周 輝，盧景景，徐榮超，張傳慶，孟凡震

（1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)試驗室，湖北 武漢 430071；2.華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450045）

1 引 言

為適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，我國基礎(chǔ)工程建設(shè)和資源開發(fā)正逐步向深部發(fā)展，深部巖體具有埋深大、地應(yīng)力高的突出特點(diǎn)。在深埋高地應(yīng)力條件下，硬脆性巖體表現(xiàn)出與淺埋地應(yīng)力條件下完全不同的力學(xué)行為，規(guī)律性的板裂化破裂是深埋隧洞硬脆性圍巖的普遍規(guī)律和現(xiàn)象[1]?，F(xiàn)場調(diào)研與統(tǒng)計表明[2]，錦屏二級水電站引水隧洞、排水隧洞施工期間，洞壁圍巖板裂化破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，給隧洞施工與支護(hù)工作帶來許多不利影響。圖1所示為錦屏二級水電站某隧洞施工過程中觀察到的圍巖典型的板裂化破壞現(xiàn)象。

圖1 錦屏二級水電站某隧洞圍巖板裂化破壞現(xiàn)象Fig.1 Slabbing failure phenomena of surrounding rock in JinpingⅡhydropower station

另一方面，深埋隧洞開挖卸荷誘發(fā)的高強(qiáng)度巖爆頻發(fā)，造成人員傷亡、機(jī)械損壞、工期延誤和重大經(jīng)濟(jì)損失[3-5]，巖爆災(zāi)害已經(jīng)成為制約深埋隧洞工程安全建設(shè)的瓶頸問題。同時，大量工程案例表明[2,5,6]，圍巖板裂化破壞現(xiàn)象與巖爆之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性，引起了廣大科研工作者的關(guān)注。高地應(yīng)力條件下，硬脆性巖體板裂化破壞問題，給隧洞的安全施工建設(shè)提出了新的挑戰(zhàn)。

多年來，國內(nèi)外學(xué)者通過現(xiàn)場及室內(nèi)試驗、理論分析、數(shù)值模擬等不同途徑對圍巖板裂化破壞問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，取得了豐碩的研究成果。本文從板裂化破壞的形成機(jī)制及影響因素、板裂化破壞與巖爆的關(guān)系兩大方面總結(jié)分析國內(nèi)外有關(guān)硬脆性巖體板裂化破壞的研究現(xiàn)狀?；诖?，對板裂化破壞未來研究的發(fā)展方向和亟待解決的關(guān)鍵問題進(jìn)行探討。

2 板裂化破壞現(xiàn)象的描述與區(qū)分

國內(nèi)學(xué)者孫廣忠等[7]，從工程地質(zhì)的角度定義了板裂結(jié)構(gòu)的概念：由軟弱結(jié)構(gòu)面分割構(gòu)成板狀結(jié)構(gòu)體的巖體結(jié)構(gòu)，稱為板裂結(jié)構(gòu)。這里定義的板裂結(jié)構(gòu)指的是長期地質(zhì)作用形成的天然巖體結(jié)構(gòu)，所研究的對象也主要是針對邊坡巖體。孫廣忠[8]認(rèn)為，板裂介質(zhì)巖體包含完整結(jié)構(gòu)巖體由人工開挖或劈裂成板狀結(jié)構(gòu)而構(gòu)成似板裂結(jié)構(gòu)巖體，這對板裂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有益補(bǔ)充。需要說明的是，本文研究的板裂破壞屬于相對完整巖體開挖卸荷形成的似板裂結(jié)構(gòu)，并非經(jīng)過長期地質(zhì)作用而形成的天然板裂結(jié)構(gòu)。

2.1 板裂化破壞現(xiàn)象描述

板裂化破壞現(xiàn)象的產(chǎn)生，很早便引起了國內(nèi)外學(xué)者的注意，許多學(xué)者對板裂化破壞現(xiàn)象進(jìn)行了記錄與描述。

Fairhurst等[9]最早對這種近似平行于圍巖洞壁的板裂破壞進(jìn)行了詳細(xì)描述，將板裂破壞現(xiàn)象稱之為spalling或者slabbing，認(rèn)為板裂破壞的產(chǎn)生與圍巖內(nèi)張拉裂紋的擴(kuò)展與貫通密切相關(guān)。孫廣忠等[10]根據(jù)現(xiàn)場工程師提供的資料，詳細(xì)記錄了魯布格電站地下廠房邊墻圍巖板裂化破壞情況，并建立了邊墻板裂破壞的拱條力學(xué)模型。Ortlepp[11-12]認(rèn)為，板裂破壞是高地應(yīng)力條件下，開挖卸荷引起的一種破壞型式，板裂面一般平行于最大切向應(yīng)力方向，且隨著破壞的發(fā)展，最終會形成一個V型凹槽。Martin等[13]通過對加拿大硬巖礦山開采中，178例礦柱破壞模式的現(xiàn)場案例統(tǒng)計研究表明，當(dāng)硬巖礦柱的寬高比小于 2.5時，其主導(dǎo)破壞模式為漸進(jìn)的板裂化與剝落破壞，最終形成類似漏斗狀或沙漏狀的破壞形狀（如圖2所示）。Cai[14]研究認(rèn)為，板裂破壞通常表現(xiàn)為洞壁圍巖密集分布的洋蔥皮狀裂紋，裂紋切割圍巖形成近似平行于開挖面的巖板，裂紋密度取決于巖體地應(yīng)力條件、巖體強(qiáng)度以及巖石的非均質(zhì)性。張傳慶等[15]將錦屏二級水電站2號試驗洞開挖后，圍巖板裂化破壞形態(tài)詳細(xì)劃分為：片狀破壞、薄板狀破壞、楔形板狀破壞3類，并對各種類型的板裂破壞形態(tài)進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述。周輝[1]在對錦屏二級水電站深埋隧洞大量圍巖板裂化現(xiàn)象的統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上，按照圍巖板裂化出露于洞壁的幾何形態(tài)將其分為薄片狀、曲面狀、規(guī)則閉合板狀、規(guī)則張開板狀、不規(guī)則張開板狀和巨厚板狀6大類；按照圍巖板裂化沿隧洞斷面的分布特征，分為密集板裂區(qū)和稀疏板裂區(qū)。

