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第 27 卷 第 6 期 岩石力学与工程学报 Vol.27 No.6 2008 年 6 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June，2008 收稿日期收稿日期2008–04–14；修回日期修回日期2008–05–12 基金项目基金项目国家自然科学基金重大项目“深部岩石力学基础及应用”50490270 作者简介作者简介钱七虎1937–，男，1960 年毕业于哈尔滨军事工程学院，1965 年于原苏联莫斯科古比雪夫军事工程学院获副博士学位，现任中国工程 院院士、解放军理工大学教授，主要从事防护工程及地下工程方面的教学与研究工作。E-mailgcyqqh 深部岩体工程围岩分区破裂化现象研究综述深部岩体工程围岩分区破裂化现象研究综述 钱七虎 1，李树忱1，2 1. 解放军理工大学 工程兵工程学院，江苏 南京 210007；2. 山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061 摘要摘要随着经济建设与国防建设的不断发展，深部岩体工程越来越多，如逾千米乃至数千米的矿山如金川镍矿和 南非金矿等、锦屏二级引水隧洞及辅助洞、核废料的深层地下存储、深部地下防护工程等。深部岩体工程在开挖 洞室或巷道时，围岩变形和破坏等出现了一系列新的科学现象。除了岩爆和围岩挤压大变形以外，围岩的分区破 裂化现象也吸引了很多岩石力学工作者的关注。基于国外对分区破裂化现象的实验和理论研究，归纳出分区破裂 化现象的主要特征参数及其变化规律，揭示分区破裂化现象产生的条件；提出这一领域的研究方向；同时介绍国 内在该领域实验和理论方面的研究进展。 关键词关键词岩石力学；深部岩体；分区破裂化；非线性岩石力学；动力问题；岩爆 中图分类号中图分类号TU 45 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200806–1278–07 A REVIEW OF RESEARCH ON ZONAL DISINTEGRATION PHENOMENON IN DEEP ROCK MASS ENGINEERING QIAN Qihu1，LI Shuchen1 ，2 1. Engineering Institute of Engineering Corps，PLA University of Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 210007，China； 2. School of Civil and Hydraulic Engineering，Shandong University，Jinan，Shandong 250061，China AbstractWith the development of national economy and defense works，there are more and more deep underground rock wass engineering，such as the mines with depth of thousand to several thousands metersJinchuan nickel mines and gold mines in South Africa， etc.， water diversion tunnels and auxiliary tunnel of Jinping II hydropower station，deep geological deposition of nuclear waste and deep underground protection engineering. While the deep rock mass are excavated by the blast or other s， the deation and fracture of the surrounding rock show several new scientific characteristic