深部重大工程災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防控技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

李利平，賈超，孫子正，劉洪亮，成帥

(1.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東濟(jì)南，250061；2.山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院，山東濟(jì)南，250002)

深部工程建設(shè)及資源開(kāi)發(fā)事關(guān)國(guó)家安全與國(guó)計(jì)民生，為實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)快速發(fā)展及國(guó)家安全工程建設(shè)，我國(guó)推動(dòng)實(shí)施了交通強(qiáng)國(guó)、能源轉(zhuǎn)型和深地戰(zhàn)略，在建、擬建大批交通、水電、礦山、能源領(lǐng)域的深部工程[1?3]?！笆奈濉币?guī)劃和“二〇三五”遠(yuǎn)景目標(biāo)建議指出，要重點(diǎn)發(fā)展深地資源開(kāi)發(fā)等多項(xiàng)科技前沿領(lǐng)域，實(shí)施川藏鐵路、西部陸海新通道、國(guó)家水網(wǎng)、雅魯藏布江下游水電開(kāi)發(fā)等重大工程，開(kāi)啟了我國(guó)深部工程開(kāi)發(fā)新紀(jì)元。

近年來(lái)，各類深部工程已向1 km 以深發(fā)展，如：在交通隧道領(lǐng)域，峨漢高速公路隧道最大埋深1 944 m，川藏鐵路隧道最大埋深2 600 m；在水電隧洞領(lǐng)域，引漢濟(jì)渭輸水隧洞最大埋深2 012 m，錦屏水電站引水隧洞最大埋深2 025 m；在礦山井巷領(lǐng)域，新汶孫村煤礦最大埋深1 503 m，云南會(huì)澤鉛鋅礦最大埋深1 584 m；在能源儲(chǔ)庫(kù)領(lǐng)域，金壇鹽巖地下儲(chǔ)氣庫(kù)埋深1 200 m，湖北應(yīng)城鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)埋深1 300 m。此外，當(dāng)前地?zé)豳Y源開(kāi)采深度已超3 000 m，油田開(kāi)采深度已超7 500 m，如文登—威?！獦s成—威海深部地?zé)釡y(cè)溫孔達(dá)3 000 m，新疆塔河油田開(kāi)采深度達(dá)到8 800 m。特別是伴隨2021年3月發(fā)布的《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》等國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施推進(jìn)，川藏鐵路、滇中調(diào)水、渤海灣通道等一大批超級(jí)工程的持續(xù)推動(dòng)，未來(lái)，我國(guó)深部巖石工程建設(shè)將趨于常態(tài)。

深部巖石工程賦存地質(zhì)環(huán)境極端復(fù)雜，高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓等問(wèn)題突出，與淺部地層相比，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率更高、成災(zāi)機(jī)理更復(fù)雜，呈現(xiàn)強(qiáng)突涌水、高強(qiáng)度巖爆、軟巖持續(xù)大變形、巨石垮塌、煤礦沖擊地壓等惡性形態(tài)，嚴(yán)重影響施工與運(yùn)營(yíng)安全[4?7]。同時(shí)，各類深部巖石工程地質(zhì)災(zāi)害是難以解決的工程痼疾，且災(zāi)害共生?次生現(xiàn)象顯著，如持續(xù)大變形易誘發(fā)突涌水、動(dòng)壓等災(zāi)害，催生鏈?zhǔn)綖?zāi)害效應(yīng)，導(dǎo)致重大人員傷亡、嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和惡劣社會(huì)影響，如2005年7月7日，江西省萍鄉(xiāng)市上栗縣赤山鎮(zhèn)高蘭永勝煤礦發(fā)生特大突水事故，死亡15人，直接經(jīng)濟(jì)損失500萬(wàn)元；2009年11月28日，四川省錦屏二級(jí)電站施工排水洞發(fā)生極強(qiáng)巖爆災(zāi)害，7人遇難，1人受傷，救援工作長(zhǎng)達(dá)35 d，救援入洞1 850 人次。因此，深部巖石工程災(zāi)害以其復(fù)雜的地質(zhì)賦存環(huán)境、動(dòng)力災(zāi)變過(guò)程和治理控制機(jī)制極大制約了災(zāi)害過(guò)程監(jiān)測(cè)預(yù)警和調(diào)控治理，導(dǎo)致長(zhǎng)期處于被動(dòng)防治局面。

近年來(lái)，在深部巖石工程重大災(zāi)害預(yù)防與控制方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的理論研究及試驗(yàn)分析。在突涌水治理方面，文獻(xiàn)[8]提出了突涌水治理五先五后原理；在巖爆方面的成果有巖(煤)柱應(yīng)變型巖爆的定量預(yù)測(cè)、圍巖應(yīng)變型巖爆定量預(yù)測(cè)、斷裂滑移型巖爆預(yù)測(cè)[9]；在軟巖大變形方面，何滿潮等[10]研發(fā)了具有泊松比效應(yīng)的新型恒阻大變形錨桿/索。然而，考慮深部工程巖石力學(xué)行為的復(fù)雜性和特殊性，其預(yù)防與治理難度很大[11]，主要包括：1)對(duì)復(fù)雜環(huán)境深部工程災(zāi)變機(jī)理認(rèn)識(shí)不清；2)重大災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警手段尚不成熟；3)重大災(zāi)害控制措施仍不健全[12?13]。本研究將從深部巖石工程重大災(zāi)害出發(fā)，對(duì)強(qiáng)突涌水、高強(qiáng)度巖爆、軟巖持續(xù)大變形、巨石垮塌和煤礦沖擊地壓5類典型災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警和控制研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)分析。同時(shí)，結(jié)合智能化、機(jī)械化和信息化技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，深入探討深部巖石工程重大災(zāi)害的研究重點(diǎn)和方向，為深部巖體工程災(zāi)害預(yù)防與控制提供參考。

1 強(qiáng)突涌水災(zāi)害

地下工程巖體賦存大量裂隙和充填結(jié)構(gòu)面，在地下水和工程雙重?cái)_動(dòng)下演化成過(guò)水通道誘發(fā)突涌水災(zāi)害?；诟羲枘嘟Y(jié)構(gòu)破壞模式，突水類型可劃分為隔水巖體破裂突水和充填結(jié)構(gòu)失穩(wěn)突水。對(duì)于裂隙巖體，其突水類型通常為巖體高壓水力劈裂型，突水通道的形成機(jī)制主要表現(xiàn)為高壓裂隙水作用下巖體裂隙的擴(kuò)展、貫通直至破裂的漸進(jìn)過(guò)程；對(duì)于強(qiáng)滲透性充填型地質(zhì)構(gòu)造，當(dāng)附近存在大型災(zāi)害源時(shí)，充填構(gòu)造就成為突水的優(yōu)勢(shì)通道。在強(qiáng)滲透壓力與開(kāi)挖擾動(dòng)作用下，地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)的充填介質(zhì)受到潛蝕，誘發(fā)管涌、流土等失穩(wěn)現(xiàn)象。當(dāng)力學(xué)狀態(tài)滿足一定條件時(shí)，地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)的充填物被迅速?zèng)_垮形成突水通道，比如滲透性較好的夾層充填結(jié)構(gòu)、裂縫充填結(jié)構(gòu)以及充填型斷層、巖溶管道等[14]。深部巖石工程面臨復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，常賦存高壓地下水和高地應(yīng)力，突涌水災(zāi)害呈現(xiàn)顯著的超高水壓、超大流量、高隱蔽性、強(qiáng)突發(fā)性和強(qiáng)破壞性特點(diǎn)，其預(yù)防與控制的關(guān)鍵在于防突巖體內(nèi)部裂隙擴(kuò)展貫通演化與突水通道充填介質(zhì)動(dòng)態(tài)滲透態(tài)勢(shì)的有效監(jiān)測(cè)預(yù)警和控制，特別是基于應(yīng)力場(chǎng)和地球物理場(chǎng)多元信息的關(guān)聯(lián)變化因素，其災(zāi)變演化態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)與突水通道空間定位，是實(shí)現(xiàn)深部巖石工程突涌水預(yù)防控制的核心所在。

