深部硬岩巷道围岩板裂破坏试验研究进展与展望

罗 勇，宫凤强

(1.南华大学 资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001；2.东南大学 土木工程学院,江苏 南京 211189)

0 引 言

随着浅部矿产资源开采量的逐渐枯竭，国内外许多矿山相继进入深部开采状态[1-3]。目前，南非的Mponeng金矿最大开采深度已经达到地下4 000 m，印度目前已经关闭的Kolar金矿开采最大深度达到了地下3 200 m，加拿大LaRond多金属矿最大开采深度已经超过了地下3 000 m水平，美国的Lucky Friday多金属矿山目前开采深度已经进入地下2 920 m ，而澳大利亚Mount Isa 铜矿开采已达到了1 900 m深度。据统计，目前我国千米以上的深部金属矿山有16座[4]，其中开采深度最大的灵宝崟鑫金矿采深已达到1 600 m，夹皮沟金矿采深达到了1 500 m，新疆阿舍勒铜矿开拓深度超过了1 200 m，冬瓜山铜矿开采深度达到了1 100 m，且开采深度逐年快速增加，预计未来10 a将有1/3以上的金属矿山开采深度达到或超过1 000 m，最大开采深度可达2 000～3 000 m[4]。此外，以我国东北、华东为代表的中东部区域煤炭资源开采以10～25 m/a 的速度向深部推进，有47 对矿井深度超过1 000 m[5]。由此可见，未来能源和矿产资源深部开采在我国将逐渐成为一种常态，是我国矿山持续发展的必由之路。

在深部矿山开采过程中，受高地应力和工程卸荷扰动等因素影响，硬岩易发生浅部少见的高应力诱导破坏现象[6]，表现为围岩被近似平行于自由面的裂隙切割，形成一层层近似平行开挖面的薄板状岩片[7-8]，这种破坏现象被称为板裂破坏，英文表述称其为“spalling”或者“slabbing”[9]。板裂破坏的产生与围岩内部张拉裂纹的扩展与贯通密切相关[10-11]，在一些情况下还表现出与时间有关的破坏过程，是深部硬岩典型破坏形式之一。在不支护和非均匀应力场条件下，随着板裂过程发展会在洞壁形成一个V形破坏区[12]。研究表明，围岩板裂破坏所需的应力门槛值远低于其单轴抗压强度，例如花岗岩一般为单轴抗压强度的0.35～0.40倍[13]。此外，围岩板裂破坏与岩爆灾害的发生表现出很强的相关性[14-16]，认为板裂是岩爆的一种前兆信息，可以以一种稳定的形式或者剧烈的应变岩爆形式发生，与岩爆的触发密切相关。而随着深度增大，板裂破坏逐渐向剧烈岩爆发生转变[17-18]，表现为板裂形成的岩板发生折断，并与围岩突然分离而形成岩爆[19]，板裂破坏与岩爆之间表现出明显的相关和本质的联系[16]。例如，当围岩最大切向应力(σθ,max)与其表观单轴抗压强度(σu)比值达到0.35时会发生板裂破坏，σθ,max/σu=0.5时则出现弱至中等岩爆，而在σθ,max/σu>1的情况下则发生强烈岩爆[17]。板裂破坏在深部硬岩巷道中经常出现，给深部硬岩矿山开采中巷道施工、支护及后期维护等带来许多不利因素，严重影响巷道的长期稳定，而诱发岩爆动力灾害则往往造成人员伤亡、设备损坏和工期延误[20-21]，给深部硬岩矿山安全高效开采和持续发展提出了巨大的挑战。在众多因素影响下，目前对板裂破坏发生机理以及板裂破坏诱发岩爆灾害的作用机制仍难以给出合理解释。因此，深入揭示板裂破坏的发生机理，不仅对解决深部硬岩巷道板裂破坏及其诱发岩爆灾害的防治和保障矿山开采向深部发展均具有重大工程实践价值，而且对深部岩石力学发展也起到了巨大的推动作用，具有重要的科学意义。

在开展板裂破坏机理研究中，一般采用案例分析、理论分析、室内试验、数值模拟等方法。其中，室内试验是一种直观的研究方法，可以较好地再现深部硬岩板裂破坏现象，有助于详细了解板裂破坏的发生过程和破坏特征，对明确深部硬岩巷道诱发板裂破坏的演化规律和机理具有重要的指导作用。为此，国内外学者围绕板裂破坏开展了大量室内试验研究，取得了较多有益研究成果。笔者首先根据板裂破坏室内试验研究所采用的试样不同，对国内外有关板裂破坏试验研究所取得的进展进行总结和分析，进而在此基础上对目前板裂破坏室内试验研究中亟待解决的关键难题和板裂破坏室内试验研究未来发展趋势进行了探讨。

1 板裂破坏室内试验研究发展历程与进展

深部硬岩巷道围岩板裂破坏与高地应力和开采扰动等密切相关[10,19]。根据开采后围岩工程特点，国内外学者基于试验条件和考虑的主要因素，选用不同试样形状和加载方式开展了板裂破坏室内试验研究，如试样形状主要有长方体、含预制孔洞长方体和“先加载后孔内卸荷”长方体试样，而加载方式有单轴、双轴、真三轴、真三轴加卸载等。笔者从选用试样形状不同对巷道板裂破坏室内试验研究进展进行如下分类总结。

