第三节　深埋工程研究与工作方法

一、深埋工程历史回顾

岩石力学学科发展基本上经历了两条腿走路的过程,分别代表了岩石力学的两个主导性方向:其中北美、南非、印度、澳大利亚等国家以采矿为背景,以岩爆问题为中心,专注于深埋岩石力学问题;以欧洲为中心的土木工程建设也促进了岩石力学学科的建立和发展,这一领域则专注于近地表浅埋工程和地表工程,如大坝和边坡。

但是,不论是哪个方向,岩石力学的创立和发展都经历了惨痛的工程教训。1960年南非Coalbrook的矿难事故一次性导致432人死亡。20世纪40年代加拿大安大略省的金属矿山开始进入到深部,有记录的岩爆事件每年超过300例,即便是劳动安全措施非常严格,每年仍然有近10人死于岩爆事故,多座矿山也因为岩爆问题被迫关闭。避免这些事故的工程和社会需要直接促进了岩石力学的发展,也促进了深埋条件下应力型问题的研究和岩石力学学科的诞生。

20世纪60年代法国马尔帕斯坝和意大利瓦伊昂水库失事分别导致了450人和2500人死亡的灾难性后果;巴拿马运河在1910—1964年建设期间有60处滑坡破坏。也正是这些事故促进了岩石力学另一个方向的发展,即结构面起到主导性作用的岩体稳定问题,成为岩石力学领域的重要组成部分。

在20世纪中期至中后期的很长一段时间内,以欧洲为中心的岩石力学科研和实践活动侧重于近地表工程,如水电和交通等行业,而矿山业发达的国家仍然专注于深埋矿山工作,形成了两个不同方向和两个中心。当工程建设进入深部以后,往往需要借鉴和引用深埋矿山领域获得的认识和经验积累,当然,这也是某一个阶段内学科发展的必须途径。比如,近年来瑞士穿越阿尔卑斯山的深埋交通隧道建设过程中,在应对应力型破坏时引进并且倚重于深埋矿山行业的技术力量。在锦屏二级深埋隧洞的科研和实践过程中,国外深埋矿山业取得的既往认识和经验起到了重要作用,解决一些关键性问题所依赖的理论认识、技术手段、工程措施都借鉴和引用了深埋矿山的技术积累。

在深埋岩石力学研究和工程实践过程中,岩爆一直是备受关注的对象,也是深埋应力型问题的典例。导致应力型问题的控制因素是围岩应力水平,它直接受到岩体初始地应力水平的影响,而埋深是控制岩体初始地应力水平的基本因素。因此,人们往往把高应力和深埋联系在一起,现实中埋深增大到一定程度以后也确实普遍导致地应力水平的提高,并导致应力型问题的出现。

矿山开采工程实践的历史过程经历了开挖从浅到深的过程。在20世纪20—40年代,南非、印度、美国、加拿大等一些国家的矿山开采开始相继到达地表以下一定的深度,岩爆问题对安全的影响日益严重,传统的井巷支护手段不能很好地维持井巷围岩的稳定性和作业安全。在工程实践中遇到这些问题以后,一些研究人员开始探讨问题的原因、机理和处理问题的方法,这些科研活动直接催生了岩石力学学科。由此可见,岩石力学学科诞生的动力源泉之一是深埋工程实践活动。因此,岩石力学的很多思想和方法都起源于深埋工程实践的需要,最初的目标是帮助地下工程围岩支护。

深埋岩石力学起源于矿山工程实践,在过去的几十年发展历程中,矿山工程实践一直是深埋岩石力学发展的重要动力来源,并且为其他领域岩石力学研究和技术手段的发展做出了卓越的贡献。比如,针对岩爆问题诞生的微震监测技术目前已经推广应用到试验室、高放核废料深埋隔离处置围岩破损研究、油气田开采过程的钻井压裂监测、二氧化碳封存深部围岩破裂状态监测等中。起源于深埋矿山的深部围岩支护理念和方法技术,包括岩爆控制技术,被广泛借鉴和应用于包括水电和交通在内的其他行业和领域。

与此同时,其他行业深埋工程的发展和要求也不断丰富着深埋岩石力学的认知和内容。随着核电站的投入运行,深埋隔离成为高放射性核废料的处理方式之一。从20世纪80年代开始,围绕这一问题开展了广泛的原位试验和研究工作。隔离段围岩破裂损伤特性、围岩热力学特性、岩体基本力学特性的时间效应等成为核废料隔离处置所关心的岩石力学问题,这些问题的研究也提升了对深埋岩石力学的认识。

与深埋矿山不同,油气田和地热等深部能源开采利用涉及的深度更大,环境更复杂(固、液、气三相介质),且人类无法直接观察到工程活动过程中深部岩体响应的表现形式,也不能采用实践积累的经验方法如围岩分类,来直接了解深部岩体的基本力学特性。鉴于深部油气田和地热的储存和运动与岩体内的断层和裂隙网络密切相关,了解和研究断层与裂隙网络空间分布及其决定的岩体力学特性(如渗流特性等)成为这些行业深埋岩石力学研究的重点内容。在过去的几年时间内,也诞生了一些新的理念和技术,如离散裂隙网络(Discrete Fracture Network,DFN)的调查和模拟方法,建立在DFN基础上综合岩体力学特性研究计算机模型(Synscietic Rock Model,SRM)以及含裂隙网络岩体实践所包括的现场测试和分析等工程流程的裂隙网络工程(Fracture Network Engineering,FNE)等。

