國際深部地下實驗室?guī)r體原位力學(xué)響應(yīng)研究綜述

李邵軍，謝振坤,2，肖亞勛，豐光亮，潘鵬志，王兆豐

(1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北武漢，430071；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京，100049)

隨著深地科學(xué)的發(fā)展，人們越來越意識到21世紀所面臨的地球科學(xué)前沿問題將在地下深部得到解決，從而提高人類對粒子、地球、宇宙、生命等的認識和國家的科技力量水平。由于巖石這種天然材料對宇宙射線、地表干擾、人類活動等有阻隔作用，物理學(xué)家在地下開展極為靈敏的粒子物理和天體物理實驗來發(fā)現(xiàn)宇宙的奧秘，生物學(xué)家也研究高地溫、高地壓等苛刻環(huán)境下微生物生存發(fā)展的規(guī)律，同時，地球科學(xué)家和巖石力學(xué)專家也致力于探索地下深部巖石的力學(xué)行為等關(guān)鍵科學(xué)問題。這些科學(xué)問題的創(chuàng)新突破不僅會極大地推動本領(lǐng)域?qū)W科的進步，同時也將促進粒子物理學(xué)、天體物理學(xué)、地球物理學(xué)、生命科學(xué)及巖體力學(xué)等領(lǐng)域的相互融合[1?3]。國際上許多國家已經(jīng)建成或開始著力建設(shè)深部地下實驗室(underground research laboratory，URL)，并在中微子雙貝塔衰變、暗物質(zhì)、地底原生微生物研究以及水?熱?力?化學(xué)作用下巖石的力學(xué)行為等重大基礎(chǔ)性研究方面取得了重大進展。地下實驗室的安全建設(shè)和運行面臨的首要問題是深部巖石力學(xué)問題，包括洞室穩(wěn)定性、巖爆、板裂、塌方、深層破裂等工程災(zāi)害及其防控等問題。為此，眾多學(xué)者從巖體變形、應(yīng)力、聲波測試、微震、聲發(fā)射、鉆孔攝像及理論數(shù)值分析等多個角度對此進行了系統(tǒng)研究，本文對當(dāng)前國際上主要地下實驗室的概況以及關(guān)鍵巖體原位力學(xué)響應(yīng)的研究進展進行系統(tǒng)總結(jié)。

1 國際深部地下實驗室建設(shè)概況

目前國際上已建成并投入使用數(shù)十個地下實驗室[4]，用于暗物質(zhì)、古生物、高放廢物地質(zhì)處置、CO2地質(zhì)封存、深部巖石力學(xué)行為等前沿課題的研究，其中，以美國杜賽爾(DUSEL)地下實驗室、加拿大AECL和SNOLAB 地下實驗室、日本神岡地下天文臺、韓國襄陽地下實驗室(Y2L)、中國錦屏地下實驗室(CJPL)等最具有代表性，表1所示為世界主要地下實驗室的地理位置、垂直巖石覆蓋厚度、容積、建設(shè)時間等信息。其中，位于四川省涼山彝族自治州的中國錦屏深部地下實驗室二期(CJPL-II)是目前國際上埋深最大、規(guī)模最大的地下實驗室[3,5]，其最大埋深為2 400 m，容積為300 000 m3，其主體共有9 個實驗室，包括8 個物理實驗室和1個深部巖體力學(xué)實驗室，主要布置如圖1所示。

圖1 中國錦屏地下實驗室二期隧洞布置圖Fig.1 Tunnel layout of Jinping underground laboratory phase II,China

表1 世界主要地下實驗室信息[4]Table 1 Information of the major underground laboratories in the world[4]

2 地下實驗室原位監(jiān)測技術(shù)研究

由于地下實驗室所處特殊的地質(zhì)環(huán)境，需要在深部地下實驗室開挖和運行過程中，采用綜合原位監(jiān)測技術(shù)掌握實驗室工程圍巖原位的性質(zhì)及其演化特征。巖體力學(xué)與工程原位監(jiān)測技術(shù)指的是在現(xiàn)場保持圍巖應(yīng)力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造條件的基礎(chǔ)上，獲取圍巖力學(xué)響應(yīng)信息的測試方法，目前常見的監(jiān)測技術(shù)包括變形、應(yīng)力、聲波測試、微震、聲發(fā)射、鉆孔攝像等，可以實現(xiàn)對巖體工程穩(wěn)定性多方位、多角度的跟蹤分析和安全預(yù)警。

2.1 地下實驗室圍巖變形監(jiān)測

洞室變形是地下實驗室開挖擾動效應(yīng)最直接的響應(yīng)[6]，常用于反映圍巖動態(tài)信息，判別圍巖損傷范圍，分析圍巖穩(wěn)定性，優(yōu)化支護參數(shù)、設(shè)計方案以及數(shù)值模擬中模型力學(xué)參數(shù)的反演等[7]，是分析地下實驗室開挖擾動效應(yīng)的重要參數(shù)之一。研究表明，圍巖位移與地下洞室的初始地應(yīng)力大小及方向、開挖施工順序以及軟弱結(jié)構(gòu)面密切相關(guān)[8?9]，因此，為減小開挖后圍巖的過度變形所造成的嚴重后果，在地下洞室開挖前需進行詳細勘察研究，并在施工期間對圍巖收斂位移進行實時監(jiān)測，從而探明圍巖變形的機制及規(guī)律，以指導(dǎo)設(shè)計施工?，F(xiàn)有變形的監(jiān)測技術(shù)主要包括圍巖的表面變形監(jiān)測和深部多點變位監(jiān)測，表面變形代表性的監(jiān)測設(shè)施有洞室收斂變形計、全站儀、激光掃描儀等，深部變位代表性監(jiān)測設(shè)施有多點位移計、滑動測微計等。

