地下工程勘察与围岩稳定性分析评价研究综述

王现国，王晨旭，苏阳艳，张晓丽

（1.河南省地质工程勘察院有限公司，河南 郑州 450001； 2.河南省地矿局第五地质勘查院，河南 郑州 450001；3.河南省地矿局第四地质勘查院，河南 郑州 450001； 4.河南省地矿局第二地质矿产调查院，河南 郑州 450001）

水利工程地下洞室和矿山巷道围岩破坏是危害工程及人员安全的突出问题之一。影响巷道稳定性的因素众多，如围岩岩体质量、地质构造、节理组合形式及地下水等［1－2］，科学选择评价围岩变形的主要影响因素和分析计算围岩的稳定性对洞室、巷道围岩变形破坏防治具有十分重要的指导意义。随着跨区域调水工程建设、城市地下空间的利用、矿业开发力度不断增大等，各类地下工程建设的深度越来越深已成趋势。如南非绝大多数金矿的地下巷道都在1 000 m深以下，开采深度最大达3 700 m；加拿大、美国、澳大利亚的一些有色金属矿山开采深度也超过1 000 m。我国的矿山开采深度也在逐年增加，有的矿山开采深度已超过1 000 m，小秦岭金矿、三山岛金矿等都将进行深部矿产开采［3］。国外深部地下工程建设历史较早，对工程建设运行存在的各种工程技术问题有较系统的研究，已形成了用于指导工程实践的较完备的理论体系及合理的标准体系［4－5］，而国内针对深部地下空间的开发技术研究起步较晚，解决各种技术问题的水平有待进一步提高。笔者对水利工程地下洞室、矿山巷道等地下工程勘察及围岩稳定性分析评价方面的研究成果进行了梳理分析，以期为该领域工作提供参考。

1 水利工程地下洞室、引调水隧洞工程

南水北调西线工程是黄河中上游地区调水的宏大工程，是解决我国西北六省区用水和黄河生态用水的重大举措。第一期调水工程中深埋长隧洞总长244.1 km，其中最长隧洞73 km，最大埋深1 100 m，深埋长隧洞施工是必须面对的问题。薛云峰等［6－8］采用CSAMT 基本理论，研究了各种波区视电阻率的定义及相互关系，提出了计算视电阻率的公式，并对可控源音频电磁法数值模拟和算法进行了研究，提出了基于南水北调西线工程岩性特征不同三维地质模型的有限元数值模拟模型和计算分析评价方法，总结了以可控源音频大地电磁法为主，配合其他物探方法进行南水北调西线工程深埋长隧洞的探测方法，为南水北调西线工程前期勘察提供了理论指导。

Miao M M 等［9］结合本溪市观音阁水库引水工程，建立了深埋导流隧洞的三维固结模型，利用FLAC3D从围岩应力分布、挠度大小和塑性区分布等方面对隧洞K20＋820—K20＋880 段开挖后的围岩稳定性进行了综合分析。分析表明：隧道开挖后，隧道顶部和侧壁均存在不同程度的压应力集中区，其中侧壁受到较大的水平挤压；在拉应力集中区，拉应力值大于隧道右上拱角和左下拱角处岩石的抗拉强度，在两个拱角处将发生拉破坏，不利于围岩稳定。

Wand L H 等［10］采用RMR 法对深溪沟水电站装配洞室围岩进行了分类，采用基于最新Hoek－Brown准则的有限差分模型对装配室的稳定性进行了分析，并将计算结果与监测数据进行了比较。结果表明：根据RMR 分类方法，在装配室的每个部分都有Ⅳ类和Ⅲ类围岩。Zbdn（1）地体属Ⅳ类围岩，质量较差；Zbdn（2）和Zbdn（3）地体属Ⅲ类围岩，质量一般。考虑岩体结构、块体强度、应力状态等因素对岩体参数的影响，利用有限差分技术FLAC3D 对装配式洞室开挖过程进行了数值模拟，计算结果和监测数据吻合较好。

安李良等［11］在KMTC 项目隧洞施工中，采用RMR 法对隧洞围岩进行分级，在缺少岩体强度试验的前提下，结合国家规范对岩体强度进行RMR 评分，通过查阅Bieniawski Z.T.的《Engineering Rock Mass Clas⁃sifications》一书，解决了RQD 的取值问题，明确了RMR 法中节理间距和不连续结构面特征的取值需要根据不同情况来打分，然后根据其比重求取平均值。通过上述改进和参数取值的明确，地质工程师可以在现场快速有效地对围岩进行分级，指导项目施工。

