謝和平，張 茹*，任 利，張安林，張志龍，鄧建輝，徐正宣，張廣澤，馮 濤，王 棟,，王哲威，伊小娟，林之恒，李嘉雨,，張澤天，袁 東,，賈哲強(qiáng)

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；

2.四川大學(xué) 深地科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

川藏鐵路東起四川成都，西至西藏拉薩（圖1），是國家“十四五”規(guī)劃實(shí)施的重大工程、世紀(jì)工程，其建設(shè)對于推動川藏地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)民族團(tuán)結(jié)，鞏固邊疆穩(wěn)定等國家戰(zhàn)略需求具有重大意義。作為建設(shè)在全球新構(gòu)造運(yùn)動最為強(qiáng)烈且有“世界屋脊”之稱的青藏高原上的長大干線，川藏鐵路將穿越8座海拔4 000 m以上的高山，沿線設(shè)置大量深埋隧道。新建雅安—林芝段擬建隧道72座，隧線占比高達(dá)84.4%，已于2020年陸續(xù)開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2030年竣工，其中，超千米埋深（最深達(dá)2 080 m）隧道31座，占正線長度62.6%，其建設(shè)面臨大量亟待解決的高難度深部巖石力學(xué)工程與科學(xué)技術(shù)難題。

圖1 川藏鐵路路線及地形地貌圖[1]Fig. 1 Route and topographic-geomorphologic map of Sichuan—Tibet railway[1]

川藏鐵路沿線地形地貌劇烈起伏，地層巖性復(fù)雜多變，深大活動斷裂分布廣泛，內(nèi)外地質(zhì)作用異常活躍，多場環(huán)境耦合作用強(qiáng)烈，且面臨高地應(yīng)力、高地溫、高水壓、高海拔、高地震烈度等不良地質(zhì)環(huán)境，工程建設(shè)難度與安全風(fēng)險(xiǎn)國際罕見。在極端復(fù)雜的工程環(huán)境及強(qiáng)烈的工程擾動影響下，川藏鐵路深埋長隧建設(shè)過程中，巖爆、大變形、突水突泥、塌方冒頂?shù)裙こ虨?zāi)害問題更加凸顯。其中，深部高地應(yīng)力巖爆和圍巖大變形是川藏鐵路深埋隧道圍巖失穩(wěn)災(zāi)變最為常見的兩種典型顯現(xiàn)形式。定測階段資料顯示：全線硬質(zhì)巖隧道實(shí)測最大地應(yīng)力53.06 MPa，預(yù)測27座隧道發(fā)生巖爆災(zāi)害（長度占比15.3%）；全線軟巖隧道實(shí)測最大地應(yīng)力為44.30 MPa，預(yù)測43座隧道發(fā)生大變形（長度占比17.8%）。深部高頻率、大體量的圍巖災(zāi)變失穩(wěn)極易造成嚴(yán)重的安全事故及巨額經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，影響工程建設(shè)進(jìn)度。如川藏鐵路拉薩—林芝段的桑珠嶺隧道和巴玉隧道，在建設(shè)過程中頻繁發(fā)生巖爆，導(dǎo)致隧道內(nèi)臺架被嚴(yán)重摧毀，施工人員受傷。因此，深埋隧道圍巖災(zāi)變問題必將是川藏鐵路安全高效建設(shè)的核心研究主題之一。

然而，受深部環(huán)境與工程擾動影響，深部巖體力學(xué)響應(yīng)規(guī)律和災(zāi)變孕育過程不清楚，甚至基于傳統(tǒng)巖石力學(xué)視角建立的理論模型也可能在深部失效，深部圍巖災(zāi)變預(yù)測與控制面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。符合深部特征的圍巖災(zāi)變分析研究，既是國家戰(zhàn)略工程川藏鐵路深埋長隧建設(shè)的重大現(xiàn)實(shí)需求，也是保障極端復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的深地空間安全利用和深部資源安全開采的核心關(guān)鍵。

事實(shí)上，巖爆、大變形等深埋隧道圍巖的災(zāi)變問題與深部原位環(huán)境下的巖體質(zhì)量和工程力學(xué)響應(yīng)是直接相關(guān)的。因此，符合深部特征的圍巖災(zāi)變分析研究，需要緊緊抓住深部原位環(huán)境特征及工程擾動特征，需要解決準(zhǔn)確刻畫深部巖體質(zhì)量的難題。據(jù)此，作者立足于川藏鐵路工程建設(shè)的重大現(xiàn)實(shí)需求，圍繞核心研究主題“深部圍巖災(zāi)變分析”，在系統(tǒng)調(diào)研與總結(jié)以往研究成果的基礎(chǔ)上，從深部圍巖孕災(zāi)的原位地質(zhì)環(huán)境與工程擾動效應(yīng)入手，圍繞深部圍巖質(zhì)量分級、大變形判識和巖爆孕災(zāi)等內(nèi)容進(jìn)行深入思考與系統(tǒng)研究。相關(guān)研究成果與學(xué)術(shù)思想可為川藏鐵路沿線深埋長隧安全建設(shè)與穩(wěn)定運(yùn)營提供科學(xué)依據(jù)；隨著后續(xù)滇藏鐵路、新藏鐵路等其他進(jìn)藏“天路”的陸續(xù)規(guī)劃實(shí)施，有望廣泛輻射至青藏高原深部工程開發(fā)與應(yīng)用實(shí)踐。

1 川藏鐵路深部圍巖孕災(zāi)原位地質(zhì)環(huán)境概述

1.1 地質(zhì)構(gòu)造特征

川藏鐵路途經(jīng)青藏高原，地處岡瓦納大陸與歐亞大陸交匯部位，是巨型環(huán)球緯向特提斯構(gòu)造域的東部主體，涵蓋東特提斯構(gòu)造域和岡瓦納大陸與歐亞大陸碰撞拼合的關(guān)鍵地帶。受控于印度板塊與歐亞板塊在喜馬拉雅地區(qū)的陸-陸碰撞及碰撞后持續(xù)的向北推移和楔入作用，使得川藏鐵路廊道新構(gòu)造運(yùn)動十分強(qiáng)烈。川藏鐵路沿線途經(jīng)4個一級構(gòu)造單元、12個二級構(gòu)造單元，分布有鮮水河斷裂帶、金沙江斷裂帶、瀾滄江斷裂帶、怒江斷裂帶、嘉黎斷裂等11條全新世活動斷裂帶（圖2）。新建雅安至林芝段斷層、褶皺等地質(zhì)體發(fā)育十分密集，共穿越斷層227條、褶皺65條，沿線地質(zhì)構(gòu)造有多樣性、復(fù)雜性等特征。

圖2 川藏鐵路廊道地質(zhì)構(gòu)造示意圖[1]Fig. 2 Schematic diagram of the geological structure of the Sichuan—Tibet railway corridor[1]

1.2 地層巖性特征

川藏鐵路廊道地層巖性復(fù)雜多變，地表出露元古宙以來的各時(shí)期地層。以中生代三疊系出露范圍最廣，主要地層巖性有：以砂巖、板巖、千枚巖為主的沉積巖、變質(zhì)巖，以花崗巖為主的侵入巖，以灰?guī)r為主的可溶巖。昌都以東的地層巖性以砂巖、泥巖等沉積巖和變質(zhì)砂巖、板巖等淺變質(zhì)巖為主，局部分布有花崗巖侵入巖；昌都以西主要以片麻巖、花崗巖等硬質(zhì)巖為主，局部分布砂板巖等軟質(zhì)巖，如圖3所示。

圖3 川藏鐵路廊道地層巖性分布[10]Fig. 3 Distribution of formation lithology of the Sichuan—Tibet Railway corridor[10]

其中：三疊系砂礫巖、板巖、千枚巖等典型工程軟巖的單軸抗壓強(qiáng)度較低（7～33 MPa），高地應(yīng)力環(huán)境下具有顯著的時(shí)效力學(xué)特性；志留系片巖、白堊系二長花崗巖、花崗閃長巖等典型工程硬巖的單軸抗壓強(qiáng)度較高（85～152 MPa），表現(xiàn)出高強(qiáng)度巖石的顯著脆性破壞特性。

1.3 圍巖賦存環(huán)境

受青藏高原強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動的影響，川藏鐵路廊道的水平構(gòu)造應(yīng)力量值大且方向復(fù)雜，極高地應(yīng)力隧道段落長。鉆孔實(shí)測地應(yīng)力資料顯示：雅安至金沙江縫合帶預(yù)測最大主應(yīng)力13～51 MPa，以北西方向?yàn)橹?；貢覺至林芝段，預(yù)測最大主應(yīng)力22～66 MPa，以北東向方向?yàn)橹?。由于川藏鐵路沿線深大斷裂發(fā)育，形成了良好的集水通道，加之沿線隧道埋深極大，極易在脆性巖層區(qū)域形成高壓富水帶。其中，康定、折多山、寶靈山、色季拉山隧道均在施工現(xiàn)場揭示了高承壓水現(xiàn)象。川藏鐵路沿線的高地溫環(huán)境主要受到大埋深和水熱活動控制；受地溫梯度影響，大埋深隧道圍巖溫度往往較高。同時(shí)，地下水沿?cái)嗔褞B入并向深部循環(huán)，被地下熱源體加熱后上升隱伏于地下或出露于地表，形成系列溫泉及高溫異常區(qū)。其中：川藏鐵路雅安至昌都段溫泉分布眾多，67處與線路關(guān)系較大；昌都至林芝段測區(qū)分布溫泉115處，8處與線路關(guān)系較大，水溫可達(dá)25～98 ℃。