然而，受開挖順序限制，在地下洞室開挖過程中，位移量測設(shè)備安裝前，圍巖產(chǎn)生的位移無法量測，即存在損失位移[10]。常規(guī)圍巖收斂位移的監(jiān)測結(jié)果只是掌子面繼續(xù)掘進后圍巖進一步變形直至收斂過程中的位移(見圖2)，從而對基于位移監(jiān)測結(jié)果的工程穩(wěn)定性分析產(chǎn)生不利影響。近年來，隨著監(jiān)測技術(shù)水平不斷提高，眾多學(xué)者通過數(shù)值模擬、超前布設(shè)量測鉆孔及監(jiān)測設(shè)備等獲得了巖體在開挖全過程中的響應(yīng)特征并分析了其變形演化規(guī)律，如：SATO等[11]通過對日本的Tono地下礦場開挖過程中的超前位移進行監(jiān)測，獲得了巖體的開挖全過程位移變化曲線，發(fā)現(xiàn)掌子面掘進超過監(jiān)測斷面時圍巖位移迅速增加，并在掌子面超過監(jiān)測斷面2倍洞徑距離時位移逐漸收斂；李二兵等[6]以中國北山地下實驗室工程為依托，采用超前埋設(shè)多點位移計的方式對掌子面經(jīng)過監(jiān)測斷面前后圍巖位移進行動態(tài)監(jiān)測，系統(tǒng)分析了巷道爆破開挖全過程中圍巖位移變化的時態(tài)曲線；LI等[12?13]以中國錦屏地下實驗室一期工程為依托，采用滑動測微計測試了實驗室F支洞開挖支護全過程的圍巖變形情況，揭示了巖爆災(zāi)變過程位移分階段(變形加速期、平靜期、再加速期)的變化特征，如圖3所示。FENG等[14]依托錦屏地下實驗室二期，采用多點位移計監(jiān)測技術(shù)，發(fā)現(xiàn)位移隨施工活動的四階段特征以及不同深度的測點在開挖過程中呈現(xiàn)出更復(fù)雜的空間分布特征，即遠離邊墻的測量點的位移大于側(cè)壁附近的位移，觀察到深部位移多波峰的分布特征如圖4所示。其中，圖4(a)中DSP-01-M-A 表示01 斷面的位移測點A，其余類推；圖4(b)中sI為中導(dǎo)洞掌子面到監(jiān)測斷面的距離，sII為上層邊墻到監(jiān)測斷面的距離。

圖2 圍巖位移隨掌子面掘進的變化規(guī)律Fig.2 Variation law of surrounding rock displacement with heading face driving

圖3 錦屏地下實驗室一期巖爆災(zāi)害過程位移的變化特征Fig.3 Relationship between displacement of surrounding rock mass and excavation progress and rockburst in CJPL-I

圖4 錦屏地下實驗室二期巖體深部位移監(jiān)測結(jié)果Fig.4 Displacement monitoring by multipoint extensometer in CJPL-II

2.2 地下實驗室圍巖應(yīng)力監(jiān)測

地下實驗室圍巖應(yīng)力的測量包括2個方面：一是未進行地下實驗室開挖時工程所在區(qū)域的初始地應(yīng)力場測量；二是初始地應(yīng)力場經(jīng)過開挖擾動、圍巖應(yīng)力重分布后的二次應(yīng)力場測量。

在初始地應(yīng)力測量中，考慮地下實驗室的埋深較大，目前主要采用的地應(yīng)力測量方法是水壓致裂法。作為目前深部地應(yīng)力測量的唯一有效手段，水壓致裂法可以提供可靠的最大水平主應(yīng)力方向和最小水平主應(yīng)力[15]，但在估計最大水平主應(yīng)力時存在不確定性[16]?？紤]該方法的局限性，近年來將水壓致裂與其他測試技術(shù)相結(jié)合的方法逐漸被運用于深部地應(yīng)力測量中。ZHANG 等[17]在中國北山地下實驗室采用水壓致裂和聲波成像測井的方法測量了工程區(qū)的地應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的地應(yīng)力場由最大水平主應(yīng)力主導(dǎo)。JO 等[18]在韓國原子能研究機構(gòu)地下實驗洞(KYRT)對700 m 深度的水壓致裂和鉆孔成像方法的地應(yīng)力進行測量，發(fā)現(xiàn)圍巖地應(yīng)力方向大致為ESE—WNW方向。

在二次應(yīng)力場測量中，常見的方法有套孔應(yīng)力解除法、應(yīng)力恢復(fù)法等，這些方法都能測出洞室圍巖的地應(yīng)力，但均存在不足。套孔應(yīng)力解除法在鉆孔套芯解除時常由于應(yīng)力集中導(dǎo)致巖芯餅化嚴重而無法獲取應(yīng)力解除全過程[19]，應(yīng)力恢復(fù)法中常用的扁千斤頂法屬于一維應(yīng)力測量方法，在同一位置不同方向的測量結(jié)果會互相干擾[20]。針對以上問題，一些學(xué)者根據(jù)地下實驗室特點對原有應(yīng)力測試技術(shù)進行了改進，如李邵軍等[21?22]在中國錦屏地下實驗室中使用套孔應(yīng)力解除法(見圖5)對地應(yīng)力進行測量(結(jié)果見圖6，其中括號內(nèi)數(shù)據(jù)分別表示應(yīng)力、方位角和傾角)，并研發(fā)了基于鉆孔變形法的無線地應(yīng)力測量系統(tǒng)，并從現(xiàn)場情況和數(shù)值模擬角度驗證了測試結(jié)果的可靠性(如圖7所示)。

圖5 中國錦屏地下實驗室套孔應(yīng)力解除法測量裝置及測試過程Fig.5 Measurement equipment and processes of casing stress relief method in Jinping underground laboratory of China

圖6 中國錦屏地下實驗室套孔應(yīng)力解除法地應(yīng)力測試結(jié)果[22]Fig.6 In situ stress test results of casing stress relief method in Jinping underground laboratory,China[22]

圖7 中國錦屏地下實驗室圍巖破壞分布及數(shù)值模擬結(jié)果[22]Fig.7 Failure distribution and numerical simulation results of surrounding rock in Jinping underground laboratory of China[22]