圖2 礦柱板裂化破壞[13]Fig.2 Slabbing failure phenomenon of mining pillar[13]

2.2 V型破壞中的板裂化現(xiàn)象

對于高應(yīng)力下硬脆性巖體的破壞模式和機(jī)制，國際上最具有代表性的是加拿大原子能有限公司（AECL）地下試驗室（URL）開展的相關(guān)研究工作[16]。其中 Martin等[17]詳細(xì)記錄了在埋深為420 m，水平布置的試驗隧洞在開挖過程中V型破壞的形成過程。V型破壞與板裂化破壞均屬于高地應(yīng)力下硬巖發(fā)生的脆性破壞，文獻(xiàn)[17]中V型破壞形成過程中關(guān)于板裂化現(xiàn)象的描述如下：板裂破壞發(fā)生在掌子面后方0.5～1 m的圍巖洞壁周邊，從微裂隙密度最大的地方開始擴(kuò)展，并逐步形成密集薄板，薄板厚度與巖石晶粒尺寸相當(dāng)，即厚2～5 mm；伴隨著V型剝落的繼續(xù)發(fā)展，會在V型兩翼形成不穩(wěn)定的板裂裂紋擴(kuò)展，形成的巖板厚度一般為1至幾厘米厚，若將形成的巖板剝離洞壁，會觀察到V型破壞向圍巖內(nèi)的擴(kuò)展情況。如圖3所示為V型破壞中的板裂化現(xiàn)象。

圖3 V型破壞中的板裂化現(xiàn)象[17]Fig.3 Slabbing failure phenomenon of V-shaped notch[17]

此外，Lee等[18]利用Lac du花崗巖進(jìn)行室內(nèi)雙軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)了V型破壞形成中的板裂現(xiàn)象，如圖4所示。V型破壞形成過程中，會在V字型的兩翼形成一系列密集分布、近似平行的張拉裂紋；被這些近似平行、密集分布的裂紋分割而成的薄板，其漸進(jìn)的分離或剝落，逐步導(dǎo)致了狗耳朵狀的V型破壞的形成。

圖4 室內(nèi)試驗V型破壞中的板裂化現(xiàn)象[18]Fig.4 Slabbing failure phenomena of V-shaped notch in laboratory experiments[18]

2.3 板裂化破壞與其他破壞模式的區(qū)分

板裂化破壞是深埋高地應(yīng)力條件下，硬脆性巖體由于開挖卸荷而導(dǎo)致圍巖內(nèi)形成多組近似平行于開挖面的裂紋（板裂面），裂紋（板裂面）將圍巖切割形成板狀或?qū)訝钇茐默F(xiàn)象。筆者認(rèn)為，認(rèn)識板裂化破壞現(xiàn)象應(yīng)注意與其他破壞模式的區(qū)別與聯(lián)系。

（1）板裂與彎折內(nèi)鼓。彎折內(nèi)鼓[19]在破壞的表現(xiàn)形態(tài)上雖然也是一種呈層狀或板狀的剝離，但從巖體的完整性角度而言，彎折內(nèi)鼓是層狀、特別是薄層狀圍巖的主要破壞模式（如圖5所示），而板裂破壞是相對完整巖體所體現(xiàn)的脆性破壞型式。

圖5 彎折內(nèi)鼓[19]Fig.5 Buckling and bulging[19]

（2）板裂與片幫剝落、潰屈破壞。完整巖體在切向應(yīng)力集中作用下發(fā)生劈裂拉伸，呈薄片狀或板狀，若劈裂成薄片狀，片狀巖體直接剝落，落地后碎裂，稱為片幫剝落；若劈裂成板狀，板狀巖體繼而發(fā)生彎折斷裂，稱為潰屈破壞[19]。盡管隨著板裂化破壞的穩(wěn)定發(fā)展，洞壁圍巖會表現(xiàn)出與片幫剝落、潰屈破壞相類似的形態(tài)，但在多數(shù)情況下（尤其是曲率半徑無限大的直立邊墻）圍巖板裂化破壞形成的巖板厚度較大、板裂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，板裂化破壞現(xiàn)象并非直觀地體現(xiàn)在圍巖洞壁上的片狀或板狀剝落，圍巖內(nèi)部的板裂化破壞情況，需要借助一定手段，如鉆孔攝像等，才能弄清（如圖 1(b)所示），Cai[14]采用數(shù)值模擬軟件ELFEN說明了這一點(diǎn)。此外，在開挖隧洞橫斷面、沿著隧洞徑向，板裂化破壞向圍巖內(nèi)部的擴(kuò)展深度通常都要比片幫剝落、潰屈破壞大很多。

（3）板裂與V型破壞。如上文所述，板裂與V型破壞均是高地應(yīng)力下圍巖發(fā)生的脆性破壞，現(xiàn)場觀測和室內(nèi)試驗均表明，V型破壞形成過程中伴有明顯板裂化現(xiàn)象的產(chǎn)生（如圖3、4所示）。然而，V型破壞分布范圍表現(xiàn)出明顯的主應(yīng)力方向相關(guān)性（沿著最小主應(yīng)力方向或成一小角度，如圖 6所示），而現(xiàn)場案例統(tǒng)計表明，洞室邊墻、拱肩均會有板裂化破壞現(xiàn)象產(chǎn)生，且板裂化破壞形態(tài)受洞室曲率半徑影響較大，少數(shù)情況下表現(xiàn)出宏觀的V型輪廓。