孙宇超［12］为了探究不同梯形巷道围岩应力特征及变形规律，以控制变量法为基础，以FLAC3D 软件数值模拟为技术手段，对等腰梯形巷道和直角梯形巷道周边的水平应力、垂直应力和最大主应力展开了研究。结果表明：随着梯形巷道顶底宽比例的增大，等腰梯形巷道水平应力逐渐向底板转移，巷道底板两侧边角处为应力集中区域；随着顶板与侧帮（低帮）角度的增大，直角梯形巷道周边的应力呈非对称分布，巷道周边的水平应力逐渐向直角梯形巷道高帮一侧转移，且巷道顶板靠近高帮一侧为应力集中区域。对比发现，无论采用等腰梯形巷道还是直角梯形巷道，巷道围岩稳定性的主控应力均为垂直应力。

综上，在深埋长调水引水隧洞方面，众多学者系统研究了高精度综合物探勘察方法，对获取岩体岩性特征、岩体结构组合单元划分提供了快速精准的勘察方法组合。

2 交通隧道工程

李天龙［13］结合弱胶结软岩的物理力学性能，分析了弱胶结软岩巷道的变形破坏特征及其影响因素，借助UDEC 软件，研究了埋深和侧压系数λ对巷道围岩变形破坏特征、塑性区分布特征的影响，从而得到弱胶结软岩巷道变形失稳规律：随着埋深的增加，巷道围岩的位移增加量不断变大，位移增加幅度逐渐变小；当λ＜1.2 时，随着侧压系数的增大，巷道顶底板位移增大幅度先增大后减小，之后随着侧压系数的增大，位移增加幅度基本不变；对于巷道帮部，位移增加幅度随着侧压系数的增大逐渐减小。

Huang S 等［14］提出了一种基于分组中心向量的KNN 算法，降低了计算复杂度，提高了算法的预测性能，首次将改进的KNN 算法应用于某高速铁路隧道围岩稳定性预测中，取得了很好的效果，并通过室内试验来评估隧道围岩是否稳定。试验结果与预测结果相吻合，进一步证明了该算法的有效性。

Zhou J 等［15］为了使用BQ 方法预测中国深埋隧道的围岩变形，首先，收集并分析了52 条隧道的数据，以确定围岩等级、开挖方法、埋深、隧道跨度和围岩变形之间的关系；其次，通过将地质强度指数（GSI）与另一个分类系统RMR 和BQ 进行拟合，并考虑BQ 值的修正系数等，确定不同围岩等级与GSI 评分范围的等效性；再次，基于Hoek－Brown 强度准则，在考虑初支护安装时间和锚杆体积力的情况下，提出了弹脆性塑性、应变软化和弹理想塑性3 种破坏模式下围岩变形的理论分析方法；最后，对理论方法进行了分析，并与实测数据进行比较，验证了其可行性。此外，还分析了埋深、围岩等级、支护参数、支护时间和围岩变形裕量对支护效果的影响。分析结果对我国深埋隧道围岩变形预测具有一定的指导意义。

Zhao D S 等［16］根据某隧道工程的地质资料和开采条件，利用软件FLAC3D 模拟隧道开挖过程，分析了采动作用下围岩的破坏特征。为了更好地分析隧道开挖后的竖向位移规律，选取隧道拱顶和底部的部分节点进行竖向位移监测。数值模拟结果与实测值接近，为隧道工程的安全施工提供了理论支持。

Sun H J 等［17］以我国某隧道斜井为研究对象，借助FLAC3D 数值模拟软件建立了数值模型，对该隧道四级围岩断面的实际工况进行了数值模拟，并将数值模拟结果与实际监测结果进行比较，验证了模型的合理性。

Wang H P 等［18］基于考虑弹塑性与损伤理论的耦合方法和不可逆热力学理论，建立了节理岩体弹塑性损伤本构模型。基于该弹塑性损伤本构模型，采用Visual Fortran 语言编制了三维弹塑性损伤有限元程序（D－FEM），可以对地下工程的整个开挖过程进行数值模拟，并对围岩的结构稳定性进行分析。与流行的商用软件FLAC3D 相比，D－FEM 具有计算速度快、单元分组功能强、提供更多材料模型等优点。在此基础上，考虑3 种不同的计算方案，采用FLAC3D 和D－FEM对分叉隧道围岩进行了结构稳定性分析。结果表明：使用FLAC3D 和D－FEM 得到的数值模拟结果几乎一致，但从损伤软化区来看，采用D－FEM 得到的数值模拟结果更接近现场围岩的实际情况。