2.3 地下實驗室?guī)r體聲波測試

地下工程中巖體聲波測試是了解巖體開挖損傷區(qū)的重要手段之一。聲波技術(shù)應(yīng)用于巖體測試約始于20世紀60年代，包括聲波測量、聲波衰減和聲發(fā)射測量，是一種介于地球物理勘探和工程震動之間的測試技術(shù)。巖體聲波波速測試通過測定圍巖中壓縮波(P 波)和剪切波(S 波)的傳播速度，實現(xiàn)對地下實驗室圍巖的巖體質(zhì)量、巖體參數(shù)等評估[23]。

在波速測試技術(shù)的實際工程應(yīng)用中，常使用超聲波法、地震波法等進行地下實驗室圍巖的彈性波波速測試，通過對巖體進行外力沖擊，巖體受到瞬時應(yīng)力并產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)力消散后，應(yīng)變則以彈性波的形式在巖體中傳播，之后使用單孔法或跨孔法(見圖8)對彈性波波速進行測量。由于工程巖體的彈性波波速與巖性、密度、裂隙發(fā)育程度、軟硬程度等有關(guān)[24]，因而，測得的波速能夠有效反映工程區(qū)巖體的性質(zhì)。

圖8 單孔法和跨孔法測試示意圖[23]Fig.8 Schematic diagrams of single hole method and cross hole method[23]

目前，多研究者開展了深部巖體的聲波測試試驗。CARLSON 等[25]在垂直巖石覆蓋厚度420 m的加拿大原子能機構(gòu)(AECL)地下實驗室測試了圍巖超聲波波速，發(fā)現(xiàn)縱波波速具有強烈的各向異性，其最大速度和最小速度分別與隧道軸向平行和正交，并且縱波波速和橫波波速均隨著距洞壁距離增加而增加。FALLS 等[26]對加拿大原子能機構(gòu)(AECL)地下實驗室和瑞典核燃料廢物管理公司(SKB)硬巖實驗室(HRL)開展了聲發(fā)射和超聲波波速測試研究，其隧洞底板和洞壁的波速測試結(jié)果同樣顯示超聲波波速具有很強的各向異性(如圖9(a)所示)，并且在距隧道洞壁2 m 的位置內(nèi)波速逐漸增加(見圖9(b))，從而可根據(jù)測試結(jié)果有效確定圍巖開挖損傷區(qū)范圍。

圖9 加拿大AECL地下實驗室Mine-by隧洞聲波測試結(jié)果[26]Fig.9 Acoustic test results of mine by tunnel in AECL underground laboratory,Canada[26]

然而，目前地下實驗室聲波測試技術(shù)仍存在不足。當(dāng)使用單孔法或跨孔法進行測試時，因需要預(yù)先鉆孔，故所測波速是圍巖經(jīng)過鉆孔擾動后圍巖的波速，不能準確反映開挖后巖體的波速特征；此外，對于單孔測試方法，波速測試結(jié)果僅能表征該孔附近的巖體性質(zhì)，無法反映大范圍的地下實驗室圍巖特性[27]。

2.4 地下實驗室?guī)r體微破裂微震監(jiān)測

在深部地下實驗室開挖過程中，應(yīng)力重新分布及巖體開挖卸荷作用導(dǎo)致圍巖變形，裂縫擴展、巖塊錯動等，并且使得積蓄在洞室圍巖內(nèi)的彈性應(yīng)變能以彈性波的形式釋放，進而導(dǎo)致巖體內(nèi)部產(chǎn)生微震事件[28]。其能量釋放的強度與圍巖力學(xué)行為有密切聯(lián)系，包含了大量有關(guān)巖體破裂情況、構(gòu)造活動程度等影響地下實驗室圍巖穩(wěn)定性的有用信息。通過在地下實驗室圍巖一定范圍內(nèi)合理布設(shè)傳感器，組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，便可通過其收集的微震信息獲得巖體的局部狀態(tài)和應(yīng)力條件[29]，從而得到地下實驗室圍巖破裂情況、能量釋放程度等的動態(tài)信息。

目前多個地下實驗室研究者進行了微震監(jiān)測研究。馮夏庭等[3,5]在錦屏地下實驗室(CJPL)二期隧洞開挖工程中開展了包微震監(jiān)測等工作，微震監(jiān)測傳感器采用立體式放射性分布，有效捕捉了開挖過程中的微震事件分布(見圖10，其中，小球位置、大小、顏色分別表示巖體破裂位置、釋放能量以及監(jiān)測時間)，微震活動且大事件反映了實際開挖過程中發(fā)生的巖塊彈射現(xiàn)象，監(jiān)測結(jié)果與現(xiàn)場情況具有很好的一致性。王超圣[30]分析了北山地下實驗室坑探設(shè)施微震信息，對微震時間到時拾取、微震事件特征參量、能量指數(shù)分布特征、微震事件b值、頻帶能量分布進行了研究。READ[31]根據(jù)加拿大AECL 地下實驗室420 m 深處進行的Mine-by試驗洞微震監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)微震信號大多發(fā)生在隧道掌子面附近，并聚集在壓應(yīng)力集中位置。

圖10 中國錦屏地下實驗室二期隧洞開挖巖爆和微震事件分布圖[5]Fig.10 Distribution of rockburst and microseismic events in tunnel excavation of Jinping underground laboratory phase II,China[5]

但由于地下實驗室施工過程中常涉及爆破開挖，使得所捕捉的微震信息常混入爆破事件中[32]，導(dǎo)致所測數(shù)據(jù)需要進行合理篩選，常用方法有單通道多事件識別、小波分形特征分析、邏輯回歸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、Fisher判別分析方法等，以上方法均不同程度地存在計算量巨大、判別結(jié)果存在誤差、計算延遲大的問題，未來需要提出更完善的爆破和微震事件識別方法。