圖6 主應(yīng)力方向與V型破壞[17]Fig.6 Directions of the maximum principal stresses and V-shaped notch[17]

此外，一些文獻(xiàn)中用層裂代替板裂來描述圍巖的這種開挖卸荷形成的脆性破壞現(xiàn)象。然而，根據(jù)層裂現(xiàn)象的定義[20]，層裂是沖擊荷載作用下材料的一種破壞模式，是材料內(nèi)部微損傷在極短時間內(nèi)經(jīng)歷了成核、長大、連接這一演化過程的最終結(jié)果，主要由壓應(yīng)力波在介質(zhì)自由表面反射為拉應(yīng)力波造成的拉伸破壞，在金屬材料領(lǐng)域研究較為成熟。盡管，板裂化破壞的產(chǎn)生在一定程度上受動力擾動的影響[21-25]，在表現(xiàn)形態(tài)上也是分層間隔破裂現(xiàn)象，筆者認(rèn)為，板裂與層裂形成機(jī)制不同，硬巖開挖卸荷導(dǎo)致的板裂化破壞現(xiàn)象，不宜用層裂描述。

3 板裂化破壞形成機(jī)制與影響因素

圍巖板裂化破壞的形成機(jī)制一直備受關(guān)注，多年來，科研工作者們分別從現(xiàn)場調(diào)研與案例分析、理論研究、室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬等途徑，對板裂破壞的形成機(jī)制及其影響因素進(jìn)行了研究，取得了許多可喜進(jìn)展。

3.1 板裂化破壞判據(jù)

Dowding等[26]通過總結(jié)分析地下隧洞開挖過程中5個典型的圍巖板裂化破壞與巖爆案例。分析認(rèn)為，隧洞開挖引起的洞壁圍巖最大切向應(yīng)力σθmax與巖石室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度qu之比達(dá)到0.35時，便會導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生板裂化破壞現(xiàn)象；當(dāng)上述比值達(dá)到 0.5時，會形成弱至中等的巖爆；強(qiáng)烈?guī)r爆通常在此比值大于1的情況下才發(fā)生。

Stacey研究發(fā)現(xiàn)[27]，硬巖隧洞開挖過程中，隧洞邊墻和掌子面附近大量發(fā)育的張拉裂紋，應(yīng)用傳統(tǒng)的Mohr強(qiáng)度準(zhǔn)則和Griffith強(qiáng)度準(zhǔn)則無法給出合理的解釋（如裂紋的起裂應(yīng)力水平和方向）。基于此，Stacey[28]提出了一個脆性巖石開裂的簡單張應(yīng)變準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則描述為：脆性巖石的張應(yīng)變超過其閥值張應(yīng)變時，將產(chǎn)生張拉裂紋，即

式中：e為張應(yīng)變總值；ec為張應(yīng)變閥值，張應(yīng)變閥值可由室內(nèi)試驗確定，且?guī)r性不同，其張應(yīng)變閥值不同。

張應(yīng)變（extension strain）與拉伸應(yīng)變（tensile strain）不同，拉伸應(yīng)變暗含拉應(yīng)力作用而產(chǎn)生的應(yīng)變，而拉應(yīng)力并不是張應(yīng)變產(chǎn)生的必要條件，這一點(diǎn)可以通過下式給出解釋。在線彈性條件下，有

式中：E為彈性模量；e3為第三主應(yīng)變；ν為泊松比；σ1、σ2、σ3分別為第一、第二、第三主應(yīng)力。

由式（2）可以看出，即使在三向受壓的情況下，當(dāng)ν(σ1+σ2) ＞σ3時，也會有張應(yīng)變的產(chǎn)生，張應(yīng)變超過巖石閥值張應(yīng)變時，張裂紋將在垂直于最小主應(yīng)力方向的平面內(nèi)擴(kuò)展。這很好地解釋了硬脆性巖體開挖卸荷后，板裂、劈裂現(xiàn)象的產(chǎn)生。同時，與傳統(tǒng)的Mohr強(qiáng)度準(zhǔn)則和Griffith強(qiáng)度準(zhǔn)則相比，該準(zhǔn)則考慮了第二主應(yīng)力的影響。同時，Stacey[29]將該準(zhǔn)則用于高地應(yīng)力條件下洞室邊墻圍巖板裂化破壞深度的預(yù)測。

Dowding和Stacey分別給出了板裂化破壞形成的應(yīng)力和應(yīng)變判據(jù)。然而，Dowding給出的板裂化破壞應(yīng)力判據(jù)是根據(jù)工程實例得到的經(jīng)驗判據(jù)，而Stacey的板裂化破壞應(yīng)變判據(jù)中，不同巖石的張應(yīng)變閥值難以準(zhǔn)確確定，因而這兩個板裂化破壞判據(jù)并未在工程中廣泛應(yīng)用。

Diederichs等[30]結(jié)合室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬、理論分析等方法研究了隧洞開挖過程中的板裂、剝落等破壞現(xiàn)象，并與 Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則包絡(luò)線對比得到了板裂化破壞的經(jīng)驗-理論判據(jù)曲線（如圖7所示）。分析認(rèn)為，板裂、剝落等破壞現(xiàn)象是硬巖開挖卸荷條件下產(chǎn)生的張性破裂，其形成機(jī)制與低圍壓下巖石室內(nèi)軸向劈裂破壞類似，與高圍壓條件下的剪切破壞不同，難以用傳統(tǒng)的強(qiáng)度準(zhǔn)則給出合理的解釋；室內(nèi)試驗條件下，巖石發(fā)生劈裂、板裂破壞應(yīng)力門檻值遠(yuǎn)低于其單軸抗壓強(qiáng)度，應(yīng)力門檻值可以根據(jù)其單軸抗壓強(qiáng)度、結(jié)合聲發(fā)射特征曲線推測，并受礦物組成、膠結(jié)程度、晶粒尺寸等一系列復(fù)雜因素的影響，不同巖石其檻值不同，花崗巖類一般為單軸抗壓強(qiáng)度的0.35～0.45倍；而在實際工程現(xiàn)場中，圍巖板裂、剝落破壞還受到巖體非均質(zhì)性、損傷程度、開挖擾動、自由邊界效應(yīng)、隧洞開挖過程中應(yīng)力旋轉(zhuǎn)效應(yīng)等作用。