综合以上的介绍可以看出,在过去的一个世纪中矿山深部开采一直是深埋岩石力学发展的重要基础。从20世纪80年代开始,高放核废料深埋处置特定的要求促进了深埋岩石力学在一些方向的发展,代表性贡献是对脆性岩体细观破裂机理的认识和这一现象的力学描述。21世纪以来,油气田和地热等深部资源有效开采和利用对岩石力学的发展提出了新的要求,特别是页岩气开采岩石力学研究已经催生了包括DFN、SRM、FNE在内的新的技术手段和工作思想与流程。

二、深埋工程核心问题

(一)深埋岩体高应力破坏

深埋问题的核心是应力和围岩特性之间的关系和矛盾。之所以说是关系,是因为应力是围岩赋存的一种环境条件,它不仅仅作为荷载出现,而且还直接影响到围岩力学特性,如前述的围压效应。而应力和围岩强度之间的矛盾往往是导致深埋工程问题的关键所在。因此,围岩应力状态和围岩力学特性是深埋岩石力学研究的两项基本内容。

围岩应力状态主要取决于初始地应力条件、工程布置和开挖形态。前者属于自然因素,可以认识但无法改变,后者属于人为的设计因素。因此,实际工作往往会在满足工程需要的前提下,以最大程度地有利于改善围岩应力状态为目标进行工程布置和开挖形态的设计。

深埋地下工程实践中需要调查的基本因素之一是岩体地应力场条件,或者称为地应力状态,包括主应力方向和主应力量值水平。后者需要同时关注主应力的绝对量值水平和三个主应力之间的比值关系,其中的应力比容易被忽视,但其对围岩稳定状态、破坏程度和方式以及工程设计有着直接影响,本书在后面的章节对主应力比值大小对工程影响会进行专门的讨论。

既往岩石力学研究和实践中已经充分认识到主应力方向和开挖布置之间的关系,并已经广泛地用于指导工程设计,即当潜在应力型问题风险相对较高时,优先考虑将洞室轴线方向保持与最大主应力方向平行或小角度相交。这一设计原则的基础是洞室断面上的平面最大主应力对围岩稳定性起着重要影响,此观点已经被广泛认识和接受。

地应力量值大小的潜在影响程度往往采用应力强度比或强度应力比的方式估计。历史上曾经出现了很多不同的判断指标和判断准则,其中最大主应力和岩石单轴抗压强度比值大小(或相反的比值关系)是常用的指标,由C.D.Martin提出的下列经验指标被广泛接受[2]。

(1)应力强度比小于0.15时,属于低应力环境,基本无应力型破坏风险。

(2)应力强度比介于0.15和0.40之间,属于中等水平应力环境,存在中等程度的应力型破坏风险,片帮破坏是中等程度应力型破坏的典型实例。

(3)应力强度比高于0.40时,属于高应力环境,存在剧烈的应力型破坏风险,如岩爆。

上述只是众多准则和标准中的一个,提出该准则有着特定的背景条件(如初始地应力场中的主应力比值大小),具体划分标准体现了不同的理解。因此,在工程实践中应用这些相似的准则时,需要理解提出这些准则的背景条件,明确适用范围。

类似于应力强度比这种准则的共同特点是简单实用,几乎可以在没有开展任何实物工作(如地应力测试和岩石强度试验)的情况下根据经验估计就可以获得一些认识和判断,如利用区域性构造条件和埋深条件可以大致估计地应力量值水平,根据岩性即可以判断单轴抗压强度的区间。这些简捷性也决定了它们的用途,即主要是工程开始前期阶段对潜在应力型风险的估计。现实工作中,在工程已经掘进到深部以后,如果仍停留在依据这些准则来判断岩爆风险,就显得过于粗糙。当工程开挖进入深部以后,现场会有很多迹象可靠地指示应力型风险程度和导致这种风险的控制性因素,更有工程针对性和实用价值。

此外,应力强度比的经验评价适用于硬质岩石地区。一般而言,岩石单轴抗压强度需要达到120MPa以上。这是因为应力型破裂受到岩石力学性质的控制,是脆性特性的表现,强度高的岩石脆性特性往往越明显。

另外,还需要注意的是上述的判断提供的是总体性的评价,即是否存在应力型破坏风险和这种风险可能的程度,最主要的用途是指导设计,如地应力因素成为轴线布置、断面形态设计、支护选择的基础性因素。当不存在应力型破坏风险时,结构面方位往往是设计工作需要考虑的基本因素。

上述经验性判断的宏观性还表现在不针对具体问题,现实中的一些剧烈应力型破坏与构造密切相关,上述判断准则中显然没有具体到考虑构造的程度。因此,尽管宏观判断为中等应力型破坏风险,但不排除出现剧烈岩爆破坏的可能性。

不过,初始地应力大小只是一个方面的因素,断面的初始主应力比值大小同样起到重要作用。一种极端的情况是三向等压(静水压力)地应力状态,三个主应力的比值均为1,即便主应力量值很高,隧洞开挖以后围岩中也不一定会出现强烈的围岩破坏,现场表现形式多为相对均匀地分布在洞周的破裂现象。