2.5 地下實驗室圍巖聲發(fā)射測試

聲發(fā)射(acoustic emission,AE)是指材料在外力作用下內(nèi)部變形或裂紋擴展過程中由應(yīng)變能的瞬態(tài)釋放而產(chǎn)生彈性波的現(xiàn)象。地下深部巖體在高地應(yīng)力作用下，其內(nèi)部的礦物晶體間將可能產(chǎn)生滑移、錯斷、拉裂等破壞，進而表現(xiàn)為巖體中微裂紋的產(chǎn)生和擴展，同時，該過程也將伴隨聲發(fā)射信號釋放，因此，聲發(fā)射結(jié)果含有圍巖的破裂演化過程、破裂位置、破裂尺度等重要信息，從而被廣泛應(yīng)用于地下實驗室工程中。

聲發(fā)射監(jiān)測與其他測量相比簡單易行，常被用于深部地下實驗室圍巖監(jiān)測。馮夏庭等[3]在中國錦屏地下實驗室中開展了聲發(fā)射測試試驗，實時監(jiān)測開挖過程中的聲發(fā)射活動，研究開挖巖體的破裂演化過程，從而對開挖過程中可能產(chǎn)生的巖爆風(fēng)險進行實時預(yù)警。王超圣[30]對北山坑探設(shè)施聲發(fā)射測試監(jiān)測結(jié)果進行了分析，統(tǒng)計了研究區(qū)聲發(fā)射事件分布情況，研究了聲發(fā)射事件分布對北山地下實驗室圍巖穩(wěn)定性的影響。孫雪等[33]對北山地下實驗室花崗巖在三軸壓縮下的聲發(fā)射特征進行了研究，其結(jié)果反映了北山花崗巖在不同圍壓和破裂階段的變形特征，對北山地下實驗室工程的研究有重要意義。READ[31]總結(jié)了加拿大AECL地下實驗室所得到的各種測試成果，其中MBE 試驗和HFT 試驗均使用聲發(fā)射的監(jiān)測手段，用于分析圍巖破裂集中部位及破裂演化過程以及開挖、壓力和熱作用下的聲發(fā)射事件數(shù)目變化規(guī)律(見圖11)。

圖11 加拿大AECL地下實驗室HFT聲發(fā)射活動變化規(guī)律[31]Fig.11 Variation of HFT acoustic emission activity in AECL underground laboratory,Canada[31]

目前聲發(fā)射存在的主要問題是監(jiān)測范圍過小，一般認為聲發(fā)射的有效監(jiān)測范圍在2 m左右，相對于地下實驗室尺度來說監(jiān)測范圍太小，工程區(qū)全范圍監(jiān)測會導(dǎo)致監(jiān)測成本上升。因此，在未來地下實驗室乃至深地工程中，需采取更加高效的聲發(fā)射測試技術(shù)。

2.6 地下實驗室?guī)r體結(jié)構(gòu)和破裂的直接原位觀測方法

深部巖體結(jié)構(gòu)及其開挖損傷過程的破裂是巖體力學(xué)特性的決定因素，巖體破裂過程一般是從初始的微缺陷到最終的斷裂破壞的漸進損傷劣化和不斷累積的過程，是內(nèi)部微缺陷不斷擴展、貫通的結(jié)果。裂隙本身的幾何形態(tài)、力學(xué)特性及其與開挖工程空間位置關(guān)系影響其在外荷載作用下的擴展和貫通過程，進而影響巖體的變形和強度。目前，在工程實際中，數(shù)字鉆孔攝像是國際上認可的直接觀測最可靠的手段之一[34]。其測試原理是將孔壁圓柱面圖像經(jīng)過截頭錐面鏡反射成像于錐面反射鏡底部的某一平面或近似平面上，從而獲得鉆孔全長孔壁360°的全景圖像。后經(jīng)數(shù)字化處理得到圓柱面的平面展開圖，進而能夠獲取裂隙產(chǎn)狀、位置、形態(tài)、擴展情況等信息。它是一套全新的勘探設(shè)備，集電子技術(shù)、視頻技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和計算機應(yīng)用技術(shù)于一體，解決了鉆孔內(nèi)工程地質(zhì)信息采集的完整性和準確性問題，以確定結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和隙寬，可發(fā)現(xiàn)對工程安全和穩(wěn)定影響較大的結(jié)構(gòu)面、監(jiān)測裂隙寬度擴展情況，探測開挖損傷區(qū)范圍，評價局部巖體完整性等[35]。

當(dāng)前，國內(nèi)外對于數(shù)字鉆孔攝像技術(shù)的研究和應(yīng)用主要集中在地質(zhì)勘探和工程地質(zhì)檢測領(lǐng)域[36?37]。李邵軍等[38?39]基于錦屏二級水電站深埋隧洞，對開挖損傷區(qū)形成與演化過程開展了數(shù)字鉆孔攝像觀測與分析，并基于錦屏實驗室一期隧洞開挖工程觀測了一次典型巖爆過程中的圍巖裂隙萌生、擴展、貫通至閉合全過程的演化信息，如圖12所示，認為豐富的裂紋萌生、擴展和聚集有時可以作為巖爆發(fā)生的前兆。如何量化鉆孔攝像觀測的圍巖裂隙演化信息，將觀測結(jié)果有效運用到工程設(shè)計施工中是目前亟待解決的問題。

圖12 錦屏地下實驗室一期鉆孔裂隙形成與演化特征Fig.12 Formation and evolution characteristics of cracks in the first phase borehole of Jinping underground laboratory

3 地下實驗室圍巖開挖損傷區(qū)特性研究

3.1 深部地下實驗室圍巖巖芯餅化研究

巖芯餅化是處于高應(yīng)力狀態(tài)下的圍巖在鉆探取芯過程中由卸荷引起的巖芯拉伸破壞、斷裂成餅的現(xiàn)象[19]，是深部工程的典型特征。研究表明，地應(yīng)力大小及其方向[40]、地質(zhì)結(jié)構(gòu)[41]以及巖體強度參數(shù)[42]等對餅狀巖芯的形成有重要影響，因此，通過對地下實驗室圍巖鉆孔取芯，分析巖芯斷面形態(tài)并統(tǒng)計巖芯長度，就能夠獲取地下實驗室圍巖的地應(yīng)力分布、巖體結(jié)構(gòu)完整性等重要信息。