phenomena. Besides the deep rockburst and large deation of tunnel in squeezing ground，the phenomenon of zonal disintegration attracts the attentions of scholars and engineers in the fields of geotechnical engineering and rock mechanics in the world. Based on the experimental and theoretical researches of zonal disintegration phenomenon at home and abroad，the main characteristics and corresponding changing laws of zonal disintegration are summarized. It is revealed the mechanism for the occurrence of zonal disintegration； and the emphasis in this field is proposed. Also the domestic experimental and theoretical investigations of zonal disintegration phenomenon are introduced. Key words rock mechanics； deep rock masses； zonal disintegration； nonlinear rock mechanics； dynamic problem； rockburst 第 27 卷 第 6 期 钱七虎，等. 深部岩体工程围岩分区破裂化现象研究综述 1279 1 引引 言言 深部岩石力学之所以在当代发展成岩石力学的 一个热点研究方向，是因适应了深部岩体工程围岩 变形和破坏的一系列新科学现象研究的需要。除了 岩爆和围岩挤压大变形以外，围岩的分区破裂化现 象也吸引了很多岩石力学工作者的关注。在深部岩体 工程中开挖洞室或坑道时，在其洞室围岩中会产生交 替的破裂区和非破裂区的现象，这种现象在相关文 献中被称之为分区破裂化现象zonal disintegration。 这些科学现象的“新”在于浅部岩体工程中未曾发 现过这些现象，并且这些现象用传统的连续介质弹 塑性力学不能完全解释清楚。解释这些新现象发生 的机制，定性以及定量地分析这些现象及其规律， 数值仿真出这些科学现象正孕育形成新的岩石力学 分支学科一些学者将其称为深部非线性岩石力 学。 本文总结了国内外分区破裂化现象研究领域的 实验和理论研究成果和进展，归纳出分区破裂化现 象的主要特征参数及其变化规律，定性分析了分区 破裂化现象产生的机制，指出了这一领域下一步的 研究方向。 2 现场观测与实验研究现场观测与实验研究 深部岩体分区破裂化现象于 20 世纪 70 年代在 南非 2 073 m 深的金矿中首次被发现[1]。之后，在南 非深部金矿的巷道中系统地观察到了围岩中存在的 分区破裂化现象，如图 1 所示[2]。 图 1 南非 Witwatersrand 金矿巷道顶板分区破裂化现象[2] Fig.1 Zonal disintegration phenomenon of the tunnel roof in Witwatersrand gold deposit in South Africa[2] 这些现象是采用岩石潜望镜进行观测的。岩石 潜望镜带有电光源和倾斜反射镜，可深入钻孔观察； 同时，岩石潜望镜带有照相机，可以把围岩表面裂 缝照下来。通过采用岩石潜望镜对南非深部金矿巷 道的观察，其结果表明，所有的钻孔都不止有一个 比较集中的破裂区，这些破裂区由间隔 5～150 mm 的裂缝组成，这些裂缝把岩体分割成片状的破坏区， 这些破坏区被相对完好的、约为 1 m 厚的未破裂区 所分割开，其方向垂直于工作面，破裂区范围至少 有 5 m，破裂区平行于工作面可延伸至 12 m。