基于巖爆碎屑研究的高樓山隧道巖爆機(jī)理分析與類(lèi)型判定

孫曉明，任 超，劉冬橋，何滿(mǎn)潮，楊金坤，李志虎，朱嘉杰，袁俊超，齊振敏

1) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 2) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083

巖爆的發(fā)生通常是由于洞室開(kāi)挖二次應(yīng)力場(chǎng)中洞室圍巖應(yīng)力集中而在硬脆性巖體中集儲(chǔ)大量的能量，當(dāng)所積聚的彈性應(yīng)變能超過(guò)圍巖破壞所需要能量或有外界擾動(dòng)時(shí)，進(jìn)而發(fā)生脆性破壞和彈射的現(xiàn)象.何滿(mǎn)潮院士依據(jù)巖爆發(fā)生時(shí)的力學(xué)狀態(tài)，將巖爆分為應(yīng)變巖爆和沖擊巖爆兩大類(lèi)型[1].其主要區(qū)別是應(yīng)變巖爆發(fā)生在地下工程的開(kāi)挖過(guò)程中，而沖擊巖爆是在地下工程形成以后，在爆破、地震等動(dòng)力沖擊下產(chǎn)生的，兩者力源機(jī)制不同[1].板裂化破壞作為深埋高應(yīng)力隧道硬脆性圍巖的普遍規(guī)律和現(xiàn)象，表現(xiàn)為洞壁圍巖密集分布的洋蔥皮狀裂紋切割圍巖，進(jìn)而形成近似平行于開(kāi)挖面的巖板[2].板裂化現(xiàn)象與巖爆之間都具有很強(qiáng)的相關(guān)性和本質(zhì)聯(lián)系，通?？烧J(rèn)為是硬巖發(fā)生應(yīng)變型巖爆的一種前兆特征[3?4].

巖爆機(jī)制的研究是巖爆相關(guān)問(wèn)題研究的核心，是驗(yàn)證巖爆預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性及巖爆防治措施有效性的基礎(chǔ)和依據(jù).在對(duì)上述巖爆類(lèi)型機(jī)理的研究中，何滿(mǎn)潮院士等[1]通過(guò)圖像采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)拍攝砂巖沖擊巖爆全過(guò)程，獲得該類(lèi)型巖爆過(guò)程剝離、彈射等特征現(xiàn)象，建立了沖擊巖爆的動(dòng)應(yīng)力和能量判別方法.劉冬橋等[5?6]進(jìn)行了動(dòng)載誘發(fā)沖擊地壓實(shí)驗(yàn)研究，提出了一種判別動(dòng)載是否誘發(fā)沖擊地壓的實(shí)驗(yàn)方法.宮鳳強(qiáng)等[7?10]采用真三軸巖石實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分別對(duì)直墻拱形隧洞、圓形隧洞、矩形隧洞開(kāi)展了板裂破壞及巖爆實(shí)驗(yàn)，再現(xiàn)了深埋隧洞板裂化現(xiàn)象及屈曲巖爆全過(guò)程，洞壁的破壞過(guò)程可以分為平靜階段、顆粒彈射階段、巖片剝落階段和爆裂階段 4 個(gè)階段.Wang 等[11?12]開(kāi)展了橢圓形洞室和圓形洞室?guī)r爆實(shí)驗(yàn)，研究得出橢圓形洞室發(fā)生巖爆所經(jīng)歷的4個(gè)階段以及擾動(dòng)頻率對(duì)巖爆碎屑的影響.周輝等[13]分析了板裂屈曲巖爆的發(fā)生機(jī)制及結(jié)構(gòu)面作用機(jī)制，他認(rèn)為漸進(jìn)的板裂化破壞過(guò)程起到了活躍結(jié)構(gòu)面的作用，而結(jié)構(gòu)面的存在及其擴(kuò)展降低了板裂化圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，促進(jìn)了巖爆的發(fā)生.以往的巖爆研究[14?18]中發(fā)現(xiàn)巖爆的能量釋放特征與其破壞后碎屑的破碎程度密切相關(guān)，分維值是巖爆破壞程度的一個(gè)重要衡量指標(biāo)，是碎屑破碎程度的一種量化描述，可以判斷并量化巖爆的劇烈程度.因此，研究巖爆碎屑的分形特征有一定的理論指導(dǎo)價(jià)值.李德建等[19]獲得了花崗巖巖爆實(shí)驗(yàn)碎屑分形特征，并與單軸和三軸實(shí)驗(yàn)碎屑進(jìn)行了對(duì)比.趙菲等[20]對(duì)煤巖體進(jìn)行了真三軸卸載煤爆實(shí)驗(yàn)，獲得了其臨界破壞應(yīng)力、破壞碎屑分形維數(shù)等特征，揭示了巖爆過(guò)程中的細(xì)觀損傷機(jī)制.夏元友等[21]研究不同加卸載路徑下產(chǎn)生巖爆碎屑的質(zhì)量和形狀分布特征，探討了巖爆烈度與碎屑分形維數(shù)的關(guān)系.許金余與劉石[22]對(duì)沖擊加載實(shí)驗(yàn)中大理巖破碎塊度進(jìn)行分析，得出了該類(lèi)型巖石的分形特征，并建立了能量吸收和破碎分維的關(guān)系.杜晶等[23]進(jìn)行一系列不同的長(zhǎng)徑比砂巖沖擊實(shí)驗(yàn)，分析了破碎塊度的分形維數(shù)，得出了相同長(zhǎng)徑比巖石試件，巖石破碎分維值與試樣的應(yīng)變率線(xiàn)性相關(guān)，隨應(yīng)變率增大而增大的結(jié)論.