整體而言，川藏鐵路沿線斷層、褶皺密集發(fā)育，以深大活動斷裂為主控構(gòu)造，并且這些深大斷裂多屬活動斷裂，斷裂破碎帶膠結(jié)差，導(dǎo)致其影響帶、次級構(gòu)造發(fā)育張性或張扭性裂隙、斷裂，這為高溫地下水向上運(yùn)移，形成高溫高壓富水帶提供了有利條件。同時(shí)，沿線地層巖性混雜多變，從第四紀(jì)至震旦紀(jì)地層均有分布。強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動、混雜的地層巖性和活躍的水熱活動等共同孕育了深部圍巖高地應(yīng)力、高滲壓、高地溫復(fù)雜原位賦存環(huán)境，如圖4所示。

圖4 川藏鐵路隧道圍巖賦存環(huán)境特征[12-14]Fig. 4 Occurrence environment characteristics of surrounding rock of Sichuan—Tibet Railway tunnel[12-14]

2 深部圍巖孕災(zāi)工程擾動效應(yīng)的挑戰(zhàn)與思考

2.1 問題與挑戰(zhàn)

在川藏鐵路深埋隧道等地下工程建設(shè)過程中，圍巖常面臨“三高一擾動”（高地應(yīng)力、高地溫、高滲壓和工程擾動）的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境，其災(zāi)變過程及力學(xué)控制機(jī)理與淺部巖體相比更為復(fù)雜。深部高地應(yīng)力等極端賦存環(huán)境下，軟巖常表現(xiàn)出強(qiáng)流變特性；硬巖則持續(xù)積聚應(yīng)變能，且對于外界工程活動十分敏感，極易在工程擾動下發(fā)生突然破壞與失穩(wěn)，誘發(fā)巖爆和圍巖大變形等工程災(zāi)害?？梢?，工程擾動是深部圍巖災(zāi)變分析及穩(wěn)定性研究不容忽視的關(guān)鍵因素。

為此，國內(nèi)外學(xué)者主要通過設(shè)計(jì)與工程現(xiàn)場相接近的應(yīng)力路徑、開展卸荷試驗(yàn)或現(xiàn)場監(jiān)測等，研究深部巖體的擾動災(zāi)變行為及工程響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明，深部巖體力學(xué)性質(zhì)具有明顯的應(yīng)力路徑相關(guān)性，圍巖應(yīng)力重分布特征可用于開挖損傷區(qū)大小的判斷，開挖導(dǎo)致的擾動應(yīng)力演化是深部圍巖災(zāi)變失穩(wěn)的主要原因。同時(shí)，開挖卸荷會導(dǎo)致巖體發(fā)生明顯的拉伸破壞，地應(yīng)力的卸載也是圍巖損傷破壞的重要原因之一。此外，大量現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示，在開挖瞬時(shí)原巖應(yīng)力平衡被打破，到最終應(yīng)力穩(wěn)定這一過程中，各開挖區(qū)域的應(yīng)力重分布特征和加卸荷情況直接影響圍巖的最終破壞形式。一方面，開挖應(yīng)力重分布引起的應(yīng)力集中會導(dǎo)致圍巖破裂范圍更廣，破裂程度更嚴(yán)重；另一方面，開挖后的持續(xù)卸荷過程使圍巖漸進(jìn)破壞特征更加顯著。在擾動應(yīng)力集中和持續(xù)卸荷的共同影響下，圍巖的破壞過程及災(zāi)變機(jī)理更加復(fù)雜不清。這些研究成果加深了對深部圍巖擾動破壞行為和失穩(wěn)災(zāi)變響應(yīng)的認(rèn)識，凸顯了深部圍巖孕災(zāi)研究考慮工程擾動影響的必要性與重要性。

目前，通過相關(guān)理論分析、室內(nèi)模擬和現(xiàn)場監(jiān)測研究，對于深部圍巖災(zāi)變失穩(wěn)的工程擾動效應(yīng)已有整體的把握，但工程擾動方式差異對深部圍巖孕災(zāi)的影響尚未得到系統(tǒng)考慮和深入揭示。事實(shí)上，深部工程災(zāi)害多是深部巖體的力學(xué)平衡被打破后損傷累積失穩(wěn)災(zāi)變的結(jié)果，不同的開挖擾動方式（鉆爆開挖、機(jī)械掘進(jìn)等）將造成深部圍巖災(zāi)變力學(xué)行為及工程響應(yīng)有所不同。對于川藏鐵路深埋隧道工程實(shí)踐，深部圍巖常面臨高水平構(gòu)造應(yīng)力條件，即使在同一地應(yīng)力水平下，不同的開挖擾動方式也可能引起深部圍巖的裂隙結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)差異性演化特征，導(dǎo)致圍巖即時(shí)強(qiáng)度、變形特性和破壞行為等呈現(xiàn)出不同特征，直接影響隧道圍巖災(zāi)變分析及穩(wěn)定性評價(jià)。因此，亟需系統(tǒng)考慮不同工程擾動方式的影響，深入開展深部圍巖孕災(zāi)工程擾動效應(yīng)研究。

2.2 思考與進(jìn)展

由上述分析可知，對于深部圍巖孕災(zāi)工程擾動效應(yīng)問題的合理探討，應(yīng)當(dāng)建立在深入認(rèn)識開挖擾動方式對圍巖災(zāi)變造成的差異性影響的基礎(chǔ)上。因此，以工程擾動方式差異為核心，從試驗(yàn)?zāi)M、理論分析等方面開展初步研究與思考，力爭回答深部圍巖孕災(zāi)工程擾動效應(yīng)研究中涉及的一些核心難題—試驗(yàn)?zāi)M如何還原深部工程擾動效應(yīng)，以及理論分析如何考慮深部工程擾動效應(yīng)。

試驗(yàn)?zāi)M如何還原深部工程擾動效應(yīng)方面：深部洞室開挖將引起圍巖的大范圍變形和應(yīng)力重分布，且在不同開挖條件下，深部圍巖的擾動應(yīng)力演化規(guī)律各不相同，但整體上仍存在明顯的共性特征（圖5）。據(jù)此，系統(tǒng)考慮了全斷面鉆爆法、分部開挖鉆爆法和全斷面掘進(jìn)機(jī)法3種開挖擾動方式，將深部圍巖開挖擾動全過程中的應(yīng)力演化過程概化為原巖應(yīng)力、開挖擾動、應(yīng)力穩(wěn)定3個階段；考察了工程擾動過程中深部圍巖內(nèi)部應(yīng)力的演化共性規(guī)律；結(jié)合相關(guān)理論分析，建立了深部圍巖開挖擾動應(yīng)力路徑的控制方程，并通過引入應(yīng)力集中系數(shù)定量刻畫了不同開挖方式下圍巖應(yīng)力重分布的差異性特征；最后，提出綜合考慮深部賦存環(huán)境及開挖擾動方式影響的巖體災(zāi)變力學(xué)行為模擬方法。

圖5 工程擾動過程中的應(yīng)力演化示意圖[25]Fig. 5 Schematic diagram of stress evolution during engineering disturbance[25]

圖6為不同開挖擾動方式下深部圍巖災(zāi)變力學(xué)行為模擬的試驗(yàn)應(yīng)力路徑，區(qū)別于標(biāo)準(zhǔn)化的“從0加載到破壞”的巖石全應(yīng)力-應(yīng)變力學(xué)試驗(yàn)，該方法能夠同時(shí)反映開挖擾動方式和賦存深度對圍巖災(zāi)變力學(xué)響應(yīng)的影響，克服了傳統(tǒng)巖石力學(xué)加載路徑與圍巖擾動應(yīng)力場沒聯(lián)系、與賦存深度沒聯(lián)系、與開挖方式?jīng)]聯(lián)系的局限。作者將該方法應(yīng)用于深部錦屏大理巖擾動災(zāi)變力學(xué)響應(yīng)差異研究，揭示了工程擾動對深部圍巖災(zāi)變力學(xué)行為的影響。受工程擾動強(qiáng)烈影響，深部巖體承載能力顯著下降（長期強(qiáng)度下降35%），災(zāi)變破壞形式由剪切破壞為主轉(zhuǎn)化為拉剪破壞主導(dǎo)。

圖6 考慮開挖擾動方式的試驗(yàn)應(yīng)力路徑[25]Fig. 6 Experimental stress path considering excavation disturbance patterns[25]

理論分析如何考慮深部工程擾動效應(yīng)方面：工程巖體力學(xué)參數(shù)的定量獲取及理論估計(jì)一直都是巖土工程領(lǐng)域中的核心難題。目前，以室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)理論公式將巖塊力學(xué)參數(shù)修正并換算成巖體力學(xué)參數(shù)，是地下工程實(shí)踐普遍能接受的方法。其中，以Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的巖體力學(xué)參數(shù)估算理論是目前較為完善的方法之一。該方法基于地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSI）這一巖體強(qiáng)度參數(shù)的定量計(jì)算指標(biāo)，且考慮了地質(zhì)條件和工程擾動因素的影響。廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則如下：