1.1 实心长方体试样板裂试验

在单轴压缩试验方面，FAIRHURST等[9]最早于1966年从圆柱体石英岩的单轴压缩试验中以及在埋深1 219.2 m处石英岩隧道侧壁上观察到了板裂破坏现象(图1)，并且对这种最大压缩方向平行于围岩洞壁表面的板裂破坏现象进行了详细描述和分析。LI等[22]对3种不同高宽比长方体花岗岩试样进行了单轴压缩试验，研究高宽比对硬岩破坏特征的影响。结果表明，试样高宽比逐渐降低至0.5以下时，其对应的破坏模式逐渐由较大高宽比的剪切破坏变为较小高宽比的板裂破坏。HIDALGO等[23]为了评价硬岩应变试验数据是否能对2个真实开挖案例板裂区的破坏和变形进行预测，对石灰岩和石英岩进行了单轴压缩试验，指出硬岩开挖破坏过程能够用应变试验数据进行有效预测。刘云鹏[24]对花岗岩、千枚岩以及片岩3 种板裂原岩(即发生了板裂化的岩体)沿平行板裂和垂直板裂2个方向进行单轴压缩试验，发现在相同加载应力条件下沿平行板裂方向比垂直板裂方向更易引起潜在板裂岩石变形破坏，形成板裂。张传庆等[25]以白鹤滩水电站地下厂房隐晶质玄武岩出现的片帮、开裂、破裂松弛等破坏现象为背景，采用偏光显微镜、CT 扫描、高速摄像、声发射、扫描电镜等手段，对隐晶质玄武岩进行了单轴压缩试验，含隐微裂隙试样主要发生劈裂破坏，而含宏观裂隙试样主要发生剪切破坏。周辉等[26]利用高强度石膏材料制作板裂破坏试样，并对其进行一侧约束的单轴加载试验，认为高应力隧洞开挖后洞壁围岩会形成板裂结构，并不断发生压曲变形和储存能量，当达到极限条件或受外界扰动作用时，板裂结构就会发生岩片的折断，进而释放能量而发生岩片的弹射，形成板裂屈曲岩爆，即板裂化模型试样失稳破坏过程为预制裂隙尖端张拉裂纹萌生和扩展、劈裂成板、岩板屈曲变形、岩板压折和岩片弹射。TAROKH等[27]利用自行研制的装置对砂岩试样进行水平方向三面约束的单轴压缩试验，并借助数字散斑技术对压缩状态下试样表面位移进行监测，发现加载达到峰值荷载70%时位移场发生扭曲，而局部损伤在达到峰值应力前形成板裂破坏。

实际上，深部岩体在开挖前处于三维应力状态，开挖会对围岩产生卸荷效应，且开挖后巷道围岩大多处于二维应力状态。为使试验加载应力路径与实际工程更接近，何满潮等[28-29]研制了能够实现真三轴加载和真三轴卸载功能的深部岩爆试验系统(图2)，并利用该系统对花岗岩长方体试样进行了大量真三轴加卸载试验，研究花岗岩在真三轴压缩与单面卸载条件的破坏行为。同时借助激光轮廓仪和SEM电镜扫描技术对花岗岩的破坏行为从宏观和微观尺寸进行了详细分析。结果表明试样卸载面上的张拉裂隙由试样顶部扩展至底部，在岩片张裂过程中表现出较明显的板裂破坏特征，并有岩片从卸载面发生弹射分离，而SEM电镜扫描结果也表明破裂岩片断面上呈现明显的板裂破坏特征。ZHAO等[30]发现花岗岩卸荷强度随试样高厚比减小呈增大趋势，高厚比较大时发生张拉破坏，高厚比较小时发生单面剪切破坏。花岗岩三维高应力卸荷条件下破坏形式有颗粒弹射破坏、片状劈裂破坏和块状崩落破坏，观察到了花岗岩岩爆前发生了明显的板裂破坏现象，进而提出了岩爆板状结构演化模型，将花岗岩诱发岩爆过程分为垂直板裂化、垂直板屈曲变形及岩爆破坏。利用该设备， GONG等[31]、吴世勇等[15]以锦屏II级水电工程深埋大理岩排水和引水隧洞发生的2种不同类型板裂破坏为背景(其中一条隧洞发生了非剧烈的板裂化片帮，而另条隧洞则发生了剧烈的板裂化岩爆破坏)，将现场取回的大理岩加工成长方体试样，进而开展室内试验，发现试样沿平行最大应力方向发生了明显的板裂化现象，这与现场隧洞掌子面及洞壁实际破坏情况非常相似。ZHAO等[32]对长方体花岗岩试样进行了不同卸载速率下的真三轴加卸载试验，发现在高卸荷速率下，花岗岩试样主要发生应变型岩爆破坏，而卸荷速率降低时试样破坏则可由应变岩爆向非剧烈的板裂发生转变。此外，在该设备基础上，为适应深部岩体更为复杂的应力路径需求，HE等[33]研制了能够实现多面水平卸载的新真三轴岩爆试验机(图3)，并对砂岩试样进行了真三轴加载与单面、双面、三面和四面卸载试验，发现卸载的面越多，岩石破坏也变得越剧烈。

图3 高压伺服真三轴岩爆试验机[33]Fig.3 High pressure servo true-triaxial rockburst testing machine[33]