現(xiàn)有對(duì)巖爆機(jī)理的研究多從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和公式推導(dǎo)入手，通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析巖爆機(jī)理，由于沒(méi)有具體的工程背景，所得研究結(jié)果不具有針對(duì)性.受現(xiàn)場(chǎng)條件、環(huán)境、人員制約的影響，巖爆現(xiàn)場(chǎng)資料的收集存在一定程度的資料不全或者匱乏的情況，姚志賓等[24]采用面向?qū)ο蟮?B/S+C/S 結(jié)構(gòu)，建立了巖爆數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，利用多個(gè)具有巖爆災(zāi)害的深埋巖體工程，對(duì)巖爆數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用，取得了較好的效果.然而，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)巖爆碎屑收集后的相關(guān)分析基本處于空白狀態(tài)，這很大程度上影響了對(duì)巖爆這一難題的解決.此外，在巖爆碎屑研究方面，現(xiàn)有研究多偏向于對(duì)巖爆碎屑分維結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，所得結(jié)果分析僅限于實(shí)驗(yàn)本身，對(duì)于工程現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)性不強(qiáng)，對(duì)于從質(zhì)量、尺度分布、形狀特征等全角度進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而深化對(duì)巖爆機(jī)理認(rèn)識(shí)的研究較少.然而，巖爆碎屑能在一定程度上反映巖石破碎演化過(guò)程的物理機(jī)制，可作為一種有效手段，從特殊角度研究并深化對(duì)巖爆機(jī)理的認(rèn)識(shí).鑒于此，本文根據(jù)對(duì)兩種不同類(lèi)型巖爆實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)巖爆碎屑進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)不同的衡量指標(biāo)計(jì)算并對(duì)比分維值，進(jìn)而比較它們之間的異同.在此基礎(chǔ)上，將分析結(jié)果同巖爆實(shí)驗(yàn)圖像相結(jié)合，進(jìn)一步分析巖爆機(jī)理.通過(guò)上述分析，將進(jìn)一步為巖爆機(jī)制的研究提供依據(jù)，同時(shí)提供了一種在工程現(xiàn)場(chǎng)條件和環(huán)境受限下，進(jìn)行巖爆類(lèi)型判定的方法，對(duì)隧道工程安全施工具有重要現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值.為了便于敘述，本文將板裂屈曲巖爆實(shí)驗(yàn)碎屑命名為巖爆碎屑1；爆破沖擊型巖爆實(shí)驗(yàn)碎屑命名為巖爆碎屑2；現(xiàn)場(chǎng)收集的不知類(lèi)型巖爆碎屑命名為巖爆碎屑3，全文涉及到表和圖名及文字表述部分均按此命名.

1 兩種類(lèi)型巖爆實(shí)驗(yàn)

1.1 工程背景

高樓山隧道是通達(dá)隴南市及四川省九寨溝的控制性工程，項(xiàng)目位于甘肅省隴南文縣.隧址區(qū)屬高山峽谷地貌，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震烈度高(Ⅷ度地震區(qū))、地應(yīng)力高(最大主應(yīng)力在27～51 MPa之間)，地溫高(最高地溫可能超過(guò)30 ℃)、隧道埋深大 (最大埋深為 1680 m，埋深>1000 m 占總長(zhǎng)約30%)，是復(fù)雜地質(zhì)條件下深埋特長(zhǎng)公路隧道的典型代表.受構(gòu)造應(yīng)力、自重應(yīng)力場(chǎng)雙重影響，洞身段90%為極高應(yīng)力和高應(yīng)力，變質(zhì)砂巖、片巖等硬質(zhì)巖發(fā)生強(qiáng)烈—中等巖爆可能性大.本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際巖爆情況，分別以高樓山隧道ZK49+223.2處板裂屈曲巖爆、YK53+912處爆破沖擊型巖爆為研究對(duì)象，其中板裂屈曲型巖爆現(xiàn)場(chǎng)埋深為887 m，圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)，地層巖性以變質(zhì)砂巖為主，圖1(a)所示為隧道開(kāi)挖后有明顯板裂構(gòu)造.該處于2020年4月8日，右側(cè)拱腰至拱頂發(fā)生巖爆現(xiàn)象，爆坑形狀及尺寸如圖1(b)所示.爆破沖擊型巖爆現(xiàn)場(chǎng)位于 YK53+908?YK53+912 段，埋深 843 m，地層巖性以變質(zhì)砂巖為主，巖體較完整，多呈塊狀整體結(jié)構(gòu)，圍巖級(jí)別為III級(jí).2020年10月15號(hào)在爆破作業(yè)后，圍巖出現(xiàn)清脆巖石破裂響聲，隨即在拱頂及兩側(cè)拱腰出現(xiàn)大面積彈射與垮塌，爆坑形狀及尺寸如圖1(c)所示.

圖1 現(xiàn)場(chǎng)巖爆現(xiàn)象.(a) 板裂構(gòu)造; (b) 板裂屈曲型巖爆; (c)爆破沖擊型巖爆F(xiàn)ig.1 Rockburst phenomenon: (a) crack structure; (b) slab buckling rockburst; (c) impact rockburst

1.2 試件制備、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與數(shù)據(jù)采集分析

變質(zhì)砂巖試件樣品取自武九高速高樓山隧道WJSY3標(biāo)段，試件呈灰白色，巖石整體致密表面均勻無(wú)層理，平均單軸抗壓強(qiáng)度為97.4 MPa，平均彈性模量為50.65 GPa，平均泊松比為0.14，如圖2(a)所示.將試樣加工成規(guī)格為 110 mm×110 mm×35 mm的樣品，其中表面平整度在±0.05 mm以?xún)?nèi)，相鄰兩表面垂直度偏差在±0.25°以?xún)?nèi)，具體尺寸設(shè)計(jì)及隧洞各部分命名如圖2(b)所示.由表1可知，該試件礦物含量以石英和方解石為主，黏土礦物含量較低，按照何滿(mǎn)潮[25]的研究成果來(lái)看，該種巖石具有較高的巖爆傾向性.