式中：σ為巖塊單軸抗壓強(qiáng)度；

m

、

s

、

a

為表示巖體材料特性的半經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，可表示為GSI的函數(shù)：

式中，

m

為巖石材料常數(shù)，

D

為擾動因子。同時(shí)，Hoek和Dierichs基于大量巖體變形模量的測量數(shù)據(jù)，提出估算巖體變形模量

E

的公式：式中，

E

為完整巖石的變形模量，MPa。在地下洞室開挖過程中，GSI和Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的應(yīng)用流程見圖7。在實(shí)際應(yīng)用過程中，通過引入巖體擾動因子

D

（取值建議見表1），對巖體材料參數(shù)

m

和

s

進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)巖體強(qiáng)度、變形模量

E

等力學(xué)參數(shù)計(jì)算對工程擾動的理論考慮?；趶V義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)估算理論，重點(diǎn)以開挖后圍巖破壞的顯現(xiàn)特征為依據(jù)，進(jìn)而宏觀考量隧道圍巖災(zāi)變失穩(wěn)的工程擾動效應(yīng)，沒有細(xì)分不同工程擾動方式導(dǎo)致的圍巖破壞程度差異，較少考慮工程擾動應(yīng)力路徑對巖石強(qiáng)度的影響。由于巖塊單軸抗壓強(qiáng)度σ、巖體材料特性參數(shù)（

m

和

s

等）是廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則中的關(guān)鍵參數(shù)，作者從這兩類參數(shù)入手開展相關(guān)研究，給出了考慮不同工程擾動方式影響的巖體力學(xué)參數(shù)估算理論研究思路。

表1 地下洞室開挖過程中巖體擾動因子的取值建議
Tab. 1 Proposal for the values of the rock mass disturbance factor during underground cavern excavation

巖體外觀 巖體描述 D建議值images/BZ_11_342_591_579_805.png控制爆破效果極好或用隧道掘進(jìn)機(jī)開挖對圍巖造成極小的擾動 D=0images/BZ_11_342_837_579_1065.png劣質(zhì)巖體中用機(jī)械或人工開挖對圍巖造成極小擾動 D=0由擠壓導(dǎo)致顯著底鼓的地方，除非放置臨時(shí)倒置（左圖），否則擾動可能很嚴(yán)重 D=0.5images/BZ_11_342_1096_579_1298.png鉆爆效果非常差；硬巖洞室圍巖破壞嚴(yán)重，且會延伸圍巖內(nèi)部2或3 m D取值從巖體表面的1.0線性減小到內(nèi)部2 m處的0

首先，深部隧道開挖過程中，圍巖內(nèi)部伴隨著復(fù)雜的應(yīng)力調(diào)整。前述分析表明，不同開挖擾動方式下巖體所經(jīng)歷的應(yīng)力路徑有所差異，而這種差異會造成深部巖體的災(zāi)變力學(xué)性質(zhì)和工程響應(yīng)規(guī)律大相徑庭。那么，不同開挖擾動方式擾動后的巖石單軸抗壓強(qiáng)度特征也勢必會有所不同，若不對其進(jìn)行明確的區(qū)分，而直接采用巖石單軸壓縮力學(xué)測試結(jié)果進(jìn)行巖體強(qiáng)度理論估算，將一定程度上影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在應(yīng)用Hoek-Brown準(zhǔn)則進(jìn)行巖體強(qiáng)度理論換算時(shí)，有必要系統(tǒng)考慮工程擾動應(yīng)力路徑對巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響。具體地，作者認(rèn)為可通過引入巖塊單軸抗壓強(qiáng)度的擾動修正系數(shù)α，對廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行如下修正：式中，α反映了不同開挖擾動方式下巖塊單軸抗壓強(qiáng)度的劣化程度。

再者，在GSI和廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的工程應(yīng)用流程中，引入擾動因子

D

以反映工程擾動的影響。其中，

D

主要基于開挖后軟弱或硬質(zhì)圍巖損傷破壞的表觀特征進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)確定。由表1可知：在現(xiàn)有方法中，針對軟巖隧道開挖，

D

的取值為0或0.5；針對硬巖隧道開挖，

D

的取值為0或從洞壁的1.0線性減小至內(nèi)部2 m處的0。無論是針對軟巖或是硬巖隧道開挖，

D

的取值均比較粗略，對于工程擾動效應(yīng)的考慮較為籠統(tǒng)。而實(shí)際上，針對深埋隧道圍巖開挖過程中失穩(wěn)破壞的兩種典型形式（軟巖大變形和硬巖巖爆），工程開挖擾動后圍巖大變形的等級、巖爆的劇烈程度都并非一成不變，即不同工程擾動導(dǎo)致的圍巖失穩(wěn)破壞程度是不同的。因此，認(rèn)為有必要基于工程開挖圍巖的破壞程度差異，進(jìn)一步細(xì)分巖體擾動因子

D

的取值，這對于提高工程評價(jià)結(jié)果的精確性意義重大。將初步的研究思想歸納為：1）針對軟巖隧道開挖，可根據(jù)大變形等級、變形模式或變形速率等因素對圍巖破壞程度進(jìn)行綜合劃分，那么不同破壞程度對應(yīng)的

D

值可被細(xì)分為0～0.5范圍中的某一數(shù)值；2）針對硬巖隧道開挖，可根據(jù)巖爆發(fā)生的劇烈程度（能量釋放量、破壞范圍等）劃分圍巖破壞程度，那么不同破壞程度下圍巖表面對應(yīng)的

D

值將被細(xì)分為0～1.0范圍中的某一數(shù)值，且

D

值將從這一數(shù)值線性遞減到圍巖內(nèi)部2 m處的0。

隨著川藏鐵路的全面建設(shè)，可在以上相關(guān)研究基礎(chǔ)和研究思路的推動下，進(jìn)一步針對性地開展川藏鐵路深部圍巖災(zāi)變力學(xué)響應(yīng)與穩(wěn)定性方向的理論分析、室內(nèi)模擬及現(xiàn)場應(yīng)用研究，進(jìn)而系統(tǒng)揭示川藏鐵路深部圍巖的孕災(zāi)工程擾動效應(yīng)，為沿線深埋隧道的安全建設(shè)提供理論方法支撐。

3 深部多場耦合環(huán)境下圍巖分級的挑戰(zhàn)與思考

3.1 問題與挑戰(zhàn)

川藏鐵路廊道活動斷裂發(fā)育，新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，區(qū)域地應(yīng)力水平高，地?zé)岙惓^(qū)分布廣泛，高溫高壓水害突出。受此影響，沿線深埋隧道圍巖廣泛賦存于高地應(yīng)力、高地溫和高滲壓的復(fù)雜耦合地質(zhì)環(huán)境中。深部多場耦合環(huán)境下隧道圍巖的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生劣化，工程響應(yīng)特征更為復(fù)雜，熱力耦合巖爆、多場耦合圍巖大變形等工程災(zāi)害問題凸顯，隧道建設(shè)難度與安全風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。深部多場耦合環(huán)境下的圍巖穩(wěn)定性成為制約川藏鐵路深埋隧道安全建設(shè)的核心工程難題。巖體質(zhì)量直接影響圍巖穩(wěn)定性，準(zhǔn)確評估深部多場耦合環(huán)境下的巖體質(zhì)量是川藏鐵路深埋隧道圍巖穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵。

作為評價(jià)工程巖體質(zhì)量的重要手段，巖體分級研究經(jīng)歷了單一或少數(shù)指標(biāo)分級、多指標(biāo)定性和定量分析相結(jié)合分級及多因素綜合指標(biāo)分級幾個階段。研究表明，巖石強(qiáng)度、巖體完整性、巖體結(jié)構(gòu)、地下水和地應(yīng)力等因素均會對巖體質(zhì)量分級造成影響。發(fā)展至今，修正的

BQ

分級、

Q

系統(tǒng)分級、巖體地質(zhì)力學(xué)分級（RMR）等常用巖體質(zhì)量分級方法已認(rèn)識到地下水、地質(zhì)構(gòu)造與地應(yīng)力等因素對巖體質(zhì)量評價(jià)結(jié)果的影響，但尚未系統(tǒng)考慮地應(yīng)力、地溫和地下水綜合作用對圍巖分級結(jié)果的顯著影響。然而，川藏鐵路沿線深埋隧道建設(shè)過程中，圍巖常面臨著熱-水-力多場耦合環(huán)境特征，直接采用現(xiàn)有的巖體分級方法難以準(zhǔn)確且有效地實(shí)現(xiàn)隧道圍巖質(zhì)量評價(jià)及相關(guān)工程巖體力學(xué)參數(shù)的確定。現(xiàn)有的巖體分級體系基本上是在過去以低地應(yīng)力為主的工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上系統(tǒng)總結(jié)形成的，亟需探索符合川藏鐵路深部多場耦合環(huán)境特征的圍巖分級方法。

3.2 思考與進(jìn)展

《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50218—2014）中修正的

BQ

法是地下工程領(lǐng)域最為常用的巖體質(zhì)量分級方法之一。該方法系統(tǒng)考慮了地下水、巖體結(jié)構(gòu)面方位和地應(yīng)力等因素對巖體質(zhì)量分級的影響，即在計(jì)算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)