LI等[34-35]为能较真实模拟深部岩体高应力环境和受开采扰动等影响，研制了TRW-3000型岩石真三轴电液伺服诱变(扰动)试验系统(图4)。该系统能够实现在真三轴加载条件下实现单向、双向卸载试验，且在施加高静应力同时还可以施加扰动荷载。利用该试验系统对两岩石材料(红砂岩和花岗岩)和水泥砂浆共3种类型方形柱体试样进行了卸载试验。试验时通过增大竖直应力和卸载水平最小应力来模拟地下岩体的开挖过程。结果表明，对于脆性较强的花岗岩和红砂岩，当中间主应力增大至临界值时，两者的破坏模式表现为板裂破坏，而水泥砂浆在相对高的中间主应力作用下也未发生板裂破坏，而是发生大的塑性变形，进而发生剪切破坏。此外，对不同高宽比的长方体花岗岩试样进行了真三轴卸载试验，研究了高宽比和中间主应力对花岗岩破坏特征的影响，发现即使在中间主应力较小条件下高宽比较小试样也会发生板裂破坏，而只有在中间主应力很高的情况下，高宽比大的试样才有可能出现板裂破坏。DU等[36-37]对不同类型的岩石(砂岩、大理岩和花岗岩)开展了真三轴加卸载试验，探讨了第二主应力对硬岩板裂破坏形成机制的影响，发现第二主应力较小时主要发生剪切破坏，而第二主应力较高时，试样则易发生板裂破坏，并指出在真三轴加载条件下发生板裂破坏需要满足几个关键因素，即脆性和高强度岩石、中间主应力与最小主应力比值超过一定临界值和低的最小主应力。SI等[38]、LUO等[39]针对深部硬岩开挖发生高应力诱导破坏现象，利用真三轴试验机对红砂岩、花岗岩立方体试样进行了一系列真三轴、双轴和不同卸载速率下的真三轴加卸载试验，指出卸载速率和围压通过影响裂隙萌生类型和扩展方向来影响硬岩破坏模式和强度特性，并基于试验分析结果对高应力硬岩隧道卸荷诱发板裂破坏给出了合理解释，认为在深部硬岩隧道开挖过程中，在卸荷速率的影响下，隧道周围一定范围内的围岩会产生大量的张拉裂隙。在高切向应力和轴向应力的共同作用下，这些张拉裂隙沿着近似平行开挖面方向扩展和贯通，从而导致板裂发生，且有卸载速率和轴向应力越大，板裂破坏深度越大。细颗粒花岗岩试件在真三轴卸荷压缩试验中，随着围压的增加，其破坏模式由剪切-张拉破坏转变为张拉破坏，并认为卸荷导致破坏模式的转变是岩石发生强度减弱的主要原因。

图4 TRW-3000型岩石真三轴电液伺服诱变(扰动) 试验系统[35]Fig.4 TRW-3000 rock true-triaxial electro-hydraulic servo mutation (disturbance) test system[35]

苏国韶等[40-42]研发了高压伺服真三轴试验机(图5)，对花岗岩进行了一系列真三轴加卸载试验，考虑了温度、应力路径、加载速率等对花岗岩试样破坏行为的影响。在真三轴加载、卸载条件下，花岗岩试样表现出岩爆动力破坏，在岩爆过程中出现了明显的劈裂成板现象，岩爆破坏过程可划分为颗粒弹射、劈裂成板、剪切成块、板折弹射4个阶段，且随着加载速率增大，试样破坏模式由静态板裂破坏向动力岩爆破坏转变。此外，JIANG等[43]在该设备上对长方体大理岩试样进行了真三轴加卸载试验，研究了最小主应力和卸荷速率对大理岩板裂和岩爆的影响，发现在低卸载速率下大理岩试样应变能释放速率低，破坏过程较稳定和很少发生动力弹射；初始最小主应力控制着试样的破坏模式，表现为随最小主应力降低破坏模式由剪切破坏变为剪切-张拉破坏，并指出这与地下隧道观察到的板裂破坏行为相似。

图5 高压伺服真三轴试验机[40]Fig.5 High pressure servo true-triaxial testing machine[40]

赵光明等[44-45]利用自主研发的真三轴扰动卸荷岩石测试系统，对花岗岩、砂岩长方体试样进行了真三轴卸荷扰动试验，研究高应力岩体在单面卸载条件下的破坏特征，指出中间主应力对试样最终破坏形态起关键作用，随着中间主应力的增大，张性破裂所占比例增大，岩石的破坏模式由张拉-剪切破坏逐渐转变为张拉-劈裂破坏；在相同围压下，岩体在卸荷条件下比在加载条件下更容易发生破坏，卸荷强度约为加载强度的80%，破坏由局部张拉-劈裂-剪切复合性破坏发展成整体劈裂破坏。