表1 X-射線(xiàn)衍射分析表Table 1 X-ray diffraction analysis table

圖2 試件照片及尺寸設(shè)計(jì)圖.(a) 變質(zhì)砂巖試件照片; (b) 尺寸設(shè)計(jì)及各部分命名Fig.2 Photographs and dimensional design of specimens: (a) photographs of metamorphic sandstone specimens; (b) dimensional design and naming of each part

本次巖爆實(shí)驗(yàn)采用何滿(mǎn)潮院士科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)的沖擊巖爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行，加載系統(tǒng)三向獨(dú)立，采用美國(guó)NI公司伺服控制器，可實(shí)現(xiàn)三向異步加、卸載，又可三向或其中任意兩向同步加、卸載，沖擊巖爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖、系統(tǒng)性能指標(biāo)如圖3(a)所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由主機(jī)、液壓源、測(cè)控裝置和圖像采集系統(tǒng)四部分組成，如圖3(b)所示.目前，該系統(tǒng)具有16種基本波形信號(hào)，包括斜坡波、正弦波、三角波和鋸齒波等.這些擾動(dòng)波在位移控制方式下波幅范圍為 0～1 mm，頻率范圍為 0～1 Hz.

圖3 沖擊巖爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).(a) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖; (b) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖片F(xiàn)ig.3 Experimental system of impact rockburst: (a) schematic diagram of the test system; (b) picture of the test system

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)初始應(yīng)力狀態(tài)的確定來(lái)源于《高樓山地勘報(bào)告》，并根據(jù)最大主應(yīng)力與隧道軸向的夾角按照摩爾?庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行了相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換.鑒于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)勘資料中不同類(lèi)型的巖爆基本發(fā)生在800～900 m這一區(qū)間，本著控制變量的原則，便于對(duì)兩種不同類(lèi)型巖爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，本次實(shí)驗(yàn)選用850 m埋深的地應(yīng)力環(huán)境，其中垂直應(yīng)力σv=22.5 MPa，水平應(yīng)力σh=28.5 MPa.

對(duì)于板裂屈曲型巖爆實(shí)驗(yàn)，采用“先開(kāi)挖、后加載”而后增大垂直應(yīng)力的應(yīng)力路徑，主要考慮深部隧道開(kāi)挖卸荷后應(yīng)力調(diào)整對(duì)巖爆的主導(dǎo)作用.采用雙軸加載方式，模擬雙向應(yīng)力條件下，隧道已開(kāi)挖卸荷后應(yīng)力調(diào)整過(guò)程中誘發(fā)的巖爆破壞的現(xiàn)象.加載時(shí)，首先雙向同步以 0.05 MPa·s?1的速度加載至設(shè)計(jì)的地應(yīng)力水平，保載60 s，使初始地應(yīng)力分布穩(wěn)定，然后保持垂直方向再以相同的速率逐級(jí)加載，每級(jí) 5 MPa，保載 10 s，直至發(fā)生板裂屈曲巖爆.對(duì)于爆破沖擊型巖爆，本實(shí)驗(yàn)主要模擬隧道爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波誘發(fā)隧道發(fā)生沖擊巖爆的過(guò)程.加載方式同板裂屈曲型巖爆實(shí)驗(yàn)類(lèi)似，區(qū)別在于σv加載到約為上述實(shí)驗(yàn)應(yīng)力值的70%后，在兩個(gè)方向同步施加10個(gè)正弦擾動(dòng)波載（頻率為0.1 Hz，振幅增量為 2 MPa），每級(jí)間隔 60 s的保載時(shí)間，直至巖爆發(fā)生.

1.4 巖爆實(shí)驗(yàn)全過(guò)程分析

1.4.1 板裂屈曲型巖爆實(shí)驗(yàn)全過(guò)程分析

結(jié)合實(shí)測(cè)應(yīng)力–時(shí)間曲線(xiàn)(圖4)與主要破壞點(diǎn)圖像(圖5)進(jìn)行分析，依據(jù)巖爆演化現(xiàn)象隨時(shí)間的變化特征，將板裂屈曲型巖爆實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖像劃分為Ⅰ初始地應(yīng)力、Ⅱ剪切裂紋萌生→擴(kuò)展→貫通、Ⅲ板裂構(gòu)造形成和Ⅳ巖爆破壞四個(gè)階段，具體如下：

圖4 板裂屈曲型巖爆實(shí)驗(yàn)應(yīng)力?時(shí)間分布特征Fig.4 Stress –time distribution characteristics of the slab buckling rockburst test

(1) Ⅰ初始地應(yīng)力階段：圍巖處于平靜時(shí)期，沒(méi)有產(chǎn)生破壞(圖5(a)～(b))；

(2) Ⅱ剪切裂紋萌生→擴(kuò)展→貫通階段：此階段的突出特征為剪切裂紋萌生→擴(kuò)展→貫通，具體表現(xiàn)為當(dāng)σv=52 MPa時(shí)，右側(cè)拱腰處內(nèi)壁出現(xiàn)平行于隧道軸向的剪切裂紋(圖5(c)).隨著垂直應(yīng)力進(jìn)一步增加，左側(cè)拱腰接近拱腳處內(nèi)壁開(kāi)始出現(xiàn)剪切裂紋(圖5(d))；

(3) Ⅲ板裂構(gòu)造形成階段：此階段的突出特征為板裂構(gòu)造形成，具體表現(xiàn)為當(dāng)σv=76.9 MPa時(shí)，在左側(cè)拱肩與拱腳以及右側(cè)拱腰出現(xiàn)了豎條平行于臨空面的張拉裂紋，右側(cè)拱腰處板裂狀構(gòu)造初步形成(圖5(e)).隨著張拉與剪切裂紋的擴(kuò)展與貫通，右側(cè)拱腰處板裂破壞區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，左側(cè)拱腰處板裂狀構(gòu)造初步形成(圖5(f))；