断面初始应力比对围岩破坏方式和稳定程度的影响也是一个基本问题。早在20世纪80年代出现的一些岩石力学教科书中,已经专门叙述了断面初始应力比对洞室围岩稳定性影响(主要是解析解和弹性分析结果,特别是在最近几年的水电工程实践中,断面应力比的影响已经开始显现出来。锦屏一级右岸地下厂房靠近雅砻江河谷岸坡,实测最大主应力在30MPa的量级水平,受到河谷地应力场的影响,初始地应力场中的最大、最小比值达到3ϒ1的水平。同样为大理岩的锦屏二级深埋隧洞断面主应力比一般低于1.3ϒ1,锦屏二级隧洞在超过1500m埋深(断面主应力值达到50MPa的量级)以后才开始观察到围岩应力型破坏,比较严重和普遍的应力型破坏产生在埋深超过1800m的洞段(应力值超过60MPa)。而锦屏一级地下厂房埋深在300m的量级,开挖过程中下游拱肩应力集中区产生的普遍性的破裂现象,应力比起到决定性作用。

初始地应力比值还直接影响到断面的破坏形态。静水压力状态时围岩破裂均匀分布,随着应力比增大,洞周破坏多集中在洞周与最大主应力方向相切的部位,且随破坏深度不断增大,剖面形态呈圆滑的V形,因此也被称为V字形破坏。

图1-4给出了深埋地下工程观察到的围岩V形破坏深度的统计结果。以圆形洞室为例:r指圆形到V形破坏区端点的距离,代表破坏深度;σmax指围岩中最大应力,往往等同于切向应力,圆形洞室的弹性力学计算值为3σ1-σ3,其中σ1和σ3为断面最大和最小主应力。σ1和σ3之间的差别越大,即断面初始应力比越大,破坏深度也越大。因此,在了解断面初始应力比值关系以后,即可以判断破坏的剖面形态。反过来,现场观察到的V形破坏形态剖面特征也可以帮助揭示断面初始地应力的比值关系。

虽然还缺乏直接依据揭示地应力比值大小和围岩破坏风险的关系,但根据实践经验获得的认识,现实中出现的强烈岩爆的内在控制因素与地应力比值的异常密切相关。

讨论岩体地应力比时需要建立整体和局部概念。整体是指一个地区大范围内具备的地应力比值的一般特征,主要取决于大地构造条件和岩性特征。现今构造活动区如中国西南受印度板块和欧亚板块影响的区域,初始主应力比值相对较高。反之,构造活动微弱的沉积平原地区,地应力比值相对较低。在岩体条件方面,完整性好、强度高的岩浆岩和变质岩往往具备出现较大应力比的物质条件。与之相反,性质软弱岩体的应力比较低,这也是为什么针对软岩大变形的分析研究中往往可以将初始地应力场假设为静水压力状态,因为软弱岩体不具备出现较高初始地应力比的物质基础。大地构造和岩体条件的组合大致控制了一个地区地应力比值大小的整体水平。由此可见,地应力并不能脱离地质体单独存在,而是和岩性及构造条件保持内在关系,是地质体的一个组成部分。

大量的深埋工程实践表明,即便一些地区的整体地应力比值较高,如澳大利亚平均达到2.3ϒ1、加拿大地盾达到1.8ϒ1的水平,但并不意味着这些地区深埋工程实践中会连续不断地出现强烈的应力型破坏。地应力比值整体水平的差异主要影响到一个地区开始出现普遍高应力破坏的深埋水平。在澳大利亚,开始进入超应力状态普遍出现强烈高应力破坏的埋深水平仅数百米;加拿大地盾的这一深度大约在1500m;而水平、垂直应力比多在0.9水平的南非,开始出现普遍强烈岩爆现象多在开采深度达到2000m以后。

不过,即便是在地应力比值整体水平相对较高的澳大利亚,也并不是说在数百米以下进行工程开挖时会普遍性地连续遇到高应力问题。强烈的高应力破坏仍然出现在某些特定部位,并主要和某些特定条件相关。认识其中“特定”的具体内容仍然是深埋岩石力学的现实任务,其中某些具体地质条件导致的局部地应力比值异常变化是内在因素之一。

瑞典某隧洞工程在200余米深度的掘进过程中遭遇到了强烈岩爆现象,现场调查发现,岩爆位置和侵入岩脉存在一定的空间关系。补充开展的地应力测试结果显示,出现岩爆部位的地应力比值达到10ϒ1的水平,这是地应力量值水平不高但局部应力比异常导致剧烈高应力破坏的典型案例之一。

实践表明,大量的剧烈岩爆破坏都与地质构造存在内在关系。这些构造包括断层、剪切带、小破裂构造、岩脉、褶皱、岩性变化界面等。金沙江白鹤滩水电站工程地下厂房勘探平洞内出现了多处强烈片帮现象。调查发现,这些破坏在空间关系上与性质软弱的剪切错动带有关。在错动带两侧一定范围内存在一个局部异常的地应力分布区,很可能是导致片帮的内在原因。这种异常现场普遍存在于其他工程实践中,断层等构造带局部地应力异常的可能原因包括以下方面。

1)地应力比显著增大:对于软弱断裂构造围岩,在构造法向方向总是倾向于出现应力衰减,当平行断裂构造方向地应力水平维持较高的水平时,可以出现地应力比异常增高的现象,即便是地应力绝对水平相对不高,异常高的地应力比仍然可以导致围岩破坏乃至剧烈破坏。