圖7 板裂化破壞的經(jīng)驗-理論判據(jù)與室內(nèi)強(qiáng)度包絡(luò)線[30]Fig.7 Empirical-theoretical composite criterion curve of slabbing failure and laboratory strength envelope[30]

3.2 板裂化破壞形成的細(xì)觀機(jī)制

從斷裂力學(xué)角度來說，板裂化破壞的形成是巖體內(nèi)裂紋萌生、擴(kuò)展與貫通的最終結(jié)果，因而，許多學(xué)者從板裂破壞形成的細(xì)觀機(jī)制，即板裂裂紋的形成與擴(kuò)展規(guī)律入手，對板裂化破壞展開研究。不同應(yīng)力狀態(tài)下，裂紋擴(kuò)展規(guī)律不同、試件破壞形態(tài)也不盡相同，歸納起來，眾多研究者們分別從單軸壓縮、雙向壓縮和真三軸條件下，對板裂裂紋形成、擴(kuò)展及貫通規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

Li等[31]利用挪威Iddefjord花崗巖，研究了單軸壓縮條件下長方體試樣板裂破壞的形成條件如下：單軸壓縮條件下，試樣高寬比小于0.5時，試樣的宏觀破壞型式由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榘辶鸦茐?；室?nèi)試驗條件下，當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到單軸抗壓強(qiáng)度的60%左右時，試件內(nèi)開始產(chǎn)生板裂裂紋。李地元等[32]利用斷裂力學(xué)理論，以張開型滑移微裂紋單元應(yīng)力模型為基礎(chǔ)，研究了壓縮荷載作用下平行于最大主應(yīng)力方向板裂裂紋的擴(kuò)展規(guī)律；采用FLAC數(shù)值模擬手段，模擬了單軸壓縮下含孔洞巖樣的板裂化破壞，發(fā)現(xiàn)塑性破壞單元以拉伸破壞為主，拉伸破壞單元沿孔洞豎向邊界貫通形成劈裂破壞面，模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗觀測結(jié)果一致。

巖石在雙向壓縮的情況下，會表現(xiàn)出與單軸受壓時不用的力學(xué)響應(yīng)，不僅其強(qiáng)度會發(fā)生明顯變化，其破壞模式和機(jī)制也大不相同。Sahouryeh等[33]從理論分析和室內(nèi)試驗兩方面分析了第二主應(yīng)力對巖石內(nèi)預(yù)制裂紋擴(kuò)展的影響：第二主應(yīng)力的存在使得裂隙沿著平行于兩個主應(yīng)力的方向擴(kuò)展并最終貫穿試樣整體，形成劈裂破壞。Cai[14]利用有限元與離散元耦合數(shù)值分析軟件ELFEN，從數(shù)值模擬角度驗證了Sahouryeh研究結(jié)論的正確性，并認(rèn)為，相對高的中間主應(yīng)力、近于0的最小主應(yīng)力和巖石的非均質(zhì)性是洞壁圍巖形成平行于開挖面的洋蔥狀、片狀剝落及板裂化破壞的主要原因。

巖體開挖卸荷后，圍巖由初始的三向受壓變?yōu)殡p向受壓、一面臨空的受力狀態(tài)，開挖卸荷的影響至關(guān)重要，因而巖石的室內(nèi)真三軸加卸載試驗成為一些學(xué)者研究板裂化破壞的重要途徑。何滿潮等[34]自行設(shè)計了深部巖爆過程試驗系統(tǒng)，在對深部高地應(yīng)力條件下花崗巖巖爆過程進(jìn)行試驗研究時，觀察到了花崗巖的板裂化破壞現(xiàn)象。吳世勇等[2]和Gong等[35]針對錦屏二級水電站 TBM 引水洞及排水洞深部大理巖發(fā)生的板裂化破壞，通過采集該工程區(qū)深部大理巖巖樣，采用真三軸巖爆試驗設(shè)備，對其在不同高應(yīng)力作用下的板裂化破壞現(xiàn)象進(jìn)行了室內(nèi)試驗，認(rèn)為試樣內(nèi)板裂裂紋的形成主要是豎向劈裂裂紋，夾雜些許較小的剪切裂紋。

3.3 板裂化破壞的影響因素分析

大量的室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬研究[36-39]表明，巖石在壓應(yīng)力場中，裂隙尖端萌生的裂紋，其擴(kuò)展方向大致都沿著主壓應(yīng)力方向?？梢姡鲬?yīng)力方向?qū)α鸭y的擴(kuò)展模式起到很大程度上的控制作用（如圖8所示）。從工程角度來說，隧洞開挖過程中，伴隨掌子面不斷向前推進(jìn)，掌子面前方圍巖各處主應(yīng)力大小將不斷發(fā)生改變，主應(yīng)力方向也發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這將導(dǎo)致微裂紋的多次擴(kuò)展和擴(kuò)展方向的改變[30,40]。Eberhardt[40]利用VISAGE軟件進(jìn)行隧洞開挖過程的三維數(shù)值模擬，詳細(xì)分析了掌子面推進(jìn)過程中監(jiān)測單元的主應(yīng)力大小變化、方向偏轉(zhuǎn)情況，并探討了研究結(jié)果對認(rèn)識硬脆性圍巖板裂化破壞形成機(jī)制的意義。Zhang等[41]從數(shù)值模擬和斷裂力學(xué)角度，分析了中間主應(yīng)力、應(yīng)力路徑、主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)等因素對錦屏二級水電站試驗洞巖體板裂化破壞的影響，分析認(rèn)為，洞壁圍巖的裂紋擴(kuò)展受第二主應(yīng)力的影響較大；隧洞開挖過程中，圍巖應(yīng)力調(diào)整導(dǎo)致主應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn)，主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)不僅影響裂紋的擴(kuò)展方向還會引起板裂裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。