张晓君[46]针对深埋巷道开挖后边墙表面经常观察到有薄片状岩片松脱剥落、爆裂或发生明显的岩片动力弹射等现象，将脆性辉长岩加工成立方体试样，并对其进行了大量的双轴压缩试验和真三轴加卸载试验。在2种加载应力路径下试样均发生了劈裂岩爆现象，且离自由面越近劈裂破坏越显著，形成薄片状劈裂岩板，与现场实际破坏情况一致，并指出围岩的劈裂破坏及劈裂破坏程度受中间主应力影响显著。QIU等[47]结合真三轴加卸载板裂破坏试验和深部隧洞岩爆案例分析揭示了深埋隧洞屈曲岩爆的演化和形成机制。向天兵等[48]利用真三轴试验系统研究了灰岩试样在不同应力路径和应力水平下的力学特征与变形破坏机理，认为开挖卸荷应力路径下试样强度受卸荷作用影响较大，且随中间主应力呈区间性变化，试样以脆性劈裂破坏为主。范鹏贤等[49]针对高应力岩体开挖卸荷破坏与加载破坏表现出不同的力学行为，对红砂岩立方体试件进行了真三轴加载和卸载试验，发现在滞后卸载数秒后，靠近试样卸载自由面发生了板裂破坏，随后发生试样整体失稳破坏。张永双等[50]以高黎贡山越岭隧道为背景，对花岗斑岩进行真三轴加载卸载试验，发现一般先在试件表面出现岩屑剥落，最后才发生岩块的弹射现象。尹光志等[51]研究制了多功能真三轴流固耦合试验系统，对砂岩开展了最小主应力单面卸荷真三轴加卸载试验，随着卸荷速率增大，岩样破坏模式逐渐由剪切破坏转为张拉破坏，且张性裂纹多集中于卸荷面附近。岩样在低加荷速率下主要以张剪破坏为主，在高加荷速率下以剪切裂纹为主。JIANG等[52]设计了2种不同的应力加载路径，对大理岩进行真三轴加载卸载试验，发现2种加载应力路径下的试样破坏过程均为：细颗粒弹射、劈裂成板、岩板剪断成块和岩块弹射。马艾阳等[53]利用真三轴试验系统对大理岩岩爆试样进行了卸荷试验，发现张性裂隙要先于剪切裂隙产生，而剪切裂隙的作用通过搭接相邻的张性裂隙，使裂隙扩展贯通形成圈闭，圈闭内的岩片碎屑发生剥落或发生弹射。

以上研究多属于利用立方体或长方体试样开展压缩试验，能够模拟深部巷道开挖前围岩局部区域所处的三维地应力环境和开挖围岩所经历的卸荷过程，只能反映岩石材料发生板裂的特征。该类试验一般所采用的试样较小，不能模拟地下巷道空间结构开挖效应对围岩板裂产生的影响。

1.2 含预制孔洞试样板裂试验

目前，室内研究巷道板裂破坏的另一方法是利用岩石材料或物理相似模拟材料加工成含预制孔洞的巷道物理模型，然后再对其进行单轴、双轴和真三轴压缩试验。采用该方法，国内外学者对深部巷道诱发板裂破坏开展了大量研究。

在单轴压缩试验方面， CARTER[54]对含有圆形孔洞的长方体石灰岩试样进行了单轴压缩试验，指出产生于高应力梯度和纯压缩区的边墙张拉裂隙非常复杂，其形成是高压缩应力集中的响应，张拉裂隙成核以后很快就会发生一个复杂的雁形开裂、屈曲和板裂破坏过程。MARTIN[6]对含有圆形孔洞(孔洞半径在20～103 mm)的柱体花岗岩试样进行了一系列单轴压缩试验，研究孔洞尺寸对洞壁破坏的影响。发现当孔洞直径超过75 mm以后，洞壁周边开始发生板裂所需的切向应力约等于花岗岩的单轴压缩强度，进而指出现场隧道洞壁板裂不受尺度效应的影响。张晓君等[55]对含有直墙拱形孔洞立方体试样进行了单轴压缩试验，观察到了巷道围岩发生了明显的劈裂岩爆并产生了劈裂薄块体岩块，巷(隧)道围岩呈现起伏、粗糙破裂面和劈裂薄块体，与现场已发生的岩爆现象一致。张艳博和刘善军[56]对含圆孔试件进行单轴加载，发现试样主要存在2种破裂形式：①在圆孔上下中线方向出现张性破裂;②沿圆孔左右对角线方向出现剪性破裂。KUSUI等[57]利用相似模拟材料构筑缩小尺度的隧道物理模型，隧道模型左右两侧利用钢板进行位移约束和竖直方向进压缩，研究高应力硬岩隧道无支护条件下发生板裂所需的压缩强度与诱导应力的比值，试验过程中在隧道表面发生了明显的板裂破坏现象。