2)地应力水平增高:主要出现在起伏或者连续性相对较差的构造附近,起伏体或岩桥等部位在构造运动过程可以起到锁固的作用,并能够聚积局部的高应力水平。

一旦开挖进入深部,围岩开始出现破坏现象时,根据破坏出现的深度、破坏的形态、破坏与构造的关系等可以有效地分析和判断岩体初始地应力场的特征,特别是地应力方位和比值大小,可以成为认识和评价初始地应力场特征的有效手段。

再一次说明现实工作不应该把地应力作为脱离地质体的单一因素看待,而需要从一个地质体整体出发,把地应力作为地质体中一个方面的因素来看待问题。特别是根据现场具体条件和具体的围岩破坏特征,以相互关联的方式认识岩体地应力状态,这是深埋工程实践的重要基础。

(二)深埋岩体的试验测试

除地应力状态以外,对深埋岩体力学特性的认识是深埋岩石力学研究和工程实践的另一个重要基础。认识深埋岩体力学特性的重要手段之一仍然是试验和测试,但在测试目的与手段上可能会与浅埋岩体存在较大差别。

深埋工程岩石力学调查的基本工作是了解初始地应力状态和岩体力学特性。围绕初始地应力状态的工作方法包括地质分析、现场现象的经验判断、地应力测试和配套的数值分析等。

地应力测试仍然是了解深埋岩体地应力状态最为直接的方法,对于常见的水压致裂和应力解除法而言,在深埋条件下遇到的问题可能不仅仅是埋深导致的操作困难,更重要的是可靠性问题。

水压致裂和应力解除法地应力测试都需要在钻孔内进行。在深部进行钻孔时,可能遇到的问题是钻孔导致的岩芯损伤和孔壁围岩的屈服。深埋条件下钻孔岩芯可以出现肉眼可见的饼化现象,但以肉眼不可见的细小裂纹为标志的损伤应该更常见一些。损伤裂纹的出现可能会显著地影响到岩芯的力学特性,损伤严重时可能导致无法完成一些解除法需要完成的套钻。

传统的水压致裂地应力测试需要压裂孔壁的完整岩体,这可能会遇到两个环节的问题:一是深部钻孔孔壁围岩切向应力水平相对很高,压裂孔壁围岩需要的压力水平可能会超过设备能力,当岩体初始主应力比值较小时,这种问题的可能性更高一些;二是孔壁围岩进入屈服状态,围岩破裂特性受到抑制,难以形成破裂,即便压裂以后与水压致裂的弹性理论假设也存在偏差。

由于钻进过程对岩芯的影响程度会大于孔壁,特别是套钻时岩芯的损伤程度可能非常突出,因此,虽然水压致裂和应力解除法在深埋条件下都可能存在适用性方面的问题,但相比较而言,水压致裂法的适应性会更好一些。

从原理上讲,节理张开法可能更适合于深埋条件下的地应力测试。该方法的操作方式和传统的水压致裂完全相同,都是在钻孔内对选定的测试段施加水压力。不过,节理张开法要求测试段内存在一条单一的节理,注入的水压力是张开该节理而不是压裂孔壁的完整围岩,所要求的压力水平和设备要求往往更低一些,且受到孔壁围岩屈服的影响也相对较小。

与浅埋条件下相比,深埋工程建设过程中总会出现一些应力型破坏现象,对这些现象的调查、经验判断和配套的数值分析是把握初始地应力的可靠手段。与测试方法相比,利用这些现象的判断和分析结果具有很好的宏观代表性和工程可靠性,但定量准则性(方向和大小)可能会差一些。

试验依然是针对深埋岩体力学特性研究的有效方法之一。与浅埋条件下相比,在所有常规性室内物理力学试验(单轴压缩试验、弹性模量和测试、三轴试验等)中,三轴试验的必要性和意义更大一些,这是深埋工程问题主要由岩体峰后力学行为决定的,三轴试验可以获得的岩石应力-应变全过程曲线包含了峰后特性。视结构面发育程度的差别,现场岩体峰后力学特性也将不同程度地表现出非线性特性。

当岩石室内试样取自地表以下的深部时,需要注意的一个环节是岩石试样的损伤程度及其是否会对试验结果造成影响。如前所述,深部高应力条件下钻孔过程可能导致岩芯损伤,取自钻孔岩芯的试样因此也会受到损伤的影响。另外,利用深部开挖块石的取样方式更需要引起注意,开挖面一带的块样普遍经历围岩二次高应力作用而可能包括更严重的损伤,本书后续章节将会讨论到深埋条件下的取样技术和效果。

为此,在进行室内试验设计和试验数据整理分析时,有必要检查和评价岩石试样是否存在损伤裂纹以及他们对试验结果的影响程度。目前已有的技术手段虽然可以帮助部分地回答这些问题,但缺乏损伤裂纹对试验结果影响程度的定量性评价指标。并且,虽然在取样环节可以采取一些措施控制深埋岩石取样过程损伤程度,但岩石试样受损现象仍然普遍存在,目前还没有工程可以接受的损伤程度评价方法和标准。

岩石试样内的损伤裂纹可以通过数据分析判断,也可以专门增加新的检测手段。比如,试件压缩过程中应力-应变曲线初始段的形态可以帮助判断是否存在比较明显的损伤,在压缩过程中增加声发射测试是直接有效的重要手段。

