外，JIANG等[43]在該設(shè)備上對(duì)長(zhǎng)方體大理巖試樣進(jìn)行了真三軸加卸載試驗(yàn)，研究了最小主應(yīng)力和卸荷速率對(duì)大理巖板裂和巖爆的影響，發(fā)現(xiàn)在低卸載速率下大理巖試樣應(yīng)變能釋放速率低，破壞過(guò)程較穩(wěn)定和很少發(fā)生動(dòng)力彈射；初始最小主應(yīng)力控制著試樣的破壞模式，表現(xiàn)為隨最小主應(yīng)力降低破壞模式由剪切破壞變?yōu)榧羟?張拉破壞，并指出這與地下隧道觀察到的板裂破壞行為相似。

圖5 高壓伺服真三軸試驗(yàn)機(jī)[40]Fig.5 High pressure servo true-triaxial testing machine[40]

趙光明等[44-45]利用自主研發(fā)的真三軸擾動(dòng)卸荷巖石測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)花崗巖、砂巖長(zhǎng)方體試樣進(jìn)行了真三軸卸荷擾動(dòng)試驗(yàn)，研究高應(yīng)力巖體在單面卸載條件下的破壞特征，指出中間主應(yīng)力對(duì)試樣最終破壞形態(tài)起關(guān)鍵作用，隨著中間主應(yīng)力的增大，張性破裂所占比例增大，巖石的破壞模式由張拉-剪切破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺埨?劈裂破壞；在相同圍壓下，巖體在卸荷條件下比在加載條件下更容易發(fā)生破壞，卸荷強(qiáng)度約為加載強(qiáng)度的80%，破壞由局部張拉-劈裂-剪切復(fù)合性破壞發(fā)展成整體劈裂破壞。

張曉君[46]針對(duì)深埋巷道開(kāi)挖后邊墻表面經(jīng)常觀察到有薄片狀巖片松脫剝落、爆裂或發(fā)生明顯的巖片動(dòng)力彈射等現(xiàn)象，將脆性輝長(zhǎng)巖加工成立方體試樣，并對(duì)其進(jìn)行了大量的雙軸壓縮試驗(yàn)和真三軸加卸載試驗(yàn)。在2種加載應(yīng)力路徑下試樣均發(fā)生了劈裂巖爆現(xiàn)象，且離自由面越近劈裂破壞越顯著，形成薄片狀劈裂巖板，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際破壞情況一致，并指出圍巖的劈裂破壞及劈裂破壞程度受中間主應(yīng)力影響顯著。QIU等[47]結(jié)合真三軸加卸載板裂破壞試驗(yàn)和深部隧洞巖爆案例分析揭示了深埋隧洞屈曲巖爆的演化和形成機(jī)制。向天兵等[48]利用真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)研究了灰?guī)r試樣在不同應(yīng)力路徑和應(yīng)力水平下的力學(xué)特征與變形破壞機(jī)理，認(rèn)為開(kāi)挖卸荷應(yīng)力路徑下試樣強(qiáng)度受卸荷作用影響較大，且隨中間主應(yīng)力呈區(qū)間性變化，試樣以脆性劈裂破壞為主。范鵬賢等[49]針對(duì)高應(yīng)力巖體開(kāi)挖卸荷破壞與加載破壞表現(xiàn)出不同的力學(xué)行為，對(duì)紅砂巖立方體試件進(jìn)行了真三軸加載和卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在滯后卸載數(shù)秒后，靠近試樣卸載自由面發(fā)生了板裂破壞，隨后發(fā)生試樣整體失穩(wěn)破壞。張永雙等[50]以高黎貢山越嶺隧道為背景，對(duì)花崗斑巖進(jìn)行真三軸加載卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一般先在試件表面出現(xiàn)巖屑剝落，最后才發(fā)生巖塊的彈射現(xiàn)象。尹光志等[51]研究制了多功能真三軸流固耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)砂巖開(kāi)展了最小主應(yīng)力單面卸荷真三軸加卸載試驗(yàn)，隨著卸荷速率增大，巖樣破壞模式逐漸由剪切破壞轉(zhuǎn)為張拉破壞，且張性裂紋多集中于卸荷面附近。巖樣在低加荷速率下主要以張剪破壞為主，在高加荷速率下以剪切裂紋為主。JIANG等[52]設(shè)計(jì)了2種不同的應(yīng)力加載路徑，對(duì)大理巖進(jìn)行真三軸加載卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2種加載應(yīng)力路徑下的試樣破壞過(guò)程均為：細(xì)顆粒彈射、劈裂成板、巖板剪斷成塊和巖塊彈射。馬艾陽(yáng)等[53]利用真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)大理巖巖爆試樣進(jìn)行了卸荷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)張性裂隙要先于剪切裂隙產(chǎn)生，而剪切裂隙的作用通過(guò)搭接相鄰的張性裂隙，使裂隙擴(kuò)展貫通形成圈閉，圈閉內(nèi)的巖片碎屑發(fā)生剝落或發(fā)生彈射。

以上研究多屬于利用立方體或長(zhǎng)方體試樣開(kāi)展壓縮試驗(yàn)，能夠模擬深部巷道開(kāi)挖前圍巖局部區(qū)域所處的三維地應(yīng)力環(huán)境和開(kāi)挖圍巖所經(jīng)歷的卸荷過(guò)程，只能反映巖石材料發(fā)生板裂的特征。該類試驗(yàn)一般所采用的試樣較小，不能模擬地下巷道空間結(jié)構(gòu)開(kāi)挖效應(yīng)對(duì)圍巖板裂產(chǎn)生的影響。