在机 械化开挖的 Doornfontein 金矿 Chamber 矿井的顶板 上也显示出与钻爆法开挖的矿井中相似的分区破裂 化现象，所以在 G. R. Adams 和 A. J. Jager[2]的研究中 排除了分区破裂化现象的产生是由于爆破引起的， 即不论是在钻爆法施工的巷道还是采用机械化施工 的巷道中，只要条件满足，巷道围岩都会产生分区 破裂化现象。他们还根据围岩中裂缝的走向是否平 行于工作面，区分了岩体中原有的地质节理和采掘 扰动引起的破坏裂缝， 在图上标示以斜线和垂直线。 G. R. Adams 和 A. J. Jager[2]指出， 裂缝形成于分离的 区域中的原因尚未得到理论解释。 俄罗斯科学院原苏联科学院西伯利亚分院对 分区破裂化现象于 20 世纪 80～90 年代进行了深部 矿井现场实验研究、实验室模拟实验研究、理论分 析以及现象的应用研究[3 ～13]。现场实验研究[4]是在 诺里尔斯基金属矿山联合企业塔拉娜哈十月矿区 的若干矿井中进行的，其深度分别为 957～1 050， 800～900，500～550 以及110～140 m。为了进行实 验观察，研制了一系列探测装置及其相应的综合分 析方法 常电流和低频电流的电测法、 地下电测法、 超声透射法、γ 射线的核物理探测法，并且采用钻 孔型岩石潜望镜进行选择性的目力检查。把这些钻 孔探测的特征测量结果绘制于图上，得到了这些巷 道围岩的分区破裂化现象，如图 2 所示。各种方法 探测的结果相互印证，通过结果的重复性保证了探 测的可靠性。 图 2 Taimyrskii 矿山巷道围岩的分区破裂化现象 Fig.2 Zonal disintegration phenomenon of tunnel rockmass in the Taimyrskii Mine 1280 岩石力学与工程学报 2008年 通过基于相对于柱状巷道的对称性和裂缝走向 规律的统计规则，在所有测站的钻孔中所观察到的 总裂缝中，排除了原生的地质节理，最后把每一测 站的所有钻孔中的裂缝探测结果连成综合断面图。 Е. И. Шемякин 等[4]在结论中指出，地下巷道周围分 区破裂化效应的发现是基于深部巷道围岩现场钻孔 探测的数据；这个效应的实质在于岩体中准柱面状 的裂缝区和非裂缝区的交替，这与地下巷道周围变 形和破坏状态的已知理论在概念和原则上是不同的； 巷道围岩中存在 1.0～1.5 m 宽的裂缝区，相互间被 宽度为 1.0～1.5 m 的未破坏岩体所间隔开，这些裂 缝区的表面大体上重复巷道表面的几何轮廓形状； 裂缝区的数量取决于岩石压力的量级，在 1 000 m 深度的地下工程中通常不少于 3 个分区破裂带。 为了校核深部巷道现场实验发现的分区破裂化 效应，研究其产生的条件和规律，Е. И. Шемякин 等[5]在实验室进行了等效材料模型实验，包括平面 应变和三维立体模型实验，巷道形状分别为圆形和 拱形断面， 分别考虑了支护和不支护的锚固和喷混 凝土作用。 岩体破坏的记录在平面应变模型上通过 照相，在立体模型上通过拆解模型后再照相的方式 获得。在模型实验的巷道中同时进行了位移量测。 加载方式，平面应变模型从 3 个面上进行加载，三 维立体模型从 5 个面上进行加载。围岩由连续介质 和裂缝介质组成。巷道通过钻孔来建立。模型的相 似比分别为 1∶50 和 1∶100。巷道与模型的尺寸比 是 0.12～0.17。加载的强度初始地应力为考虑构造 而削弱后的岩体单轴抗压强度的 1.1～1.9 倍。模型 和巷道的尺寸比例以及实验台的研制，排除了加载 装置对巷道围岩变形的影响，巷道是在预加应力的 模型材料中开挖如图 3 所示，得到了围岩分区破 裂化现象。 图 3 模型实验得到的分区破裂化现象 Fig.3 Zonal disintegration phenomena obtained by model test Е. И. Шемякин 等[5]根据模型实验结果再一次 做出如下结论巷道围岩中强破碎区和弱破碎区交 替产生的基本原因，不是由于巷道掘进中钻爆施工， 而是在于巷道周围应力场的改变；分区破裂化的发 现表明，现有关于巷道围岩中应力–应变状态的一 般原理与深部巷道围岩中的变形破坏实际不相适 应，鉴于分区破裂化效应的明显重要性，迫切要求 对其进行理论思考和研究。 3 机制研究机制研究 Е. И. Шемякин 等[6]从理论方面研究了分区破 裂化现象产生的机制，如图 4 所示。 