目前，國外針對巖芯餅化的研究主要集中在室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬及力學(xué)機制上，對地下實驗室?guī)r芯餅化現(xiàn)象的描述較少[43]，而國內(nèi)的相關(guān)研究在此基礎(chǔ)上還依托于錦屏地下實驗室工程展開了大量的現(xiàn)場試驗研究。陸彤等[43]在此進行了巖芯的現(xiàn)場取樣，采用非接觸式掃描技術(shù)詳細記錄了餅化巖芯的表面形態(tài)，探討了巖餅斷面形態(tài)形成的應(yīng)力機制。李占海等[19]分析了錦屏輔助洞1 500 m深的鉆孔巖芯空間分布規(guī)律，并通過斷口電鏡掃描試驗獲得了巖芯餅化現(xiàn)象的微觀破裂機理，提出了巖芯餅化現(xiàn)象形成的力學(xué)機制(見圖13)。周濟芳[44]針對不同直徑鉆孔的巖心餅化現(xiàn)象進行了統(tǒng)計分析，探討了餅化巖芯的數(shù)目、厚度與鉆孔直徑和地應(yīng)力的關(guān)系。ZHONG 等[45]根據(jù)錦屏深部地下實驗室大理巖巖芯餅化現(xiàn)象從現(xiàn)場巖芯厚度分布特征、表面形態(tài)、數(shù)值模擬角度等進行了分析，認為巖芯餅化過程中伴隨著巖芯的拉伸和剪切破壞，其中拉伸破壞集中于巖芯中部，而巖芯邊緣以剪切破壞為主。

圖13 餅化巖芯形成力學(xué)機制示意圖[19]Fig.13 Mechanical mechanism of core formation[19]

3.2 深部地下實驗室圍巖開挖損傷區(qū)特性研究

地下實驗室圍巖的開挖損傷區(qū)(excavation damaged zone,EDZ)是指由于開挖擾動引起巖體中微破裂數(shù)目迅速增加，在地下實驗室圍巖周圍形成的一個巖體力學(xué)強度顯著劣化的區(qū)域[46]，其形成主要由開挖擾動、開挖后圍巖的應(yīng)力重新分布、支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力以及與地下水有關(guān)的巖石的膨脹或部分溶解等因素有關(guān)[47]，而其范圍又與初始地應(yīng)力狀態(tài)、開挖方式、支護方式、地質(zhì)構(gòu)造條件等密不可分[46]，常通過對工程現(xiàn)場的應(yīng)力、位移、波速測試、微震、聲發(fā)射等監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析整合后圈定，所以，EDZ 能夠綜合反映地下實驗室圍巖的力學(xué)特性，從而成為影響地下實驗室規(guī)劃設(shè)計的重要因素。

研究表明[48]，可將地下實驗室中的開挖損傷區(qū)被進一步分為外損傷區(qū)和內(nèi)損傷區(qū)(見圖14)。內(nèi)損傷區(qū)靠近圍巖，表現(xiàn)為巖體聲波波速快速下降，隨著遠離圍巖，在外損傷區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為巖體聲波波速下降幅度降低以及巖體滲透性快速上升，最終與未擾動巖體一致，KWON 等[47]對韓國KAERI 地下研究隧道的測試結(jié)果也體現(xiàn)了這一點(見圖15)。嚴鵬等[49]對錦屏二級輔助洞爆破開挖損傷區(qū)進行了檢測和數(shù)值模擬，認為內(nèi)損傷區(qū)的形成與爆破荷載和地應(yīng)力的快速卸荷有關(guān)，而外損傷區(qū)與隧洞圍巖的應(yīng)力重新分布有關(guān)。

圖14 不同開挖方式下EDZ分布示意圖[48]Fig.14 EDZ distribution diagram under different excavation methods[48]

圖15 韓國KAERI地下研究隧道圍巖開挖損傷區(qū)巖石力學(xué)性質(zhì)變化示意圖[47]Fig.15 Schematic diagram of rock mechanical properties change in excavation damage area of KAIRI underground research tunnel in South Korea[47]

在開挖損傷區(qū)測試技術(shù)方面，徐光黎等[50]考慮到應(yīng)力損傷區(qū)的特征，綜合國內(nèi)外應(yīng)力損傷區(qū)測試經(jīng)驗，推薦使用聲波波速測試、圍巖位移監(jiān)測、鉆孔攝像、聲發(fā)射這4 種檢測手段來確定其深度，并提出了由不同檢測手段得到的應(yīng)力損傷區(qū)的分區(qū)標準及4種方法的綜合判別標準。LI等[34]利用鉆孔攝像獲得的孔壁360°數(shù)字圖像，分析了裂隙的演化過程，給出了開挖損傷區(qū)的新定義，即基于可測試手段識別新生裂隙出現(xiàn)的位置與隧洞壁面間的區(qū)域，并對錦屏地下實驗室隧洞在不同洞徑、不同施工方法、不同埋深等條件下的開挖損傷區(qū)進行了測試分析，獲得開挖損傷區(qū)的范圍及其時空演化特征[51](見圖16)。

圖16 錦屏試驗支洞C損傷區(qū)鉆孔攝像揭示的裂隙形成與演化過程Fig.16 EDZ formation and evolution observed by digital borehole camera in branch tunnel C of Jinping underground laboratory

3.3 深部地下實驗室?guī)r爆發(fā)生機理研究

巖爆作為深地工程中高地應(yīng)力區(qū)域由開挖卸荷引起巖體彈射性破裂的一種動力破壞事件[52]，其發(fā)生機制復(fù)雜，同時強烈?guī)r爆危害巨大，施工期間巖塊的突然沖擊彈射對工作人員、施工設(shè)備、工程設(shè)施造成巨大威脅，嚴重影響施工安全。國內(nèi)外許多學(xué)者從室內(nèi)試驗、原位試驗、數(shù)值仿真等方面對巖爆機理開展了大量研究。