1.2 含預(yù)制孔洞試樣板裂試驗(yàn)

目前，室內(nèi)研究巷道板裂破壞的另一方法是利用巖石材料或物理相似模擬材料加工成含預(yù)制孔洞的巷道物理模型，然后再對(duì)其進(jìn)行單軸、雙軸和真三軸壓縮試驗(yàn)。采用該方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)深部巷道誘發(fā)板裂破壞開(kāi)展了大量研究。

在單軸壓縮試驗(yàn)方面， CARTER[54]對(duì)含有圓形孔洞的長(zhǎng)方體石灰?guī)r試樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，指出產(chǎn)生于高應(yīng)力梯度和純壓縮區(qū)的邊墻張拉裂隙非常復(fù)雜，其形成是高壓縮應(yīng)力集中的響應(yīng)，張拉裂隙成核以后很快就會(huì)發(fā)生一個(gè)復(fù)雜的雁形開(kāi)裂、屈曲和板裂破壞過(guò)程。MARTIN[6]對(duì)含有圓形孔洞(孔洞半徑在20～103 mm)的柱體花崗巖試樣進(jìn)行了一系列單軸壓縮試驗(yàn)，研究孔洞尺寸對(duì)洞壁破壞的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔洞直徑超過(guò)75 mm以后，洞壁周邊開(kāi)始發(fā)生板裂所需的切向應(yīng)力約等于花崗巖的單軸壓縮強(qiáng)度，進(jìn)而指出現(xiàn)場(chǎng)隧道洞壁板裂不受尺度效應(yīng)的影響。張曉君等[55]對(duì)含有直墻拱形孔洞立方體試樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，觀察到了巷道圍巖發(fā)生了明顯的劈裂巖爆并產(chǎn)生了劈裂薄塊體巖塊，巷(隧)道圍巖呈現(xiàn)起伏、粗糙破裂面和劈裂薄塊體，與現(xiàn)場(chǎng)已發(fā)生的巖爆現(xiàn)象一致。張艷博和劉善軍[56]對(duì)含圓孔試件進(jìn)行單軸加載，發(fā)現(xiàn)試樣主要存在2種破裂形式：①在圓孔上下中線方向出現(xiàn)張性破裂;②沿圓孔左右對(duì)角線方向出現(xiàn)剪性破裂。KUSUI等[57]利用相似模擬材料構(gòu)筑縮小尺度的隧道物理模型，隧道模型左右兩側(cè)利用鋼板進(jìn)行位移約束和豎直方向進(jìn)壓縮，研究高應(yīng)力硬巖隧道無(wú)支護(hù)條件下發(fā)生板裂所需的壓縮強(qiáng)度與誘導(dǎo)應(yīng)力的比值，試驗(yàn)過(guò)程中在隧道表面發(fā)生了明顯的板裂破壞現(xiàn)象。