单向加载状态一般不能反映深部巷道所处的应力环境，为此研究人员忽略巷道轴向应力的影响，对含预制孔洞试样进行双轴压缩试验。ZHU等[58-59]构筑马蹄形隧道物理相似模型进行双轴压缩试验，研究深部硬岩板裂破坏发展过程、破坏机制和发生初始条件，试验成功模拟了深部硬岩板裂破坏现象，指出深部硬岩板裂破坏初始应力和应变随初始边界应力增大而增大，并给出了板裂破坏的初始应力和临界应力公式，且初始边界应力越高，板裂破坏的范围和程度越大、越严重；板裂破坏过程可分为2个主要阶段，即侧壁表面的瞬时开裂过程和薄岩片从开挖边界向远场逐渐发展的板裂过程，最终形成稳定的V形槽。刘祥鑫等[60-61]利用双轴岩石力学试验机对含预制圆形孔洞花岗岩试样先进行双轴加载来模拟地下巷道的初始应力环境，再通过卸载水平方向荷载模拟巷道边岩体的开挖作用，发现巷道内壁发生了小颗粒弹射、片状剥离和片状剥落的破坏过程。同时，利用该设备对3种不同含水量的含圆形孔洞花岗岩试样进行双轴压缩试验，发现在饱水条件下洞壁易发生剪切开裂，形成一个宽而深的V型破坏区，而干燥状态下洞壁主要破坏模式为典型的板裂破坏。WANG等[62]对含4种不同轴比椭圆孔洞长方体试样进行双轴压缩试验，发现随着轴比的增大，平静期和板裂期的持续时间增大，而小颗粒弹射期和岩爆阶段持续时间没有明显变化。谷雪斌等[63]对含圆形孔洞的红砂岩长方体试样开展双轴试验，研究不同侧压影响下圆形洞室岩爆机制，发现侧压较低时，洞壁受力类似单轴压缩，以拉伸破坏机制为主，洞壁破坏深度小；侧压较高时，洞壁浅部区域破坏机制与侧压较低时类似，但洞壁深部区域受力类似三轴压缩，以剪切破坏机制为主，洞壁破坏深度大。刘冬桥等[64]含对圆孔洞的立方体砂岩试样进行双轴加载，开展了动载诱发冲击地压实验研究，获得了动载诱发冲击地压过程颗粒弹射、碎屑剥落等特征现象。苏国韶等[65]利用真三轴岩爆试验系统对含圆形孔洞的不同晶粒尺寸花岗岩试样进行双轴试验。在相同加载条件下，细中晶粒花岗岩试样发生以静态脆性破坏为主的板裂化破坏，而中粗晶粒花岗岩发生以剧烈弹射破坏为主的岩爆破坏。胡小川等[66-68]对含有圆形孔洞的花岗岩立方体试样进行了双轴压缩试验，发现洞壁发生劈裂和屈曲变形，并指出板裂破坏主要位于压应力集中区，其产生的机制是压应力集中作用下内部微裂纹产生、孕育和相互作用，形成的薄状岩板发生鼓胀、屈曲，进而形成板裂破坏，最终在洞壁上产生大致对称的V型板裂带。LIU等[69]利用真三轴试验机对含圆形孔洞花岗岩试样进行了双轴压缩试样，发现岩爆坑形成过程中洞壁劈裂成薄板。ZHONG等[70]为明确含自然裂隙的硬脆性围岩的破裂机制，对含有倒U型孔洞的流纹岩试样进行了双轴加载试验，研究孔洞周边裂隙的萌生、扩展和贯通规律。发现试样主要发生轻微剪切滑移和“V”形剪切楔体破坏，而没有发生实践工程中的板裂和岩爆。PAN等[71]制做了2种拱形隧道模型(孔洞周边含裂隙和不含裂)，而含裂隙的试样部分用充填材料对裂隙进行填充，进行了一系列双轴压缩试验，研究切向应力集中诱发板裂破坏过程。发现在集中切向应力作用下没有裂隙的隧道模型2个侧壁发生板裂，形成层状薄板以及由于剪胀裂隙萌生、扩展从自由边界脱落，在含裂隙隧道模型观察到了不对称板裂破坏。与裂隙充填的隧道模型相比，张开裂隙隧道模型板裂更加集中，导致破坏范围更大和破坏更剧烈。ZHAO等[72-73]利用含梯形、椭圆和正方形孔洞立方体砂岩试样进行双轴压缩试验，发现洞壁破坏过程为裂隙萌生和扩展、裂隙贯通、板裂破坏和形成V型槽，且破坏程度随着侧向应力增大而更严重。

深部巷道在三维应力环境中，巷道围岩的板裂破坏除了受巷道截面平面内的两个主应力影响外，平行巷道轴线的轴向应力也对围岩板裂破坏有显著影响。为此，一些研究人员采用真三轴试验机对巷道物理模型进行真三轴加载。陈陆望[74-75]、许迎年等[76]利用相似材料构筑圆形、椭圆隧洞模型，并在岩土工程大型真三轴物理模型试验机上进行高应力条件下平面应变物理模型试验(轴向为位移约束)，均观察到洞壁内葱皮状剥落、片状块体掉落现象。周辉等[77]在总结深埋隧洞不同曲率断面处的板裂破坏特征和形态的基础上开展了隧洞相似材料模拟真三轴试验(轴向为位移约束)，深入分析了断面曲率和断面形状对隧洞围岩板裂破坏的影响。总体上呈现出随曲率半径的增大，板裂破坏由主导剪切滑移破坏逐渐变为主导张拉破坏，并指出隧洞断面曲率半径对板裂破坏具有结构效应和尺度效应，进而影响围岩板裂破坏的形态和破裂机制。LEE和HAIMSON[78]通过总结现场花岗岩隧洞围岩板裂破坏和利用含预制圆形孔洞的花岗岩试样进行室内真三轴板裂破坏试验，发现围岩发生板裂破坏的主导机制是应力诱导张拉开裂，形成的裂隙呈密集型，且近似平行洞壁表面，并指出这些张拉裂隙会限制板裂薄片的渐进性剥落，从而在洞壁上形成深而尖的“狗耳朵”状破坏区。CHEON等[79-80]采用相似模拟材料构筑隧道模型，并对其进行真三轴加载，研究深部地下岩石洞室周边脆性破坏机制，发现洞壁发生了严重的板裂破坏，并指出当洞室断面曲率半径较小时，会对洞室周边围岩内部的裂隙扩展产生抑制作用，而当断面曲率半径较大时，对洞室周边裂隙的这种抑制作用就会相对减弱。何满潮等[81]将岩爆分为应变岩爆和冲击岩爆两大类，并利用自研的冲击岩爆试验系统对巷道物理模型以上2种岩爆过程进行了试验模拟，试验结果表明在2种加载方式下孔壁均出现了岩片弹射和片状剥离等现象。王炀等[82]利用该设备在室内真三轴加载条件下再现椭圆形洞室的冲击岩爆现象，产生的岩片碎屑主要为薄板状，孔洞内壁破坏起初发生明显的板裂现象。宫凤强等[83-88]将花岗岩、红砂岩、大理岩加工成含圆形、直墙拱形、矩形孔洞的立方体试样，利用大尺寸真三轴岩石试验系统对其进行真三轴压缩试验，模拟深部巷道开挖后承受应力调整发生板裂破坏的情况。试验过程中，利用三维加载岩样内部结构破坏实时视频监控系统对洞壁破坏过程进行实时记录和监测，并对诱发板裂、岩爆破坏特征进行了系统的总结。发现所有试样洞壁破坏呈典型的张拉破裂特征，岩片呈现中间厚、两翼薄的弧形特征，最终形成对称的V 型槽破坏区(图6)；圆形孔洞试样破坏过程经历了平静阶段、颗粒弹射阶段、岩片板裂剥落和爆裂阶段，表现出较明显的岩片动力弹射过程，但岩爆发生前会发生明显的板裂破坏，而含直墙拱形和矩形孔洞的试样洞壁动力破坏现象不明显，洞壁被切割成近似平行洞壁的多层薄岩板，发生大块薄岩板的层层剥落，主要表现为静力板裂破坏，进而指出直墙边墙有利于降低边墙岩爆等级或使岩爆转变为静力板裂破坏，且发生初始破坏所需应力水平高，但在高应力环境中破坏比圆形边墙更严重；边墙尺寸增大可降低围岩储存弹性应变能的能力，使张拉特征变得更加突出，板裂更严重，使发生岩爆的风险降低。基于大量试验结果，深入探讨了板裂破坏与岩爆之间的内在关系，揭示了板裂破坏诱发岩爆的作用机制，认为板裂破坏诱发岩爆的作用机制主要在以下2个方面：①板裂破坏使围岩劈裂成薄板，围岩更易发生屈曲变形，积聚弹性应变能，为岩爆发生提供能量；②板裂破坏使围岩劈裂成薄板，围岩强度劣化，为岩爆发生创造条件。此外，利用该套试验设备， LUO等[89-90]对自然风干和自然饱水含圆形和直墙拱形孔洞立方体试样进行真三轴试验，研究了水对深部硬岩隧洞围岩力学行为的影响，发现在水的影响下围岩破坏剧烈程度明显降低，基本无明显的岩片弹射现象发生，主要发生大范围的板裂破坏。SI等[91]为了模拟深部三维高应力条件下D形隧道板裂破坏过程，对具有贯穿D形孔洞的立方体花岗岩试件进行了真三轴试验，发现隧道破坏过程分为平静期、细颗粒弹射期、裂隙产生和扩展、岩板屈曲和板裂，在高垂直应力和恒定水平轴向应力下，增加侧向应力可降低板裂破坏的严重程度和V型槽的深度。