(4) Ⅳ巖爆破壞階段：當(dāng)σv=73.7 MPa 時(shí)，試件內(nèi)部?jī)?chǔ)存的彈性應(yīng)變能超過(guò)試件的極限儲(chǔ)能能力，左側(cè)拱腳→拱肩出現(xiàn)剪切裂紋并發(fā)生巖板折斷，右側(cè)拱腰位置發(fā)生第一次巖片彈射(圖5(g)).當(dāng)σv=70.2 MPa時(shí)，左右兩側(cè)巖板發(fā)生第二次巖片彈射(圖5(h)).由以上分析可知，兩次巖爆均形成“淺窩”狀爆坑，且與現(xiàn)場(chǎng)巖爆情況一致，這證明了本次實(shí)驗(yàn)的合理性.板裂屈曲型巖爆的形成經(jīng)歷剪切破壞→張拉破壞主導(dǎo)→剪切破壞這一過(guò)程.板裂屈曲型巖爆在巖爆過(guò)程中具有衰減特性，兩次巖爆分別體現(xiàn)出首次巖爆災(zāi)害巖體區(qū)域小、碎屑彈射距離遠(yuǎn)、彈射速度快，第二次巖爆災(zāi)害巖體區(qū)域大、碎屑彈射距離近、彈射速度慢的特征.

圖5 板裂屈曲型巖爆實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖像.(a) t = 0 s, σv = 0 MPa, σh = 0 MPa; (b) t = 320 s, σv = 22.4 MPa, σh = 28.1 MPa; (c) t = 713 s, σv = 52 MPa, σh =28.1 MPa; (d) t = 777 s, σv = 57 MPa, σh = 28.1 MPa; (e) t = 1034 s, σv = 76.9 MPa, σh = 28.1 MPa; (f) t = 1081 s, σv = 80.8 MPa, σh = 28.1 MPa; (g) t =1083 s, σv = 73.7 MPa, σh = 28.6 MPa; (h) t = 1084 s, σv = 70.2 MPa, σh = 28.5 MPaFig.5 Images of slab buckling rockburst test process: (a) t = 0 s, σv = 0 MPa, σh = 0 MPa; (b) t = 320 s, σv = 22.4 MPa, σh = 28.1 MPa; (c) t = 713 s, σv =52 MPa, σh = 28.1 MPa; (d) t = 777 s, σv = 57 MPa, σh = 28.1 MPa; (e) t = 1034 s, σv = 76.9 MPa, σh = 28.1 MPa; (f) t = 1081 s, σv = 80.8 MPa, σh = 28.1 MPa;(g) t = 1083 s, σv = 73.7 MPa, σh = 28.6 MPa; (h) t = 1084 s, σv = 70.2 MPa, σh = 28.5 MPa

1.4.2 爆破沖擊型巖爆實(shí)驗(yàn)全過(guò)程分析

結(jié)合實(shí)測(cè)應(yīng)力–時(shí)間曲線(xiàn)(圖6)與主要破壞點(diǎn)圖像(圖7)進(jìn)行分析，依據(jù)巖爆演化現(xiàn)象隨時(shí)間的變化特征，將爆破沖擊型巖爆實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖像劃分為Ⅰ初始地應(yīng)力、Ⅱ應(yīng)力集中、Ⅲ沖擊擾動(dòng)、Ⅳ巖爆破壞四個(gè)階段，具體如下：

圖6 爆破沖擊型巖爆應(yīng)力?時(shí)間分布特征Fig.6 Stress–time distribution characteristics of impact rockburst

(1) Ⅰ初始地應(yīng)力階段：從初始地應(yīng)力至豎向應(yīng)力集中過(guò)程中，圍巖處于平靜時(shí)期，沒(méi)有產(chǎn)生破壞 (圖7(a)～(b))；

(2) Ⅱ應(yīng)力集中階段：試樣無(wú)大尺度及較大尺度破裂產(chǎn)生，隨著載荷的增加，內(nèi)部的彈性應(yīng)變能迅速積累，此階段為巖爆孕育儲(chǔ)能的重要階段(圖7(a)～(c))；

(3) Ⅲ沖擊擾動(dòng)階段：在第一級(jí)擾動(dòng)后，右側(cè)拱腳處內(nèi)壁先出現(xiàn)平行于隧道軸向的剪切裂紋(圖7(d)).隨著擾動(dòng)幅值增加，右側(cè)拱腳內(nèi)壁處的剪切裂紋逐漸往深部擴(kuò)展(圖7 (e)).在第六級(jí)擾動(dòng)時(shí)，右側(cè)拱腳處出現(xiàn)張剪裂紋(圖7(f)).在第七級(jí)擾動(dòng)時(shí)，右側(cè)拱腳處出現(xiàn)張剪裂紋逐漸擴(kuò)張，切割出明顯巖塊(圖7(g))；

圖7 爆破沖擊型巖爆實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖像.(a) t = 0 s, σv = 0 MPa, σh = 0 MPa; (b) t = 320 s, σv = 22.2 MPa, σh = 28.1 MPa; (c) t = 690 s, σv = 52.1 MPa, σh =28.1 MPa; (d) t = 824 s, σv = 54 MPa, σh = 28.1 MPa; (e) t = 1009 s, σv = 56.1 MPa, σh = 28.1 MPa; (f) t = 1413 s, σv = 61.9 MPa, σh = 28.1 MPa; (g) t =1575 s, σv = 63.6 MPa, σh = 28.1 MPa; (h) t = 2104 s, σv = 70.3 MPa, σh = 28.1 MPa; (i) t = 2114 s, σv = 70.1 MPa, σh = 28.1 MPaFig.7 Images of the impact rockburst test process: (a) t = 0 s, σv = 0 MPa, σh = 0 MPa；(b) t = 320 s, σv = 22.2 MPa, σh = 28.1 MPa; (c) t = 690 s, σv =52.1 MPa, σh = 28.1 MPa; (d) t = 824 s, σv = 54 MPa, σh = 28.1 MPa; (e) t = 1009 s, σv = 56.1 MPa, σh = 28.1 MPa; (f) t = 1413 s, σv = 61.9 MPa, σh =28.1 MPa; (g) t = 1575 s, σv = 63.6 MPa, σh = 28.1 MPa; (h) t = 2104 s, σv = 70.3 MPa, σh = 28.1 MPa; (i) t = 2114 s, σv = 70.1 MPa, σh = 28.1 MPa