a b 图 4 分区破裂化现象产生的机制 Fig.4 Mechanism of zonal disintegration phenomenon Е. И. Шемякин 等[6]首先分析了深部巷道围岩 在卸荷条件下裂缝的产生，与实验室试件在小侧向 压力条件下竖向加载时穿透裂缝产生具有相似性， 该相似性表明第一个裂缝区形成的机制，是在应力 集中导致的最大支撑压力作用处，由于巷道自由面 的影响，产生径向的拉伸变形并达到围岩的极限应 变，导致第一个破坏区中裂缝的张开，以及围岩向 着巷道自由面位移的发展导致了“伪掌子面” ，即 “伪自由表面”的形成，从而引起围岩再次发生应 力重分布。应力重分布将导致第二个“伪自由表面” 的形成，从而进一步引起围岩内应力的重分布。上 述过程不断发展，一直延续到围岩重分布的应力达 不到围岩的破坏条件为止。这就是深部巷道围岩中 若干个破坏区与非破坏区交替发生的机制。显然， 上述分析仅是定性的，不能定量确定围岩中各个破 坏区和非破坏区的厚度。定量的理论分析必须研究 主干裂缝形成与展开的时间、 “破坏波”从自由表面 o 第 27 卷 第 6 期 钱七虎，等. 深部岩体工程围岩分区破裂化现象研究综述 1281 向围岩深部运动的时间，以及两个时间的相互关 系[8]。显然，分区破裂化效应的研究必将为岩爆的 研究提供很大兴趣[14]。 Е. И. Шемякин 等[7]研究了分区破裂化效应的 实际工程应用。为此，首先要确定在什么深度上可 能发生巷道围岩的分区破裂化效应，在该研究中， 根据围岩最大支撑压力作用处径向拉伸变形达到极 限值的条件，推得产生第一个裂缝区的深度确定公 式。但是推导该公式时，初始地应力假定等于 Hγ值， 也就是没有考虑构造地应力，而且也没有考虑动力 因素。因此，该公式应用于实际工程还需要适当修 正。关于分区破裂化效应的实际工程应用，Е. И. Шемякин等[7]列出了用以减少深度岩体工程的岩体 坍塌、减少巷道的开挖量、提高钻爆法的效率、提 高锚杆支护的效果以及节省爆破材料等方面的工程 应用。 Курленя 教授研究了分区破裂化效应中的时间 因素。他根据模型实验得出如下结论初始应力值 对巷道周边位移速度具有重要影响，该速度是围岩 卸荷产生的位移速度，当 c /Rσ由1.75增大至3.00 时，巷道周边位移速度由43 m/h增至468 m/h，而 支座压力处波阵面的运动速度自巷道周边指向围岩 深部，由12 km/h增至22 km/h，前者增大为10倍， 后者为1.8倍。他在引用了其他学者的研究成果后 指出分区破裂化现象的机制是由时间过程所确定 的，该过程是由巷道围岩卸荷产生，并由初应力水 平所决定；分区破裂化效应既可以由机械化开挖、即 由慢速卸荷模型产生，也可以由钻爆法开挖、即由 快速卸荷产生，但是慢速卸荷下产生的分区破裂化 效应较之快速卸荷下需要更高的应力水平。Курленя 教授提出了围岩变形与破坏的两类过程一类是连 续的逐步发展的过程，在围岩介质中初始产生均匀 的微裂纹，然后微裂纹随机地合并成粗裂纹，同时 在粗裂纹附近由于应力释放停止微裂纹的发展，再 后产生宏观主干裂缝，形成岩石材料的破坏，并在 围岩主干裂缝附近停止材料的破坏过程；另一类过 程是基于时间因素的影响，在高地应力水平下，围 岩介质将由高应力区向卸荷区快速运动，该能量流 使得围岩介质来不及产生许多微裂纹后再形成宏观 裂纹，即来不及顺序地经过破坏的准备过程，而是 介质位移速度超过了微裂纹的积累与聚合速度，宏 观粗裂纹立即突跃产生，即材料突然地破坏，同时 在其周围由于应力释放，不再产生微裂纹。如果应 力水平足够高，围岩积累的变形能足够大，高速能 量流过程将继续，得以在第一批裂缝的卸荷影响范 围之外，继续突跃地产生第二批粗裂缝，过程将延 续到应力水平不再高的情况下，此时则恢复连续平 稳的变形过程。 在Ф. П. Глушихин等[13]的研究中，前苏联煤炭 部全苏矿山力学与矿山测量科研院ВНИМИ总结 了20世纪90年代以前20 a中在模型实验方面取得 的经验，包括模拟理论、模拟方法以及模拟研究的 结果，其中也包括“大深度巷道围岩破坏”下的实 验结果和新规律，其实验结果总结于表1。 