1.1 監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢(shì)

多年工程實(shí)例證明，突涌水災(zāi)變過(guò)程在地球物理場(chǎng)、力場(chǎng)和地質(zhì)前兆特征上有明顯響應(yīng)，部分學(xué)者從傳統(tǒng)地質(zhì)角度出發(fā)，探索了突涌水災(zāi)害的宏觀前兆特征，取得了一定的效果，主要包括掌子面圍巖、探水孔出水情況和區(qū)域水文地質(zhì)特征。實(shí)質(zhì)上，掌握地球物理場(chǎng)和力場(chǎng)信息方面的突水前兆特征對(duì)突涌水監(jiān)測(cè)預(yù)警更為重要[14?16]。我國(guó)在20世紀(jì)90年代研發(fā)了煤礦底板突水前兆監(jiān)測(cè)設(shè)備，主要圍繞底板彈性波、鉆孔水壓和位移開(kāi)展監(jiān)測(cè)；日本采用水質(zhì)分析及攝影測(cè)量方法開(kāi)展了海下采煤突水監(jiān)測(cè)預(yù)警；基于水質(zhì)監(jiān)測(cè)原理，德國(guó)、英國(guó)等研發(fā)了廣泛應(yīng)用于地下工程突水化學(xué)監(jiān)測(cè)預(yù)警的傳感器。各類傳感器的應(yīng)用推進(jìn)了災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的進(jìn)步[17?22]。同時(shí)，近些年來(lái)海下等水下隧道工程越來(lái)越多，于水下隧道而言突涌水問(wèn)題更加重要，對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究工作，李術(shù)才等[23]通過(guò)加權(quán)的方法得到了確定海底隧道最小巖石覆蓋厚度的方法和原則，基于大量數(shù)值分析，提出了通過(guò)最小位移確定海底最小巖石覆蓋厚度的方法。

同時(shí)，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)逐步發(fā)展成為地下工程突涌水災(zāi)害防控中不可或缺的一種技術(shù)手段，特別是在深部巖石工程中得到了廣泛應(yīng)用[24]。在水害防治領(lǐng)域，微震技術(shù)的應(yīng)用始于2000年[25]，主要涉及確定煤礦斷裂帶垮落帶發(fā)育高度、定量化突水模型以及定位突水通道和確定巖層斷裂突水前兆規(guī)律等，為突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)奠定了理論基礎(chǔ)，此后，微震技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域地下工程得到了成功應(yīng)用，確定了高地應(yīng)力分布及集中區(qū)，圈定了潛在突水區(qū)域，為突涌水害治理調(diào)控提供了技術(shù)支撐。

上述研究為地下工程突涌水監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，然而，隨巖石工程向深部拓展，當(dāng)前技術(shù)裝備在高溫、高地應(yīng)力圍巖等極端環(huán)境下出現(xiàn)了應(yīng)用弊端，如現(xiàn)有傳感器存在存活率低、精度低、不耐高溫、不耐高壓和壽命短的問(wèn)題。未來(lái)擬針對(duì)國(guó)家重大深部工程如川藏鐵路極端環(huán)境下隧道圍巖監(jiān)測(cè)難題，研發(fā)耐高溫高壓的高精度長(zhǎng)壽命無(wú)線傳感器，測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變、位移及滲壓參數(shù)，同時(shí)提出內(nèi)置圍巖監(jiān)測(cè)元件的配套施工裝備及安裝工藝，并針對(duì)監(jiān)測(cè)傳感器埋設(shè)問(wèn)題，擬研發(fā)集鉆孔、安裝及錨固于一體的施工裝備，配套車載式無(wú)線補(bǔ)能裝備對(duì)傳感器進(jìn)行無(wú)線充電。此外，針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，提出突涌水多元前兆信息靶向監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害演化過(guò)程海量監(jiān)測(cè)信息的有效獲取。最終構(gòu)建集數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)管理與分析、預(yù)警等功能于一體的突涌水大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)致災(zāi)結(jié)構(gòu)在時(shí)間和空間上的力場(chǎng)與微震監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)掌子面巖性和出水點(diǎn)的表面與影響實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，如圖1所示?？傮w而言，針對(duì)深部工程強(qiáng)突涌水災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警問(wèn)題，無(wú)人化、無(wú)線智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)與裝備將成為應(yīng)對(duì)強(qiáng)突涌水突發(fā)性災(zāi)害的有效手段和研究熱點(diǎn)，針對(duì)大型地下工程越來(lái)越復(fù)雜的工程地質(zhì)環(huán)境，智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，如光纖光柵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、光電式雙向位移計(jì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、分布式光纖自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、3D 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)、三維激光掃描儀等[26]。

圖1 深部工程強(qiáng)突涌水內(nèi)部力場(chǎng)?外部機(jī)器視覺(jué)聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)Fig.1 Combined monitoring technology of internal force field and external machine vision for strong water inrush in deep engineering

1.2 防控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢(shì)

目前，針對(duì)深部巖石工程突涌水災(zāi)害的治理主要集中在災(zāi)害發(fā)生后，通過(guò)引排水、災(zāi)后注漿治理或超前預(yù)注漿進(jìn)行被動(dòng)治理，不可避免地浪費(fèi)大量人力財(cái)力，同時(shí)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的現(xiàn)狀難以得到有效解決[27]。以災(zāi)害發(fā)生前期和中期進(jìn)行“對(duì)癥下藥”的主動(dòng)調(diào)控來(lái)代替被動(dòng)治理將成為應(yīng)對(duì)強(qiáng)突涌水災(zāi)害的有效手段和研究重點(diǎn)。明晰機(jī)理、有效監(jiān)測(cè)和科學(xué)預(yù)警是實(shí)現(xiàn)重大突水突泥災(zāi)害主動(dòng)防控的重要前提與有效途徑，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的靜態(tài)認(rèn)知和過(guò)程調(diào)控缺失，導(dǎo)致面對(duì)突水突泥災(zāi)害長(zhǎng)期處于被動(dòng)局面[28?33]。目前對(duì)不同孕災(zāi)模式下的突涌水災(zāi)變演化過(guò)程關(guān)鍵控制因素及其相應(yīng)的控制方法尚不確定，難以建立相應(yīng)的決策模型，鮮有學(xué)者開(kāi)展突涌水等災(zāi)變過(guò)程的“控制理論”研究。采用模擬分析方法與計(jì)算程序，可以揭示不同孕災(zāi)模式地下工程突涌水災(zāi)害的災(zāi)變演化全過(guò)程；基于突涌水全過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)以及位移場(chǎng)等信息的演變特征，可以劃分其災(zāi)變過(guò)程的演化階段。利用不同演化階段中巖體結(jié)構(gòu)狀態(tài)特征、地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律和多場(chǎng)特征信息，并結(jié)合多源預(yù)報(bào)結(jié)果和前兆多元信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與識(shí)別，可以實(shí)現(xiàn)突涌水災(zāi)變過(guò)程和演化階段的狀態(tài)判識(shí)。通過(guò)研究不同災(zāi)變演化階段的關(guān)鍵因素與控制參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)突涌水發(fā)生位置、時(shí)間及量級(jí)的有效預(yù)測(cè)，得出地下工程突涌水的最佳控制時(shí)機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)不同類型突涌水災(zāi)變過(guò)程及與其狀態(tài)相適應(yīng)的最佳控制模式?jīng)Q策[34]。