圖8 主應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動與細(xì)觀裂隙演化過程示意圖[40]Fig.8 Schematic diagrams of the rotation of the maximum principal stress axis and evolution process of meso-fracture [40]

在深埋高地應(yīng)力條件下，隧洞開挖引起的地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷效應(yīng)變得異常突出。因而，動態(tài)卸荷效應(yīng)被認(rèn)為是圍巖形成板裂化破壞的重要影響因素之一。Carter等[21]研究表明，巖體初始應(yīng)力的瞬態(tài)卸荷會在圍巖中誘發(fā)動拉應(yīng)力，巖體開挖卸荷速率越快，誘發(fā)的動拉應(yīng)力值越大。嚴(yán)鵬等[22]采用理論計算、數(shù)值模擬和工程實測資料驗證相結(jié)合的方法分析了圓形隧洞鉆爆開挖時開挖邊界上初始應(yīng)力場動態(tài)卸荷效應(yīng)。分析認(rèn)為，初始應(yīng)力動態(tài)卸荷在巖體中所產(chǎn)生的損傷范圍比準(zhǔn)靜態(tài)卸荷所產(chǎn)生的損傷范圍要大，在相同的卸載速率條件下，側(cè)壓力系數(shù)越大，動態(tài)卸載效應(yīng)越顯著，其所產(chǎn)生的損傷范圍也相應(yīng)較大。肖建清等[23]針對地下圓形隧道的開挖卸荷效應(yīng)，對比分析了動態(tài)（彈性解）和靜態(tài)（彈性解及彈塑性解）開挖卸荷中應(yīng)力及位移的差異。分析認(rèn)為，彈性巖體的動態(tài)解中，沿徑向的質(zhì)點(diǎn)，其振動效應(yīng)由弱變強(qiáng)再變?nèi)酰瑥较驊?yīng)力一直處于壓縮狀態(tài)，而切向應(yīng)力先拉后壓，有利于徑向拉裂紋及層板結(jié)構(gòu)的形成。張文舉等[24]通過理論分析和數(shù)值計算研究深埋地下隧洞開挖卸荷引起的圍巖開裂，并分別對準(zhǔn)靜態(tài)和瞬態(tài)開挖缷荷引起的圍巖開裂機(jī)制與開裂特征進(jìn)行分析，瞬態(tài)卸荷存在動態(tài)拉應(yīng)力效應(yīng)，開挖卸荷時間越短，引起的拉應(yīng)力區(qū)及圍巖開裂范圍越大，圍巖開裂深度及范圍隨著側(cè)壓力系數(shù)增加而增大，且開裂區(qū)近似成V型。

由于隧洞施工過程中，圍巖不可避免地會受到施工機(jī)械及爆破等因素產(chǎn)生的動力擾動作用，因而動力擾動的作用對圍巖板裂化破壞的影響機(jī)制受到了許多學(xué)者的關(guān)注。左宇軍等[25,42]為研究動、靜組合加載下深部巷道圍巖分區(qū)破裂化的機(jī)制，對深部洞室模型進(jìn)行了動、靜組合加載試驗。分析認(rèn)為，巷道軸向應(yīng)力為最大主應(yīng)力且與外部擾動應(yīng)力疊加達(dá)到一定值時，圍巖會發(fā)生分層斷裂現(xiàn)象；巷道直徑越大，在相同的動、靜組合加載條件下，更易發(fā)生分層斷裂現(xiàn)象；相同直徑的巷道，在不同的動、靜組合加載作用下，巷道圍巖分層斷裂化程度不同，動、靜組合應(yīng)力疊加值越大，分層斷裂化程度越嚴(yán)重；利用 RFPA2D數(shù)值模擬軟件，對不同沖擊載荷作用下非均勻介質(zhì)中應(yīng)力波反射誘發(fā)層裂過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對不同應(yīng)力波延續(xù)時間、不同應(yīng)力波峰值和不同應(yīng)力波波形下應(yīng)力波誘發(fā)層裂過程的數(shù)值分析, 對應(yīng)力波反射誘發(fā)層裂的規(guī)律和機(jī)制進(jìn)行探討。李夕兵等[43]理論分析了半正弦沖擊入射加載波形下的層裂破壞特性，推導(dǎo)產(chǎn)生層裂破壞的位置和層裂厚度，并利用改進(jìn)的霍普金森壓桿裝置對花崗巖試件進(jìn)行層裂破壞試驗，巖石試件在半正弦入射加載波形情況下，首先如理論推導(dǎo)結(jié)果一樣只產(chǎn)生了一層層裂破壞，但隨著時間的推移，巖石試件后續(xù)又產(chǎn)生了多層層裂，后續(xù)產(chǎn)生的層裂是由于入射加載過程中已經(jīng)對巖石試件產(chǎn)生了損傷，以致在很弱的殘余反射波作用下繼續(xù)產(chǎn)生破壞而出現(xiàn)多層層裂。雷光宇等[44]采用LS-DYNA軟件，對擾動應(yīng)力波作用下巷幫圍巖層裂破壞結(jié)構(gòu)的形成過程、擾動應(yīng)力波強(qiáng)度對層裂結(jié)構(gòu)形成的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了一定巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)下巷幫圍巖層裂結(jié)構(gòu)的形狀、厚度等特征。張曉春等[45]采用數(shù)值方法，模擬應(yīng)力波作用下巷道圍巖層裂結(jié)構(gòu)的形成過程，探討巷道圍巖層裂結(jié)構(gòu)的形成與巷道埋深、巖體彈性模量及應(yīng)力波強(qiáng)度、時程特性的關(guān)系。