BQ

時(shí)，引入了3類修正系數(shù)，得到修正后的巖體質(zhì)量指標(biāo)[

BQ

]為：式中，

R

為飽和單軸抗壓強(qiáng)度，

K

為巖體完整性系數(shù)，

K

為地下水影響修正系數(shù)，

K

為主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)，

K

為初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。

修正的

BQ

法未考慮溫度這一環(huán)境因素，高溫環(huán)境對工程巖體質(zhì)量分級的影響尚不清楚，但卻正是基于該方法進(jìn)一步發(fā)展深部多場耦合環(huán)境下巖體分級方法的關(guān)鍵基礎(chǔ)。因此，首先基于修正的

BQ

法（式（5）），依托桑珠嶺隧道、齊熱哈塔爾隧洞和木扎提隧洞的高溫隧段，探討溫度對修正的

BQ

巖體分級結(jié)果的影響。結(jié)果顯示，基于修正的

BQ

法獲得的巖體分級結(jié)果與實(shí)際揭露的圍巖質(zhì)量分級情況存在顯著差異，修正的

BQ

巖體分級結(jié)果偏于工程冒進(jìn)（表2）。

表2 修正的巖體質(zhì)量分級方法對高溫環(huán)境的工程適用性評價(jià)
Tab. 2 Engineering applicability evaluation of the revised classification method of rock mass quality to high temperature environment

序號 工程 里程 長度/m 溫度/℃ 修正的BQ分級 實(shí)際圍巖分級1桑珠嶺隧道[39-40] DK185+000～186+000 1 000 73.1 Ⅱ Ⅲ2 DK186+000～187+000 1 000 56.6 Ⅰ Ⅱ3 齊熱哈塔爾隧洞[41-42] Y7+290～8+200 910 72.0 Ⅱ Ⅲ4 Y9+200～9+620 420 69.0 Ⅱ ⅢS650～660 10 60.0 Ⅱ Ⅲ6 S680～684 4 65.0 Ⅱ Ⅲ5木扎提隧洞[43]S692～705 13 65.0 Ⅱ Ⅲ8 S798～825 27 65.0 Ⅱ Ⅲ7

可見，未考慮溫度影響的修正的

BQ

法對于高溫環(huán)境下的巖體質(zhì)量分級不完全適用。因此，以修正的

BQ

法為基礎(chǔ)，進(jìn)一步考慮溫度對巖體分級的影響，從巖石強(qiáng)度劣化和巖體質(zhì)量劣化的雙重角度出發(fā)，初步探索了綜合考慮地應(yīng)力、地溫和地下水影響的圍巖分級修正方法，采用的總體研究思路見圖8。

圖8 深部多場耦合環(huán)境下圍巖質(zhì)量分級修正研究思路Fig. 8 Research ideas on classification revision of surrounding rock quality under deep multi-field coupling environment

由于巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度是修正的

BQ

法中的關(guān)鍵定量指標(biāo)，從溫度對巖石強(qiáng)度影響的角度出發(fā)，研究了川藏鐵路深部工程巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)深部花崗巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度隨著溫度的升高，呈顯著的下降趨勢，如圖9所示。

圖9 不同溫度下飽和花崗巖壓縮變形曲線Fig. 9 Compression deformation curves of saturated granite under different temperatures

據(jù)此，為反映高溫環(huán)境下巖石強(qiáng)度劣化效應(yīng)對巖體質(zhì)量分級的影響，通過引入巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度的溫度修正系數(shù)α，提出考慮溫度影響的

BQ

分級修正方法1，得到考慮巖石強(qiáng)度溫度修正的巖體質(zhì)量指標(biāo)[

BQ

]：

式中，α為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度上升而減小的量值，采用式（7）計(jì)算：

式中：

R

為高溫環(huán)境下的巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

R

為常溫環(huán)境下的巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。常溫條件下，α取1，即不考慮巖石強(qiáng)度的溫度修正；當(dāng)溫度高于常溫時(shí)，根據(jù)式（7）計(jì)算α。本文基于不同溫度環(huán)境下川藏鐵路沿線花崗巖的飽和單軸壓縮力學(xué)測試結(jié)果，通過線性插值獲得了20～100 ℃溫度范圍內(nèi)的α取值。事實(shí)上，溫度對巖體質(zhì)量分級的影響，不僅與溫度環(huán)境下巖石本身的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，還與巖體完整程度等結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。為更加全面地體現(xiàn)溫度對巖體質(zhì)量分級的影響，基于修正的

BQ

法，進(jìn)一步從溫度對巖體質(zhì)量綜合影響的角度出發(fā)，引入溫度綜合修正系數(shù)

K

，提出考慮溫度影響的

BQ

分級修正方法2。該方法中，考慮溫度修正的巖體質(zhì)量指標(biāo)[

BQ

]為：

根據(jù)圖8的研究思路，結(jié)合

K

、

K

及

K

的取值經(jīng)驗(yàn)，基于桑珠嶺隧道、齊熱哈塔爾隧洞、木扎提隧洞等高溫隧段的工程樣本分析與反饋，得到不同溫度環(huán)境及[

BQ

]取值條件下對應(yīng)的

K

，見表3。

表3 溫度綜合修正系數(shù)的取值表
Tab. 3 Values of temperature comprehensive revision coefficient

圍巖溫度[BQ]值>550550～451450～351350～251≤250輕微熱害（28 ℃<T<50 ℃）0～0.10～0.10.1～0.20.2～0.30.3～0.5中等熱害（50 ℃<T<70 ℃）0～0.10.1～0.20.2～0.30.3～0.50.5～0.8較嚴(yán)重?zé)岷Γ?0 ℃<T<90 ℃）0.1～0.20.2～0.30.3～0.50.5～0.80.8～1.0嚴(yán)重?zé)岷Γ═>90 ℃） 0.2～0.30.3～0.50.5～0.80.8～1.0 1.0

進(jìn)一步地，依托桑珠嶺隧道、齊熱哈塔爾隧洞和木扎提隧洞的30余個高溫隧段工程樣本，開展了以上兩種考慮溫度影響的

BQ

巖體分級修正方法的工程適應(yīng)性研究。結(jié)果顯示，考慮溫度修正后，高溫隧段的

BQ

巖體分級結(jié)果與實(shí)際圍巖等級更加吻合（圖10）。最終，將本文方法應(yīng)用于川藏鐵路沿線某隧道工程的多場耦合環(huán)境圍巖分級研究。具體地，根據(jù)該隧道沿線的溫度、水壓及地應(yīng)力分布特征，選擇典型多場耦合環(huán)境隧道斷面，利用提出的綜合考慮地應(yīng)力、地溫和地下水影響的巖體分級修正方法，獲得該隧道5個典型斷面的巖體分級結(jié)果（表4）。首先，對于不同溫度條件下的隧道斷面，兩種考慮溫度影響的

BQ

巖體分級修正方法得到的分級結(jié)果是相同的，這說明了兩種修正方法的一致性。對于溫度較低的斷面1（<28℃）、斷面2（28～37 ℃）和斷面3（37～50 ℃），考慮溫度修正后的圍巖分級結(jié)果與未修正之前保持一致。值得注意的是，斷面2（28～37 ℃）和斷面3（37～50 ℃）考慮溫度修正后的[

BQ

]值相比于未考慮溫度修正前的[

BQ

]值均出現(xiàn)顯著下降，只是并未達(dá)到影響圍巖分級結(jié)果的程度。對于溫度較高的斷面4（50 ℃）和斷面5（65℃），未考慮溫度修正前的圍巖分級結(jié)果為Ⅳ級，考慮溫度修正后變?yōu)棰跫墶？傮w而言，高溫環(huán)境給川藏鐵路多場耦合環(huán)境下的隧道圍巖分級結(jié)果造成了影響，影響程度取決于隧道溫度的高低。在一定溫度范圍內(nèi)，溫度只影響隧道圍巖的[

BQ

]值，不會影響最終分級結(jié)果；當(dāng)溫度超過某個值時(shí)（本文研究為50℃），[

BQ

]值的變化幅度超過巖體分級等級的界限，熱-水-力多場耦合環(huán)境對圍巖質(zhì)量的劣化作用得以顯現(xiàn)。

圖10 考慮溫度影響的BQ巖體分級修正方法的工程適用性評價(jià)結(jié)果Fig. 10 Engineering applicability evaluation results of the revised BQ classification method of rock mass quality considering influence of temperature

表4 川藏鐵路某隧道多場耦合環(huán)境下圍巖質(zhì)量分級結(jié)果
Tab. 4 Classification results of surrounding rock quality of a tunnel along the Sichuan—Tibet railway under multifield coupling environment

巖石強(qiáng)度溫度修正系數(shù)αT（方法1）溫度綜合修正系數(shù)K4（方法2）[BQ]值 巖體質(zhì)量分級結(jié)果修正的BQ法（未考慮溫度）修正的BQ法（未考慮溫度）溫度修正的BQ分級方法2斷面1 <28 1.00 0.0 370 370 370 Ⅲ Ⅲ Ⅲ斷面2 28～37 0.92 0.2 288 270 268 Ⅳ Ⅳ Ⅳ斷面3 37～50 0.87 0.1 248 223 238 Ⅴ Ⅴ Ⅴ斷面4 50 0.84 0.3 262 227 232 Ⅳ Ⅴ Ⅴ斷面5 65 0.78 0.3 268 218 238 Ⅳ Ⅴ Ⅴ序號 斷面溫度/℃ 溫度修正的BQ分級方法1溫度修正的BQ分級方法2溫度修正的BQ分級方法1