综上，针对交通隧道工程，学者们采用UDEC 软件、有限元软件FLAC3D、BQ 方法预测评价了国内深埋隧道的围岩等级、开挖方法、埋深、隧道跨度和围岩变形之间的关系；通过将GSI 与另一个分类系统RMR和BQ 进行拟合，并考虑BQ 值的修正系数等因素的基础上，提出了确定不同围岩等级与地质强度等参数的方法，为同类工程勘察及评价提供了参考。

3 矿山地下巷道工程

黄河流域是我国重要的矿业开发地区之一，矿山地下工程施工中围岩变形破坏是矿山开采工作面临的重大难题之一。付友等［19］以鲍店煤矿七采区新建3＃煤仓为研究对象，结合采区煤仓高地应力、泥岩围岩地质条件，运用FLAC3D，通过数值计算对比分析，对不同直径开挖过程中围岩应力赋存状态、塑性区厚度、仓壁表面位移等重要参数进行可视化分析，根据计算结果得出煤仓直径对周围岩石和巷道的影响规律。通过仓壁围岩变形特征和塑性区发育厚度等分析，最终确定煤仓的大小，为后续支护参数设计及施工提供理论依据。

Wu X G 等［20］以金川第三矿区1 号矿体为例，得出了围岩质量评价指标与空间位置的对应关系。通过RMR 岩石分类方法，利用Rockware 建模系统和有限的地质信息进行RMR 和RQD 分析，表明1 号矿体的岩石属于Ⅲ型，类似于Ⅴ型，其岩体介于正常和不稳定之间。通过Rockware 建模系统，建立了UCS、RQD 和RMR 的三维岩石性质模型，发现东上盘5、6 排存在不利于Ⅴ型块体崩落法施工的岩石。最后，根据地层数值模型进行统计分析，结果发现：因为其属于Ⅳ型岩体，所以岩块基本上具有良好的可崩性。在设计块体和管理图纸时，必须特别注意稳定性中等的Ⅲ型岩石和稳定性较差的Ⅴ型岩石。

Zhao Q F 等［21］利用UDEC 数值模拟软件（该软件用于研究风化岩隧道周围材料中裂缝的逐渐发展、动态扩展和变形）对风化氧化煤岩的物理力学和微观结构特征进行了分析。根据数值模拟结果揭示了有关围岩衰减、强度和变形演化的信息，并分析了巷道破坏的原因，提出了优化措施。该研究结果可应用于有关巷道破坏、变形机制和添加适当支护的其他研究。

吴建兰［22］针对煤峪口矿上煤层与下煤层距离太近的问题，建立上覆煤层采空区数值模型，通过分析12＃煤层采空区对14＃煤层巷道围岩的影响，采用FLAC3D 对围岩的应力和塑性区分布规律及巷道位移变化进行了分析。

孔亮［23］针对宋新庄煤矿110301 工作面运输顺槽和辅运顺槽巷道出现围岩变形破坏严重、威胁工作面安全高效开采的问题，在RMR 评价体系基础上，将锚杆（索）拉拔试验、围岩矿物成分分析纳入稳定性分析，确定巷道闲置时间太长、受水理作用影响明显、地质构造复杂为围岩变形破坏的主要原因。提出采用注浆加固、锚索补强支护、架棚或点柱＋梁支护、补齐锚网、喷浆等技术措施，加强不稳定区域支护强度，保证回采安全。

桑士震［24］以山东金场金矿区典型巷道为研究对象，采用现场观测、理论分析、室内试验、数值模拟等方法，对适用于构造应力集中区域的巷道围岩稳定性评价方法进行了研究。通过分析矿区构造裂隙及地应力分布规律，明确了金场矿区构造应力集中的地质特征；通过巷道变形及支护破坏现场观测与评价，总结了矿山巷道现有支护体系形式；通过矿山构造工程效应分析确定了研究区巷道稳定性不利因素，提出了构造应力集中区域巷道“掘－评－支”各环节的处理措施。基于对BQ、RMR 及IRMR 等方法的应用及研究，通过多段拟合、方法融合、加权平均、假设验证、细化亚级等方法，建立并优化了J－IRMR 巷道围岩稳定性评价方法；定义了J－IRMR 法的连续性多段拟合函数及地应力修正系数，提高了该方法的量化分析程度；拓展了RMR法的评分区间，将RMR 法的5 级分类体系细化为5 个一级、9 个亚级，其中Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ级分别细化为Ⅰ－Ⅰ、Ⅰ－Ⅱ、Ⅳ－Ⅰ、Ⅳ－Ⅱ、Ⅴ－Ⅰ、Ⅴ－Ⅱ、Ⅴ－Ⅲ等亚级。通过BQ 法与J－IRMR 法的应用对比、巷道稳定性FLAC3D 数值模拟等方法，验证了J－IRMR 法对金场矿区构造应力集中区域的适用性。综合评价矿区巷道围岩稳定性整体较差，多在Ⅲ级以下，且巷段岩体质量级别随岩性变化明显，对巷道差异支护提出了较高的要求；通过FLAC3D 对巷道支护效果进行数值模拟，说明了巷道锚杆支护参数随岩体质量级别进行差异设置的合理性。