图6 不同断面形状孔洞板裂破坏[84-86]Fig.6 Spalling of hole with different cross-section shapes[84-86]

以上研究对深部硬岩巷道(隧洞、隧道、洞室等)板裂破坏以及板裂破坏诱发岩爆过程进行了较深入分析和总结，对清晰认识深部硬岩巷道诱发板裂破坏演化规律和力学机理起到了很好的指导作用。

1.3 “先加载后孔内卸荷”板裂试验

大量研究表明，开挖产生的卸荷效应对围岩质量会产生一定劣化作用，在岩体内部造成不同程度的损伤[92-94]，从而影响岩体的力学行为和破坏特征，因而在研究深部硬岩巷道诱发板裂破坏时非常有必要考虑开挖卸荷的影响。目前，在考虑巷道结构效应和开挖卸荷效应条件下进行巷道物理模型室内试验研究时，主要有以下3种方法：①先充填后开挖卸荷：采用含预制孔洞试样，先在孔内充填，加载达到初始应力条件后再挖出充填体；②先孔内加压后孔内卸压：采用含预制孔洞试样，用特定装置先对孔壁加载，在加载达到初始应力条件后再进行孔内卸压；③先加载后开孔卸荷：采用实体试样，先将试样加载至初始应力条件，再利用钻孔或开挖装置对试样进行开孔卸压。

在先充填后开挖卸荷方面，齐燕军等[95]利用相似材料构筑圆形硬岩巷道模型(先对孔洞进行填充)进行岩爆双轴压缩试验模拟，加载达到初始应力后，通过将填充物拔出模拟巷道开挖引起的卸荷扰动，观察到了洞壁剥落、片状块体掉落现象。张艳博等[96]、梁鹏等[97]先对含预制圆形孔洞的花岗岩立方体试样进行圆孔内充填，然后对试样外围进行双轴加载，再将充填物挖出，实现巷道开挖过程模拟，试验过程中观察到岩爆发生位置发生了明显的板裂破坏，洞壁围岩被多条与主应力方向近似平行的裂隙切割，裂隙长度随距洞壁距离增大而减小，破坏模式呈典型的张拉破裂机制，而在岩爆位置区域附近也产生了多条与主应力近似垂直、长度较短的裂隙，该类裂隙的形成机制与剪应力作用有关，并指出板裂屈曲型岩爆孕育机制为：板裂化破坏、岩板剪切屈曲断裂、岩块弹射和喷出，认为板裂化破坏和岩板的剪切断裂分别与张性、剪切破裂有关，是岩爆孕育的2个核心过程，其中张性破裂为主导的板裂化破坏提供了岩爆发生的前期“物质基础”，而剪切裂隙的萌生、扩展是岩爆发生的灾变“诱发因子”，是诱发岩爆灾害的关键。