單向加載狀態(tài)一般不能反映深部巷道所處的應(yīng)力環(huán)境，為此研究人員忽略巷道軸向應(yīng)力的影響，對(duì)含預(yù)制孔洞試樣進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn)。ZHU等[58-59]構(gòu)筑馬蹄形隧道物理相似模型進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn)，研究深部硬巖板裂破壞發(fā)展過(guò)程、破壞機(jī)制和發(fā)生初始條件，試驗(yàn)成功模擬了深部硬巖板裂破壞現(xiàn)象，指出深部硬巖板裂破壞初始應(yīng)力和應(yīng)變隨初始邊界應(yīng)力增大而增大，并給出了板裂破壞的初始應(yīng)力和臨界應(yīng)力公式，且初始邊界應(yīng)力越高，板裂破壞的范圍和程度越大、越嚴(yán)重；板裂破壞過(guò)程可分為2個(gè)主要階段，即側(cè)壁表面的瞬時(shí)開(kāi)裂過(guò)程和薄巖片從開(kāi)挖邊界向遠(yuǎn)場(chǎng)逐漸發(fā)展的板裂過(guò)程，最終形成穩(wěn)定的V形槽。劉祥鑫等[60-61]利用雙軸巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)含預(yù)制圓形孔洞花崗巖試樣先進(jìn)行雙軸加載來(lái)模擬地下巷道的初始應(yīng)力環(huán)境，再通過(guò)卸載水平方向荷載模擬巷道邊巖體的開(kāi)挖作用，發(fā)現(xiàn)巷道內(nèi)壁發(fā)生了小顆粒彈射、片狀剝離和片狀剝落的破壞過(guò)程。同時(shí)，利用該設(shè)備對(duì)3種不同含水量的含圓形孔洞花崗巖試樣進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在飽水條件下洞壁易發(fā)生剪切開(kāi)裂，形成一個(gè)寬而深的V型破壞區(qū)，而干燥狀態(tài)下洞壁主要破壞模式為典型的板裂破壞。WANG等[62]對(duì)含4種不同軸比橢圓孔洞長(zhǎng)方體試樣進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著軸比的增大，平靜期和板裂期的持續(xù)時(shí)間增大，而小顆粒彈射期和巖爆階段持續(xù)時(shí)間沒(méi)有明顯變化。谷雪斌等[63]對(duì)含圓形孔洞的紅砂巖長(zhǎng)方體試樣開(kāi)展雙軸試驗(yàn)，研究不同側(cè)壓影響下圓形洞室?guī)r爆機(jī)制，發(fā)現(xiàn)側(cè)壓較低時(shí)，洞壁受力類似單軸壓縮，以拉伸破壞機(jī)制為主，洞壁破壞深度小；側(cè)壓較高時(shí)，洞壁淺部區(qū)域破壞機(jī)制與側(cè)壓較低時(shí)類似，但洞壁深部區(qū)域受力類似三軸壓縮，以剪切破壞機(jī)制為主，洞壁破壞深度大。劉冬橋等[64]含對(duì)圓孔洞的立方體砂巖試樣進(jìn)行雙軸加載，開(kāi)展了動(dòng)載誘發(fā)沖擊地壓實(shí)驗(yàn)研究，獲得了動(dòng)載誘發(fā)沖擊地壓過(guò)程顆粒彈射、碎屑剝落等特征現(xiàn)象。蘇國(guó)韶等[65]利用真三軸巖爆試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)含圓形孔洞的不同晶粒尺寸花崗巖試樣進(jìn)行雙軸試驗(yàn)。在相同加載條件下，細(xì)中晶粒花崗巖試樣發(fā)生以靜態(tài)脆性破壞為主的板裂化破壞，而中粗晶粒花崗巖發(fā)生以劇烈彈射破壞為主的巖爆破壞。胡小川等[66-68]對(duì)含有圓形孔洞的花崗巖立方體試樣進(jìn)行了雙軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)洞壁發(fā)生劈裂和屈曲變形，并指出板裂破壞主要位于壓應(yīng)力集中區(qū)，其產(chǎn)生的機(jī)制是壓應(yīng)力集中作用下內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生、孕育和相互作用，形成的薄狀巖板發(fā)生鼓脹、屈曲，進(jìn)而形成板裂破壞，最終在洞壁上產(chǎn)生大致對(duì)稱的V型板裂帶。LIU等[69]利用真三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)含圓形孔洞花崗巖試樣進(jìn)行了雙軸壓縮試樣，發(fā)現(xiàn)巖爆坑形成過(guò)程中洞壁劈裂成薄板。ZHONG等[70]為明確含自然裂隙的硬脆性圍巖的破裂機(jī)制，對(duì)含有倒U型孔洞的流紋巖試樣進(jìn)行了雙軸加載試驗(yàn)，研究孔洞周邊裂隙的萌生、擴(kuò)展和貫通規(guī)律。發(fā)現(xiàn)試樣主要發(fā)生輕微剪切滑移和“V”形剪切楔體破壞，而沒(méi)有發(fā)生實(shí)踐工程中的板裂和巖爆。PAN等[71]制做了2種拱形隧道模型(孔洞周邊含裂隙和不含裂)，而含裂隙的試樣部分用充填材料對(duì)裂隙進(jìn)行填充，進(jìn)行了一系列雙軸壓縮試驗(yàn)，研究切向應(yīng)力集中誘發(fā)板裂破壞過(guò)程。發(fā)現(xiàn)在集中切向應(yīng)力作用下沒(méi)有裂隙的隧道模型2個(gè)側(cè)壁發(fā)生板裂，形成層狀薄板以及由于剪脹裂隙萌生、擴(kuò)展從自由邊界脫落，在含裂隙隧道模型觀察到了不對(duì)稱板裂破壞。與裂隙充填的隧道模型相比，張開(kāi)裂隙隧道模型板裂更加集中，導(dǎo)致破壞范圍更大和破壞更劇烈。ZHAO等[72-73]利用含梯形、橢圓和正方形孔洞立方體砂巖試樣進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)洞壁破壞過(guò)程為裂隙萌生和擴(kuò)展、裂隙貫通、板裂破壞和形成V型槽，且破壞程度隨著側(cè)向應(yīng)力增大而更嚴(yán)重。