表 1 大深度巷道围岩破坏实验结果表 Table 1 Results of failure test of surrounding rock in deep tunnels 巷道周边 破裂区 第 1 个 破裂区 第 2 个 破裂区 第 3 个 破裂区 岩体巷道 断面和模 型特点 γH/RCЖR/rγH/RCЖ R/r γH/RCЖ R/rγH/RCЖR/r 节理岩体， 圆型，纵长 和立体模型 0.7 1 1.0 1.56 2.0 2.02.4 3.1 节理岩体， 平巷，平面 应变模型 0.5 1 0.9 1.80 1.5 2.31.9 3.2 连续岩体，圆 型，立体模型 0.5～0.81 1.0～ 1.2 1.30～ 1.50 2.0 1.7～ 1.9 2.7 2.6 Ф. П. Глушихин等[13]特别明确地指出，通过对 平面和三维模型研究结果的分析，得出如下结论 对节理岩体巷道周围介质的破坏，第二应力分量 2 σ 将产生重要影响；不论上述特征如何改变，围绕巷 道的分区破坏化效应即破坏与非破坏交替的现象 是确定的；传统的围绕巷道的3个区围岩破坏区、 塑性区和弹性区的围岩变形和破坏概念是相应于埋 深较浅的岩体工程的荷载条件。但Ф. П. Глушихин 等[13]关于分区破裂化效应的理论分析基本上还是定 性的，而且和Е. И. Шемякин等的分析观点基本一 致。 ВНИМИ还出版了等效材料平面应变模型上 大深度模拟的方法指南 ，该指南指出了大深度模拟 的困难。首先在于模型实验不能严格满足几何相似， 因此在施加荷载的深度上不能保证必须的力的平 衡，这就不能满足在研究矿山压力表现时的边界条 件；其次在于如何严格保证大深度模拟时的平面应 变状态。在多年理论和实验经验基础上，该指南提 出了大深度模拟的一般原则、模型应力–应变状态 的相似条件、加载的方法、加载装置的结构、模型 参数的计算实例等所有的必需的内容[14 ～17]。 1282 岩石力学与工程学报 2008年 4 近期研究及新进展近期研究及新进展 自2003年以来， 随着深部工程的不断增加， 深 部一些新的岩石力学现象不断出现，中国的学者开 始关注并开展了分区破裂化现象的研究[18 ～34]。以钱 七虎院士为首的学术团队在国内率先介绍了国外学 者关于分区破裂化现象研究的成果，提出了在国外 已有研究成果基础上今后开展研究的方向及其关键 问题。钱七虎[18 ，19]除了系统介绍国外学者在深部岩 石力学包括分区破裂化效应及其他关键科学问题 的研究成就外，提出了深部围岩分区破裂化现象是一 个与空间、时间效应密切相关的科学现象的新观点， 认为分区破裂化效应的产生，一方面是由于高地应 力和开挖卸荷导致围岩的“劈裂”效应，另一方面 是由于围岩深部高地应力和开挖面应力释放所形成 的应力梯度而产生的能量流；提出了分区破裂化的 定性规律影响因素中应该考虑巷道洞室开挖的速 度卸荷速度；提出了分区破裂化与应变型岩爆是 一个问题的两个侧面，都决定于岩体开挖后岩石积 聚的变形势能转变为动能和破坏能的分配比例；指 出了岩石延性随深度增加而增加，超过临界深度后， 岩石都转变为非脆性延性破坏，即“硬岩变软岩” 的结论不准确，认为该结论仅适应于实验室中双向 围压下加载实验的结论，不适用于巷道洞室表面围 岩存在一面卸载的情况，即围岩不可能都由硬岩变 软岩，否则无法解释岩爆的发生。 2006年以来，中国学者在一些学报上发表了分 区破裂化效应研究的成果，这里应指出特别重要 的是在淮南矿区的深部矿井巷道围岩钻孔中通过用 钻孔窥测仪探测并观察到了分区破裂化效应的存 在，并以录像的形式记录下来，肯定了深部岩体巷 道围岩分区破裂化效应的存在[34]；其次是通过实验 室模拟实验也获得了分区破裂化现象[28]；再次是在 国内首次通过数值计算和模拟再现了均匀介质岩体 中的巷道围岩分区破裂化现象[26 ，29，30，32]；最后是 在国内外首次在节理岩体巷道围岩中数值仿真了分 区破裂化效应[30 ，32]。 在这些研究中，有的并未得到明显的分区破裂 化效应，其原因作者认为可能在于仅考虑了基于莫 尔–库仑强度理论的剪切滑移破坏[22]，当第一批剪 切滑移裂缝产生后，不能像拉伸裂缝那样张开，不 能形成具有卸荷效应的新自由表面；也可能有的研 究仅基于平面应力模型，而不是采用俄罗斯实验以 及俄、中现场巷道中的平面应变条件垂直的以及 巷道轴线方向上的高初始压应力将在巷道断面径向 产生拉伸变形。