岩石室内试验的重要目的在于评价岩体力学特性和估计相关参数,如岩体的变形模量和峰值强度等。在这个环节上,目前采用的工作思路和流程都适用于深埋工程,都需要利用对小尺寸试样的结果推广到大尺度的现场岩体,这一过程中都以岩体质量分级为桥梁。不过,国外和国内水电等行业的具体方法上存在一些差别。比如,国外基本不再开展常规性的现场试验,特别是岩体的剪切试验,取而代之的是建立在室内试验结果、既往试验总结以及现场岩石力学编录基础上的半定量、半经验方法,其中以Hoek等建立的方法应用最普遍和广泛,已经有数千个工程的应用实例,并成为岩石力学专业人员必备的基本技能。

深埋工程的岩石力学核心是应力变化和岩体力学特性之间的关系。因为建立在力学理论基础上的岩石力学数值计算技术,能够真实反映出岩体的变形破坏基本原理,因此现实工作中数值计算的应用也更加普遍,作用也日益突出。对岩体复杂力学特性认识的加深和计算机技术的发展是促使岩石力学数值计算应用近年来飞速发展的重要基础,并且在解决很多复杂工程问题时,数值计算不仅取代了传统的试验方法,并且已经成为分析和评价问题的重要手段。

在地表和近地表工程实践中,一些建立在解析解基础上的计算方法和手段有良好的适用性,比如极限平衡方法和相应的软件如边坡工程的Slide和Swedge、地下工程的Unwedge等,不过,这些方法因为难以处理深埋条件下起到主导性的应力—应变关系,因此在深埋工程中往往缺乏适应性。

(三)深埋工程力学分析方法

深埋岩体的重要力学特性是围岩应力水平普遍达到峰值强度,地下工程开挖以后一定范围内的围岩普遍进入非线性状态,因此,强调岩体非线性特征是该类工程分析的重要基础。

性质相对软弱岩体的峰后呈塑性特征,峰值强度较低但进入非线性阶段强度衰减程度不大,围岩大变形和变形稳定是这种岩石条件下深埋工程实践中最常见的问题。基于半经验、解析解和数值解的方法已经广泛应用于这类行为的分析研究,其中的一些认识如围岩响应曲线、收敛应变设计等已经被广泛应用,这里不详细介绍。

深埋工程建设的另一大类问题由岩石脆性特征引起。力学意义上表现为岩体强度明显降低的峰后非线性特征。目前的数值计算已经能够很好地模拟峰后复杂的非线性行为。不过,现实中另一个方面的问题是计算结果和现实中围岩破坏类型之间的关系。

图1-5表示了基于数值计算结果的应力型破坏风险判断方法,左侧表示了深埋隧洞开挖以后围岩应力分布的数值计算结果,图中标识了A、B、C、D四个代表性的部位,其中的A点和B点位于应力集中区。开挖过程中A点先经历了一个应力集中过程,但因为围岩屈服、强度降低以后,应力水平也相应衰减,开挖完成以后的应力水平可以很低。B点位于开挖完成以后的应力集中区部位,应力水平和围岩峰值强度相当。C点位于应力松弛区,开挖过程中基本不经历应力集中过程。D点则位于应力影响区以外,应力水平保持初始状态。图1-5右则勾画了上述几个部位在隧洞开挖过程中的应力变化过程和开挖完成以后的状态。开挖前所有部位的应力状态与D点相当,开挖过程中A点先经历一个最小主应力降低、最大主应力升高的过程,在对应于某个围压水平下与峰值强度曲线相交。这一过程代表了应力集中(最大主应力和应力差不断增大)到达峰值强度后的屈服。此后应力水平开始降低,并沿残余强度包线降低到一个低水平。这一过程表示了屈服后的围岩强度不断降低达到残余状态。而B点和C点的变化过程相对简单。B点所在部位经历了一个单调的应力增长过程直至达到或接近屈服状态,而C点则经历持续的应力松弛进入屈服状态。

以上的叙述实际上描述了开挖过程中围岩应力路径及其力学意义。岩石力学的任务之一是把这种学术性信息转化为工程问题的判断依据。图1-5(b)还给出了相应的判断准则,纵坐标轴上标识了两个典型应力值0.4σc和0.6σc(σc为岩石单轴抗压强度),这两个值对应于峰值强度包线有两个应力状态点,由此将围岩屈服时潜在破坏方式划分成以下三类。

(1)松弛区:即发生屈服时的最大应力水平低于0.4σc,这种条件下不具备应力型破坏风险,如图1-5(a)的C点,这种条件下往往是结构面问题起控制作用。

(2)片帮区:更合适的定义应该是中等应力型破坏风险区,指屈服时最大应力水平介于0.4σc和0.6σc之间,如图1-5(a)的A点,破坏产生在应力调整过程中,完成调整以后的应力水平很低。工程界也往往把这种现象称之为松弛。它与A点部位的松弛有着本质差别,潜在问题的表现形式和支护要求也完全不同。

(3)岩爆(微震)区:或者称为强烈应力型破坏风险区,指屈服时最大应力水平高于0.6σc。这种应力状态下对应的围压水平相对较高,即破坏发生时蕴藏在围岩中的能量水平也相应较高,屈服对应的破坏方式往往为剪切或更剧烈的破坏。

与应力强度比和断面应力比等经验性指标相比,利用数值计算结果的上述分析方式可以同时考虑多个因素的影响以及这些因素之间的相互作用。因此,数值计算是帮助认识和解决深埋工程问题的重要技术手段,包括帮助深化分析岩体地应力状态以及地应力状态和围岩破坏的关系。