穆锡川等［25］对大柳行金矿奄口矿区进行了节理裂隙调查统计，采用Mathematica 软件对调查区域内660 条节理裂隙测量数据进行分析，并绘制了相应的裂隙等密图、倾向和走向玫瑰图及倾角直方图。

舒计步［26］采用室内单轴压缩和三轴压缩岩石力学试验得到岩石的物理力学材料参数，并对岩石在单轴压缩下的变形规律和破坏模式进行了研究，运用FLAC3D 软件对应力变化规律进行了计算分析验证，提出直墙拱形巷道弹塑性力学分析的当量折算法。采用数值模拟和理论分析等方法，揭示了出矿巷道在构造应力以及动力扰动作用下的围岩变形破坏特征。同时采用RMR 法对冬瓜山铜矿的围岩情况进行现场地质调查，采用FLAC3D 软件研究动载峰值应力以及动荷载作用时不同构造应力系数下出矿巷道的力学变形规律。

代迈等［27］为研究煤矿节理地层TBM 掘进巷道围岩损伤规律和特征，以张集煤矿1413A 综采工作面瓦斯抽采巷道为工程背景，根据工程现场岩性条件、节理发育特征和地应力场条件，采用UDEC 离散单元法数值模拟软件建立巷道数值模型，研究了在TBM 掘进扰动条件下煤矿节理地层巷道围岩损伤破坏规律。结果表明：围岩节理、裂隙分布特征是影响巷道围岩损伤特性的主要因素；节理交错贯通区域易出现围岩的宏观损伤和断裂；施工时应重点支护顶板，防止冒顶事故发生。工程现场监测情况与数值计算结果一致性较好，说明所采用的研究手段能够反映工程现场的实际情况。

刘洪林等［28］针对近距离煤层斜穿遗留煤柱巷道围岩大变形难题，基于登茂通矿地质条件，构建UDECTrigon 数值模型，分析了距2＃煤层区段煤柱中心0、10、20、30 m 处巷道围岩变形破坏特征及裂隙演化规律。结果发现：掘进期间，距煤柱中心0 m 处，两帮变形破坏严重，两帮移近量达60 mm，呈对称分布；距煤柱中心10 m 处，两帮变形呈不对称分布；回采期间，巷道变形破坏程度显著加剧，距煤柱中心10 m 处，顶板结构易失稳破坏，变形具有不对称性；距煤柱中心20 m 处，巷道顶底板变形严重；距煤柱中心30 m 处变形破坏相对较小。研究表明：距2＃煤层区段煤柱中心不同位置处巷道结构变形破坏呈显著差异性，围岩变形与裂隙发育正相关，小变形时以剪切裂隙发育为主，围岩失稳破坏伴随张拉裂隙快速增加。

王现国等［29－30］在小秦岭矿区工程地质勘察中，通过物理力学试验、声波测试及变形监测等综合研究巷道围岩稳定性。通过开展碎裂石英剪切试验、岩石单轴压缩变形试验、岩石劈裂试验、岩石剪切试验等，取得开采区域代表性岩土体合理的物理力学参数，为后续稳定性评价提供了必要的数据。采用TS02 全站仪监测掌子面开挖所引起的巷道拱顶位移变化及位移收敛变化情况，监测内容包括拱顶下沉量、收敛变化累计量。该方法操作过程简便、可靠，受现场施工干扰小，操作过程优于采用收敛计和水准仪常规接触量测，减少了挂尺或立尺等因素引起的误差。

巷道围岩分级是正确进行巷道设计与施工的基础。蒋权［31］在开展巷道稳定性评价时，采用改进RMR 法及三维可视技术对某矿区巷道围岩进行分级评价。一个合理的、符合地下工程实际情况的围岩分级，对于优化地下结构设计、降低工程造价、多快好省地修建巷道有十分重要的意义。