同時(shí)，針對(duì)巖體含水裂隙破裂與結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)導(dǎo)致的多類型災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型與綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，建立地質(zhì)災(zāi)害不確定性識(shí)別與概率預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)突水突泥、圍巖垮塌等綜合風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)定量評(píng)估[35]?；谝怨饫w激光微震為載體的多元信息融合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，融入風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估信息和施工動(dòng)態(tài)信息，提出了一種全新的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控機(jī)制：災(zāi)害源定量識(shí)別→防突巖體狀態(tài)監(jiān)測(cè)→動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估→施工許可機(jī)制，開(kāi)發(fā)了隧道施工全過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)管控與安全決策平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)深部巖石工程強(qiáng)突涌水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和科學(xué)決策，構(gòu)建施工風(fēng)險(xiǎn)控制的指導(dǎo)性方法。同時(shí)，在定位防突巖體演化狀態(tài)識(shí)別和內(nèi)部突水突泥通道的前提下，提出基于靜儲(chǔ)量地質(zhì)預(yù)報(bào)和動(dòng)儲(chǔ)量區(qū)域估算的總突水量計(jì)算方法，研究基于“全程地質(zhì)預(yù)報(bào)、突水突泥通道微震定位與多元信息融合監(jiān)測(cè)”的綜合預(yù)警方法，提前預(yù)判災(zāi)害演化狀態(tài)、位置和突水量級(jí)。此外，基于大數(shù)據(jù)云平臺(tái)對(duì)突涌水地質(zhì)前兆信息、預(yù)報(bào)前兆信息和施工監(jiān)測(cè)信息預(yù)判斷得出強(qiáng)突涌水災(zāi)害發(fā)生的可能性與規(guī)模、致災(zāi)構(gòu)造的空間位置與大小，建立深部工程強(qiáng)突涌水災(zāi)害不同演化階段全過(guò)程綜合控制與智慧決策系統(tǒng)，最終通過(guò)智慧云端分析治理方案，提出綜合治理決策，有效地將突涌水災(zāi)害消滅在萌芽中[36]，實(shí)現(xiàn)深部巖石工程強(qiáng)突涌水有效調(diào)控。

2 高強(qiáng)度硬巖巖爆災(zāi)害

伴隨地下工程埋深持續(xù)增大，深部工程賦存環(huán)境復(fù)雜程度日益極端化，高強(qiáng)度硬巖巖爆問(wèn)題逐漸突出。巖爆是在開(kāi)挖或其他外界擾動(dòng)下，地下工程巖體中聚積的彈性變形勢(shì)能突然釋放，導(dǎo)致圍巖爆裂、彈射的動(dòng)力現(xiàn)象。靜力學(xué)理論認(rèn)為巖爆常常發(fā)生于堅(jiān)硬的脆性巖石中，巷隧道橫斷面上的應(yīng)力分量之和(σ1+σ2)的量級(jí)一般較高，應(yīng)力接近巖體強(qiáng)度的高儲(chǔ)能體的存在是巖爆產(chǎn)生的內(nèi)因，某些附加荷載的觸發(fā)是其產(chǎn)生的外因，被眾多學(xué)者廣泛采用的巖爆預(yù)測(cè)判據(jù)圍巖切應(yīng)力(σθ)與單軸抗壓強(qiáng)度(σc)之比(σθ/σc)也是基于這一理論。巖石靜力學(xué)理論在巖爆機(jī)理研究中的作用很大，但其局限性也很明顯，現(xiàn)有的巖爆機(jī)理理論還不能對(duì)若干重要的巖爆問(wèn)題進(jìn)行合理解釋[37]。在動(dòng)力學(xué)理論方面，錢七虎[38]認(rèn)為巖爆的能量釋放率及其動(dòng)力效應(yīng)取決于巖爆區(qū)內(nèi)或巖爆結(jié)構(gòu)面上應(yīng)力釋放的速度，若地應(yīng)力達(dá)到一定量級(jí)，且巷道卸荷面形成速度達(dá)到閾值，則脆性巖體就可能出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。巖爆呈現(xiàn)出滯后性、延續(xù)性、衰減性、突發(fā)性、猛烈性的特點(diǎn)，造成支護(hù)系統(tǒng)損毀、設(shè)備癱瘓，誘發(fā)大規(guī)模巖體坍塌，嚴(yán)重威脅施工人員安全[39?41]。巖爆等級(jí)是描述巖爆強(qiáng)烈程度與破壞規(guī)模的指標(biāo)，當(dāng)前劃分依據(jù)主要側(cè)重實(shí)際的破壞表觀現(xiàn)象，包括巖爆對(duì)工程危害程度、發(fā)生時(shí)聲響特征、圍巖爆裂破壞特征、力學(xué)特征等，此外，對(duì)于巖爆還有五因素綜合判據(jù)[42]、距離判別方法[43]等，當(dāng)前一般將巖爆等級(jí)分為3個(gè)或4個(gè)等級(jí)，代表性分級(jí)為無(wú)巖爆、弱巖爆、中等巖爆和強(qiáng)巖爆這4個(gè)等級(jí)[44?48]。

2.1 監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢(shì)