三、深埋工程核心技术环节

岩石力学的核心技术环节就是了解和定量描述岩体力学特性,并用于分析和帮助解决工程实践中的问题。

岩体基本力学特性可以用图1-6所示的应力-应变关系曲线(本构关系)来描述和说明。以硬质岩石组成的岩体为例,在受到外荷作用下,岩体的变形特征服从图1-6所示曲线形态,它有一系列的指标描述,其中最普遍使用的指标为峰值强度和弹性模量,后者指图1-6中极限强度以前直线段的斜率。

在讨论深埋岩体力学特性时需要特别关注两个环节:一是岩体应力-应变全过程的曲线形态,即不仅需要了解峰值强度和弹性模量,而且还需要了解和定量描述峰后非线性段的形态;二是岩体应力-应变关系曲线形态,特别是峰后形态与其他因素如围压水平的关系,还包括工程尺度影响到的工程荷载作用范围的影响等。

近地表或浅埋工程的共同特点之一是地应力水平相对较低,地下工程开挖以后围岩应力水平相对不高(相对于岩体强度),表现在图1-6中围岩实际应力水平低于峰值强度,或者低于极限强度。在这种条件下,岩体的一些力学特性(如峰后非线性段的脆性特征)因为应力水平较低而不能被“激发”出来。因此,即便围岩具备剧烈脆性破坏的内在特质,但这种特质没有得到表现,现实中也不会出现围岩的脆性破坏。

在深埋条件下,围岩应力水平增高以后可以使得岩体达到峰值强度而进入非线性阶段(图1-6),这一过程伴随岩体内在基本结构的变化和强度的降低,导致的结果是在开挖边界一定深度范围内形成一定的破坏区或称为屈服区。

岩体峰后非线性段曲线形态往往是一定斜率的曲线,称之为应变软化现象。其中曲线形态反映了应力达到峰值强度以后导致岩体内部结构破坏和强度降低的程度。软化程度大时往往对应着脆性程度较高,反之塑性特性更强一些。通常说的理想弹塑性和理想弹脆性是应变软化的两种极端情形,即进入峰后段的强度不降低和立即降低到残余值。不同类型岩石组成的岩体,或者是同样岩性条件下结构面发育程度不同的岩体,它们的峰后曲线形态存在差别,代表了岩体固有力学特性的差异。脆性特征越突出,屈服后强度降低越快,围岩受影响的范围也越大,对支护的要求相应越高。因此,岩体峰后非线性特征指示的脆性程度往往成为深埋工程关注的重点。

在其他条件(埋深和峰值强度等)完全相同时,峰后形态相对较陡、脆性特性相对突出时,围岩中破坏/屈服区的深度往往要大一些;反之,这个深度相对较小。即在其他条件相同的情况下,岩体峰后力学行为直接决定了地下工程围岩中破坏区的深度,因此也直接影响到支护参数设计。现实中峰后曲线形态的实际影响可能远不只是影响到支护参数设计,更重要的是影响到破坏的性质和机理及其决定的监测、支护设计类型等。比如,脆性特征突出时可以导致突然发生的强烈岩爆破坏,而塑性特征占据主导地位时多表现为不断扩展的变形现象。应对这两种不同性质和类型的破坏,显然工程措施存在很大的差别,甚至完全不同乃至相反。因此,如果采用针对变形和变形导致的坍塌破坏的工程措施(如钢拱架、混凝土衬砌)来控制岩爆破坏,其效果可想而知。

由此可见,了解和把握岩体峰后非线性特征是深埋岩石力学的核心工作环节。岩体峰后非线性特性不仅取决于岩石类型和结构面发育程度,还受到围压水平、受力尺寸等几个环节因素的影响,并因此会明显地发生改变。

岩石室内三轴试验结果显示,一些类型的岩石峰后曲线形态随围压水平的增高发生明显变化。基本规律是随着围压水平的增高脆性程度(曲线斜率)不断降低,延性特征增高,当围岩增高到一定水平以后,甚至可以完全转变为理想弹塑性,这种特性称之为高围压条件下的脆-延转换特性。相比较于小尺寸的岩石试样而言,岩体的脆性总体要弱一些,因此发生脆-延转换所需要的围压水平更低。岩体的脆-延转换特性使得靠近开挖面一带浅部低围压条件下表现出脆性特性,是脆性破坏区的范围;距离开挖面更深的部位,围压水平的升高使得围岩表现出延性特性,有利于维持围岩的承载力和限制脆性破坏区的发展。

小尺寸试样的室内三轴试验曲线可以揭示岩石峰后曲线的脆性程度,大尺寸的岩体在一定程度也继承了岩石的脆性特征。基本规律是随岩体尺寸的增大,脆性特征减弱,即岩体力学特性的尺寸效应不仅表现为峰值强度随尺寸增加而减弱,而且还表现在峰后特性方面。在工程实践中,这里叙述的“尺寸”相当于受工程荷载作用的范围。矿山工程中的巷道断面尺寸往往在3～5m的量级区间,相比较于采场而言,受二次应力影响的范围小,脆性特性相对突出一些。因此,在其他条件相同的情况下,小尺寸巷道掘进时的岩爆(脆性特性控制的破坏方式之一)风险往往高于采场周围,这一特点在加拿大一些高应力矿山工程中表现得非常普遍。对于深埋隧洞工程而言,岩体脆性特征的尺寸效应决定了岩爆风险程度与隧洞开挖断面大小之间的关系。不过,岩体脆性特性尺寸效应是影响岩爆风险一个方面的因素,开挖尺寸的差别还可以影响到围岩的脆性程度,使得岩爆风险与开挖尺寸之间的关系更加复杂,不是某种单因素控制的单调性关系。