深部巷道在三維應(yīng)力環(huán)境中，巷道圍巖的板裂破壞除了受巷道截面平面內(nèi)的兩個(gè)主應(yīng)力影響外，平行巷道軸線的軸向應(yīng)力也對(duì)圍巖板裂破壞有顯著影響。為此，一些研究人員采用真三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)巷道物理模型進(jìn)行真三軸加載。陳陸望[74-75]、許迎年等[76]利用相似材料構(gòu)筑圓形、橢圓隧洞模型，并在巖土工程大型真三軸物理模型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高應(yīng)力條件下平面應(yīng)變物理模型試驗(yàn)(軸向?yàn)槲灰萍s束)，均觀察到洞壁內(nèi)蔥皮狀剝落、片狀塊體掉落現(xiàn)象。周輝等[77]在總結(jié)深埋隧洞不同曲率斷面處的板裂破壞特征和形態(tài)的基礎(chǔ)上開(kāi)展了隧洞相似材料模擬真三軸試驗(yàn)(軸向?yàn)槲灰萍s束)，深入分析了斷面曲率和斷面形狀對(duì)隧洞圍巖板裂破壞的影響?？傮w上呈現(xiàn)出隨曲率半徑的增大，板裂破壞由主導(dǎo)剪切滑移破壞逐漸變?yōu)橹鲗?dǎo)張拉破壞，并指出隧洞斷面曲率半徑對(duì)板裂破壞具有結(jié)構(gòu)效應(yīng)和尺度效應(yīng)，進(jìn)而影響圍巖板裂破壞的形態(tài)和破裂機(jī)制。LEE和HAIMSON[78]通過(guò)總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)花崗巖隧洞圍巖板裂破壞和利用含預(yù)制圓形孔洞的花崗巖試樣進(jìn)行室內(nèi)真三軸板裂破壞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)圍巖發(fā)生板裂破壞的主導(dǎo)機(jī)制是應(yīng)力誘導(dǎo)張拉開(kāi)裂，形成的裂隙呈密集型，且近似平行洞壁表面，并指出這些張拉裂隙會(huì)限制板裂薄片的漸進(jìn)性剝落，從而在洞壁上形成深而尖的“狗耳朵”狀破壞區(qū)。CHEON等[79-80]采用相似模擬材料構(gòu)筑隧道模型，并對(duì)其進(jìn)行真三軸加載，研究深部地下巖石洞室周邊脆性破壞機(jī)制，發(fā)現(xiàn)洞壁發(fā)生了嚴(yán)重的板裂破壞，并指出當(dāng)洞室斷面曲率半徑較小時(shí)，會(huì)對(duì)洞室周邊圍巖內(nèi)部的裂隙擴(kuò)展產(chǎn)生抑制作用，而當(dāng)斷面曲率半徑較大時(shí)，對(duì)洞室周邊裂隙的這種抑制作用就會(huì)相對(duì)減弱。何滿潮等[81]將巖爆分為應(yīng)變巖爆和沖擊巖爆兩大類，并利用自研的沖擊巖爆試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)巷道物理模型以上2種巖爆過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M，試驗(yàn)結(jié)果表明在2種加載方式下孔壁均出現(xiàn)了巖片彈射和片狀剝離等現(xiàn)象。王煬等[82]利用該設(shè)備在室內(nèi)真三軸加載條件下再現(xiàn)橢圓形洞室的沖擊巖爆現(xiàn)象，產(chǎn)生的巖片碎屑主要為薄板狀，孔洞內(nèi)壁破壞起初發(fā)生明顯的板裂現(xiàn)象。宮鳳強(qiáng)等[83-88]將花崗巖、紅砂巖、大理巖加工成含圓形、直墻拱形、矩形孔洞的立方體試樣，利用大尺寸真三軸巖石試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行真三軸壓縮試驗(yàn)，模擬深部巷道開(kāi)挖后承受應(yīng)力調(diào)整發(fā)生板裂破壞的情況。試驗(yàn)過(guò)程中，利用三維加載巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)洞壁破壞過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和監(jiān)測(cè)，并對(duì)誘發(fā)板裂、巖爆破壞特征進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)。發(fā)現(xiàn)所有試樣洞壁破壞呈典型的張拉破裂特征，巖片呈現(xiàn)中間厚、兩翼薄的弧形特征，最終形成對(duì)稱的V 型槽破壞區(qū)(圖6)；圓形孔洞試樣破壞過(guò)程經(jīng)歷了平靜階段、顆粒彈射階段、巖片板裂剝落和爆裂階段，表現(xiàn)出較明顯的巖片動(dòng)力彈射過(guò)程，但巖爆發(fā)生前會(huì)發(fā)生明顯的板裂破壞，而含直墻拱形和矩形孔洞的試樣洞壁動(dòng)力破壞現(xiàn)象不明顯，洞壁被切割成近似平行洞壁的多層薄巖板，發(fā)生大塊薄巖板的層層剝落，主要表現(xiàn)為靜力板裂破壞，進(jìn)而指出直墻邊墻有利于降低邊墻巖爆等級(jí)或使巖爆轉(zhuǎn)變?yōu)殪o力板裂破壞，且發(fā)生初始破壞所需應(yīng)力水平高，但在高應(yīng)力環(huán)境中破壞比圓形邊墻更嚴(yán)重；邊墻尺寸增大可降低圍巖儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能的能力，使張拉特征變得更加突出，板裂更嚴(yán)重，使發(fā)生巖爆的風(fēng)險(xiǎn)降低?；诖罅吭囼?yàn)結(jié)果，深入探討了板裂破壞與巖爆之間的內(nèi)在關(guān)系，揭示了板裂破壞誘發(fā)巖爆的作用機(jī)制，認(rèn)為板裂破壞誘發(fā)巖爆的作用機(jī)制主要在以下2個(gè)方面：①板裂破壞使圍巖劈裂成薄板，圍巖更易發(fā)生屈曲變形，積聚彈性應(yīng)變能，為巖爆發(fā)生提供能量；②板裂破壞使圍巖劈裂成薄板，圍巖強(qiáng)度劣化，為巖爆發(fā)生創(chuàng)造條件。此外，利用該套試驗(yàn)設(shè)備， LUO等[89-90]對(duì)自然風(fēng)干和自然飽水含圓形和直墻拱形孔洞立方體試樣進(jìn)行真三軸試驗(yàn)，研究了水對(duì)深部硬巖隧洞圍巖力學(xué)行為的影響，發(fā)現(xiàn)在水的影響下圍巖破壞劇烈程度明顯降低，基本無(wú)明顯的巖片彈射現(xiàn)象發(fā)生，主要發(fā)生大范圍的板裂破壞。SI等[91]為了模擬深部三維高應(yīng)力條件下D形隧道板裂破壞過(guò)程，對(duì)具有貫穿D形孔洞的立方體花崗巖試件進(jìn)行了真三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隧道破壞過(guò)程分為平靜期、細(xì)顆粒彈射期、裂隙產(chǎn)生和擴(kuò)展、巖板屈曲和板裂，在高垂直應(yīng)力和恒定水平軸向應(yīng)力下，增加側(cè)向應(yīng)力可降低板裂破壞的嚴(yán)重程度和V型槽的深度。