整體而言，本文提出的兩種考慮溫度影響的

BQ

巖體分級修正方法，在川藏鐵路沿線某多場耦合環(huán)境隧道工程中得到了較好的應(yīng)用。隨著后續(xù)川藏鐵路的全面建設(shè)，以及具有相似工程地質(zhì)條件的滇藏鐵路、新藏鐵路等交通工程的陸續(xù)規(guī)劃建設(shè)，該方法有望得到更為廣泛的工程應(yīng)用或輻射效果。但同樣需要注意的是：方法1中，溫度修正系數(shù)α的確定需以高溫環(huán)境下的巖石飽和壓縮力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐，對室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果的依賴性較強(qiáng)，以此方法得到的圍巖分級修正結(jié)果對于依托隧道工程及其他巖性相似的工程較為可靠；但不同巖性對于溫度變化的敏感性不同，對于不同的地下工程需要針對性地開展大量不同巖性試樣的高溫飽和壓縮力學(xué)試驗(yàn)，進(jìn)而確定系數(shù)α。方法2中的溫度影響修正系數(shù)

K

將溫度對巖石強(qiáng)度、巖體完整程度、巖性等因素的影響進(jìn)行了綜合考慮，將溫度對圍巖質(zhì)量分級的影響考慮得更加全面，但

K

本質(zhì)上是經(jīng)驗(yàn)確定，對于工程樣本數(shù)量的依賴性強(qiáng)；本文確定

K

時(shí)采用的工程實(shí)例數(shù)量總體偏少，隨著后續(xù)更多高溫地下工程實(shí)踐的推進(jìn)，還需要收集并補(bǔ)充更多的工程樣本資料并探索相應(yīng)的理論依據(jù)，對

K

的取值進(jìn)行改進(jìn)與完善，以進(jìn)一步提高該方法的準(zhǔn)確性。與此同時(shí)，川藏鐵路深埋隧道圍巖分級不僅受到深部多場耦合環(huán)境影響，還將受到后續(xù)施工開挖期間的強(qiáng)烈工程擾動影響。工程擾動作用下，隧道圍巖的深部多場耦合環(huán)境被打破且隨著開挖推進(jìn)而動態(tài)變化，圍巖的擾動災(zāi)變響應(yīng)將呈現(xiàn)出新的特征。本文作為初步探索，重點(diǎn)關(guān)注了深部多場耦合環(huán)境對川藏鐵路隧道圍巖分級的作用效果。在后續(xù)研究中，還需重點(diǎn)關(guān)注工程擾動的影響，即通過深部原位耦合環(huán)境下的圍巖擾動致災(zāi)機(jī)理研究，建立綜合考慮深部多場耦合環(huán)境及工程擾動影響的巖體質(zhì)量評價(jià)修正指標(biāo)，進(jìn)而提出適應(yīng)深部復(fù)雜賦存特征的擾動圍巖分級修正新方法，為川藏鐵路等復(fù)雜耦合地質(zhì)環(huán)境下施工階段的隧道圍巖質(zhì)量評價(jià)提供可靠的方法支撐。

4 深部高地應(yīng)力環(huán)境下圍巖大變形判識的挑戰(zhàn)與思考

4.1 問題與挑戰(zhàn)

圍巖大變形普遍存在于地下工程實(shí)踐，在中國西部艱險(xiǎn)山區(qū)深埋隧道工程建設(shè)過程中尤為突出。例如，蘭新鐵路烏鞘嶺隧道，蘭渝鐵路木寨嶺、兩水、毛羽山和新城子隧道，成蘭鐵路楊家坪、平安和茂縣隧道等均出現(xiàn)了不同程度的大變形災(zāi)害，造成了支護(hù)結(jié)構(gòu)侵限、施工工期耽誤、工程成本增加等不利后果。川藏鐵路沿線隧道超長超深，地應(yīng)力超高，全線軟巖隧道實(shí)測地應(yīng)力高達(dá)44.30 MPa；在深部高地應(yīng)力和強(qiáng)烈構(gòu)造作用下，沿線深埋長隧建設(shè)勢必面臨圍巖大變形難題，嚴(yán)重制約工程安全建設(shè)與正常運(yùn)營。

國內(nèi)外學(xué)者針對高地應(yīng)力下圍巖大變形問題開展了持續(xù)研究，從圍巖變形和強(qiáng)度等角度提出多種指標(biāo)對大變形進(jìn)行判識與分級；一般認(rèn)為，大于某項(xiàng)指標(biāo)的臨界值時(shí)，隧道圍巖便會發(fā)生大變形，并通過設(shè)置多個閾值范圍對其嚴(yán)重程度予以等級界定。其中，圍巖變形類分級指標(biāo)主要有絕對變形量、相對變形量、收斂應(yīng)變、相對應(yīng)變、變形速率等，此類分級方法多被用于施工階段，例如：基于最大變形量的《鐵路隧道施工規(guī)范》大變形分級方法、基于變形量和變形速率的蘭渝線軟巖隧道大變形分級方法等。圍巖強(qiáng)度類分級指標(biāo)主要為巖體強(qiáng)度應(yīng)力比或其等效形式，通常被用于勘察設(shè)計(jì)階段的大變形分級，如：《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》、《鐵路擠壓性圍巖隧道技術(shù)規(guī)范》、《川藏鐵路高地應(yīng)力軟巖隧道設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》等載明的大變形分級方法。上述分級方法對深部高地應(yīng)力圍巖大變形判識研究的發(fā)展與進(jìn)步起到了積極的推動作用。

事實(shí)上，深部圍巖大變形的孕災(zāi)機(jī)理和發(fā)生模式十分復(fù)雜、影響因素多，普遍被認(rèn)為是一種具有顯著時(shí)間效應(yīng)的變形與失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，其孕育過程除了受高地應(yīng)力的顯著影響外，還與地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)及巖體質(zhì)量特征等因素密切相關(guān)。受此影響，在實(shí)際應(yīng)用過程中，基于不同分級指標(biāo)或方法獲得的大變形判識結(jié)果有時(shí)存在差異。同時(shí)，不同分級方法適用的工程建設(shè)階段也不盡相同。其中：變形類分級指標(biāo)所需的圍巖變形參數(shù)需在施工階段獲取，較難應(yīng)用于勘察設(shè)計(jì)階段；而勘察設(shè)計(jì)階段常用的巖體強(qiáng)度應(yīng)力比大變形分級指標(biāo)，面臨巖體強(qiáng)度直接測定難度大、主觀性較強(qiáng)等難題，導(dǎo)致勘察設(shè)計(jì)階段深埋隧道圍巖的大變形判識研究面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。然而，勘察設(shè)計(jì)階段的圍巖大變形判識是隧道選線和支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因此，有必要在現(xiàn)有研究方法的基礎(chǔ)上延伸與發(fā)展，探索一套流程簡單、可有效服務(wù)于勘察設(shè)計(jì)階段的深埋隧道圍巖大變形分級評價(jià)方法，從而為川藏鐵路沿線隧道圍巖大變形災(zāi)害分析與預(yù)測提供支撐。

4.2 思考與進(jìn)展

巖體強(qiáng)度應(yīng)力比作為規(guī)范規(guī)定的、最為常用的大變形分級指標(biāo)，凸顯了巖體強(qiáng)度和地應(yīng)力對大變形災(zāi)害的核心控制作用。對于巖體強(qiáng)度而言，不僅受到巖石本身力學(xué)性質(zhì)的影響，很大程度上還取決于巖體結(jié)構(gòu)特征。即便巖石自身強(qiáng)度很高，圍巖仍可能受結(jié)構(gòu)面影響，導(dǎo)致整體強(qiáng)度較低，在高地應(yīng)力作用下產(chǎn)生較大變形。因此，大變形災(zāi)害不只發(fā)生于軟質(zhì)圍巖中，在高地應(yīng)力區(qū)結(jié)構(gòu)面發(fā)育的硬質(zhì)圍巖中也同樣存在。例如，天平鐵路關(guān)山隧道的閃長巖大變形和貴昆鐵路三聯(lián)隧道的玄武巖大變形等?？梢姡陂_展高地應(yīng)力圍巖大變形分級研究時(shí)，需要兼顧考慮圍巖堅(jiān)硬程度和巖體完整性等因素。

作為圍巖變形破壞的核心外部驅(qū)動力，普遍共識認(rèn)為高地應(yīng)力是圍巖大變形災(zāi)害孕育的必要條件。因此，地應(yīng)力水平的界定對于大變形判識尤為重要。目前，學(xué)術(shù)與工程界主要采用巖石強(qiáng)度應(yīng)力比（

R

/σ）對地應(yīng)力水平進(jìn)行界定。其中，《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》將其分為一般地應(yīng)力（