综上所述,深埋岩石力学的核心是研究岩体峰后特性及其随围压水平、开挖尺度等的变化关系,合理的工程设计和有效的措施可以充分发挥和利用岩体对工程有利的峰后特性,往往能够起到限制脆性特性导致的强度损失和围岩破坏、充分发挥延性特性、最大程度维持围岩自承载能力和抑制脆性破坏范围的作用。

四、深埋工程工作方法

在相关规程规范中已经明确规定了前期工作中地质调查的内容、测试手段、工作量等,在深埋地下工程前期工作阶段,同样需要开展相关工作,但在工作重点、思路、内容上存在一定的差别和不同。

前期调查的重点是评价地应力状态和岩体力学特性,从大的方面讲,这与浅埋地下工程的要求没有差别,但具体内容和要求存在明显差异。

由于浅埋地下工程地应力水平不高,应力往往不足以导致围岩屈服破坏,即从应力和岩体强度之间矛盾性的角度看,这些工程中存在较好的安全储备。以往大量地下厂房实践表明,结构面是控制围岩稳定安全性的关键。因此,对这些结构面空间分布、力学特性的调查和把握是关键,结构面切割形成块体的临空条件是围岩稳定安全的决定因素。在块体稳定分析时,工程中可以接受块体只受到重力作用的假设,针对这类问题开发的Unwedge程序即采用了这样的假定。虽然浅部地下工程也开展地应力测试,但即便存在一定的误差,也往往不会对一般地下工程的设计构成重大的直接影响。

在深埋条件下,地应力成为影响围岩稳定性乃至围岩力学特性的基础性因素,其工程作用显著增强。因此,对于初始地应力状态认识的可靠性直接影响到工程设计和决策,需要加强地应力场特征的调查和研究。

地应力调查首先需要建立正确合理的工作思路,需要明确地应力测量依然是确定地应力场的重要手段,但不是唯一手段,根据问题的特点和可资利用的条件采用其他途径开展工作,从不同角度获得地应力资料,是解决问题的重要途径。而对于地应力测试工作,测点布置、操作过程的质量控制和规范性、测试数据的解译等都需要有更高的要求,使得测试工作能适应现场条件,一方面能够保证测试数据的质量,另一方面能够保证测试成果的工程代表性。

地应力是地质体组成部分,与构造和岩性等地质因素之间存在内在关系。客观上能够、也需要先从地质背景入手,了解工程场址区的地应力场背景条件和应该具备的特征,具体为根据大地构造条件、地质演变历史、地表现今运动状况以及岩性条件等进行宏观性分析。在进入勘探和施工阶段以后,钻孔岩饼、勘探平洞片帮、围岩开挖变形和破坏等都可以可靠地揭示这些部位地应力场的一些特征,特别是方位和应力比值大小等。在很多情况下,利用现场获得的认识往往比测试结果更可靠,可以用来验证测试结果的工程代表性。

地应力测试的共同特点是获得数厘米至数十厘米范围内的地应力状态。小范围岩体地应力可能受到局部地质条件如细小裂隙的影响。因此,包括解除法和水压致裂法在内的测试结果往往都会出现一定的分散性。判断测试结果工程代表性的重要依据是对场址区地应力场宏观特征的把握,单纯依赖测试数据的数学统计分析并不能保证给出可靠的结果。地应力测试是了解地应力状态的手段,合理使用手段的前提之一就是测试前对地应力状态的认识。以水压致裂测试为例,测试工作要求钻孔尽可能与某个主应力保持平行,这意味着测试之前就需要可靠地判断出至少一个主应力的方位。作为工程师进一步认识地应力特征的手段,测试工作是有目的和针对性的行为,但要避免完全依赖于测试工作,否则,难以甄别测试结果的现实代表性和工程实用价值。

浅埋地下工程地质调查中要特别注意结构面规模的调查,确定性结构面和随机结构面基本上体现了规模的差异,长度小于一定量值如50cm的细小结构面往往被忽略不计。在深埋条件下,由于围压较高,结构面发育程度一般不及浅埋,结构面性状也相对更好一些,多为新鲜和闭合状。但是,深埋岩体中这些性状好、规模小的结构面也可以产生普遍性的工程问题,与浅埋条件下作为单一结构面发生作用不同,深埋条件下这些结构面主要通过改变岩体力学特性发生作用。

例如,金沙江白鹤滩水电站一些工程部位存在柱状节理玄武岩,在既往工作中,柱面往往是控制柱状节理玄武岩力学特性和工程破坏形式的决定性因素。不过,白鹤滩工程的一些柱状节理玄武岩的柱体内存在微裂缝,只有当应力达到一定水平以后,这些微裂缝才开始发挥作用,导致柱体的解体破坏,使得白鹤滩柱状节理玄武岩的工程影响方式和内在机理显著区别于其他一些工程,肉眼难以观察到的微裂缝成为需要关注的对象,因此有必要在工程地质勘察中展开专门调查和研究。