在先孔内加压后孔内卸压方面，李天斌等[98-99]利用研制的二维大型物理模型加载系统和巷道开挖模拟装置(图7)，采取后开孔的隧洞成洞方式，较真实模拟了隧道开挖卸荷过程，在考虑卸荷扰动条件下对深部硬岩巷道破坏特征进行了分析，观察到了隧洞发生围岩开裂、鼓折以及剥落的过程，主要破坏形式为板裂张拉型岩爆，认为围岩发生脆性破裂与诱发岩爆呈现出一定的渐进性，通常破坏由小范围、细小颗粒状弹射、掉落为最初破坏特征，随后破坏范围和规模扩大出现片状、碎块状剥落和弹射，最后出现大规模的块状弹射式岩爆。

图7 隧道模型开挖装置及安装[98]Fig.7 Excavation device of tunnel model and its installation[98]

在先加载后开孔卸荷方面，阿比尔得等[100]自主设计了隧洞模型试验仪，利用物理相似模拟材料构筑隧道模型，借用钢板对隧洞模型两向侧面进行位移约束，竖直方向利用万能试验机对隧道模型进行加载，加载后通过开挖窗口进行挖孔，对比研究了隧洞模型在超载破坏试验(先预制孔再加载)和开挖卸载破坏试验(先加载再挖孔)2种不同应力路径下的破坏模式，发现2种工况下隧洞模型破坏过程均为侧壁楔体剪切破坏和竖向张拉破坏耦合的V型片帮劈裂破坏。ZHANG等[101]为研究高边墙洞室在高地应力作用下的劈裂破坏，基于自行开发的三维加载系统和相似材料，以瀑布沟水电站主厂房为背景构筑大型真实三维地下水电洞室地质力学模型，在加压后通过模型预留的开挖窗口进行开挖，模拟地下高边墙洞室的开挖过程，成功再现了高地应力作用下高边墙洞室的劈裂破坏，认为开挖卸载是导致侧壁发生开裂的主要原因，围岩的破坏会产生一个新的应力场，该应力场与原始应力场叠加，导致出现了一个新的破裂区，这样就形成了破裂区和非破裂区交替的劈裂破坏现象。以上2项研究主要采用物理模拟相似材料进行试验。

为更好模拟深部硬岩开挖诱发的脆性破坏，司雪峰和宫凤强[102]对岩石真三轴试验机加载装置进行了改进和自主研发了岩石钻孔卸荷试验装置(如图8)，将中等岩爆倾向性的红砂岩加工成实心立方体试样，先对实心立方体试样进行双轴加载，达到初始应力条件后，再利用岩石钻孔卸荷试验装置对实心立方体试样进行内部钻孔卸荷，较真实的模拟了“高应力+内部卸荷+应力调整”的深部硬岩开挖应力路径，室内成功再现了深部硬岩隧洞开挖卸荷扰动诱发围岩破坏过程，并与相同加载条件下的含预制圆形孔洞试样(孔洞直径大小相同)试验结果进行了对比，指出2种情况下洞壁破坏均主要为颗粒弹射和岩片剥落破坏，在洞壁上形成V型槽，但先加载后开孔试样洞壁初始破坏所需的应力要低于含预制孔洞试样，破坏也更为严重，并认为在高应力条件下对岩石进行内部卸荷会在孔洞周边产生一定程度和范围的损伤，使围岩强度弱化。

图8 岩石钻孔卸荷试验装置[102]Fig.8 Test device for rock drilling unloading[102]

2 深部硬岩巷道围岩板裂破坏试验模拟研究存在的问题与展望

围绕深部高应力硬岩巷道(隧洞、洞室等)围岩普遍发生板裂破坏的难题，国内外学者、研究人员选择不同形状试样和加载应力路径开展了大量室内试验模拟研究，对板裂破坏的演化过程、破坏特征、力学机理以及诱发岩爆等进行了分析和总结，在一定程度上对深部硬岩巷道开挖卸荷扰动诱发板裂破坏有了较深入认识，对深部硬岩巷道板裂破坏防治、支护以及认识岩爆孕育过程等方面起到了有益指导。基于前文对巷道围岩板裂破坏室内试验研究进展，在室内试验模拟研究中目前存在以下主要问题和难题：

1)深部巷道围岩赋存环境复杂多变，受应力、温度、地下水等众多外部因素影响[103]，且各因素之间可能还存在耦合作用。通常，主应力方向对板裂破坏形成过程中裂隙扩展、贯通在较大程度起控制作用，而掌子面附近围岩主应力方向随掌子面推进将会不断发生偏转，进而影响裂隙扩展模式[16]。而水的作用会对围岩产生劣化，加速岩石亚临界裂隙的扩展速度，相对湿度增加3～4倍会导致裂隙速度增加1～4个数量级[104]。在温度作用下，围岩内会产生热应力，诱发微裂隙的萌生和扩展，导致围岩强度弱化[105]。而当这些因素产生耦合作用时，对围岩板裂破坏的影响将变得更加复杂，而目前现有试验条件很难同时较真实模拟围岩所处的外界多因素作用的环境。

2)天然岩体内部具有各种不同类型和产状的地质结构弱面和缺陷，且对围岩板裂破坏影响显著[106]。例如，层理构造使得围岩具有明显的非均质性和各向异性，对岩石的力学特性和破坏模式有显著的影响，具有明显的倾角效应[107]。而目前室内试验所选用的岩石试样和物理相似材料试样相对于现场岩体比较完整和均质，难以在试样内构造出与现场岩体一致的结构弱面或缺陷。