此外，王學(xué)濱等[46]研究了不同側(cè)壓系數(shù)時圓形巷道圍巖中的剪切應(yīng)變增量及最小、最大主應(yīng)力等的分布規(guī)律，認(rèn)為圍巖層裂或板裂化現(xiàn)象的原因是環(huán)向的高壓應(yīng)力和徑向的高拉應(yīng)力共同作用的結(jié)果。

總結(jié)以上眾多學(xué)者的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，板裂化破壞的形成機(jī)制復(fù)雜、影響因素眾多，揭示工程實踐中不同類型的板裂化破壞，需要結(jié)合多種手段與方法進(jìn)行深入地研究。

4 板裂化破壞與巖爆的關(guān)系

Diederichs[47]研究認(rèn)為，板裂化破壞是在高地應(yīng)力條件下，洞室開挖過程中圍巖在壓應(yīng)力場中產(chǎn)生的張性破裂過程；板裂化可以是劇烈的，也可以是非劇烈的，在某些情況下也可能是與時間有關(guān)的一個緩慢過程；圍巖板裂化破壞可以發(fā)生在應(yīng)變型巖爆之前，板裂化破壞產(chǎn)生的近似平行的巖板，其產(chǎn)生不穩(wěn)定的變形（屈曲失穩(wěn)），為應(yīng)變型巖爆能量的突然釋放創(chuàng)造了條件?？梢?，穩(wěn)定的、非劇烈的板裂化破壞主要涉及板裂化巖體的變形問題（如圖9所示），針對板裂化圍巖的變形預(yù)測（包含巖板彈性變形、巖板彎曲變形、巖板之間分離變形），許多學(xué)者進(jìn)行了有益研究[6,10,48]。然而，隨著隧洞埋深的增加、地應(yīng)力的增大，劇烈的板裂化破壞，即巖爆發(fā)生的概率大大增加（如圖10所示），板裂化破壞與巖爆之間的關(guān)系，成為板裂化破壞研究的熱點(diǎn)問題。

圖9 板裂化巖體變形[49]Fig.9 Deformation of slabbing rock mass[49]

圖10 板裂化巖爆爆坑[50]Fig.10 Pit of slabbing rockburst[50]

概括起來，研究者們主要從以下兩大方面對板裂化破壞與巖爆的關(guān)系開展研究。

一是依據(jù)斷裂力學(xué)相關(guān)理論，研究近自由邊界板裂裂紋的形成及其失穩(wěn)擴(kuò)展形成巖爆的過程研究。Nemat-nasser等[51]通過理論和試驗研究了預(yù)制裂隙尖端萌生的裂紋在壓應(yīng)力場中擴(kuò)展規(guī)律，分析了自由邊界對裂紋擴(kuò)展型式的影響，并對研究結(jié)論在板裂及巖爆中的應(yīng)用進(jìn)行了有益探討。Dyskin等[52]認(rèn)為，隧洞開挖導(dǎo)致洞壁圍巖壓應(yīng)力集中（見圖 11(a)），原生裂隙向著最大壓應(yīng)力方向穩(wěn)定擴(kuò)展（見圖11(b)）；自由表面對裂紋的擴(kuò)展會產(chǎn)生顯著的影響，當(dāng)裂紋擴(kuò)展尺寸與其至自由表面距離相當(dāng)時，自由表面的存在使得裂紋產(chǎn)生不穩(wěn)定擴(kuò)展，進(jìn)而產(chǎn)生近似平行于洞壁方向的板裂化破壞的形成（見圖 11(c)），巖板折斷與圍巖突然分離形成巖爆破壞（見圖11(d)）。馮濤等[53]在Dyskin研究基礎(chǔ)上，應(yīng)用斷裂力學(xué)原理討論了巖體的斷裂特征，指出裂紋與自由邊界發(fā)生相互作用可能引起裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展，進(jìn)而裂紋相互連接形成一長的薄片狀巖層，由此提出了巖爆發(fā)生機(jī)制的層裂屈曲模型，該模型可以描述巖體自由表面動力失穩(wěn)型巖爆。方恩權(quán)等[54]基于斷裂力學(xué)機(jī)制，研究了自由邊界分別為直邊、凹形、凸形對近邊界原生裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定性進(jìn)行了理論研究，并利用FLAC數(shù)值模擬技術(shù)驗證理論解，數(shù)值結(jié)果表明，凹邊界情況下裂紋擴(kuò)展較為穩(wěn)定，而直邊界及凸邊界情況裂紋擴(kuò)展過程由穩(wěn)定擴(kuò)展向非穩(wěn)定擴(kuò)展逐步發(fā)展。譚以安[55]從巖石脆性斷裂的微細(xì)觀研究入手，應(yīng)用 SEM 電鏡掃描技術(shù)，對巖爆巖石斷口進(jìn)行觀察，認(rèn)為板狀劈裂以張性斷裂為主，局部存在剪切應(yīng)力作用；并結(jié)合隧洞巖爆觀測，提出了圍巖“劈裂成板-剪斷成塊-塊、片彈射”的巖爆漸進(jìn)破壞過程。侯哲生等[50]通過對錦屏二級水電站隧洞工程的現(xiàn)場調(diào)查，定性分析了深埋完整大理巖張拉型板裂化巖爆的發(fā)生機(jī)制為：洞壁附近圍巖因開挖卸荷發(fā)生拉張型板裂化，巖板在切向力的進(jìn)一步作用下積聚彈性應(yīng)變能，最后巖板受某種擾動，彈性應(yīng)變能被突然釋放并將巖板拋出形成巖爆。