R

/σ>7）、高地應(yīng)力（4≤

R

/σ≤7）和極高地應(yīng)力（

R

/σ<4）3個等級。中國西部艱險(xiǎn)山區(qū)大量深埋隧道工程多處于極高地應(yīng)力環(huán)境（

R

/σ普遍小于4），圍巖大變形災(zāi)害較為突出。同時(shí)，工程實(shí)踐表明，地應(yīng)力水平應(yīng)該與巖石或巖體的破壞相關(guān)聯(lián)，即應(yīng)力量值足以導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體或巖塊破裂的地應(yīng)力應(yīng)判斷為高地應(yīng)力。因此，在依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》或《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》對地應(yīng)力水平進(jìn)行判識的基礎(chǔ)上，還可從巖體或巖塊是否可能出現(xiàn)破壞，進(jìn)一步地從地應(yīng)力量值上去考慮該地應(yīng)力水平是否可能導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)大變形。例如，對于強(qiáng)度為30 MPa的較軟巖，如果最大地應(yīng)力水平僅有7.6 MPa，強(qiáng)度應(yīng)力比小于4，按照規(guī)范規(guī)定，應(yīng)劃分為極高地應(yīng)力；實(shí)際上，該應(yīng)力水平難以導(dǎo)致巖石破壞并誘發(fā)圍巖大變形。因此，有必要在綜合審視巖石強(qiáng)度應(yīng)力比和地應(yīng)力測值大小的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)分初始地應(yīng)力狀態(tài)對圍巖大變形判識結(jié)果的影響。

受上述分析與思考的啟發(fā)，在系統(tǒng)總結(jié)并吸納現(xiàn)有大變形分級方法與工程應(yīng)用案例的基礎(chǔ)上，緊抓中國西部艱險(xiǎn)山區(qū)高地應(yīng)力環(huán)境對圍巖大變形災(zāi)害孕育的重要影響，圍繞規(guī)范方法實(shí)施的難點(diǎn)，以巖石強(qiáng)度應(yīng)力比和地應(yīng)力測值大小為基礎(chǔ)，疊加考慮圍巖堅(jiān)硬程度和巖體完整性等因素對大變形的重要控制作用，細(xì)分地應(yīng)力等級和地應(yīng)力量值對大變形分級結(jié)果的顯著影響，提出一種適用于勘察設(shè)計(jì)階段的圍巖大變形多因素分步評價(jià)方法，具體步驟見圖11。

圖11 隧道圍巖大變形分級多因素分步評價(jià)方法Fig. 11 Multi-factor stepwise evaluation method for large deformation of tunnel surrounding rock

如圖11所示，在第5）步中，對第4）步得到的初判結(jié)果進(jìn)行修正時(shí)，需要說明：D表示初判結(jié)果取下限等級，U表示初判結(jié)果取上限等級，R表示初判結(jié)果升一級（修正結(jié)果為初判等級的上限等級加一級，上限等級為Ⅲ級則保持不變）。以初判結(jié)果Ⅰ/Ⅱ?yàn)槔珼修正結(jié)果為Ⅰ級，U修正結(jié)果為Ⅱ級，R修正結(jié)果為Ⅲ級。

進(jìn)一步地，以成昆鐵路埡口隧道和成蘭鐵路茂縣隧道為例，開展了圍巖大變形分級多因素分步評估方法的工程驗(yàn)證研究。其中，成昆鐵路埡口隧道屬于構(gòu)造剝蝕高中山地貌，最大埋深約890 m，隧道3號斜井工區(qū)（里程D2K 549+100～D2K 549+710）發(fā)生Ⅱ級（或中等）大變形災(zāi)害。結(jié)合該隧道的勘察設(shè)計(jì)階段資料，如圖11所示，按照本文方法進(jìn)行圍巖大變形等級預(yù)測：1）隧段實(shí)測最大主應(yīng)力為16.48 MPa，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度為11.55 MPa（統(tǒng)計(jì)值），巖石強(qiáng)度應(yīng)力比

R

/σ=0.701，屬于極高地應(yīng)力；2）隧段巖性為震旦系觀音崖組（Zg）角閃巖及片巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為11.55 MPa，按照《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》，將其定為軟巖；3）隧段圍巖節(jié)理密集發(fā)育，節(jié)理3組以上，間距多小于0.2 m，巖體被切割成碎裂狀，按照《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》，巖體完整性定為較破碎～破碎；4）綜合巖體堅(jiān)硬程度和完整性程度，將該隧段圍巖大變形等級初判為Ⅰ/Ⅱ；5）隧段最大主應(yīng)力為16.48 MPa，屬于15～20 MPa范圍，取大變形初判等級的上限等級；6）隧段圍巖大變形詳判等級為Ⅱ級，與實(shí)際發(fā)生的大變形等級一致。成蘭鐵路茂縣隧道所屬區(qū)域構(gòu)造為龍門山華夏系構(gòu)造體系，最大埋深約1 656 m，隧道里程D8K127+775～D8K128+010段發(fā)生Ⅲ級（或嚴(yán)重）大變形災(zāi)害。結(jié)合該隧道的勘察設(shè)計(jì)階段資料，如圖11所示，按照本文方法進(jìn)行圍巖大變形等級預(yù)測：1）隧段實(shí)測最大主應(yīng)力為27.51 MPa，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度為3.00 MPa（統(tǒng)計(jì)值），

R

/σ=0.109，屬于極高地應(yīng)力狀態(tài)；2）隧段圍巖巖性為茂汶活動斷裂構(gòu)造巖之糜棱巖、斷層角礫等，母巖為炭質(zhì)千枚巖、千枚巖局部夾石英脈，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為3.00 MPa，按照《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》，定為極軟巖；3）受構(gòu)造擠壓影響嚴(yán)重，圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，呈粉末狀，穩(wěn)定性差，巖體完整性為極破碎，大變形等級初判為Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ；4）隧段最大主應(yīng)力為27.51 MPa，大于20 MPa，大變形等級詳判為Ⅲ級，與實(shí)際大變形等級一致。

本文共收集了中國西南艱險(xiǎn)山區(qū)10個隧道圍巖大變形案例（表5），對提出的大變形分級多因素分步評價(jià)方法進(jìn)行驗(yàn)證，其中：7個隧道采用本文方法得到的分級結(jié)果與實(shí)際情況一致；3個隧道圍巖分級結(jié)果高出實(shí)際等級Ⅰ級，偏工程安全，總體上該方法具有良好的工程適應(yīng)性。

表5 本文圍巖大變形分級多因素評價(jià)方法的工程驗(yàn)證
Tab. 5 Engineering verification of multi-factor evaluation method for large deformation classification of surrounding rock in this paper

序號 工程名稱 Rc/MPa σmax/MPa R·σ-1max地應(yīng)力等級 圍巖堅(jiān)硬程度 圍巖完整性 初判等級 詳判等級 實(shí)際等級1 新林隧道進(jìn)口工區(qū)DK215+170～DK215+330 20.00 14.60 1.37 極高地應(yīng)力 較軟巖 較破碎～破碎 無/Ⅰ Ⅰ Ⅰ2 埡口隧道3號斜井工區(qū) 11.55 16.48 0.70 極高地應(yīng)力 軟巖 較破碎～破碎 Ⅰ/Ⅱ Ⅱ Ⅱ3 茂縣隧道 D8K127+775～D8K128+010 3.00 27.51 0.11 極高地應(yīng)力 極軟巖 極破碎 Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ Ⅲ Ⅲ4 大坪山隧道進(jìn)口工區(qū)DK224+252～DK224+500 5.00 14.60 0.34 極高地應(yīng)力 極軟巖 極破碎 Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ Ⅲ Ⅱ5 鹽邊隧道出口工區(qū)D1K562+650～D1K562+080 7.00 16.91 0.22 極高地應(yīng)力 軟巖 極破碎 Ⅱ/Ⅲ Ⅲ Ⅲ6 榴桐寨隧道 D8K146+238～D8K146+130 10.00 21.88 0.46 極高地應(yīng)力 軟巖 極破碎 Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ Ⅲ Ⅲ7 楊家坪隧道 DK117+322～DK117+380 12.00 23.53 0.51 極高地應(yīng)力 軟巖 較破碎～破碎 Ⅰ/Ⅱ Ⅲ Ⅱ8 躍龍門隧道 DK99+710～DK101+190 12.00 26.67 0.45 極高地應(yīng)力 軟巖 極破碎 Ⅱ/Ⅲ Ⅲ Ⅲ9 月牙田隧道斜井工區(qū) 10.40 15.63 0.67 極高地應(yīng)力 軟巖 較破碎～破碎 Ⅰ/Ⅱ Ⅱ Ⅰ10 安定隧道 X1D1K0+426～X1D1K0+396 22.40 18.91 1.18 極高地應(yīng)力 較軟巖 極破碎 Ⅰ/Ⅱ Ⅱ Ⅱ

本文提出的圍巖大變形分級多因素分步評價(jià)方法能夠?qū)ζD險(xiǎn)山區(qū)深埋隧道圍巖大變形災(zāi)害進(jìn)行有效判識預(yù)測，且操作流程簡單清晰，分級指標(biāo)可測可量、易于獲取，避免了規(guī)范分級方法中圍巖強(qiáng)度的測量難題，可直接應(yīng)用于川藏鐵路等高原山區(qū)深埋隧道的圍巖大變形災(zāi)害判識與分級預(yù)測。但川藏鐵路廊道內(nèi)外地質(zhì)活動強(qiáng)烈，多場耦合作用突出，本方法對于地下水、地溫等環(huán)境因素和工程擾動效應(yīng)尚未考慮全面，相關(guān)研究仍需進(jìn)一步深入。