1)室內(nèi)試驗方面，蘇國韶等[53?54]利用廣西大學(xué)研發(fā)的真三軸巖爆試驗系統(tǒng)成功模擬了室內(nèi)應(yīng)變型巖爆的發(fā)生過程，采用不同的試驗方案開展了大量室內(nèi)真三軸試驗，深入分析了巖爆孕育過程中的聲發(fā)射頻譜演化特征，認為振鈴撞擊比大幅度增加并呈多峰變化的現(xiàn)象可作為巖爆發(fā)生的前兆(見圖17)，為進一步探索聲發(fā)射預(yù)測巖爆的可行性提供依據(jù)。何滿潮等[55]針對北山花崗巖進行了不同卸荷速率下的巖爆試驗，對比分析了爆坑深度、巖石碎屑、微裂紋及聲發(fā)射特征，發(fā)現(xiàn)隨著卸荷速率增大，試件爆坑深度加大，微粒、細粒和中粒碎屑比例上升，破裂面張性特征明顯，聲發(fā)射主頻帶變寬等，對認識不同卸荷速率下的巖爆發(fā)生機制具有重要意義。宮鳳強等[56]對含貫穿圓形孔洞的立方體巖石試樣進行了真三軸室內(nèi)模擬試驗，并利用微型攝像機實時監(jiān)測了試樣板裂屈曲巖爆的全過程，將巖爆孕育過程分為平靜期、細顆粒彈射剝落期、板裂屈曲破壞期和強烈破壞期，揭示了深埋硬巖隧洞巖爆孕育過程。馮夏庭等[57]通過總結(jié)前人巖爆室內(nèi)試驗成果后認為，未來基于立方體試樣的三面加載(σ1?σ3不斷增大)以及三面加載(σ2?σ3不斷增大)且施加擾動應(yīng)力的應(yīng)力路徑將成為研究重點(其中，σ1為立方體試樣所受最大主應(yīng)力，σ2為中間主應(yīng)力，σ3為最小主應(yīng)力)。

圖17 室內(nèi)真三軸條件巖爆孕育過程聲發(fā)射振鈴計數(shù)變化[54]Fig.17 Variation of acoustic emission ringing count during rockburst incubation under true triaxial condition in laboratory[54]

2)原位試驗方面，巖爆孕育過程現(xiàn)場實時監(jiān)測內(nèi)容包括應(yīng)力、位移、微震等，其中微震監(jiān)測應(yīng)用最廣泛[57]。肖亞勛等[58]基于錦屏二級引水隧洞群巖爆微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了TBM和鉆爆法下強烈?guī)r爆的孕育規(guī)律，建立了巖體破裂微震主頻的計算方法，該方法可以有效反映巖體破裂的微震波頻率特征。陳炳瑞等[59]改進了現(xiàn)有微震監(jiān)測技術(shù)，針對錦屏二級水電站3號引水隧洞開展了實時微震監(jiān)測，揭示了圍巖微震活動與TBM 掘進速度的關(guān)系，獲得了巖爆發(fā)生前的微震事件和能量釋放規(guī)律(見圖18)。明華軍等[60]根據(jù)微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的矩張量結(jié)果，推導(dǎo)了巖體破裂面方位的計算公式，同時依托錦屏二級水電站深埋引水隧洞工程，進一步驗證了該方法的可靠性，并探究了即時性應(yīng)變?結(jié)構(gòu)面滑移型巖爆的孕育過程。

圖18 錦屏二級水電站3#引水隧洞主要巖爆區(qū)域及微震事件分布[59]Fig.18 Main rockburst area and microseismic event distribution of No.3 diversion tunnel of Jinping II Hydropower Station[59]

3)數(shù)值仿真方面。VAZAIOS 等[61]基于FDEM方法研究了巖爆孕育過程的巖體破裂、能量積蓄及快速釋放機理，模擬結(jié)果顯示各向異性巖體在高地應(yīng)力作用下產(chǎn)生的破壞形式以拉伸破壞為主，并且在巖爆過程中，體型較大、速度較低的巖塊往往比體型較小、速度較快的巖塊具有更大的動能，靠近開挖邊界的巖體的動能比遠離開挖邊界的巖體的動能更大。趙紅亮等[62]采用離散單元法數(shù)值分析程序，基于錦屏二級水電站輔助洞開挖工程探討了斷裂型巖爆的發(fā)生機理，認為斷裂型巖爆是斷裂構(gòu)造在高應(yīng)力下錯動從而對圍巖產(chǎn)生劇烈沖擊的結(jié)果。

4 地下實驗室圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬方法研究

4.1 深部巖石的力學(xué)模型研究

地下實驗室通常要求在硬巖中選址。在硬巖的破壞力學(xué)模型方面，早前的研究旨在通過經(jīng)典彈塑性理論建立反映硬巖脆性破壞行為的巖石力學(xué)模型。最常見硬巖力學(xué)模型為彈性模型，這種模型可以通過彈性力學(xué)的應(yīng)力分析確定巖體的擾動應(yīng)力，進而通過與巖體強度比較來評估破壞的深度和程度。另外一個著名的模型是Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，它包括2個破壞準則定義的參數(shù)(內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c)和1個描述塑性流動規(guī)律的參數(shù)(剪脹角Ψ)。一些修正的Mohr-Coulomb 模型考慮了破壞準則的變化，如將Rankine破壞準則與Mohr-Coulomb準則[63]合并，反映低圍壓下的脆性斷裂。除了彈性模型和Mohr-Coulomb 理想彈塑性模型外，還有2 種經(jīng)典的模型，分別為彈脆塑性模型和應(yīng)變軟化模型，它們與Mohr-Coulomb 理想彈塑性模型的唯一區(qū)別是峰后的響應(yīng)不同，其中，彈脆塑性模型認為峰后立刻發(fā)生脆性跌落，而應(yīng)變軟化模型認為峰后應(yīng)力隨塑性變形增加而緩慢降低，如圖19(a)所示。