深部巖石工程巖爆發(fā)生機(jī)制十分復(fù)雜，精準(zhǔn)預(yù)報(bào)巖爆發(fā)生時(shí)間與地點(diǎn)非常困難，然而，巖爆主要誘發(fā)因素為深部巖體開(kāi)挖卸荷產(chǎn)生的地應(yīng)力變化和工程擾動(dòng)作用，同時(shí)大空間采掘、結(jié)構(gòu)面發(fā)育以及支撐壓力高會(huì)提升巖爆發(fā)生概率，因此，在巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警工作中，施工地質(zhì)勘察、地應(yīng)力場(chǎng)分析、巖石力學(xué)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析有助于開(kāi)展巖爆發(fā)生可能性評(píng)估預(yù)測(cè)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從地質(zhì)條件、施工力學(xué)、巖爆孕育及災(zāi)變規(guī)律多個(gè)角度出發(fā)，對(duì)高強(qiáng)度巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警方面的研究進(jìn)行了大量工作，采用的技術(shù)方法主要包括微震法、鉆屑法、微重力法、水分法以及開(kāi)挖誘發(fā)隧道圍巖變形的紅外熱像試驗(yàn)法，此外，還有地震波預(yù)測(cè)法、光彈法、流變法和以電磁原理為基礎(chǔ)的地球物理預(yù)報(bào)方法等[49?51]。巖爆作為一種動(dòng)力現(xiàn)象，從儲(chǔ)能角度分析巖爆傾向性及預(yù)測(cè)是一種重要的研究思路，這方面的代表性研究成果有傾向性剩余能量指數(shù)[52]、能量沖擊性指數(shù)判據(jù)ACF[53]、彈性應(yīng)變勢(shì)能PES 判據(jù)[54]、基于線性儲(chǔ)能規(guī)律和剩余彈性能指數(shù)的巖爆傾向性判據(jù)[55]。此外，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究工作，陳炳瑞等[56]分析了滯后型巖爆的孕育過(guò)程和微震演化規(guī)律(圖2)；馮夏庭等[57]研究了即時(shí)型巖爆孕育過(guò)程和破壞的力學(xué)響應(yīng)；于群等[58]研究了錦屏引水洞巖爆孕育演化規(guī)律和巖體能量轉(zhuǎn)化過(guò)程；張文東等[59]基于錦屏引水洞巖爆微震數(shù)據(jù)，揭示了巖爆的前兆規(guī)律，提出了具有可行性的監(jiān)測(cè)預(yù)警理論；劉超等[60]研究了微震事件的標(biāo)定與噪聲識(shí)別剔除方法，提高了微震的準(zhǔn)確性和可靠性；馬天輝等[61]基于隧道圍巖蠕變相關(guān)研究顯著推進(jìn)了巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的發(fā)展?？傮w而言，現(xiàn)階段基于微震技術(shù)的巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果多基于災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，依賴人工總結(jié)規(guī)律并建立監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，這種經(jīng)驗(yàn)總結(jié)尚處于定性認(rèn)識(shí)階段，未能形成巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警的智能方法，同時(shí)與巖爆孕育及災(zāi)變機(jī)理有機(jī)結(jié)合尚不緊密，有待于開(kāi)發(fā)基于多源監(jiān)測(cè)信息的智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)。

圖2 巖爆微震監(jiān)測(cè)原理示意圖[56]Fig.2 Schematic diagram of rock burst microseismic monitoring principle[56]

2.2 防控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢(shì)

基于巖爆防治理論而言，深部巖石工程隧址位于易發(fā)生巖爆的高地應(yīng)力集中區(qū)域，為減小應(yīng)力集中系數(shù)，防止巖爆或降低巖爆烈度等級(jí)，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量將工程洞軸線沿最大主應(yīng)力方向平行布置，同時(shí)優(yōu)化工程洞室布置位置及洞群間距，縮短潛在巖爆區(qū)域穿經(jīng)長(zhǎng)度[62?63]。

深部工程巖爆控制技術(shù)主要側(cè)重3 個(gè)方向：1)改善圍巖物理力學(xué)性能，采用噴灑冷水和鉆孔均勻注水措施，降低表層圍巖和巖體強(qiáng)度，然而，相關(guān)研究認(rèn)為，堅(jiān)硬巖石在注水作用下，由于內(nèi)裂隙受注水潤(rùn)滑作用易觸發(fā)引起“地震”，往往起不到應(yīng)有的軟化圍巖效果；2)減少圍巖應(yīng)力集中，在巖爆地段盡量采用鉆爆法施工、短進(jìn)尺掘進(jìn)、減小藥量，控制光爆效果，改善圍巖應(yīng)力條件，減少圍巖表層應(yīng)力集中；3)加固圍巖，對(duì)于不同程度巖爆，圍巖加固措施存在差異，對(duì)于輕度和中等強(qiáng)度巖爆，一般采用梅花形錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿深度為1.0～2.5 m[64?67]。

針對(duì)深部巖石工程高強(qiáng)度巖爆災(zāi)害，相關(guān)措施圍繞降低巖體可釋放能量開(kāi)展，一般采用“三步走”策略進(jìn)行防控，具體內(nèi)容為：1)減少開(kāi)挖引起的巖體內(nèi)部能量集中水平，對(duì)于深部巖石工程高強(qiáng)度巖爆段，遵循“短進(jìn)尺，多循環(huán)”的開(kāi)挖原則，采用仰拱施工緊迫成環(huán)的全環(huán)支護(hù)施工工法同時(shí)施工時(shí)，應(yīng)盡量減小爆破振動(dòng)觸發(fā)巖爆的可能性；2)釋放和轉(zhuǎn)移巖體部分能量，對(duì)于高強(qiáng)度巖爆區(qū)域，施作并優(yōu)化長(zhǎng)短結(jié)合的應(yīng)力釋放孔，采取松動(dòng)爆破法、超前鉆孔與預(yù)爆法等加強(qiáng)能量的釋放；3)利用支護(hù)系統(tǒng)吸收巖體釋放能量，對(duì)于高強(qiáng)度巖爆，多采取深加密系統(tǒng)錨桿(錨桿長(zhǎng)度為2.5～3.5 m)、加墊板和整體網(wǎng)，并進(jìn)行多個(gè)循環(huán)噴砼及格柵鋼架支撐，必要時(shí)對(duì)掌子面同樣噴砼，并進(jìn)行全封閉處理或采用長(zhǎng)度為3.5 m 的40 mm超前縫管式加固錨桿。深部巖石工程高強(qiáng)度巖爆控制技術(shù)和防控措施還應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，合理優(yōu)化[68?70]。

3 軟巖持續(xù)大變形災(zāi)害

深部巖石工程在高地應(yīng)力和施工擾動(dòng)共同作用下，圍巖應(yīng)力狀態(tài)較淺部相比產(chǎn)生了顯著變化，促使深部巖體呈現(xiàn)軟巖特征。進(jìn)入塑性變形階段，產(chǎn)生大變形和強(qiáng)流變等現(xiàn)象，同時(shí)，高應(yīng)力條件下圍巖變形不再主要由地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的張開(kāi)變形構(gòu)成，巖塊破壞產(chǎn)生的變形所占比重增加，軟巖持續(xù)大變形體現(xiàn)的時(shí)效變形特征反映了圍巖破壞的漸進(jìn)擴(kuò)展過(guò)程。深部工程軟巖大變形災(zāi)害具有形變量大、形變速率快和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，直接導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)變形，引發(fā)大型塌方及次生地質(zhì)災(zāi)害。軟巖持續(xù)大變形問(wèn)題在煤礦深部開(kāi)采中尤其突出，受超高地應(yīng)力、高地溫、高滲壓、高濕長(zhǎng)期作用，煤巖體結(jié)構(gòu)、力學(xué)特征和工程響應(yīng)程度發(fā)生巨大變化，圍巖呈現(xiàn)非線性持續(xù)大變形特征，顯著擴(kuò)展了圍巖峰后區(qū)，極大遏制了支護(hù)和維護(hù)效果，往往歷經(jīng)多重修復(fù)仍無(wú)法滿足礦井安全生產(chǎn)所需的斷面要求。除涵蓋傳統(tǒng)圍巖變形致災(zāi)因素外，持續(xù)大變形的產(chǎn)生常由多個(gè)因素共同影響，包括巖體礦物、巖層產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力場(chǎng)方向、高溫高濕等[71?76]。針對(duì)軟巖持續(xù)大變形災(zāi)變機(jī)理，于學(xué)馥等[77]提出了“軸變論”的觀點(diǎn)，用彈性理論分析了冒落拱的發(fā)生與發(fā)展過(guò)程，認(rèn)為橢圓形狀在各種巷道破壞形狀中最具有代表性，用橢圓形狀巷道“應(yīng)力分布軸比規(guī)律”闡明了巷道圍巖應(yīng)力分布的基本規(guī)律。靖洪文等[78]使用穩(wěn)定的圍巖松動(dòng)圈厚度定量分析了軟巖工程和軟巖巷道非線性變形破壞機(jī)理。將大松動(dòng)圈軟巖分為碎脹型、水脹型和復(fù)合型3類。