一般条件下针对岩体力学特性研究开展的室内和现场测试主要是了解岩体峰前力学特性,确定如弹性模量、泊松比和峰值强度参数取值。这些参数能够帮助分析深埋隧洞开挖以后是否会出现屈服破坏,但不足以分析破坏范围、程度和形式等,对深埋隧洞而言,这些取决于岩体峰后力学特性,因而更具有工程实用价值。因此,深埋工程岩体力学特性分析研究不仅需要了解岩体峰前力学特性,更重要的是需要了解峰后力学特征。

针对一般条件下开展的岩石室内三轴试验可以获得岩石峰后力学基本特性,为认识现场大尺寸岩体力学特性提供了一定的依据,但二者之间还存在很大的差别。认识和描述岩体峰后力学特性最现实有效的方法是观察深埋隧洞开挖以后围岩破坏表现形式和测试破坏区的深度,以此作为依据采用反馈分析的方式获得相关的非线性参数值。

浅埋地下工程实践中的变形监测往往被作为工程安全预警的重要手段。在硬质岩体条件下,深埋地下工程开挖以后也可以出现大变形,但大变形是围岩屈服、强度显著衰减的结果,即在大变形之前已经出现了破坏(如岩爆)。因此,传统的安全预警理念和技术手段难以满足深埋硬岩地下工程安全预警的需要,为监测和安全预警提出了新的要求。与之类似,围岩支护理念、技术手段和施工技术要求等也会产生很大的变化。

表1-1概要介绍了浅埋和深埋地下工程建设中存在的差异。二者的差别涉及从场地基本地质条件到施工工艺整个工作流程的所有环节。

从大的方面讲,深埋工程围岩问题也包括块体稳定、变形、脆性破坏三大类。其中前两者也存在于浅埋地下工程,但是在深埋条件下,问题的发生条件和表现方式会发生一定的变化。

概括来说,随着埋深增大,结构面所起的作用会出现分化。与浅埋时相比,深埋条件下结构面对围岩稳定既可以起到更好的作用,也可以起到更差的作用,具体和结构面的受力条件密切相关。当埋深增大到一定程度以后,完整岩石都会出现破坏,此时结构面的作用总体减弱,结构面切割导致的块体稳定问题可以处于非常次要的地位。

结构面对围岩稳定起到更好作用的情形主要出现在结构面与应力集中区最大主应力近于垂直的情形。此时结构面被压缩,有利于减缓围岩应力集中和能量积聚的程度,呈现出有利于维持围岩稳定的作用。反之,如果结构面和围岩应力呈现不利组合时,现场可以出现结构面与完整岩体剪切以后的组合破坏方式,使得围岩块体破坏不再要求所有边界都被结构面包围。在某些特定条件下,结构面及其附近存在的地应力异常甚至可以导致剧烈的冲击型岩爆破坏。

在浅埋条件下的块体稳定更多地取决于几何条件,即结构面组合和临空条件可以对块体稳定起到决定性作用。在深埋条件下,随着应力水平的增高,岩石(块)的作用逐渐得到返回,结构面的作用总体上得到抑制。因此,在深埋条件下讨论结构面影响和块体稳定问题时,需要注意埋深变化导致潜在问题控制因素的差异,即岩块的作用逐渐加强。此外,在具体问题上也需要注意结构面和应力之间的组合关系。

浅埋条件下围岩大变形主要出现在软弱围岩环境下,深埋围岩大变形既可以出现在性质相对软弱的围岩,也可以存在于硬质围岩中,但变形的性质和机理会出现变化。

具有一定强度的围岩在浅埋条件下往往不进入屈服状态,围岩变形主要是弹性响应的结果,一般不会导致工程问题。在深埋条件下,强度相对较低的围岩可以普遍出现屈服现象,且屈服后的围岩强度或多或少地出现一定程度的降低,进一步促进了围岩变形。也就是说,在深埋条件下,围岩出现大变形的可能性增大,且变形性质发生变化,以塑性变形为主。量值较大的塑性变形可以导致施工期围岩坍塌破坏,或者侵占洞室断面尺寸而影响到工程效益,乃至对是否满足工程要求产生影响。较大的塑性变形还可以改变围岩的结构,促进或导致流变变形的产生,对工程安全运行产生严重威胁。可见,大变形和变形控制是深埋工程建设中相对软弱围岩洞段关注的重点问题。

硬质围岩高应力破坏是深埋地下工程特有的现象,也是深埋工程需要面对的常见问题。硬质围岩高应力破坏包括剧烈和缓和两种基本类型,前者指开挖过程中突然发生、破坏程度激烈,如岩爆,这类问题的主要影响是施工安全。很多缓和型破坏往往不是出现在开挖完成后的掌子面附近,而是需要在经历一段时间以后才暴露出来,对围岩和支护系统的长期安全性造成影响。因此,硬岩条件下的深埋地下工程实践需要同时关注围岩破坏导致的施工安全和运行安全,由于硬岩条件下的深埋工程实践主要集中在民用工程中,围岩长期稳定和安全是值得重点关注的问题之一。

总之,随着埋深的增大,浅埋条件下存在的结构面控制块体稳定问题和软岩大变形问题依然会存在,但问题的控制性因素和内在机理会发生变化,特别需要关注应力条件变化所产生的影响。硬岩高应力破坏系深埋条件下的特定问题,可以对工程施工和运行安全造成影响。所有这些都与埋深导致的应力水平增高直接相关,了解深埋条件下既往问题的变化和新产生问题的特点,是深埋工程实践中的工作重点。