5 深部高地應(yīng)力環(huán)境下圍巖巖爆孕災(zāi)的挑戰(zhàn)與思考

5.1 問題與挑戰(zhàn)

深部高地應(yīng)力環(huán)境下脆硬性圍巖極易發(fā)生巖爆動力災(zāi)害，嚴(yán)重威脅隧道安全。例如，川藏鐵路已建拉薩—林芝段的巴玉隧道、桑珠嶺隧道等在施工過程中頻繁發(fā)生巖爆，造成隧道內(nèi)臺架被嚴(yán)重摧毀及施工人員受傷。川藏鐵路新建雅安—林芝段隧道最大埋深近2 100 m，深部高地應(yīng)力巖爆問題更加突出。定測階段資料顯示：沿線硬質(zhì)巖隧道實(shí)測最大地應(yīng)力高達(dá)53.06 MPa，預(yù)測27座隧道將發(fā)生高地應(yīng)力巖爆。開展深部高地應(yīng)力巖爆災(zāi)害研究，對于川藏鐵路安全高效建設(shè)與后期穩(wěn)定運(yùn)營至關(guān)重要。

目前，普遍認(rèn)為巖爆是地下工程的一種巖體動力破壞失穩(wěn)現(xiàn)象，并且圍繞巖爆的孕育、判識和預(yù)警等方面開展了大量研究工作。巖爆孕育方面，馮夏庭等系統(tǒng)探索了深埋隧道即時(shí)型巖爆和時(shí)滯型巖爆的孕育規(guī)律和發(fā)生機(jī)制，并以巖爆孕育過程為主線，闡述了巖爆分類、原位觀測、機(jī)制認(rèn)知、預(yù)警與動態(tài)控制等方面的最新研究進(jìn)展。Cai和Kaiser也在其專著中系統(tǒng)總結(jié)了巖爆的發(fā)生現(xiàn)象、分類、影響因素及破壞機(jī)制等方面的研究成果。Ortlepp和Stacey針對不同類型的巖爆震源機(jī)制、破壞機(jī)理及巖爆類型進(jìn)行了系統(tǒng)研究。巖爆判識方面，現(xiàn)有的巖爆判據(jù)較多，經(jīng)歷了單因素判據(jù)到多因素綜合判據(jù)的發(fā)展過程，主要包括強(qiáng)度應(yīng)力比判據(jù)和王蘭生判據(jù)等應(yīng)力判據(jù)、能量判據(jù)、巖爆風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及修改的谷-陶巖爆判據(jù)和五因素綜合判據(jù)等。巖爆監(jiān)測預(yù)警方面，學(xué)者們針對不同的地下工程，主要基于微震監(jiān)測、鉆孔攝像、聲波探測等技術(shù)，直接、連續(xù)地獲取圍巖裂隙、損傷、變形和能量釋放等信息，結(jié)合數(shù)值分析和地質(zhì)判別等方法對觀測區(qū)域的巖爆發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。

上述成果為不同工程地質(zhì)條件下隧道巖爆災(zāi)害研究提供了重要參考。對于川藏鐵路深埋隧道等深部工程實(shí)踐，圍巖自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力疊加形成了異常的高地應(yīng)力場并積聚了巨大的變形能量，巖爆災(zāi)害的頻度與烈度更加突出。加之深部圍巖物理及力學(xué)特征的復(fù)雜性和巖爆影響因素的多樣性，巖爆災(zāi)害的孕育機(jī)理更加復(fù)雜，想要準(zhǔn)確地預(yù)測其時(shí)空分布十分困難。深部高地應(yīng)力巖爆成為制約深部工程實(shí)踐的世界性科學(xué)難題，開展深部高地應(yīng)力環(huán)境下巖爆孕災(zāi)及預(yù)測研究迫在眉睫。

5.2 思考與進(jìn)展

總結(jié)以往研究工作，認(rèn)為巖爆災(zāi)害的整體研究思路可以簡要?dú)w納為：根據(jù)現(xiàn)場原位監(jiān)測信息和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果等研究巖爆的孕育過程、發(fā)生機(jī)理和判據(jù)，進(jìn)而綜合評估潛在巖爆發(fā)生的位置、概率和時(shí)間等信息，最終識別出巖爆高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域并制定相應(yīng)的安全控制措施。而實(shí)現(xiàn)上述巖爆災(zāi)害“機(jī)理認(rèn)知→風(fēng)險(xiǎn)評估→安全控制”的閉環(huán)研究思路，關(guān)鍵取決于巖爆預(yù)測評估的有效性和可靠性。目前，單一的巖爆預(yù)測方法或體系在實(shí)際工程應(yīng)用中普遍存在一定的局限性，缺乏與工程具體建設(shè)階段的有機(jī)結(jié)合。為此，作者通過強(qiáng)調(diào)巖爆綜合預(yù)測與不同工程建設(shè)階段緊密結(jié)合的重要性，提出深部高地應(yīng)力環(huán)境下巖爆綜合預(yù)測的研究思路（圖12），簡要?dú)w納如下：

圖12 深部高地應(yīng)力巖爆綜合預(yù)測的研究思路Fig. 12 Research ideas on comprehensive prediction of rockburst under deep high in-situ stress

1）巖爆傾向性預(yù)測。此研究對應(yīng)于工程建設(shè)的可行性研究和初步設(shè)計(jì)階段。由于該階段僅完成部分勘探鉆孔和平硐開挖等工作，圍巖內(nèi)部不存在大范圍應(yīng)力調(diào)整，處于能量積聚期；此時(shí)應(yīng)綜合利用工程現(xiàn)場的鉆孔餅芯現(xiàn)象、初始地應(yīng)力巴頓經(jīng)驗(yàn)判據(jù)等，以及室內(nèi)試驗(yàn)獲得的巖樣脆性度指標(biāo)、能量沖擊性能指標(biāo)等方法進(jìn)行巖爆傾向性研究，為巖爆綜合預(yù)測提供初步依據(jù)。

2）巖爆趨勢預(yù)測。在工程設(shè)計(jì)和施工階段，隨著洞室開挖進(jìn)行，圍巖應(yīng)力進(jìn)入調(diào)整階段，局部區(qū)域存在一定的能量釋放；此階段應(yīng)基于初始地應(yīng)力場的數(shù)值反演及現(xiàn)場地質(zhì)條件和工程開挖模擬，應(yīng)用各種巖爆理論判據(jù)對區(qū)域圍巖體發(fā)生巖爆及強(qiáng)烈程度做趨勢分析，為巖爆的現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)報(bào)圈定重點(diǎn)區(qū)域，指導(dǎo)工程施工開挖設(shè)計(jì)。

3）巖爆的現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)報(bào)。在工程施工階段，大規(guī)模的開挖擾動破壞了巖體的平衡條件，巖體積聚的能量局部快速釋放；此階段應(yīng)采用微震監(jiān)測等技術(shù)進(jìn)行工作面的日常監(jiān)測預(yù)報(bào)，并結(jié)合圍巖應(yīng)力和變形等信息，預(yù)測監(jiān)測斷面附近區(qū)域圍巖巖爆發(fā)生的時(shí)空信息，以便及時(shí)采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，保證地下結(jié)構(gòu)、施工設(shè)備和人員的安全。

在上述研究思想的推動下，以瀑布溝水電站地下廠房洞室群為例，以巖爆“傾向性預(yù)測→趨勢預(yù)測→監(jiān)測預(yù)報(bào)”為主線，開展了深部高地應(yīng)力環(huán)境下巖爆孕災(zāi)及綜合預(yù)測研究，本文對相關(guān)研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)與凝練。

巖爆傾向性研究方面，對取自瀑布溝水電站地下洞室的花崗巖開展了鉆孔巖芯、初始地應(yīng)力和巖性判據(jù)等多角度的巖爆傾向性分析。其中：工程區(qū)初始地應(yīng)力場以構(gòu)造應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力為27.3 MPa，且出現(xiàn)了鉆孔“巖芯餅裂”這一高地應(yīng)力區(qū)特有的地質(zhì)現(xiàn)象，結(jié)合巴頓經(jīng)驗(yàn)判據(jù)，地下洞室群圍巖可能發(fā)生輕微～中等巖爆；地下洞室花崗巖的彈性變形能指數(shù)

W

值為2.42～4.75，接近高烈度巖爆臨界值5.00，發(fā)生中等巖爆的可能性較大；巖性判據(jù)-脆性度（單軸抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比）為28.81，接近中等巖爆臨界值26.70，初步判定工程區(qū)圍巖有發(fā)生中等、弱巖爆的可能性。上述結(jié)果綜合顯示，該工程區(qū)圍巖有發(fā)生中、低烈度巖爆的傾向性。