3.1 監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢(shì)

監(jiān)控量測(cè)技術(shù)是地下工程變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的監(jiān)測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)對(duì)象為圍巖及地下工程結(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容涉及圍巖或結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移等信息，主要包括拱頂沉降、凈空收斂、洞內(nèi)圍巖壓力、鋼架內(nèi)力、錨桿軸力和圍巖松動(dòng)圈等，雖經(jīng)多年發(fā)展，其監(jiān)測(cè)方案和信息源的較為單一[77?80]。此外，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法以點(diǎn)式模式為主，在實(shí)際操作中可能遺漏地下工程高危區(qū)域，同時(shí)為增強(qiáng)監(jiān)測(cè)范圍及可靠性，業(yè)內(nèi)多采用增設(shè)監(jiān)測(cè)密度的方法，但其工作量及成本將顯著增加。在監(jiān)測(cè)設(shè)備方面，當(dāng)前不同監(jiān)測(cè)設(shè)備各自成體系，監(jiān)測(cè)內(nèi)容及信息之間存在共享性差的問(wèn)題，不利于時(shí)空域內(nèi)持續(xù)大變形災(zāi)害分析。伴隨分布式傳感器(光纖)、無(wú)線傳輸、同軸激光?攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，特別是慣性導(dǎo)航在深部工程中的絕對(duì)坐標(biāo)精確性控制技術(shù)的發(fā)展，有望解決深部巖石工程持續(xù)大變形信息長(zhǎng)時(shí)間高精度感知問(wèn)題。在軟巖持續(xù)大變形預(yù)警機(jī)制方面，現(xiàn)有深部巖石工程軟巖持續(xù)大變形預(yù)警指標(biāo)體系不夠完善，特別是對(duì)于工程及水文地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)參數(shù)、施工工藝等綜合信息掌握運(yùn)用能力不夠，獲取的有限信息無(wú)法充分反映深部巖石工程多致災(zāi)因子間關(guān)聯(lián)關(guān)系，無(wú)法量化持續(xù)大變形災(zāi)害所處狀態(tài)及預(yù)測(cè)時(shí)間。

高效、準(zhǔn)確的軟巖持續(xù)大變形監(jiān)測(cè)預(yù)警要緊密結(jié)合災(zāi)變機(jī)理，特別是區(qū)分礦物組成及其巖體在高熱高濕、高地應(yīng)力作用下不同致災(zāi)機(jī)理，以機(jī)理的差異性來(lái)分析區(qū)別軟巖持續(xù)大變形發(fā)生的特征[81?82]。同時(shí)，基于多物理場(chǎng)信息的不同響應(yīng)程度判斷軟巖持續(xù)大變形的時(shí)空特性以及強(qiáng)度特征。當(dāng)前監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方法以及傳感器缺乏針對(duì)性，不能對(duì)具體軟巖持續(xù)大變形災(zāi)害進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，亟須開(kāi)展專項(xiàng)設(shè)計(jì)和定向研發(fā)。隨科技進(jìn)步及深部地下工程建設(shè)對(duì)智能化信息化要求的提高，目前鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已提出施工工地?zé)o人化、裝備智能化和管理信息化要求，在持續(xù)大變形監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)方面，具備無(wú)人化自動(dòng)掃描功能和絕對(duì)坐標(biāo)三維建模能力的地質(zhì)掃描機(jī)器人將逐步成為未來(lái)發(fā)展方向，圖3所示為山東大學(xué)巖土工程團(tuán)隊(duì)研發(fā)的隧道與地下工程地質(zhì)掃描機(jī)器人，該機(jī)器突破了無(wú)人高效巡檢，實(shí)現(xiàn)了極端環(huán)境隧道地質(zhì)編錄、超欠挖檢測(cè)功能，可以構(gòu)建隧道三維輪廓，能夠通過(guò)時(shí)序性三維建模和數(shù)字孿生軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)持續(xù)大變形的監(jiān)測(cè)分析。

圖3 隧道與地下工程地質(zhì)掃描機(jī)器人Fig.3 Tunnel and underground engineering geology scanning robot

3.2 防控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢(shì)

深部軟巖變形破壞機(jī)理是軟巖持續(xù)大變形災(zāi)害控制技術(shù)方案設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從巖石力學(xué)特性、巖石強(qiáng)度理論與本構(gòu)模型、圍巖與支護(hù)平衡特性、圍巖控制理論以及錨固支護(hù)理論與技術(shù)方面展開(kāi)了大量研究[73,83?90]。對(duì)于地質(zhì)力學(xué)環(huán)境導(dǎo)致的地下工程圍巖差異性變形控制問(wèn)題，主要從充分利用圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)自身承載能力、提升圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和加強(qiáng)對(duì)圍巖關(guān)鍵部位支護(hù)角度出發(fā)，控制因圍巖局部劇烈變形破壞導(dǎo)致的非對(duì)稱大變形災(zāi)害。學(xué)術(shù)界關(guān)于高地應(yīng)力地下工程圍巖大變形的控制研究已取得很多成果，以錨桿系列為主體的隧道支護(hù)體系已形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)方面，我國(guó)JTG D70—2004“公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范”與TB 10003—2016“鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范”都規(guī)定了軟弱圍巖地段的支護(hù)措施。施工方面，我國(guó)TZ 204—2008“鐵路隧道施工技術(shù)指南”與JTG/TD 70—2010“公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則”針對(duì)擠壓性圍巖和具有膨脹性的圍巖及高地應(yīng)力區(qū)的隧道提供了指導(dǎo)性建議。