(4) Ⅳ巖爆破壞階段：隨著擾動(dòng)幅值的不斷增加，右側(cè)拱腳處巖塊突然失穩(wěn)，向孔洞中間彈射崩落，由于巖片體積較大，彈射速率較小，但與洞壁分離時(shí)仍有一定的初速度(圖7(h)).在10 s后，右側(cè)拱腳→拱腰處發(fā)生第二次巖片彈射(圖7(i)).由以上分析可知，兩次巖爆最終形成“V”形爆坑，爆坑深度不斷擴(kuò)大，且與現(xiàn)場(chǎng)巖爆情況一致，證明了本次實(shí)驗(yàn)的合理性.與板裂屈曲型巖爆形成機(jī)制不同，爆破沖擊型巖爆受剪切作用明顯，其形成經(jīng)歷剪切破壞→張–剪破壞主導(dǎo)這一過(guò)程.爆破沖擊型巖爆在巖爆過(guò)程中不具有衰減特性，兩次巖爆現(xiàn)象分別體現(xiàn)出首次巖爆災(zāi)害巖體區(qū)域大、碎屑彈射距離近、彈射速度慢，第二次巖爆災(zāi)害巖體區(qū)域小、碎屑彈射距離遠(yuǎn)、彈射速度快的特征.從碎屑彈射速度和爆坑形狀分析來(lái)看，爆破沖擊型巖爆劇烈程度要大于板裂屈曲型巖爆.

2 三種巖爆碎屑特征分析

2.1 巖爆碎屑質(zhì)量、尺度分布及形狀特征

采用篩分方法，按照粒徑 0.075、0.25、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0和 30.0 mm這 8個(gè)等級(jí)對(duì)巖爆碎屑1和2進(jìn)行篩分，得到各粒徑范圍的碎屑(圖8)，稱(chēng)重后得到此尺度范圍的碎屑質(zhì)量及質(zhì)量百分比，如表2所示.巖爆碎屑3的分級(jí)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)不同，對(duì)于顆粒粒度小于10 mm的碎屑，由于數(shù)量較大，且現(xiàn)場(chǎng)難以分辨，故不予統(tǒng)計(jì).因此，本文主要針對(duì)顆粒粒徑≥10 mm的碎屑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并篩分為10、30、50、100、150、200、250、300 mm 這 8個(gè)等級(jí)，稱(chēng)重后得到此尺度范圍的碎屑的質(zhì)量及質(zhì)量百分比，如表3所示.巖爆碎屑1中，中粒碎屑所占比重最大，占到總質(zhì)量的55.23%，2～30 mm碎屑質(zhì)量占到總質(zhì)量的81.6%.巖爆碎屑2中，粗粒碎屑所占比重最大，占到總質(zhì)量的46.11%，2～30 mm碎屑質(zhì)量占到總質(zhì)量的89.06%.巖爆碎屑3中，粗粒碎屑所占比重最大，占到總質(zhì)量的35.43%，150～300 mm碎屑質(zhì)量占到總質(zhì)量的79.32%.

表2 巖爆碎屑 1、2 質(zhì)量分布及質(zhì)量占比分布表Table 2 Quality distribution and quality proportion distribution table of rockburst fragments 1 and 2

表3 巖爆碎屑 3 質(zhì)量分布及質(zhì)量占比分布表Table 3 Quality distribution and quality proportion distribution table of rockburst fragment type 3

圖8 巖爆各粒徑碎屑分布圖.(a) 巖爆碎屑 1; (b) 巖爆碎屑 2; (c) 巖爆碎屑 3Fig.8 Distribution map of various particle sizes for rockburst fragments: (a) rockburst fragment type 1; (b) rockburst fragment type 2; (c) rockburst fragment type 3

為了進(jìn)一步分析巖爆碎屑的形狀特征，采用Image-Pro-Plus 軟件對(duì)巖爆碎屑1、2中的中粒、粗粒碎屑圖片進(jìn)行尺度量測(cè)(圖9)，進(jìn)而獲得長(zhǎng)、寬、面積等信息.厚度和巖爆碎屑3的測(cè)量由游標(biāo)卡尺手動(dòng)測(cè)量獲得，借鑒前人研究方法，通常取長(zhǎng)、寬、厚度上最大的尺寸[19]，且寬度大于厚度[14,19].在此基礎(chǔ)上，求出長(zhǎng)寬比、長(zhǎng)厚比、寬厚比 3 種相應(yīng)的比值關(guān)系以及平均值Vave和方差δ，如表4所示.由表中數(shù)據(jù)可知，巖爆碎屑1的長(zhǎng)厚比、長(zhǎng)寬比、寬厚比的區(qū)間范圍分別是1.47～7.47、1.01～3.56、1.06～6.79.巖爆碎屑2的長(zhǎng)厚比、長(zhǎng)寬比、寬厚比的區(qū)間范圍分別是1.65～20.01、1.04～5.01、0.88～8.44.巖爆碎屑3的長(zhǎng)厚比、長(zhǎng)寬比、寬厚比的區(qū)間范圍分別是2.05～11.00、1.07～2.91、1.16～9.50.