吴佳俊等［32］利用FLAC3D 软件对某隧道开挖后塑性区范围、位移及应力随开挖过程变化情况进行了数值模拟。该方法还可考虑锚杆、挡土墙等支护结构与围岩的相互作用。根据巷道围岩结构特征，通过FLAC3D 数值分析可深入研究围岩层状结构、混合结构、碎裂结构和散体结构，开展支护前后稳定性分析。

裴向军等［33］利用UDEC 对某矿区巷道不同结构破坏模式进行数值模拟分析。此模拟软件主要用于模拟非连续介质（如岩体中的节理裂隙等）承受静载或动载时的响应［34］。利用UDEC 可实现对巷道不同结构（层状结构、混合结构、碎裂结构、散体结构）破坏模式、失稳塌落破坏过程的数值模拟分析，较为理想地再现不同结构围岩的破坏情况［35］。

综上，在超深矿山地下工程方面，学者们采用多种软件分析建模，通过巷道变形及支护破坏现场观测与评价，总结了矿山巷道现有支护体系形式，给出了基于UDEC、FLAC3D 等软件的定量计算评价模型。

4 地下工程开发技术研究方向及建议

为了在更高水准、更广泛领域促进深埋大断面长隧洞地下工程开发，应加强在地质探查解析技术、隧洞断面力验算方法、侧面土压力系数和地基反力系数确定方法、超深孔原位试验测试技术、围岩破坏模式及稳定性评价技术、深埋地下工程测量控制技术、超深孔钻探工艺和装备、深埋地下工程设计技术、施工工程探查控制技术、地下水控制技术、长距离快速挖掘技术、大型空间挖掘技术、竖井掘进技术、盾构隧道设计施工技术、渣土排出处理技术等方面的科技创新研究，为高效开发利用地下空间提供技术支撑。

近年来，地下工程勘察与围岩稳定性评价方法取得了显著进展，采用现场观测、多种现场原位岩土试验、室内岩土试验等方法，更加全面系统地揭示了不同围岩岩体的物理力学特性，构建了不同影响因素条件下的围岩稳定性评价数值模型，科学分析了围岩变形破坏模式。为保障各类地下工程安全运行，提出以下建议。

（1）构建科学的地下工程勘察技术方法。地下工程具有复杂性及特殊性，针对典型地下工程变形破坏点的现场工程地质调查，要结合声波探测、变形监测及岩石室内外试验，深入分析围岩的物理力学性质、岩体结构类型、结构面组合特征、围岩级别、松动圈范围、变形情况及破坏模式等。

长距离调水引水工程深埋长隧洞的施工是水利工程施工中的难点，如何在隧洞设计与施工之前对隧洞的工程地质条件进行精准勘察，如何利用地表勘探、地质调查、综合地球物理探测技术获取引水隧洞附近地层结构和物性特征，准确进行地层岩性划分，尤其是查明断裂构造的空间展布特征，如何解决隧洞施工过程中突水突泥、岩爆、围岩大变形等，都是当前所面临的重大问题。

目前我国很多矿山在向深层开采发展，但是深层开采的地质条件及其他环境因素在很大程度上不同于浅层开发，要充分研究深层开发所面临的地下工程问题。在工程勘察方面，应加强对遥感技术、高精度物探技术的投入，以确保地质勘探的精确性，建立仿真程度高的地质结构模型，精准评价地下工程围岩稳定性，尤其是应加强老矿井二次开发过程中地下洞室稳定性评价方法研究及高智能信息技术在地下工程开挖开采中的运用。另外，如何有效预测开采中可能出现的地质风险，以及如何进行开采过程技术控制是需要解决的问题。

（2）加强地下工程变形破坏模式的数值模拟分析。深埋长隧洞引水工程、一大批巨型电站的地下引水工程的洞室稳定性问题都是勘察、设计工作所面临的难题，建立不同围岩结构类型稳定性评价方法、评价指标体系及变形破坏模式的定量数值模拟分析，对解决围岩失稳破坏的工程问题意义重大。

（3）建立科学安全的围岩变形治理方法模式。地下工程具有隐蔽性，施工中噪声、振动、挖掘出的渣土处理、对地下水的影响、地表及地下变形等均需要进行分析处理。大断面隧洞通过断层时，如何确保成洞围岩稳定、提高围岩的自稳能力是施工所面临的重大难题。针对不同围岩结构类型、变形破坏模式，应研究科学、合理、经济的支护防护措施，为地下工程安全运行提供技术支持。