針對(duì)深部巖石工程軟巖持續(xù)大變形災(zāi)害控制技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別提出了圍巖支護(hù)控制理論，鄭雨天[76]在新奧法的基礎(chǔ)上提出了聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，建立了先柔后剛、先讓后抗、柔讓適度和穩(wěn)定支護(hù)的原則，發(fā)展了錨噴(網(wǎng))、錨帶網(wǎng)(噴)架、錨噴網(wǎng)架支護(hù)技術(shù)等。董方庭[82]提出了松動(dòng)圈支護(hù)理論，認(rèn)為支護(hù)的對(duì)象是松動(dòng)圈產(chǎn)生、擴(kuò)展過(guò)程中的巖石碎脹變形，支護(hù)的目的為防止圍巖松動(dòng)圈過(guò)度變形。何滿潮等[63,83]將工程地質(zhì)學(xué)和現(xiàn)代大變形力學(xué)相結(jié)合，提出了軟巖工程地質(zhì)學(xué)支護(hù)理論。當(dāng)前在支護(hù)形式上，“錨網(wǎng)噴+錨索+底角錨桿”的非對(duì)稱耦合式支護(hù)方式在工程實(shí)踐中取得了良好的應(yīng)用效果，控制了巷道圍巖關(guān)鍵區(qū)域的非對(duì)稱變形，并延伸出一系列相關(guān)控制技術(shù)。除在支護(hù)方式上，近年來(lái)，為了解決持續(xù)大變形問(wèn)題，人們對(duì)錨固控制材料進(jìn)行了研發(fā)并取得了一定進(jìn)展[89?91]。由于傳統(tǒng)支護(hù)材料無(wú)法突破持續(xù)大變形產(chǎn)生的變形量限制問(wèn)題，過(guò)往錨固材料在災(zāi)變過(guò)程中容易出現(xiàn)拉斷時(shí)效問(wèn)題，為此，何滿潮等[92]研發(fā)了一種能保持錨桿/索恒定工作阻力且同時(shí)提供較大變形量的新型橫阻大變形錨桿/索，如圖4所示。由圖4可知：該錨桿/索是一種由負(fù)泊松比材料與結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合裝置，對(duì)抗深部軟巖持續(xù)大變形破壞時(shí)，可以吸收軟巖變形能量，將過(guò)往施加于錨固材料的變形轉(zhuǎn)移至結(jié)構(gòu)自身，由結(jié)構(gòu)變形替代材料變形來(lái)避免巖體變形，進(jìn)而維護(hù)深部巖體和巖石工程穩(wěn)定性。靜力拉伸試驗(yàn)、動(dòng)力沖擊試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐證明，新型橫阻大變形錨桿/索在應(yīng)對(duì)深部巖石工程軟巖持續(xù)大變形方面具有一定的效果，有助于保證深部巖石工程圍巖穩(wěn)定性。

圖4 負(fù)泊松比錨桿示意圖[92]Fig.4 Schematic diagram of negative Poisson's ratio anchor bolt[92]

4 巨石垮塌災(zāi)害

巨石垮塌是地下工程開(kāi)挖過(guò)程中，原生結(jié)構(gòu)面及工程擾動(dòng)形成的具有臨空面的孤立或半孤立巖塊或巖層，在原始平衡狀態(tài)喪失而發(fā)生的巖體局部失穩(wěn)災(zāi)害。深部工程巨石垮塌災(zāi)害具有突發(fā)性強(qiáng)、成災(zāi)頻率高的特點(diǎn)，在各類深部巖石工程實(shí)踐中，是II 級(jí)及III 級(jí)圍巖條件下工程安全建設(shè)面臨的主要威脅之一[93]。

4.1 監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢(shì)

當(dāng)前巨石垮塌災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警多圍繞地質(zhì)條件分析、圍巖穩(wěn)定性判識(shí)和監(jiān)控量測(cè)展開(kāi)，傳統(tǒng)的防控理論難以有效捕捉災(zāi)變位移前兆，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)巨石垮塌突發(fā)行為的動(dòng)態(tài)跟蹤與穩(wěn)定監(jiān)控，同時(shí)深部地下工程復(fù)雜環(huán)境限制了試驗(yàn)的進(jìn)行。目前，隧道巨石垮塌監(jiān)測(cè)主要包括2個(gè)研究方向，一是針對(duì)危石位移和應(yīng)力監(jiān)控的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠較好地反饋圍巖變形與應(yīng)力變化，但監(jiān)測(cè)方式仍然以單點(diǎn)監(jiān)控為主。該方法的主要局限在于難以精準(zhǔn)辨識(shí)巨石垮塌臨災(zāi)時(shí)刻，無(wú)法進(jìn)行有效監(jiān)控，故該方法主要適用于巨石加固后的穩(wěn)定性判別[94]。二是針對(duì)多物理場(chǎng)響應(yīng)信息監(jiān)控的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)。針對(duì)巨石垮塌災(zāi)變過(guò)程物理響應(yīng)，分析多源異構(gòu)信息關(guān)聯(lián)關(guān)系，有助于增強(qiáng)巨石垮塌災(zāi)變監(jiān)測(cè)，如圖5所示。因而從隧道施工動(dòng)態(tài)理念出發(fā)，將巨石垮塌作為一全過(guò)程動(dòng)態(tài)力學(xué)問(wèn)題，提出巨石垮塌前兆監(jiān)控體系，實(shí)現(xiàn)危石勢(shì)態(tài)有效監(jiān)控，建立危石失穩(wěn)預(yù)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)危石失穩(wěn)預(yù)警，是該災(zāi)害防控理論發(fā)展方向之一?？砂l(fā)展基于三維激光掃描、自動(dòng)化機(jī)器人、視覺(jué)識(shí)別等于一體的巖體位移監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備，融合微震、聲發(fā)射、超前預(yù)報(bào)等手段，捕捉巨石垮塌災(zāi)變位移前兆，實(shí)現(xiàn)對(duì)加固危石狀態(tài)的動(dòng)態(tài)跟蹤與穩(wěn)定性監(jiān)控[93]。

圖5 關(guān)鍵致塌塊體激光測(cè)振儀和無(wú)線振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)方法Fig.5 Monitoring methods of laser vibrometer and wireless vibration sensor for key cave-causing blocks

同時(shí)，針對(duì)深部巖石工程巨石垮塌這一極端環(huán)境重大地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)推動(dòng)裝備智能化、信息化發(fā)展，特別是發(fā)展基于自動(dòng)化機(jī)器人、同軸激光?機(jī)器視覺(jué)識(shí)別于一體的信息化監(jiān)測(cè)設(shè)備，基于激光測(cè)振尋點(diǎn)鎖定與高精度光纖微震區(qū)域圈定，建立隧道圍巖塊體垮塌災(zāi)害“點(diǎn)?域”同步監(jiān)測(cè)方法，解決致塌塊體穩(wěn)定狀態(tài)與潛在危險(xiǎn)區(qū)域的同步監(jiān)測(cè)難題。針對(duì)隧道無(wú)人化與智能化的監(jiān)測(cè)需求，研發(fā)臺(tái)車搭載式激光測(cè)振儀與無(wú)線式監(jiān)測(cè)元件，解決監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取難題。通過(guò)臺(tái)車搭載式激光測(cè)振儀，進(jìn)行塊體穩(wěn)定狀態(tài)快速判識(shí)，通過(guò)無(wú)線振動(dòng)和無(wú)線微震傳感器，解決不穩(wěn)定塊體無(wú)人值守實(shí)施監(jiān)測(cè)難題。同時(shí)融合既有超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、聲發(fā)射、微震等手段，開(kāi)展巨石垮塌的智能監(jiān)測(cè)預(yù)警工作。此外，地下工程危險(xiǎn)區(qū)域機(jī)器人應(yīng)用將成為巨石垮塌災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要手段，圖6所示為山東大學(xué)巖土工程團(tuán)隊(duì)研發(fā)的隧道與地下工程施工期表觀檢測(cè)機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)地下工程無(wú)GPS定位條件下的自主高精度定位和高精度慣性導(dǎo)航，通過(guò)時(shí)序性地下工程輪廓建模，分析危巖體變形趨勢(shì)及穩(wěn)定性，使得智能化、信息化成為深部巖石工程安全、高效、高質(zhì)建設(shè)的重要保障。

圖6 隧道與地下工程施工期表觀檢測(cè)機(jī)器人Fig.6 Robot for apparent detection during tunnel and underground engineering construction