圖6 不同斷面形狀孔洞板裂破壞[84-86]Fig.6 Spalling of hole with different cross-section shapes[84-86]

以上研究對(duì)深部硬巖巷道(隧洞、隧道、洞室等)板裂破壞以及板裂破壞誘發(fā)巖爆過(guò)程進(jìn)行了較深入分析和總結(jié)，對(duì)清晰認(rèn)識(shí)深部硬巖巷道誘發(fā)板裂破壞演化規(guī)律和力學(xué)機(jī)理起到了很好的指導(dǎo)作用。

1.3 “先加載后孔內(nèi)卸荷”板裂試驗(yàn)

大量研究表明，開(kāi)挖產(chǎn)生的卸荷效應(yīng)對(duì)圍巖質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生一定劣化作用，在巖體內(nèi)部造成不同程度的損傷[92-94]，從而影響巖體的力學(xué)行為和破壞特征，因而在研究深部硬巖巷道誘發(fā)板裂破壞時(shí)非常有必要考慮開(kāi)挖卸荷的影響。目前，在考慮巷道結(jié)構(gòu)效應(yīng)和開(kāi)挖卸荷效應(yīng)條件下進(jìn)行巷道物理模型室內(nèi)試驗(yàn)研究時(shí)，主要有以下3種方法：①先充填后開(kāi)挖卸荷：采用含預(yù)制孔洞試樣，先在孔內(nèi)充填，加載達(dá)到初始應(yīng)力條件后再挖出充填體；②先孔內(nèi)加壓后孔內(nèi)卸壓：采用含預(yù)制孔洞試樣，用特定裝置先對(duì)孔壁加載，在加載達(dá)到初始應(yīng)力條件后再進(jìn)行孔內(nèi)卸壓；③先加載后開(kāi)孔卸荷：采用實(shí)體試樣，先將試樣加載至初始應(yīng)力條件，再利用鉆孔或開(kāi)挖裝置對(duì)試樣進(jìn)行開(kāi)孔卸壓。

在先充填后開(kāi)挖卸荷方面，齊燕軍等[95]利用相似材料構(gòu)筑圓形硬巖巷道模型(先對(duì)孔洞進(jìn)行填充)進(jìn)行巖爆雙軸壓縮試驗(yàn)?zāi)M，加載達(dá)到初始應(yīng)力后，通過(guò)將填充物拔出模擬巷道開(kāi)挖引起的卸荷擾動(dòng)，觀察到了洞壁剝落、片狀塊體掉落現(xiàn)象。張艷博等[96]、梁鵬等[97]先對(duì)含預(yù)制圓形孔洞的花崗巖立方體試樣進(jìn)行圓孔內(nèi)充填，然后對(duì)試樣外圍進(jìn)行雙軸加載，再將充填物挖出，實(shí)現(xiàn)巷道開(kāi)挖過(guò)程模擬，試驗(yàn)過(guò)程中觀察到巖爆發(fā)生位置發(fā)生了明顯的板裂破壞，洞壁圍巖被多條與主應(yīng)力方向近似平行的裂隙切割，裂隙長(zhǎng)度隨距洞壁距離增大而減小，破壞模式呈典型的張拉破裂機(jī)制，而在巖爆位置區(qū)域附近也產(chǎn)生了多條與主應(yīng)力近似垂直、長(zhǎng)度較短的裂隙，該類裂隙的形成機(jī)制與剪應(yīng)力作用有關(guān)，并指出板裂屈曲型巖爆孕育機(jī)制為：板裂化破壞、巖板剪切屈曲斷裂、巖塊彈射和噴出，認(rèn)為板裂化破壞和巖板的剪切斷裂分別與張性、剪切破裂有關(guān)，是巖爆孕育的2個(gè)核心過(guò)程，其中張性破裂為主導(dǎo)的板裂化破壞提供了巖爆發(fā)生的前期“物質(zhì)基礎(chǔ)”，而剪切裂隙的萌生、擴(kuò)展是巖爆發(fā)生的災(zāi)變“誘發(fā)因子”，是誘發(fā)巖爆災(zāi)害的關(guān)鍵。

在先孔內(nèi)加壓后孔內(nèi)卸壓方面，李天斌等[98-99]利用研制的二維大型物理模型加載系統(tǒng)和巷道開(kāi)挖模擬裝置(圖7)，采取后開(kāi)孔的隧洞成洞方式，較真實(shí)模擬了隧道開(kāi)挖卸荷過(guò)程，在考慮卸荷擾動(dòng)條件下對(duì)深部硬巖巷道破壞特征進(jìn)行了分析，觀察到了隧洞發(fā)生圍巖開(kāi)裂、鼓折以及剝落的過(guò)程，主要破壞形式為板裂張拉型巖爆，認(rèn)為圍巖發(fā)生脆性破裂與誘發(fā)巖爆呈現(xiàn)出一定的漸進(jìn)性，通常破壞由小范圍、細(xì)小顆粒狀彈射、掉落為最初破壞特征，隨后破壞范圍和規(guī)模擴(kuò)大出現(xiàn)片狀、碎塊狀剝落和彈射，最后出現(xiàn)大規(guī)模的塊狀彈射式巖爆。