有些模型考慮塑性發(fā)展對彈性性質(zhì)如彈性模量E的耦合影響，這種模型通常被稱為考慮彈塑性耦合的巖石力學(xué)模型[64]。這種峰后軟化行為往往是通過力學(xué)參數(shù)如黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ以及彈性模量E隨等效塑性應(yīng)變的弱化或者劣化實現(xiàn)的，通過系統(tǒng)分析這些力學(xué)參數(shù)的劣化規(guī)律，可以建立巖體劣化模型[65]，如圖19(b)所示。

圖19 深部硬巖破壞的幾種力學(xué)模型Fig.19 Several mechanical models for failure of deep hard rock

值得注意的是，摩擦角φ和黏聚力c等強度參數(shù)的演化從一定程度上可以描述硬巖脆性破壞的破裂機制。HAJIABDOLMAJID 等[66]提出了一種考慮脆性破壞過程中與塑性應(yīng)變相關(guān)的黏聚力弱化和摩擦強化(CWFS)模型(見圖20)，這種模型認為硬巖脆性開裂充分發(fā)展后出現(xiàn)摩擦行為，而摩擦行為往往發(fā)生在開裂形成的新裂紋面上。由于深部硬巖的破壞常常以開裂為主導(dǎo)，CWFS模型比較適用于模擬深部硬巖破壞。

圖20 黏聚力弱化和摩擦強化模型(CWFS)概念機理Fig.20 Concept and mechanism of CWFS model

除了這些經(jīng)典的硬巖彈塑性修正模型外，通過考慮硬巖變形破壞過程中的損傷演化、斷裂準則、接觸原理、能量規(guī)律以及THMC耦合等問題，相應(yīng)地提出了反映硬巖破壞的其他力學(xué)模型。為了描述巖石的脆性破壞，F(xiàn)ANG等[67]建立了考慮局部裂紋發(fā)展誘導(dǎo)劣化的局部劣化模型。統(tǒng)計損傷模型則更關(guān)注巖石的非均質(zhì)性，研究局部材料性質(zhì)差異相關(guān)的統(tǒng)計損傷演化[68]。此外，將塑性理論與損傷力學(xué)相結(jié)合，考慮彈性剛度和塑性響應(yīng)的塑性損傷耦合模型被廣泛用于巖石拉伸和壓縮破壞的建模[69]。基于巖石破裂過程中的能量演化規(guī)律，周輝等[70]提出了考慮巖石統(tǒng)一能量屈服準則的硬巖損傷模型，可更好地表征硬巖從低圍壓的脆性到高圍壓的延性轉(zhuǎn)變過程，對硬脆性巖石的工程計算有一定的借鑒意義。對于硬巖的THMC 耦合問題，可以建立彈性、彈塑性、黏彈塑性的THMC 分析模型[71?72]，系統(tǒng)分析硬巖相關(guān)的溫度?水流?應(yīng)力?化學(xué)耦合作用行為。根據(jù)近年來硬巖真三軸壓縮試驗的新發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ENG等[73]提出了硬巖三維破壞準則，同時描述了三大類彈塑延脆變形破裂過程。

4.2 深部巖石工程數(shù)值模擬方法研究

近年來，隨著計算機技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)值模擬方法取得很大發(fā)展，在深部地下實驗室工程的圍巖力學(xué)行為分析中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，并廣泛運用于核素遷移模擬、多場耦合作用、開挖工序設(shè)計等多個方面。

數(shù)值模擬方法的選取對模擬結(jié)果有重要的影響，其一般分析流程為確定研究區(qū)域、建立數(shù)值模型、將模型離散、設(shè)定模型參數(shù)及邊界條件、進行數(shù)值計算和分析模擬結(jié)果等，可以用于求解各種復(fù)雜的地下工程問題。表2所示為常用于深部地下實驗室?guī)r石力學(xué)問題分析的數(shù)值模擬方法[75]。

表2 深部地下實驗室常用的數(shù)值模擬方法[75]Table 2 Numerical simulation methods commonly used in deep underground laboratory[75]

數(shù)值模擬方法在深部地下實驗室工程中的應(yīng)用十分廣泛。苗雨生[75]對北山地下實驗室洞室群圍巖穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬分析，獲得了洞室群圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)。ZHONG 等[45]利用數(shù)值模擬方法分析了錦屏大理巖巖芯餅化現(xiàn)象的發(fā)生機理。READ[31]在研究加拿大AECL 地下實驗室進行的開挖穩(wěn)定試驗(ESS)結(jié)果時，將數(shù)值模擬方法與現(xiàn)場圍巖破裂情況相結(jié)合，得出了地應(yīng)力方向與隧洞開挖形狀對圍巖破裂情況的影響規(guī)律(見圖21)。PAN等[76]研發(fā)了工程巖體破裂過程細胞自動機分析軟件CASRock，應(yīng)用于瑞士Mont Terri地下實驗室現(xiàn)場試驗加熱過程(如圖22中綠圈位置)中的溫度?滲流?應(yīng)力耦合行為模擬，并與試驗結(jié)果和國際上不同研究團隊的結(jié)果進行對比，圖23所示為不同研究團隊采用的程序和數(shù)值方法的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的對比，其中CAS 代表中科院研究團隊，CAS 采用CASRock 軟件的EPCA3D 模塊進行該過程模擬，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果高度吻合[77]。

圖21 加拿大AECL地下實驗室ESS試驗圍巖破裂情況[31]Fig.21 ESS test of surrounding rock fracture in Canada AECL underground research laboratory [31]

圖22 Mont Terri地下實驗室兩處原位試驗位置Fig.22 Location of the two in situ experiments analysed in this work in the Mont Terri URL

圖23 HEDB15和HEDB16在1年內(nèi)的溫度演變實測結(jié)果及模擬結(jié)果Fig.23 Measured and modelled temperature evolution in HEDB15 and HEDB16 over a 1 year period.