表4 巖爆碎屑 1、2、3 體積特征統(tǒng)計(jì)Table 4 Volume characteristics of medium/coarse grain in rockburst fragment types 1, 2, and 3

圖9 巖爆碎屑 1、2 中、粗粒碎屑 Image-Pro-Plus 處理圖.(a) 巖爆碎屑 1; (b) 巖爆碎屑 2Fig.9 Image-Pro-Plus processing images of coarse grain debris in rockburst fragment types 1 and 2; (a) rockburst fragment type 1; (b) rockburst fragment type 2

根據(jù)前人研究經(jīng)驗(yàn)，李德建[19]根據(jù)長(zhǎng)厚比的取值范圍將巖爆產(chǎn)生后的碎屑分為塊狀、板狀、片狀、薄片狀4種類(lèi)型.章雅琦等[17]將巖爆碎屑分為片狀、薄板狀、板狀及塊狀四類(lèi).夏元友等[21]結(jié)合長(zhǎng)厚比和寬厚比，將巖爆碎屑分為楔形碎屑、板狀碎屑、條狀碎屑3類(lèi).本文按照前人分析結(jié)果，考慮碎屑形貌的過(guò)渡特征，結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)結(jié)果，依據(jù)長(zhǎng)厚比的取值范圍，定義如下：

(1) 塊條狀碎屑，長(zhǎng)厚比∈(1，3)；

(2) 條板狀碎屑，長(zhǎng)厚比∈(3，6)；

(3) 板片狀碎屑，長(zhǎng)厚比∈(6，9)；

(4) 片狀碎屑，長(zhǎng)厚比∈(9，＋∞).

本文根據(jù)長(zhǎng)寬厚信息繪制巖爆碎屑尺寸特征比值圖，如圖10所示.按照上述碎屑分類(lèi)方法，并與圖9對(duì)照可知，巖爆碎屑1條板狀碎屑數(shù)量占比高達(dá)66%，塊條狀碎屑數(shù)量占22%，板片狀碎屑數(shù)量占12%，沒(méi)有片狀碎屑.巖爆碎屑2各種碎屑類(lèi)型均有涉及，塊條狀碎屑數(shù)量占比為36%，條板狀碎屑數(shù)量占比為44%，板片狀碎屑數(shù)量占12%，片狀碎屑數(shù)量占8%.巖爆碎屑3各種碎屑類(lèi)型均有涉及，其中，塊條狀碎屑數(shù)量占比為3.33%，條板狀碎屑數(shù)量占比為63.27%，板片狀碎屑數(shù)量占23.31%，片狀碎屑數(shù)量占9.99%.

圖10 巖爆碎屑長(zhǎng)、寬、厚比值圖.(a) 巖爆碎屑 1; (b) 巖爆碎屑 2; (c) 巖爆碎屑 3Fig.10 Pairwise ratio of the length, width, and thickness of rockburst fragments: (a) rockburst fragment type 1; (b) rockburst fragment type 2; (c)rockburst fragment type 3

2.2 巖爆碎屑分維計(jì)算

采用粒度–數(shù)量，粒度–質(zhì)量，長(zhǎng)、寬、厚度–數(shù)量來(lái)計(jì)算分形維數(shù).巖爆碎屑1和2統(tǒng)計(jì)范圍為中–粗粒粒徑區(qū)間的巖爆碎屑，巖爆碎屑3統(tǒng)計(jì)范圍為粒徑≥10mm的巖爆碎屑.

2.2.1 粒度?數(shù)量分形

將處理得到的巖爆碎屑的長(zhǎng)、寬、厚度值按照計(jì)算公式換算成正方體的等效邊長(zhǎng)Leqmax，采用抽樣方法對(duì)巖爆碎屑進(jìn)行數(shù)量計(jì)算.根據(jù)以下公式求解分形維數(shù)值：

其中，L為巖爆碎屑的長(zhǎng)度，mm；W為巖爆碎屑的寬度，mm；T為巖爆碎屑的厚度，mm；Leq為等效邊長(zhǎng)，mm；Leqmax為等效邊長(zhǎng)的最大值，mm；N為特征粒度≥Leq的碎屑數(shù)量；N0為最大量測(cè)尺度=Leqmax的碎屑數(shù)量，擬合直線(xiàn)的斜率即為D.

將散點(diǎn)圖通過(guò)線(xiàn)性擬合得到擬合直線(xiàn)，線(xiàn)性回歸得到的直線(xiàn)斜率則為分形維數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖11所示.

圖11 巖爆碎屑粒度?數(shù)量分形維數(shù)Fig.11 Granularity–quantity fractal dimension of rockburst fragments

2.2.2 粒度?質(zhì)量分形

根據(jù)單曉云[26]中碎屑的粒度?質(zhì)量分形維數(shù)按照公式進(jìn)行計(jì)算：

其中，α為MLeq/M?Leq在擬合得到的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的斜率值，用(5)式進(jìn)行計(jì)算.

其中，MLeq為等效邊長(zhǎng)小于Leq的碎屑的累計(jì)質(zhì)量，g；M為量測(cè)范圍內(nèi)的碎屑的總質(zhì)量, g；Leq為碎屑質(zhì)量為MLeq時(shí)的等效邊長(zhǎng)，mm.計(jì)算結(jié)果如圖12所示.

圖12 巖爆碎屑粒度?質(zhì)量分形維數(shù)Fig.12 Granularity–quality fractal dimension of rockburst fragments

2.2.3 長(zhǎng)、寬、厚度?數(shù)量分形

長(zhǎng)、寬、厚度?數(shù)量分形分析是針對(duì)中、粗粒粒徑區(qū)間的巖爆碎屑.分別進(jìn)行長(zhǎng)度(L) ?累計(jì)數(shù)量、厚度(T) ?累計(jì)數(shù)量和寬度(W) ?累計(jì)數(shù)量的分形維數(shù)計(jì)算，公式如式（6）所示[26]：

其中，r分別取L/T/W表示長(zhǎng)度/厚度/寬度；N表示尺度不小于r的碎塊數(shù)；N0表示具有最大尺度特征rmax的碎塊數(shù)；D是分形維數(shù).

當(dāng) 用 l gN?lg(Lmax/L)、 l gN?lg(Tmax/T)、lgN?lg(Wmax/W)繪圖時(shí)，其斜率分別為長(zhǎng)度、厚度、寬度的分形維數(shù)，如圖13所示.