而在平面应力模型中，巷道断面径 向变形小，形不成拉伸裂缝。Ф. П. Глушихин等[13]、 顾金才等[28 ，29]均正确地指出了第二主应力，即轴线 方向应力，对产生分区破裂化的重要影响，但是决 不能因此认为轴线方向的应力必须是 “最大主应力” 。 这只要认真了解俄罗斯学者实验研究的实验参数数 据就可得知，实际上从三维应力分析也很易知道， 对于巷道断面径向拉伸来说，轴向压应力和垂直压 应力都是等价的。有些没有得到分区破坏化效应的 数值模拟研究结果，还可能在于没有采用动力过程 模拟。因为巷道开挖的卸荷，必在径向上巷道表面 与围岩深部间产生应力梯度，从而导致径向加速度、 速度和位移的产生，该径向位移叠加“劈裂”产生 的拉伸变形，较易形成拉伸裂缝。 有的学者不同意“分区破裂化现象及其规律与 传统的连续介质弹塑性力学理论不相一致”的结 论。在这里必须指出，正如前文以及Е. И. Шемякин 等[4 ，6，13]所指出的，这个不一致首先指的是分区破 裂化效应与传统的连续介质弹塑性力学关于巷道围 岩破碎区、塑性区、弹性区依次分布的现象不一致。 其次，更重要的在于，传统连续介质弹塑性力学不 能研究岩石峰值强度后的变形和破坏即软化段， 仅能研究断裂的产生，不能研究裂缝的发展，包括 裂缝的合并，即传统的连续介质弹塑性力学不能正 确、全面地研究围岩中的局部化变形，当然包括研 究节理介质中的分区破裂化效应。周维垣和杨 强[33] 正确地指出“传统模型仅能够描述峰值点以前的材 料特性，对峰值点后的描述无能为力” ， “传统连续 模型在考虑局部化分岔问题时，将实验中力和位移 的关系简单映射为应力–应变曲线，而没有考虑内 部微结构的变化以及应变梯度的控制作用” ，而“应 变梯度在局部化分岔破坏阶段起到了主导和控制作 用。这一点在传统模型中难于得到体现” 。其结果是 导致在采用连续传统模型模拟局部化破坏过程中， 出现局部化分析结果对网格疏密或走向的强烈依赖 性，即网格依赖性问题。以有限元法为例，基于传 统连续理论的有限元法对局部化破坏问题模拟的网 格依赖性问题是其始终无法解决的问题，此外还有 零能耗散问题。具体地说，裂缝的产生与网格疏密 度有关，由于网格疏密不同，将出现几种不同的裂 缝产生的情况，即出现数值仿真不“真”的问题。 限于篇幅，不再细述，可参阅相关研究[35 ～37]。 5 结结 论论 深部岩体分区破裂化现象产生机制的研究是岩 第 27 卷 第 6 期 钱七虎，等. 深部岩体工程围岩分区破裂化现象研究综述 1283 石力学领域一个崭新的研究方向和富有挑战性的课 题。本文综述了国内外深部岩体分区破裂化现象的 实验和理论研究进展，归纳了分区破裂化现象产生 的条件及其变化规律。该领域下一步研究的主要方 向有 1 分区破裂化现象和规律是一个与空间、时 间效应密切相关的现象，所以分区破裂化现象定性 规律的成果必须重新研究，才能进入定量规律的研 究。 2 深部巷道、洞室在发生分区破裂化现象下 围岩变形、稳定性及其支护方法的研究。 围岩破裂区和非破裂区交替的情况和浅部围岩 塑性区和弹性区依次排列的情况，其变形和稳定性 有很大的不同，前者需要考虑岩石峰值后的残余强 度岩块间的摩擦力。支护时间和支护变形的大小 影响巷道周边岩石位移速度，因此与分区破裂化现 象的发展有很大相关性。这样支护的类型也就决定 了围岩控制理论，关键是根据分区破裂化现象的原 理确定围岩变形速率。反过来，利用围岩变形速率 来控制分区破裂化现象的发展。在具有分区破坏现 象时锚杆的布置和长度的设计计算方法将与浅部有 很大的不同。 3 研究分区破裂化效应的发展与开挖卸荷周 期的关系该周期与岩石弹性势能、动能和耗散能的 分配比例相关，即不同施工方法钻爆法、TBM法 及施工进度对分区破裂现象的影响。 4 不同支护方法钻爆法和TBM法相应的支 护时机、支护参数等对分区破裂效应和自承体系的 影响，提出合理的支护方式和支护时机。 5 从能量耗散的角度，建立分区破裂化效应、 应变型岩爆与深部围岩挤压大变形间发生发展的统 一理论。 参考文献参考文献References [1] CLOETE D R，JAGER A J. 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