圖7 隧道模型開(kāi)挖裝置及安裝[98]Fig.7 Excavation device of tunnel model and its installation[98]

在先加載后開(kāi)孔卸荷方面，阿比爾得等[100]自主設(shè)計(jì)了隧洞模型試驗(yàn)儀，利用物理相似模擬材料構(gòu)筑隧道模型，借用鋼板對(duì)隧洞模型兩向側(cè)面進(jìn)行位移約束，豎直方向利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)隧道模型進(jìn)行加載，加載后通過(guò)開(kāi)挖窗口進(jìn)行挖孔，對(duì)比研究了隧洞模型在超載破壞試驗(yàn)(先預(yù)制孔再加載)和開(kāi)挖卸載破壞試驗(yàn)(先加載再挖孔)2種不同應(yīng)力路徑下的破壞模式，發(fā)現(xiàn)2種工況下隧洞模型破壞過(guò)程均為側(cè)壁楔體剪切破壞和豎向張拉破壞耦合的V型片幫劈裂破壞。ZHANG等[101]為研究高邊墻洞室在高地應(yīng)力作用下的劈裂破壞，基于自行開(kāi)發(fā)的三維加載系統(tǒng)和相似材料，以瀑布溝水電站主廠房為背景構(gòu)筑大型真實(shí)三維地下水電洞室地質(zhì)力學(xué)模型，在加壓后通過(guò)模型預(yù)留的開(kāi)挖窗口進(jìn)行開(kāi)挖，模擬地下高邊墻洞室的開(kāi)挖過(guò)程，成功再現(xiàn)了高地應(yīng)力作用下高邊墻洞室的劈裂破壞，認(rèn)為開(kāi)挖卸載是導(dǎo)致側(cè)壁發(fā)生開(kāi)裂的主要原因，圍巖的破壞會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的應(yīng)力場(chǎng)，該應(yīng)力場(chǎng)與原始應(yīng)力場(chǎng)疊加，導(dǎo)致出現(xiàn)了一個(gè)新的破裂區(qū)，這樣就形成了破裂區(qū)和非破裂區(qū)交替的劈裂破壞現(xiàn)象。以上2項(xiàng)研究主要采用物理模擬相似材料進(jìn)行試驗(yàn)。

為更好模擬深部硬巖開(kāi)挖誘發(fā)的脆性破壞，司雪峰和宮鳳強(qiáng)[102]對(duì)巖石真三軸試驗(yàn)機(jī)加載裝置進(jìn)行了改進(jìn)和自主研發(fā)了巖石鉆孔卸荷試驗(yàn)裝置(如圖8)，將中等巖爆傾向性的紅砂巖加工成實(shí)心立方體試樣，先對(duì)實(shí)心立方體試樣進(jìn)行雙軸加載，達(dá)到初始應(yīng)力條件后，再利用巖石鉆孔卸荷試驗(yàn)裝置對(duì)實(shí)心立方體試樣進(jìn)行內(nèi)部鉆孔卸荷，較真實(shí)的模擬了“高應(yīng)力+內(nèi)部卸荷+應(yīng)力調(diào)整”的深部硬巖開(kāi)挖應(yīng)力路徑，室內(nèi)成功再現(xiàn)了深部硬巖隧洞開(kāi)挖卸荷擾動(dòng)誘發(fā)圍巖破壞過(guò)程，并與相同加載條件下的含預(yù)制圓形孔洞試樣(孔洞直徑大小相同)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，指出2種情況下洞壁破壞均主要為顆粒彈射和巖片剝落破壞，在洞壁上形成V型槽，但先加載后開(kāi)孔試樣洞壁初始破壞所需的應(yīng)力要低于含預(yù)制孔洞試樣，破壞也更為嚴(yán)重，并認(rèn)為在高應(yīng)力條件下對(duì)巖石進(jìn)行內(nèi)部卸荷會(huì)在孔洞周邊產(chǎn)生一定程度和范圍的損傷，使圍巖強(qiáng)度弱化。

圖8 巖石鉆孔卸荷試驗(yàn)裝置[102]Fig.8 Test device for rock drilling unloading[102]

2 深部硬巖巷道圍巖板裂破壞試驗(yàn)?zāi)M研究存在的問(wèn)題與展望

圍繞深部高應(yīng)力硬巖巷道(隧洞、洞室等)圍巖普遍發(fā)生板裂破壞的難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者、研究人員選擇不同形狀試樣和加載應(yīng)力路徑開(kāi)展了大量室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M研究，對(duì)板裂破壞的演化過(guò)程、破壞特征、力學(xué)機(jī)理以及誘發(fā)巖爆等進(jìn)行了分析和總結(jié)，在一定程度上對(duì)深部硬巖巷道開(kāi)挖卸荷擾動(dòng)誘發(fā)板裂破壞有了較深入認(rèn)識(shí)，對(duì)深部硬巖巷道板裂破壞防治、支護(hù)以及認(rèn)識(shí)巖爆孕育過(guò)程等方面起到了有益指導(dǎo)?；谇拔膶?duì)巷道圍巖板裂破壞室內(nèi)試驗(yàn)研究進(jìn)展，在室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M研究中目前存在以下主要問(wèn)題和難題：