3)由于现有试验设备加载能力有限，特别是采用岩石试样进行真三轴试验时，试验设备加载能力限制了试样尺寸大小，目前一般主要采用缩小尺寸的巷道物理模型试样进行试验。而研究表明，岩石的力学特性和破坏行为具有尺寸效应，使得巷道物理模型的板裂强度、破坏模式均会受尺寸效应影响[108]。因此，室内巷道板裂破坏模拟试验结果与工程实际存在一定差异，难以真实反映出现场巷道板裂围岩的力学特性和破坏行为。

4)受试验技术限制，目前可以实现双轴加载条件下岩石试样内部开孔卸荷过程，但很难在真三轴加载条件实现岩石试样内部开孔卸荷过程(模拟巷道开挖)。而深部高应力条件和强开挖扰动条件下，巷道开挖产生的应力卸荷效应变得更为突出。通常，高应力条件下卸荷会在围岩中产生张拉应力，且卸荷速率越快，产生的张拉应力越大，因而卸荷效应被认为是围岩形成板裂破坏的一个重要因素[109]。因此，在真三轴加载条件下实现岩石试样内部开孔卸荷过程是开展室内巷道板裂破坏试验模拟需解决的关键试验技术。

5)由于岩石本身为不透明材料，并且受目前监测技术限制，试验过程中难以将围岩变形、裂隙萌生和扩展、应力场演化等关键信息实时直观地展现出来，这导致围岩板裂破坏演化过程和破坏特征仍停留在定性描述上，难以对相应指标进行量化分析，也很难获得应力、变形、破坏三者之间的对应关系，进而无法建立起有效板裂破坏判据和合理的板裂力学模型。

针对以上板裂破坏试验研究中存在的问题和难题，笔者认为接下来深部巷道围岩板裂破坏室内试验模拟研究，有如下3个发展趋势和方向：

1)研发与岩石性质一致或相似的新材料，结合3D打印技术构筑出能真实反映深部岩体地质结构弱面、缺陷的大尺度巷道开挖模型试验试样。通常，巷道板裂破坏实质是围岩内部细微裂隙萌生、扩展、贯通的结果，掌握板裂形成过程中微裂隙萌生、扩展、贯通规律对认识板裂机制非常重要。因此，在开展巷道围岩板裂破坏室内物理模型试验时，所选用的相似材料不仅需与岩石的力学特性一致或相近，同时也需在细宏观破裂特征上与岩石相一致或相近，即研发的新材料在力学特性和细宏观破裂上与岩石相一致或相近是巷道板裂破坏物理模型试验的关键。同时，借助3D打印技术，构筑出与现场巷道相似的含结构弱面、缺陷的大尺度巷道物理模型，以使室内巷道模型试样更能真实还原现场巷道。

2)研制适应大尺度试样的高吨位、多场耦合真三轴试验机和与之配套能够在真三轴加载条件实现试样内部开挖成孔的试验装置。岩石力学室内试验设备的研制和改进不断推动着岩石力学向前发展，采用不同功能的试验设备可以揭示岩石在不同环境中本构规律。岩石或岩体的力学特性、破坏行为不仅与其应力状态有关，还与其所经历的应力路径和所处环境中水、温度等影响密切相关。而研制高吨位、多场耦合真三轴试验机和配套的开挖成孔试验装置，开展大尺度巷道物理模型室内试验，可以较好解决目前室内巷道模型板裂试验中受尺寸效应、边界效应影响的难题，同时也能更真实模拟现场巷道围岩的应力状态、应力路径以及地质环境中水、温度等条件。

3)开发新的监测技术和软件，在试验过程中能够实时将围岩变形、裂隙萌生和扩展、应力演化等关键信息动态、直观呈现出来。目前，在巷道围岩板裂破坏试验研究中存在一个重大难题，即在试验过程中已有试验监测手段难以实时直接观测到内部围岩的物理演化过程。虽然近年来数值模拟方法得到了广泛的应用，可以在一定程度对这一过程实现可视化，但数值模拟方法在模型参数校核时大都是从强度变形参数和宏观破坏形态上去校核，而忽略了岩石介质真实的复杂结构，难以真实反映出板裂破坏的应力、变形以及微细观破裂机制。因此，需进一步开发新的监测技术和软件，以在试验过程中实现围岩内部“看不见、摸不着”的应力、变形、裂隙演化等关键信息的直观展现和量化。

在实现以上3点的基础上，开展大量室内巷道板裂破坏试验模拟，利用新的监测技术和软件获取巷道模型板裂破坏过程中围岩应力、变形、破坏信息，总结板裂破坏宏细观特征和演化规律，明确应力、变形、破坏三者之间的对应关系，找出能量化板裂破坏关键信息的具体指标，构建合理板裂破坏力学模型，进而建立含关键指标的板裂破坏判据。

3 结 语

板裂破坏是深部硬岩在高应力和开挖卸荷扰动作用下的一种典型破坏形式，是一种完全不同于浅部岩体破坏的一种高应力诱导破坏现象，在深部硬岩巷道中较为常见，且与诱发岩爆关系密切。从室内试验研究所采用试样种类和加载方式方面，对国内外有关板裂破坏室内试验研究进行了分类总结，重点介绍了板裂破坏试验所用试样、加载方式情况以及试验所取得研究成果。在此基础上，从室内试验物理环境、试样制作、设备加载能力、卸荷路径、监测方法5个方面指出了目前巷道板裂破坏室内试验研究中存在的主要问题和难题，并针对存在的问题和难题从研发新材料、新设备和新监测方法3个方面提出了深部硬岩板裂破坏试验未来研究发展趋势。