圖13 巖爆碎屑長(zhǎng)、寬、厚度?數(shù)量分形維數(shù).(a) 巖爆碎屑 1; (b) 巖爆碎屑 2; (c) 巖爆碎屑 3Fig.13 Thickness–quantity fractal dimension of rockburst fragments: (a) rockburst fragment type 1; (b) rockburst fragment type 2; (c) rockburst fragment type 3

3 三種巖爆碎屑類(lèi)型對(duì)比分析

3.1 碎屑質(zhì)量、尺度分布及形狀特征的對(duì)比分析

3.1.1 碎屑質(zhì)量對(duì)比分析

由表2、3可知，巖爆碎屑1中粒碎屑所占比重最大，占到總質(zhì)量的55.23%.巖爆碎屑2中，粗粒碎屑所占比重最大，占到總質(zhì)量的46.11%，相同點(diǎn)在于2～30 mm碎屑質(zhì)量都占到總質(zhì)量的80%以上.巖爆碎屑3由于采用不同的分類(lèi)方法，粗粒碎屑所占比重最大，占到總質(zhì)量的35.43%，150～300 mm碎屑質(zhì)量占到總質(zhì)量的79.32%.巖爆碎屑2和巖爆碎屑3在碎屑質(zhì)量方面，均表現(xiàn)出粗粒碎屑質(zhì)量占比最大的特征，與巖爆碎屑1中粒碎屑質(zhì)量占比最大的特征明顯不同.

3.1.2 碎屑尺度分布及形狀特征對(duì)比分析

在相同點(diǎn)方面，橫向比較來(lái)看，三種碎屑均表現(xiàn)出在長(zhǎng)度和寬度方向上比較接近，碎屑在長(zhǎng)度與厚度和寬度與厚度方向上差距比較大.巖爆碎屑2和巖爆碎屑3在尺度分布上呈現(xiàn)出很高的相似性，且各種碎屑類(lèi)型均有涉及，碎屑的形狀種類(lèi)更加豐富.

在不同點(diǎn)方面，巖爆碎屑2和3長(zhǎng)寬比、長(zhǎng)厚比、寬厚比的區(qū)間波動(dòng)范圍遠(yuǎn)大于巖爆碎屑1.巖爆碎屑3長(zhǎng)寬比、長(zhǎng)厚比、寬厚比的平均值與巖爆碎屑2在長(zhǎng)寬比、長(zhǎng)厚比、寬厚比平均值的差值分別為0.72、0.03、0.56，與巖爆碎屑1長(zhǎng)寬比、長(zhǎng)厚比、寬厚比的平均值差值分別為1.61、?0.14、1.2.此外，從方差分析來(lái)看，巖爆碎屑2和巖爆碎屑3在長(zhǎng)寬比、寬厚比上均表現(xiàn)出離散程度大的特性，這體現(xiàn)了兩種碎屑形貌的不規(guī)則性和多樣性.由平均值和方差分析可見(jiàn)，巖爆碎屑2和3在碎屑尺度分布上更為接近.上文定義的形狀特征反映了巖爆碎屑由塊狀→條狀→板狀→片狀過(guò)渡過(guò)程中的顯著性特征.由上文結(jié)果分析可得，巖爆碎屑1以條板狀碎屑為主，沒(méi)有片狀碎屑，巖爆碎屑2和巖爆碎屑3各種碎屑類(lèi)型均有涉及，碎屑的形狀種類(lèi)更加豐富，板片狀及片狀碎屑合計(jì)質(zhì)量占比在20%以上，片狀特征顯著.

3.1.3 特殊形狀特征的巖爆碎屑對(duì)比分析

定義橫剖面呈“V”形，中間厚、邊緣薄的為“V”形碎屑.如圖14所示，巖爆碎屑2和巖爆碎屑3的碎屑中均呈現(xiàn)上述形狀特征，這是巖爆碎屑1所沒(méi)有的.

圖14 巖爆碎屑 2 和 3“V”形碎屑.(a) 巖爆碎屑 2; (b) 巖爆碎屑 3Fig.14 “V”-shaped fragments in rockburst fragment types 2 and 3: (a)rockburst fragment type 2; (b) rockburst fragment type 3

3.2 巖爆碎屑分維計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析

巖爆碎屑1、2、3碎屑分形維數(shù)匯總表如表5所示.已有研究表明[19]，粒度?數(shù)量和粒度?質(zhì)量分維值與巖爆烈度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，巖爆烈度相對(duì)越大，巖爆碎屑對(duì)應(yīng)的分形維數(shù)相對(duì)越小.對(duì)比三種碎屑可知，巖爆碎屑2粒度?數(shù)量和粒度?質(zhì)量分維值略高于巖爆碎屑1.這表明，板裂屈曲型巖爆烈度小于爆破沖擊型巖爆.巖爆碎屑3因采取的樣本數(shù)量不同，與巖爆碎屑1、2差距較大.巖爆碎屑1、2、3碎屑分維值均表現(xiàn)出在長(zhǎng)、寬、厚三個(gè)方向上有明顯差異，巖爆碎屑1長(zhǎng)度方向分維值最小，即長(zhǎng)度方向的破碎相對(duì)較容易，且長(zhǎng)度、厚度、寬度3個(gè)方向的破碎難度依次增強(qiáng).巖爆碎屑2、3在厚度方向分維值最小，即厚度方向的破碎相對(duì)較容易，巖爆碎屑2厚度、長(zhǎng)度、寬度三個(gè)方向的破碎難度依次增強(qiáng)，巖爆碎屑3厚度、寬度、長(zhǎng)度三個(gè)方向的破碎難度依次增強(qiáng).巖爆碎屑2和巖爆碎屑3都表現(xiàn)出厚度方向破碎相對(duì)容易的特性，與巖爆碎屑1長(zhǎng)度方向破碎相對(duì)較容易的特性明顯不同.