1)深部巷道圍巖賦存環(huán)境復(fù)雜多變，受應(yīng)力、溫度、地下水等眾多外部因素影響[103]，且各因素之間可能還存在耦合作用。通常，主應(yīng)力方向?qū)Π辶哑茐男纬蛇^(guò)程中裂隙擴(kuò)展、貫通在較大程度起控制作用，而掌子面附近圍巖主應(yīng)力方向隨掌子面推進(jìn)將會(huì)不斷發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而影響裂隙擴(kuò)展模式[16]。而水的作用會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生劣化，加速巖石亞臨界裂隙的擴(kuò)展速度，相對(duì)濕度增加3～4倍會(huì)導(dǎo)致裂隙速度增加1～4個(gè)數(shù)量級(jí)[104]。在溫度作用下，圍巖內(nèi)會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，誘發(fā)微裂隙的萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度弱化[105]。而當(dāng)這些因素產(chǎn)生耦合作用時(shí)，對(duì)圍巖板裂破壞的影響將變得更加復(fù)雜，而目前現(xiàn)有試驗(yàn)條件很難同時(shí)較真實(shí)模擬圍巖所處的外界多因素作用的環(huán)境。

2)天然巖體內(nèi)部具有各種不同類型和產(chǎn)狀的地質(zhì)結(jié)構(gòu)弱面和缺陷，且對(duì)圍巖板裂破壞影響顯著[106]。例如，層理構(gòu)造使得圍巖具有明顯的非均質(zhì)性和各向異性，對(duì)巖石的力學(xué)特性和破壞模式有顯著的影響，具有明顯的傾角效應(yīng)[107]。而目前室內(nèi)試驗(yàn)所選用的巖石試樣和物理相似材料試樣相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)巖體比較完整和均質(zhì)，難以在試樣內(nèi)構(gòu)造出與現(xiàn)場(chǎng)巖體一致的結(jié)構(gòu)弱面或缺陷。

3)由于現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備加載能力有限，特別是采用巖石試樣進(jìn)行真三軸試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)設(shè)備加載能力限制了試樣尺寸大小，目前一般主要采用縮小尺寸的巷道物理模型試樣進(jìn)行試驗(yàn)。而研究表明，巖石的力學(xué)特性和破壞行為具有尺寸效應(yīng)，使得巷道物理模型的板裂強(qiáng)度、破壞模式均會(huì)受尺寸效應(yīng)影響[108]。因此，室內(nèi)巷道板裂破壞模擬試驗(yàn)結(jié)果與工程實(shí)際存在一定差異，難以真實(shí)反映出現(xiàn)場(chǎng)巷道板裂圍巖的力學(xué)特性和破壞行為。

4)受試驗(yàn)技術(shù)限制，目前可以實(shí)現(xiàn)雙軸加載條件下巖石試樣內(nèi)部開(kāi)孔卸荷過(guò)程，但很難在真三軸加載條件實(shí)現(xiàn)巖石試樣內(nèi)部開(kāi)孔卸荷過(guò)程(模擬巷道開(kāi)挖)。而深部高應(yīng)力條件和強(qiáng)開(kāi)挖擾動(dòng)條件下，巷道開(kāi)挖產(chǎn)生的應(yīng)力卸荷效應(yīng)變得更為突出。通常，高應(yīng)力條件下卸荷會(huì)在圍巖中產(chǎn)生張拉應(yīng)力，且卸荷速率越快，產(chǎn)生的張拉應(yīng)力越大，因而卸荷效應(yīng)被認(rèn)為是圍巖形成板裂破壞的一個(gè)重要因素[109]。因此，在真三軸加載條件下實(shí)現(xiàn)巖石試樣內(nèi)部開(kāi)孔卸荷過(guò)程是開(kāi)展室內(nèi)巷道板裂破壞試驗(yàn)?zāi)M需解決的關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)。

5)由于巖石本身為不透明材料，并且受目前監(jiān)測(cè)技術(shù)限制，試驗(yàn)過(guò)程中難以將圍巖變形、裂隙萌生和擴(kuò)展、應(yīng)力場(chǎng)演化等關(guān)鍵信息實(shí)時(shí)直觀地展現(xiàn)出來(lái)，這導(dǎo)致圍巖板裂破壞演化過(guò)程和破壞特征仍停留在定性描述上，難以對(duì)相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行量化分析，也很難獲得應(yīng)力、變形、破壞三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而無(wú)法建立起有效板裂破壞判據(jù)和合理的板裂力學(xué)模型。

針對(duì)以上板裂破壞試驗(yàn)研究中存在的問(wèn)題和難題，筆者認(rèn)為接下來(lái)深部巷道圍巖板裂破壞室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M研究，有如下3個(gè)發(fā)展趨勢(shì)和方向：