5 深部地下實驗室的巖體原位力學(xué)響應(yīng)研究方向探討

1)深部地下實驗室?guī)r石破裂機理及時效特性。巖石破裂機理及其時效特性一直是巖石力學(xué)領(lǐng)域研究的重點和焦點，更是實驗室安全建設(shè)需要明確的首要內(nèi)容。揭示深部巖石破裂機理對實驗室工程有決定性作用，體現(xiàn)在：第一，影響地下實驗室的開挖方案。目前地下洞室開挖的方式主要有TBM 法和鉆爆法，在高地應(yīng)力環(huán)境下需要考慮如何有效破巖并控制深部工程災(zāi)害的發(fā)生。第二，影響地下實驗室的支護設(shè)計方法，在開挖完成后探討如何有效地降低圍巖開挖損傷區(qū)的進一步開裂、坍塌等問題。研究表明，在深部高應(yīng)力、高地溫條件下，巖石的破裂機理及其時效特性與淺部有顯著差異，表現(xiàn)出不同的脆性和延性特征以及時效漸進劣化。

2)深部地下實驗室原位測試與監(jiān)測技術(shù)。隨著對巖石力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域研究的不斷深入，鑒于地下實驗室所處地下環(huán)境的復(fù)雜性，新的測試技術(shù)、新的測試儀器、新的測試指標等問題亟待解決，對此，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對不同地下實驗室環(huán)境提出了一些新的測試手段，改進了相關(guān)測試儀器，有效地解決了地下實驗室現(xiàn)場測試技術(shù)問題。然而，由于深地實驗室一般建設(shè)在硬巖內(nèi)，高應(yīng)力硬質(zhì)圍巖表現(xiàn)出變形小、隱蔽深層開裂、災(zāi)變突發(fā)等特點，一方面，需要新的綜合監(jiān)測技術(shù)以捕捉巖體變形破裂釋放的多元信息，另一方面，需要采用靈敏度和精度更高的智能感知元件以及更加精細的測試方案，實時獲取圍巖力學(xué)行為的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和監(jiān)測預(yù)警實驗室圍巖的微小破裂和變形。

3)地下實驗室深部巖體力學(xué)理論與工程設(shè)計方法。地下實驗室通常選址巖石垂直覆蓋層厚度大的位置，從而盡可能地增加巖石對宇宙射線的屏蔽作用，降低地面的人為干擾，降低有害廢料對地面的輻射作用等。此外，在深地環(huán)境中，在高應(yīng)力、高地溫、地下水、化學(xué)及生物作用耦合(THMCB)情況下，巖石的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了較大變化，從而導(dǎo)致圍巖強度降低、裂縫擴展、過量變形、滲透性增加、開挖損傷區(qū)擴大等，進而引起圍巖開裂、儀器損毀、實驗室結(jié)構(gòu)及其構(gòu)筑物變形、誘發(fā)巖爆、應(yīng)力性塌方等深部工程災(zāi)害，并造成工程構(gòu)筑物損毀、環(huán)境污染等嚴重的工程事故。因此，與普通的地下工程相比，深部地下實驗室賦存的地質(zhì)條件復(fù)雜，埋深大，地應(yīng)力高，深部巖體力學(xué)行為、工程災(zāi)變模式等與淺部地下實驗室有顯著差異，現(xiàn)有的淺部巖石工程設(shè)計理論不適應(yīng)深部地質(zhì)環(huán)境要求，對洞室結(jié)構(gòu)、布置、開挖方式、支護設(shè)計等亟需建立新的深部巖體力學(xué)理論與工程設(shè)計方法，從而確保實驗室安全建設(shè)和運行過程圍巖的穩(wěn)定性。

4)深部地下實驗室穩(wěn)定性數(shù)值分析方法。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，各種計算理論、計算方法、計算軟件不斷被提出，從最初的有限差分、有限元、邊界元，離散元等傳統(tǒng)數(shù)值計算方法，到流形元、物質(zhì)點法等新型數(shù)值計算理論，數(shù)值模擬在地下實驗室設(shè)計施工、機理解譯及特殊工程問題分析等方面優(yōu)勢明顯。

然而，目前大多數(shù)數(shù)值模擬方法在深部工程的應(yīng)用過程中仍存在問題：一些模擬過程過于注重整體模擬效果而忽略局部效應(yīng)；所建立的準確細觀模型僅限于小尺度或僅限于二維條件下的模擬；尚未有業(yè)內(nèi)普遍認可的合理描述深部巖石力學(xué)行為的力學(xué)模型，且現(xiàn)有數(shù)值模擬方法還難以解決深部條件下三維連續(xù)?非連續(xù)和動力災(zāi)變的耦合問題。

6 結(jié)論

1)深部地下實驗室已成為各國不同領(lǐng)域科學(xué)研究的重要依托平臺，地下實驗室賦存環(huán)境不同、用途各異、設(shè)計布局各具特點，為保證洞室穩(wěn)定，巖體力學(xué)響應(yīng)分析與控制是地下實驗室首要解決的關(guān)鍵問題，是實驗室安全建設(shè)和運行的重要保障。

2)深部地下實驗室通常處于大埋深、高應(yīng)力、高水壓、高低溫等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下，深部巖石的材料特性和力學(xué)行為與淺部巖石有顯著差異，現(xiàn)有深部巖體力學(xué)響應(yīng)研究主要集中在安全監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)、災(zāi)變機理、圍巖開挖損傷區(qū)、力學(xué)模型和數(shù)值模擬方法方面，研究成果為深部地下實驗室的安全建設(shè)和運行提供了重要支撐。

3)針對深部地下實驗室的巖石力學(xué)問題研究現(xiàn)狀，未來亟需開展的研究方向包括巖石破裂機理及時效特性、高精度原位智能監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)、地下實驗室深部巖體力學(xué)理論與工程設(shè)計方法、洞室穩(wěn)定性分析的三維連續(xù)?非連續(xù)數(shù)值方法和軟件系統(tǒng)等。