4.2 防控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢(shì)

4.2.1 圍巖結(jié)構(gòu)垮塌災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

圍巖結(jié)構(gòu)垮塌災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是災(zāi)害分級(jí)防控的必要前提。隧道圍巖結(jié)構(gòu)垮塌具有突發(fā)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)控制性強(qiáng)的顯著特點(diǎn)，區(qū)別于松散體失穩(wěn)垮塌，與邊坡危巖崩塌災(zāi)害具有一定的相似性[95?101]。目前對(duì)于此類災(zāi)害的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)評(píng)價(jià)研究較早開(kāi)始于邊坡工程領(lǐng)域。

1)邊坡危巖崩塌災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。根據(jù)對(duì)大量公路邊坡危巖崩塌災(zāi)害的案例統(tǒng)計(jì)結(jié)果，此類災(zāi)害的發(fā)生符合泊松分布規(guī)律，基于此提出的災(zāi)害發(fā)生年平均概率公式在川藏公路典型地質(zhì)段落得到了成功應(yīng)用。隨著模糊綜合評(píng)價(jià)方法等數(shù)學(xué)模型的提出和發(fā)展，邊坡危巖崩塌災(zāi)害的發(fā)生概率和強(qiáng)度預(yù)測(cè)也得到了進(jìn)一步發(fā)展。對(duì)于隧道巖體結(jié)構(gòu)垮塌災(zāi)害，目前的研究大多集中于洞口段邊仰坡巖體受結(jié)構(gòu)面切割引發(fā)的落石沖擊災(zāi)害。從落石致災(zāi)可能性和致災(zāi)后果嚴(yán)重性角度出發(fā)，相關(guān)學(xué)者建立了洞口區(qū)域落石災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)價(jià)方法，進(jìn)一步發(fā)展了致災(zāi)可能性和致災(zāi)嚴(yán)重性的概率計(jì)算公式，并提出應(yīng)考慮防治措施對(duì)落石災(zāi)害概率修正效果，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行防控決策。

2)圍巖結(jié)構(gòu)垮塌災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。盡管研究者在邊坡工程及隧道洞口落石等方面開(kāi)展了大量的研究與應(yīng)用，但在隧道洞內(nèi)圍巖結(jié)構(gòu)垮塌的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與分級(jí)防控方法方面，目前尚未進(jìn)行深入研究。隧道在地質(zhì)環(huán)境、結(jié)構(gòu)封閉性及施工特點(diǎn)等方面與邊坡工程有顯著區(qū)別，深入挖掘隧道圍巖結(jié)構(gòu)垮塌關(guān)鍵致災(zāi)因素，建立相應(yīng)的工程安全標(biāo)準(zhǔn)和分級(jí)治理方法，是實(shí)現(xiàn)隧道圍巖結(jié)構(gòu)垮塌災(zāi)害防控所需要首先解決的工程難題。

4.2.2 隧道潛在垮塌結(jié)構(gòu)加固

目前，隧道圍巖加固方法尚不完善，難以實(shí)現(xiàn)潛在垮塌結(jié)構(gòu)的針對(duì)性加固。錨桿、錨索作為裂隙巖體加固的有效手段，在邊坡危巖體防控領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，但在隧道圍巖垮塌結(jié)構(gòu)防控方面與工程實(shí)際存在一定脫節(jié)。隧道是封閉結(jié)構(gòu)，周圍巖體結(jié)構(gòu)特征難以探明，針對(duì)隧道危石的錨固方位、錨固長(zhǎng)度、錨固時(shí)機(jī)設(shè)計(jì)等往往存在錨不準(zhǔn)、錨不住的問(wèn)題[102?108]。

1)傳統(tǒng)加固方法。目前對(duì)于節(jié)理裂隙較為發(fā)育的圍巖段落，大多考慮其節(jié)理傾角產(chǎn)狀，以塊體理論、赤平投影法等理論方法對(duì)支護(hù)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。針對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀相對(duì)復(fù)雜的圍巖段，在理論解析方法的基礎(chǔ)上結(jié)合離散單元數(shù)值仿真方法，可為支護(hù)設(shè)計(jì)提供較為可靠的參考和指導(dǎo)。

2)新型加固方法。為了提高對(duì)軟弱破碎圍巖的加固效果，陸士良等[89?90]對(duì)錨桿結(jié)構(gòu)和加固方式進(jìn)行了大量的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[102?104]。以恒阻大變形錨桿、囊式擴(kuò)體錨桿、讓壓錨桿等為代表的新型錨桿在煤礦巷道和隧道工程中得到了初步應(yīng)用，工程實(shí)踐證明其錨固性能與傳統(tǒng)錨桿的性能相比取得了較大提升。以裂隙巖體內(nèi)部和外部拉結(jié)加固方法為代表的新型加固方式進(jìn)一步豐富了裂隙巖體錨固技術(shù)，并在邊坡危巖體加固方面得到了初步應(yīng)用，有效增強(qiáng)了裂隙巖體加固效果和提高了經(jīng)濟(jì)效益。

盡管國(guó)內(nèi)外在巖體垮塌結(jié)構(gòu)加固方面開(kāi)展了大量研究，但都未考慮隧道圍巖內(nèi)部的不確定性結(jié)構(gòu)面分布特征，難以根本解決錨不住、錨不準(zhǔn)的工程難題[109?115]。因此，開(kāi)展圍巖內(nèi)部不確定性結(jié)構(gòu)面預(yù)測(cè)方法研究，提出確定與不確定性結(jié)構(gòu)面耦合作用下的圍巖結(jié)構(gòu)最不利狀態(tài)分析方法，建立相應(yīng)的靶向加固方法，從根源上解決圍巖結(jié)構(gòu)加固有效性難題，是該災(zāi)害防控理論重點(diǎn)發(fā)展方向。

5 煤礦沖擊地壓災(zāi)害

煤礦沖擊地壓是指井巷或工作面周圍巖體，由于彈性變形能的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象，發(fā)生前一般沒(méi)有宏觀預(yù)兆，而是以突然、急劇、猛烈的形式將煤巖體拋出造成支架損壞、片幫冒頂、巷道堵塞、人員傷害，甚至由于巷道堵塞導(dǎo)致人員窒息死亡[116]。煤礦沖擊地壓可根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)、顯現(xiàn)強(qiáng)度、發(fā)生的不同地點(diǎn)和位置進(jìn)行分類。根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)分類，可分為重力型、構(gòu)造應(yīng)力型、重力?構(gòu)造型等；根據(jù)沖擊的顯現(xiàn)強(qiáng)度分類，可分為彈射、礦震、弱沖擊、強(qiáng)沖擊；根據(jù)震級(jí)強(qiáng)度和拋出的煤量分類，可分為輕微沖擊、中等沖擊、強(qiáng)烈沖擊；根據(jù)發(fā)生的地點(diǎn)和位置分類，可分為煤體沖擊、圍巖沖擊[117]。其中，煤體壓縮型沖擊地壓和頂板斷裂型沖擊地壓是礦山開(kāi)采中常見(jiàn)的沖擊地壓災(zāi)害，煤體壓縮型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理是由于煤體的抗壓強(qiáng)度地圍巖的抗壓強(qiáng)度低，是煤巖結(jié)構(gòu)中的薄弱部分，煤巖結(jié)構(gòu)的變形向某一特定區(qū)域集中，煤巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由平衡態(tài)向非平衡態(tài)發(fā)展，當(dāng)受到外界擾動(dòng)時(shí)，煤巖結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)；頂板斷裂型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理是頂板的穩(wěn)定性主要受拉應(yīng)力控制，巖石微破裂的發(fā)生、發(fā)展是拉伸破裂的結(jié)果，每一次拉伸破裂都是拉伸失穩(wěn)釋放能量的結(jié)果，頂板巖層突然斷裂，產(chǎn)生大量裂縫，使彈性能迅速釋放而發(fā)生頂板斷裂型沖擊地壓[118]。