1)研發(fā)與巖石性質(zhì)一致或相似的新材料，結(jié)合3D打印技術(shù)構(gòu)筑出能真實(shí)反映深部巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)弱面、缺陷的大尺度巷道開(kāi)挖模型試驗(yàn)試樣。通常，巷道板裂破壞實(shí)質(zhì)是圍巖內(nèi)部細(xì)微裂隙萌生、擴(kuò)展、貫通的結(jié)果，掌握板裂形成過(guò)程中微裂隙萌生、擴(kuò)展、貫通規(guī)律對(duì)認(rèn)識(shí)板裂機(jī)制非常重要。因此，在開(kāi)展巷道圍巖板裂破壞室內(nèi)物理模型試驗(yàn)時(shí)，所選用的相似材料不僅需與巖石的力學(xué)特性一致或相近，同時(shí)也需在細(xì)宏觀破裂特征上與巖石相一致或相近，即研發(fā)的新材料在力學(xué)特性和細(xì)宏觀破裂上與巖石相一致或相近是巷道板裂破壞物理模型試驗(yàn)的關(guān)鍵。同時(shí)，借助3D打印技術(shù)，構(gòu)筑出與現(xiàn)場(chǎng)巷道相似的含結(jié)構(gòu)弱面、缺陷的大尺度巷道物理模型，以使室內(nèi)巷道模型試樣更能真實(shí)還原現(xiàn)場(chǎng)巷道。

2)研制適應(yīng)大尺度試樣的高噸位、多場(chǎng)耦合真三軸試驗(yàn)機(jī)和與之配套能夠在真三軸加載條件實(shí)現(xiàn)試樣內(nèi)部開(kāi)挖成孔的試驗(yàn)裝置。巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備的研制和改進(jìn)不斷推動(dòng)著巖石力學(xué)向前發(fā)展，采用不同功能的試驗(yàn)設(shè)備可以揭示巖石在不同環(huán)境中本構(gòu)規(guī)律。巖石或巖體的力學(xué)特性、破壞行為不僅與其應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，還與其所經(jīng)歷的應(yīng)力路徑和所處環(huán)境中水、溫度等影響密切相關(guān)。而研制高噸位、多場(chǎng)耦合真三軸試驗(yàn)機(jī)和配套的開(kāi)挖成孔試驗(yàn)裝置，開(kāi)展大尺度巷道物理模型室內(nèi)試驗(yàn)，可以較好解決目前室內(nèi)巷道模型板裂試驗(yàn)中受尺寸效應(yīng)、邊界效應(yīng)影響的難題，同時(shí)也能更真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力路徑以及地質(zhì)環(huán)境中水、溫度等條件。

3)開(kāi)發(fā)新的監(jiān)測(cè)技術(shù)和軟件，在試驗(yàn)過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)將圍巖變形、裂隙萌生和擴(kuò)展、應(yīng)力演化等關(guān)鍵信息動(dòng)態(tài)、直觀呈現(xiàn)出來(lái)。目前，在巷道圍巖板裂破壞試驗(yàn)研究中存在一個(gè)重大難題，即在試驗(yàn)過(guò)程中已有試驗(yàn)監(jiān)測(cè)手段難以實(shí)時(shí)直接觀測(cè)到內(nèi)部圍巖的物理演化過(guò)程。雖然近年來(lái)數(shù)值模擬方法得到了廣泛的應(yīng)用，可以在一定程度對(duì)這一過(guò)程實(shí)現(xiàn)可視化，但數(shù)值模擬方法在模型參數(shù)校核時(shí)大都是從強(qiáng)度變形參數(shù)和宏觀破壞形態(tài)上去校核，而忽略了巖石介質(zhì)真實(shí)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，難以真實(shí)反映出板裂破壞的應(yīng)力、變形以及微細(xì)觀破裂機(jī)制。因此，需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新的監(jiān)測(cè)技術(shù)和軟件，以在試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)圍巖內(nèi)部“看不見(jiàn)、摸不著”的應(yīng)力、變形、裂隙演化等關(guān)鍵信息的直觀展現(xiàn)和量化。

在實(shí)現(xiàn)以上3點(diǎn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展大量室內(nèi)巷道板裂破壞試驗(yàn)?zāi)M，利用新的監(jiān)測(cè)技術(shù)和軟件獲取巷道模型板裂破壞過(guò)程中圍巖應(yīng)力、變形、破壞信息，總結(jié)板裂破壞宏細(xì)觀特征和演化規(guī)律，明確應(yīng)力、變形、破壞三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，找出能量化板裂破壞關(guān)鍵信息的具體指標(biāo)，構(gòu)建合理板裂破壞力學(xué)模型，進(jìn)而建立含關(guān)鍵指標(biāo)的板裂破壞判據(jù)。

3 結(jié) 語(yǔ)

板裂破壞是深部硬巖在高應(yīng)力和開(kāi)挖卸荷擾動(dòng)作用下的一種典型破壞形式，是一種完全不同于淺部巖體破壞的一種高應(yīng)力誘導(dǎo)破壞現(xiàn)象，在深部硬巖巷道中較為常見(jiàn)，且與誘發(fā)巖爆關(guān)系密切。從室內(nèi)試驗(yàn)研究所采用試樣種類和加載方式方面，對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)板裂破壞室內(nèi)試驗(yàn)研究進(jìn)行了分類總結(jié)，重點(diǎn)介紹了板裂破壞試驗(yàn)所用試樣、加載方式情況以及試驗(yàn)所取得研究成果。在此基礎(chǔ)上，從室內(nèi)試驗(yàn)物理環(huán)境、試樣制作、設(shè)備加載能力、卸荷路徑、監(jiān)測(cè)方法5個(gè)方面指出了目前巷道板裂破壞室內(nèi)試驗(yàn)研究中存在的主要問(wèn)題和難題，并針對(duì)存在的問(wèn)題和難題從研發(fā)新材料、新設(shè)備和新監(jiān)測(cè)方法3個(gè)方面提出了深部硬巖板裂破壞試驗(yàn)未來(lái)研究發(fā)展趨勢(shì)。