圖11 巖爆機(jī)制的定性描述[52]Fig.11 Qualitative description of the mechanism of rock burst[52]

二是不考慮板裂化破壞的形成過程，在板裂化結(jié)構(gòu)形成后，將板裂化圍巖結(jié)構(gòu)形成巖爆視為一種結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞，主要應(yīng)用彈塑性穩(wěn)定性理論[56]或者突變理論[57]開展研究。王敏強(qiáng)等[58]針對錦屏長探洞現(xiàn)場巖爆的實際破壞型式，提出了邊墻破壞的板梁-脆性彈簧模型，研究了破壞面平行于洞室邊墻情況下的巖爆機(jī)制和判別方法，并給出了板裂結(jié)構(gòu)發(fā)生巖爆的判別式。何滿潮等[34]利用自行設(shè)計的深部巖爆過程試驗系統(tǒng)，通過對深部高地應(yīng)力條件下花崗巖巖爆過程進(jìn)行試驗研究，將巖爆發(fā)生過程分為垂直板裂化、垂直板屈曲變形及巖爆破壞，即巖爆板狀結(jié)構(gòu)演化模型（如圖 12所示）；并在文獻(xiàn)[59]中研究了石灰?guī)r巖爆過程的聲發(fā)射特性。左宇軍等[60]建立了洞室層裂屈曲巖爆的突變模型，得到了洞室層裂屈曲巖爆在準(zhǔn)靜態(tài)破壞條件下的演化規(guī)律，還建立了動力擾動下洞室層裂屈曲巖爆的非線性動力學(xué)模型。研究認(rèn)為，洞室層裂屈曲巖爆與否，不僅取決于巖體的內(nèi)因，還取決于外部作用力的大小和方式。張曉春等[61]分析了煤壁層裂板結(jié)構(gòu)形成及壓曲失穩(wěn)破壞規(guī)律，給出了層裂板結(jié)構(gòu)壓曲失穩(wěn)的條件。顏立新等[62]采用板殼理論，根據(jù)工程結(jié)構(gòu)可靠性分析原理，研究了直立板裂結(jié)構(gòu)巖體的穩(wěn)定概率分析方程和計算方法。李江騰等[63]應(yīng)用能量原理及突變理論推導(dǎo)了礦柱失穩(wěn)的臨界荷載，提出礦柱發(fā)生失穩(wěn)的屈曲模型。賈蓬等[64]采用RFPA數(shù)值模擬軟件研究了不同側(cè)壓力系數(shù)條件下板裂化圍巖的失穩(wěn)破壞特點(diǎn)，側(cè)壓力系數(shù)對深埋垂直板裂結(jié)構(gòu)巖體中洞室圍巖失穩(wěn)破壞形式有重要影響，邊墻巖柱的潰屈失穩(wěn)破壞發(fā)生在側(cè)壓力系數(shù)小于1的情況下，當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)大于1時，破壞集中發(fā)生在拱頂和隧道底部，邊墻巖柱不發(fā)生潰屈破壞。

圖12 巖爆板狀結(jié)構(gòu)演化模型[34]Fig.12 Plate structure evolution models of rockburst[34]

Szwedzicki[49]研究認(rèn)為，巖體工程災(zāi)害發(fā)生前，總是伴有明顯的前兆規(guī)律和信息，而這些前兆規(guī)律也是逐步發(fā)展和演化的，準(zhǔn)確解譯巖體破壞發(fā)生前所特有的前兆信息是進(jìn)行風(fēng)險評估和采取防治和挽救措施的關(guān)鍵。從以上眾多科研工作者的研究成果可見，圍巖板裂化現(xiàn)象與巖爆之間都具有很強(qiáng)的相關(guān)性和本質(zhì)的聯(lián)系，因此，全面、準(zhǔn)確地解譯板裂化破壞包含的巖爆前兆信息是合理評估和準(zhǔn)確預(yù)測深埋隧洞巖爆風(fēng)險的關(guān)鍵。

5 討 論

5.1 板裂化破壞的形成機(jī)制

盡管眾多學(xué)者對圍巖板裂化現(xiàn)象的產(chǎn)生原因進(jìn)行了許多有益研究，但板裂化破壞的形成機(jī)制復(fù)雜、影響因素眾多，筆者認(rèn)為，要真正意義上揭示工程實踐中所遇到的各種不同類型的板裂破壞的形成機(jī)制，需要結(jié)合多種方法與手段進(jìn)行深入地研究。

（1）現(xiàn)場案例統(tǒng)計與分析表明[1,10,15,50]，圍巖板裂化破壞包含了大量張拉裂紋、少量的剪切裂紋和拉剪裂紋，圍巖不同類型的板裂化破壞其形成過程中所處的應(yīng)力狀態(tài)不同。筆者認(rèn)為，對于板裂化破壞形成機(jī)制的研究，應(yīng)從板裂裂紋產(chǎn)生的細(xì)觀機(jī)制入手，結(jié)合斷裂力學(xué)相關(guān)理論，分析不同應(yīng)力狀態(tài)下板裂裂紋的形成、擴(kuò)展與貫通規(guī)律。