5.1 監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢(shì)

沖擊地壓具有突發(fā)性、破壞性、隨機(jī)性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，導(dǎo)致預(yù)測(cè)沖擊地壓災(zāi)害十分困難，齊慶新等[119]從不同角度對(duì)沖擊地壓理論進(jìn)行了研究，并提出了一系列監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，其中最具代表性的理論是強(qiáng)度理論、能量理論、沖擊傾向性理論和“三準(zhǔn)則”理論。KIDYBI?SKI[120]提出將煤層沖擊傾向性指標(biāo)作為與煤地質(zhì)物性相關(guān)的重要參數(shù)；趙鑫毅等[121]提出煤的沖擊傾向性與其細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征緊密相連；潘俊峰等[122]提出沖擊啟動(dòng)理論來(lái)描述沖擊地壓的發(fā)生過(guò)程，認(rèn)為沖擊地壓的發(fā)生過(guò)程由沖擊啟動(dòng)、能量傳遞、沖擊顯現(xiàn)3部分組成。目前，我國(guó)用于煤礦沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警的主要方法有綜合指數(shù)法、微震監(jiān)測(cè)法、電磁輻射法、鉆屑法、鉆孔應(yīng)力測(cè)量法、頂板動(dòng)態(tài)儀、礦壓觀測(cè)法等方法。在此基礎(chǔ)上，竇林名等[123]提出了“震動(dòng)場(chǎng)?應(yīng)力動(dòng)態(tài)”一體化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)；尹永明等[124]研發(fā)了KJ615 掘進(jìn)面沖擊地壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)；安振軍[125]提出了沖擊地壓逐級(jí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)，采用綜合指數(shù)法、微震監(jiān)測(cè)法、礦壓分析預(yù)測(cè)法、電磁輻射法及鉆屑法5種方法相結(jié)合進(jìn)行沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)?？傮w而言，現(xiàn)階段煤礦沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)尚不成熟，多依賴于人員在現(xiàn)場(chǎng)操作儀器設(shè)備開(kāi)展預(yù)測(cè)預(yù)警工作，且與煤礦沖擊地壓災(zāi)變機(jī)理有機(jī)結(jié)合尚不緊密，有待開(kāi)展無(wú)人化、智能化、信息化的煤礦沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)。

5.2 防控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢(shì)

基于沖擊地壓應(yīng)力控制理論，沖擊地壓?jiǎn)栴}實(shí)質(zhì)上就是煤巖體的應(yīng)力問(wèn)題，控制沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生，實(shí)質(zhì)上就是改變煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)或控制高應(yīng)力區(qū)的出現(xiàn)，以保證煤巖體不足以發(fā)生失穩(wěn)破壞或非穩(wěn)定破壞[119]。沖擊地壓控制技術(shù)主要有以下幾點(diǎn)。

1)減弱煤巖應(yīng)力集中，通常從2 個(gè)方面著手。第一，對(duì)于應(yīng)力集中或者巷道采煤較深，一般設(shè)置卸壓孔，通過(guò)卸壓避免沖擊地壓發(fā)生。第二，找到良好的減壓位置，一般步驟為：采用無(wú)煤柱的形式進(jìn)行開(kāi)采，對(duì)煤體存在突出位置予以清除，保證在開(kāi)采的過(guò)程中不會(huì)受到煤柱的影響；有效消除鄰近層煤柱的相互作用，進(jìn)一步降低沖擊地壓發(fā)生的概率；優(yōu)化開(kāi)采順序。

2)優(yōu)化煤巖的力學(xué)性能，通常在煤層中注入一定的高壓水，從而對(duì)煤層起到弱化的作用，有效地消除圍巖位置出現(xiàn)的能量聚集。

3)支護(hù)煤巖體，實(shí)施噴漿，以此實(shí)現(xiàn)柔性支護(hù)，進(jìn)而卸載圍巖中的能量，起到前期卸壓的效果；打錨桿改變圍巖強(qiáng)度，優(yōu)化圍巖應(yīng)對(duì)應(yīng)力變化，進(jìn)一步減小沖擊地壓發(fā)生的概率。

4)煤層卸載爆破技術(shù)是在已確認(rèn)具有沖擊危險(xiǎn)的區(qū)域，通過(guò)對(duì)煤體實(shí)施爆破，以解除沖擊危險(xiǎn)；深孔斷頂爆破針對(duì)組成煤巖體的頂板?煤體?底板的高剛度承載系統(tǒng)，采用深孔爆破技術(shù)人為地切斷頂板，破壞系統(tǒng)的應(yīng)力分布狀態(tài)和聚集彈性能的條件，削弱采空區(qū)與待采區(qū)之間的頂板連續(xù)性，同時(shí)釋放頂板中所聚集的能量，減小頂板來(lái)壓時(shí)的強(qiáng)度和沖擊地壓[126?127]。

現(xiàn)階段沖擊地壓控制技術(shù)及設(shè)備各自成體系，尚未形成系統(tǒng)化的綜合沖擊地壓控制系統(tǒng)，對(duì)于沖擊地壓的控制效果十分有限，有待研發(fā)系統(tǒng)化、智能化的綜合沖擊地壓控制技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)沖擊地壓災(zāi)害主動(dòng)防控。

6 結(jié)論與展望

1)更加明確深部巖石工程在地質(zhì)環(huán)境、結(jié)構(gòu)封閉性及施工等方面特點(diǎn)，深入挖掘地下工程重大災(zāi)害關(guān)鍵致災(zāi)因素，建立對(duì)應(yīng)的工程安全標(biāo)準(zhǔn)與分級(jí)治理方法。

2)切實(shí)做到深部巖石工程重大災(zāi)害實(shí)時(shí)預(yù)警，獲取、分析和判斷監(jiān)測(cè)信息的變化情況，超前反饋隧道巖石工程重大災(zāi)害災(zāi)變，及時(shí)設(shè)防，實(shí)現(xiàn)重大災(zāi)害的主動(dòng)防控。

3)開(kāi)展巖石工程圍巖內(nèi)部不確定性結(jié)構(gòu)面預(yù)測(cè)理論研究，提出不同類型結(jié)構(gòu)面耦合作用下的圍巖結(jié)構(gòu)分析方法，構(gòu)件靶向防控技術(shù)體系，從根源上解決災(zāi)害防控有效性難題。

4)推進(jìn)地下工程施工無(wú)人化、裝備智能化和管理信息化發(fā)展。建立地下工程巡檢機(jī)器人體系及主體工程數(shù)字孿生平臺(tái)，推動(dòng)深部地下工程重大地質(zhì)災(zāi)害防控裝備研發(fā)。