表5 巖爆碎屑 1、2、3 分形維數(shù)匯總表Table 5 Summary of fractal dimensions of rockburst fragment types 1,2, and 3

4 成因分析及對(duì)巖爆機(jī)理的認(rèn)識(shí)

綜合上述研究結(jié)果并結(jié)合巖爆實(shí)驗(yàn)圖像變化過(guò)程，對(duì)不同類(lèi)型巖爆碎屑成因及巖爆機(jī)理相結(jié)合做進(jìn)一步分析如下：

(1) 巖爆碎屑1對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M雙向應(yīng)力條件下，隧道已開(kāi)挖卸荷后，應(yīng)力調(diào)整過(guò)程中誘發(fā)的巖爆破壞的現(xiàn)象.采用“先開(kāi)挖，后加載”而后增大豎向垂直應(yīng)力的應(yīng)力路徑，主要考慮深部隧洞開(kāi)挖卸荷后應(yīng)力調(diào)整對(duì)巖爆的主導(dǎo)作用.豎向垂直應(yīng)力增加了巖體中彈性能的累積，板裂化作用在于增加了隧道洞壁中已經(jīng)松動(dòng)的巖塊的數(shù)量，進(jìn)而增加了巖爆巖塊的數(shù)量，這也是巖爆碎屑1質(zhì)量遠(yuǎn)大于巖爆碎屑2的原因.板裂屈曲型巖爆的形成經(jīng)歷剪切破壞→張拉破壞主導(dǎo)→剪切破壞這一過(guò)程.從剪切成條，再到壓密成層狀結(jié)構(gòu)，最后到剪斷成條板，板裂作用對(duì)巖石切割成條、成板作用明顯.最終，巖爆碎屑1中形成以條板狀為主的碎屑，豎向應(yīng)力集中使得巖爆碎屑1在長(zhǎng)度方向上更容易破碎.

(2) 巖爆碎屑2對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)與以往動(dòng)靜組合加載方式不同[27]，充分考慮了開(kāi)挖卸荷后應(yīng)力調(diào)整作用.由于應(yīng)力集中程度較低，因而發(fā)生巖爆時(shí)儲(chǔ)存的彈性能相對(duì)較小，巖爆烈度相對(duì)較小.然而，動(dòng)載的介入使得巖爆碎屑2破碎程度更高，碎屑在厚度方向的破碎相對(duì)容易，碎屑的形狀種類(lèi)更加豐富，片狀特征異常顯著.此外，上述分析研究表明，動(dòng)載所代表的爆破沖擊型巖爆碎屑總質(zhì)量雖然小于巖爆碎屑1，彈射碎屑的粗粒、片狀特征顯著，從這點(diǎn)上來(lái)看，與中粒、條板狀碎屑為主的巖爆碎屑1有明顯的差異.從實(shí)驗(yàn)圖像來(lái)看，這種片狀碎屑在現(xiàn)場(chǎng)巖爆中由于質(zhì)量較大、體積較大、彈射距離較遠(yuǎn)，因此危害性可能更大.

(3) 通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，巖爆碎屑3和巖爆碎屑2在質(zhì)量和尺度分布、形狀特征、分維結(jié)果等方面具有很高的相似性.鑒于此，可判定巖爆碎屑3與巖爆碎屑2誘發(fā)機(jī)理相同，是由開(kāi)挖爆破等產(chǎn)生應(yīng)力擾動(dòng)波從而誘發(fā)的巖爆.此外，上述研究還表明，除了片狀碎屑以外，“V”形碎屑為爆破沖擊型巖爆特有的碎屑類(lèi)型，這是因?yàn)楸茮_擊型巖爆形成的爆坑多呈“V”形，受剪切裂紋的作用，進(jìn)而形成中間厚、兩邊薄的“V”形碎屑.上述研究成果證明了本次室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的合理性，同時(shí)可作為巖爆類(lèi)型判別的依據(jù).

5 結(jié)論

本文對(duì)三種巖爆碎屑質(zhì)量、尺度分布及形狀特征等信息進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，采用粒度?數(shù)量、粒度?質(zhì)量、長(zhǎng)、寬、厚度–數(shù)量進(jìn)行了分形維數(shù)計(jì)算，在此基礎(chǔ)上結(jié)合巖爆實(shí)驗(yàn)過(guò)程，進(jìn)行了對(duì)比分析.主要有如下結(jié)論：

（1）巖爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，板裂屈曲型巖爆機(jī)制可整體看作是剪切裂紋和張拉裂紋共同作用的結(jié)果，表現(xiàn)出以張拉破壞為主導(dǎo)的特征.爆破沖擊型巖爆機(jī)制可整體看作是剪切裂紋和張剪裂紋共同作用的結(jié)果，表現(xiàn)出張剪破壞為主導(dǎo)的特征.

（2）巖爆碎屑1以中粒、條板狀碎屑為主，質(zhì)量遠(yuǎn)大于巖爆類(lèi)型2，在長(zhǎng)度方向上更容易破碎，且長(zhǎng)度、厚度、寬度三個(gè)方向的破碎難度依次增強(qiáng)，這與豎向應(yīng)力集中形成板裂化結(jié)構(gòu)的板裂屈曲巖爆孕育機(jī)制密不可分.

（3）巖爆碎屑2因發(fā)生巖爆時(shí)儲(chǔ)存的彈性能相對(duì)較小，巖爆烈度小于基于板裂破壞的深埋馬蹄形隧道巖爆.動(dòng)載的介入使得巖爆碎屑2受剪切作用明顯，因此在厚度方向的破碎更容易且破碎程度更高.巖爆碎屑2厚度、長(zhǎng)度、寬度3個(gè)方向的破碎難度依次增強(qiáng)，彈射碎屑的粗粒、片狀特征顯著，該類(lèi)型碎屑在現(xiàn)場(chǎng)巖爆中由于質(zhì)量較大、體積較大、彈射距離較遠(yuǎn)，危害性可能更大.

（4）通過(guò)上述比對(duì)分析，可基本判定巖爆碎屑3對(duì)應(yīng)的巖爆類(lèi)型為爆破沖擊型，且片狀、“V”形碎屑等特征碎屑為該類(lèi)型巖爆特有的碎屑類(lèi)型，這是由于爆破沖擊型巖爆受剪切應(yīng)力作用明顯，形成的爆坑多呈“V”形.上述研究成果證明了本次室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的合理性，同時(shí)為巖爆類(lèi)型判定提供了一種方法.