（2）數(shù)值模擬是板裂化破壞研究的重要手段。斷裂力學(xué)在分析巖石裂紋擴(kuò)展方面的缺陷性[65-66]：其一，巖石具有多晶、各向異性的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，巖石內(nèi)裂紋的產(chǎn)生與其細(xì)觀結(jié)構(gòu)密不可分，宏觀破裂尖端通常包含大量微裂紋的萌生和擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展過程中產(chǎn)生局部應(yīng)力場較大的波動，可見，巖石宏觀破裂行為受其細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性的影響很大，這是傳統(tǒng)的斷裂力學(xué)所無法描述的；其二，巖石在壓應(yīng)力場作用下，其破壞并非受一條裂紋的不穩(wěn)定擴(kuò)展所控制，而是多條裂紋之間的相互作用、貫通，斷裂力學(xué)對于多條裂紋之間的相互作用所采取的等效處理方法并不能反映裂紋擴(kuò)展的影響。運(yùn)用能夠考慮巖石細(xì)觀特性的數(shù)值分析軟件，如PFC[67]等，進(jìn)行板裂化破壞過程的細(xì)觀數(shù)值模擬，對認(rèn)識板裂化破壞形成的細(xì)觀機(jī)制具有重要意義。此外，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的巖石破裂過程的數(shù)值模擬[68-70]，如細(xì)化單元網(wǎng)格、對屈服單元進(jìn)行退化處理、單元非均質(zhì)性的考慮，模擬巖石裂紋形成與擴(kuò)展過程，也不失為一種有效的處理方法。

（3）重視板裂化破壞的試驗研究，尤其是真三軸加、卸載試驗，在試驗基礎(chǔ)上建立不同類型板裂破壞應(yīng)力準(zhǔn)則，進(jìn)而為建立合理的板裂力學(xué)模型提供依據(jù)；然而，巖石的加、卸載試驗具有破壞的突發(fā)性，不利于認(rèn)識板裂化破壞的一般形成過程和規(guī)律，因而能夠模擬現(xiàn)場開挖過程的大尺度物理模型試驗，對于認(rèn)識板裂化破壞的漸進(jìn)破壞特性、總結(jié)板裂化破壞特征、板裂化破壞的影響因素具有重要意義。

5.2 板裂化破壞與巖爆的關(guān)系

總結(jié)前人的研究成果、結(jié)合本文的分析，對于板裂化破壞形成巖爆的一般物理、力學(xué)過程，已經(jīng)有了定性的認(rèn)識。然而，圍巖板裂化破壞作為巖爆的一種前兆現(xiàn)象，其所包含的信息，需要進(jìn)行深入地、定量化地研究，例如，板裂化破壞形態(tài)與巖爆之間的關(guān)系。通過對錦屏二級水電站眾多巖爆案例統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，板裂面密集分布、巖板越薄的情況下，巖爆發(fā)生時，多數(shù)為弱至中等巖爆；而板裂面稀疏、巖板越厚的區(qū)域，發(fā)生巖爆時其強(qiáng)度要強(qiáng)很多，多為中等及中等以上巖爆。如圖13給出的兩個巖爆案例，圖13(a)中，隧洞開挖后圍巖出現(xiàn)密集分布的不規(guī)則板裂，板裂面張開度為3～27 mm，1 d后發(fā)生中等巖爆；圖13(b)中，隧洞開挖后圍巖出現(xiàn)薄片狀曲面板裂，板裂面閉合，3 d后發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆。

此外，結(jié)構(gòu)面（不同類型、產(chǎn)狀、力學(xué)性質(zhì)等）對巖爆的發(fā)生具有重要影響，甚至是巖爆的主導(dǎo)因素。圍巖板裂化破壞形成后，板裂面與不同類型的結(jié)構(gòu)面組合作用下巖爆的發(fā)生機(jī)制與規(guī)律研究，也應(yīng)是未來研究的重要內(nèi)容。

圖13 板裂化破壞形態(tài)與巖爆F(xiàn)ig.13 Morphology of slabbing failure and rockburst

6 結(jié)論及展望

（1）規(guī)律性的板裂化破壞是深埋硬脆性巖體開挖卸荷造成的圍巖典型的破壞現(xiàn)象，其特征在于圍巖內(nèi)形成的多組近似平行于開挖面的裂紋（以張拉型為主）將圍巖切割形成板狀或?qū)訝睿徽_認(rèn)識板裂化破壞現(xiàn)象，應(yīng)與其他破壞模式區(qū)分開來，如彎折內(nèi)鼓、片幫剝落與潰屈破壞、V型破壞等。

（2）板裂化破壞的形成機(jī)制復(fù)雜、影響因素眾多，揭示工程實踐中不同類型板裂化破壞的形成機(jī)制，應(yīng)從板裂裂紋產(chǎn)生的細(xì)觀機(jī)制入手，結(jié)合斷裂力學(xué)相關(guān)理論、細(xì)觀數(shù)值模擬等方法，分析不同應(yīng)力狀態(tài)下板裂裂紋的形成、擴(kuò)展與貫通規(guī)律。通過室內(nèi)試驗建立不同類型板裂化破壞的力學(xué)準(zhǔn)則，進(jìn)而建立合理的力學(xué)模型是板裂化破壞研究的關(guān)鍵。加強(qiáng)板裂化破壞的物理模型試驗研究，對于認(rèn)識板裂化破壞的漸進(jìn)破壞特性、總結(jié)板裂化破壞特征、板裂化破壞的影響因素具有重要意義。

（3）圍巖板裂化破壞現(xiàn)象與巖爆之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性和本質(zhì)的聯(lián)系。圍巖板裂化破壞作為巖爆的一種前兆現(xiàn)象，其所包含的信息，需要進(jìn)行深入地、定量化地研究，準(zhǔn)確地解譯板裂化破壞所包含的巖爆前兆信息是合理評估和準(zhǔn)確預(yù)測深埋隧洞巖爆風(fēng)險的關(guān)鍵。板裂面與不同類型的結(jié)構(gòu)面組合作用下，巖爆的發(fā)生機(jī)制與規(guī)律研究，也是板裂化破壞與巖爆關(guān)系研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

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