巖爆趨勢預(yù)測研究方面，巖爆孕災(zāi)與開挖擾動后二次應(yīng)力的分布與集中程度密切相關(guān)。首先，利用數(shù)值手段模擬了不同初始地應(yīng)力狀態(tài)下瀑布溝地下洞室群的分步開挖過程（step1～9），探究了不同水平應(yīng)力下開挖擾動對巖爆觸發(fā)作用的影響；發(fā)現(xiàn)水平地應(yīng)力為主時(shí)，巖爆主要發(fā)生在洞頂和洞底；垂直地應(yīng)力為主時(shí)，邊墻部位發(fā)生巖爆的潛在危害性較大。同時(shí)，隨著水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比的增加，巖體開挖后的最大主應(yīng)力與抗壓強(qiáng)度的比值愈大（圖13）；結(jié)合王蘭生應(yīng)力判據(jù)可知，巖爆發(fā)生的可能性及烈度等級隨之愈高。進(jìn)一步地，根據(jù)瀑布溝水電站地下洞室群的地形地質(zhì)資料建立3維有限元計(jì)算模型，通過工程區(qū)初始地應(yīng)力場反演和工程地質(zhì)條件及開挖工序模擬，獲取了開挖后圍巖的二次應(yīng)力及彈性應(yīng)變能的數(shù)值大小及分布特征，利用巴頓判據(jù)、王蘭生判據(jù)等應(yīng)力判據(jù)和能量判據(jù)兩類判識方法，圈定了開挖時(shí)巖爆可能發(fā)生的大致區(qū)域和范圍（圖14）。研究結(jié)果顯示：1）與現(xiàn)場巖爆發(fā)生情況相比，王蘭生應(yīng)力判據(jù)基本能反映巖爆發(fā)生的實(shí)際情況，巴頓應(yīng)力判據(jù)偏于保守，而能量判據(jù)偏于危險(xiǎn)；使用單一判據(jù)進(jìn)行巖爆趨勢預(yù)測不夠全面，應(yīng)采用多種判據(jù)進(jìn)行綜合預(yù)測。2）綜合巖爆傾向性及巖爆趨勢研究結(jié)果，該工程區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆的可能性不大，但施工期可能會有輕微、中等巖爆發(fā)生，某些開挖步局部區(qū)域有較強(qiáng)巖爆發(fā)生的可能性。

圖13 地下洞室主廠房圍巖分步開挖時(shí)不同側(cè)壓比下的σ1/σc 值[72]Fig. 13 Values of σ 1/σc under different lateral pressure ratios during stepwise excavation of the surrounding rock of the main powerhouse of an underground cavern[72]

圖14 工程開挖巖爆發(fā)生趨勢及區(qū)域預(yù)測（紅色標(biāo)示為巖爆可能發(fā)生區(qū)域）Fig. 14 Occurrence trend and regional prediction of rockburst during engineering excavation (marked in red are areas where rockburst may occur)

巖爆監(jiān)測預(yù)報(bào)方面，聲發(fā)射法是巖爆監(jiān)測的主要手段，但如何根據(jù)聲發(fā)射時(shí)空分布參數(shù)及遷移特征進(jìn)行巖爆失穩(wěn)預(yù)測尚未得到解答。針對此難點(diǎn)，在機(jī)理研究方面，開展了單向加載、三向加載條件下深部工程巖石的聲發(fā)射試驗(yàn)研究；通過引入巖石分形理論，初步揭示了深部巖石災(zāi)變過程中聲發(fā)射信號時(shí)空分形維數(shù)的演化規(guī)律。無論是單向加載還是三向加載條件，深部巖石在臨近峰值應(yīng)力時(shí)，聲發(fā)射信號的空間分維和時(shí)間分維均呈現(xiàn)出同步加速下降現(xiàn)象，可為深部高地應(yīng)力環(huán)境巖爆現(xiàn)場監(jiān)測與預(yù)報(bào)提供依據(jù)?，F(xiàn)場預(yù)測模型研究方面，提出一種小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（WNN）方法用于聲發(fā)射率預(yù)測，結(jié)合突變理論建立一種新的巖爆預(yù)測模型。該巖爆預(yù)測模型基于現(xiàn)場監(jiān)測到的聲發(fā)射信號建立小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對聲發(fā)射的時(shí)間序列進(jìn)行擬合預(yù)測，使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最佳的逼近效果；再針對預(yù)測的聲發(fā)射率建立突變模型（Δ=8

p

+27

q

，

p

和

q

為尖點(diǎn)突變模型中勢函數(shù)的控制變量；Δ>0，測點(diǎn)附近巖體穩(wěn)定；Δ=0，測點(diǎn)附近巖體處于臨界狀態(tài)；Δ<0，測點(diǎn)附近巖體發(fā)生巖爆），進(jìn)行現(xiàn)場巖爆預(yù)測。通過與瀑布溝水電站地下廠房洞室現(xiàn)場聲發(fā)射鉆孔監(jiān)測資料對比分析，驗(yàn)證了該小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法（WNN）用于聲發(fā)射率預(yù)測的可靠性與精準(zhǔn)性（圖15）；進(jìn)而，將聲發(fā)射率的WNN預(yù)測值代入巖爆突變預(yù)測模型求解

p

和

q

，計(jì)算Δ值，對現(xiàn)場巖爆情況進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)，得出觀測區(qū)域圍巖未來3 d的Δ值均大于0，即不會發(fā)生巖爆，與現(xiàn)場實(shí)際巖爆發(fā)生情況一致，表明該巖爆預(yù)測模型具有較好的工程實(shí)用性。

圖 15 測孔聲發(fā)射率及WNN預(yù)測值對比[74]Fig. 15 Comparison of borehole acoustic emission rates and WNN predicted values[74]

綜上，本文提出深部高應(yīng)力環(huán)境下巖爆綜合預(yù)測研究思想，初步開展了巖爆孕災(zāi)的影響因素及機(jī)理、預(yù)測模型方面的研究工作，取得了一些有價(jià)值的認(rèn)識，并在瀑布溝、猴子巖等水電站地下廠房圍巖巖爆研究中得到了良好的應(yīng)用。隨著川藏鐵路的分階段陸續(xù)開工建設(shè)，結(jié)合沿線深埋隧道工程的實(shí)際建設(shè)階段，應(yīng)用本文提出的巖爆綜合預(yù)測研究思想和預(yù)測模型，有望實(shí)現(xiàn)川藏鐵路深部高地應(yīng)力隧道圍巖巖爆的有效判識與控制。

6 結(jié)論與展望

川藏鐵路是國家“十四五”規(guī)劃實(shí)施的重大工程、世紀(jì)工程，面臨全球最為復(fù)雜的工程地質(zhì)條件。受復(fù)雜賦存環(huán)境和強(qiáng)烈工程擾動影響，深部圍巖失穩(wěn)災(zāi)變成為制約川藏鐵路深埋隧道工程安全建設(shè)的重大難題。為此，以深部圍巖災(zāi)變分析為研究核心，從深部圍巖孕災(zāi)的原位地質(zhì)環(huán)境與工程擾動效應(yīng)入手，圍繞深部圍巖質(zhì)量分級、大變形判識和巖爆孕災(zāi)等開展了相關(guān)研究與思考，取得了系列成果與認(rèn)識。

具體地，從地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性和賦存環(huán)境等方面出發(fā)，宏觀揭示了川藏鐵路深埋隧道圍巖孕災(zāi)的原位地質(zhì)環(huán)境特征。從試驗(yàn)?zāi)M、理論分析等角度思考，探索了深部圍巖孕災(zāi)的工程擾動效應(yīng)，發(fā)展了考慮工程擾動應(yīng)力路徑影響的巖體災(zāi)變力學(xué)行為模擬方法，提出體現(xiàn)不同工程擾動方式影響的巖體力學(xué)參數(shù)理論估算研究思路。以修正的

BQ

法為基礎(chǔ)，進(jìn)一步考慮溫度對巖體質(zhì)量分級的影響，發(fā)展了可綜合反映地應(yīng)力、地溫和地下水影響的圍巖質(zhì)量分級方法，并將其初步應(yīng)用于川藏鐵路深部多場耦合環(huán)境下的隧道圍巖分級修正研究。緊抓圍巖大變形災(zāi)害的主控因素，以巖石強(qiáng)度應(yīng)力比和地應(yīng)力測值大小為基礎(chǔ)，疊加考慮圍巖堅(jiān)硬程度和巖體完整性等因素對大變形的重要控制作用，提出隧道圍巖大變形分級多因素分步評估方法，評估結(jié)果同工程實(shí)際吻合度較高。以巖爆“傾向性預(yù)測→趨勢預(yù)測→監(jiān)測預(yù)報(bào)”為主線，突出巖爆綜合預(yù)測與不同工程建設(shè)階段緊密結(jié)合的重要性，提出深部高地應(yīng)力巖爆綜合預(yù)測研究思路，初步應(yīng)用于地下洞室群圍巖的巖爆預(yù)測預(yù)報(bào)。

川藏鐵路現(xiàn)已分階段陸續(xù)開工建設(shè)，本文相關(guān)研究成果和學(xué)術(shù)思想可直接應(yīng)用于或被借鑒至川藏鐵路沿線深埋隧道圍巖災(zāi)變分析及控制研究；同時(shí)，有望廣泛輻射至青藏高原深部工程實(shí)踐，提升中國復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下深地空間開發(fā)過程中的工程防災(zāi)減災(zāi)水平。然而，受高原山區(qū)極端復(fù)雜工程環(huán)境影響，符合青藏高原深部特征的巖體災(zāi)變力學(xué)與圍巖穩(wěn)定性研究尚無太多經(jīng)驗(yàn)可循，且隨著后續(xù)川藏鐵路工程的全面建設(shè)，或?qū)⒚媾R更多未知的、復(fù)雜的工程科學(xué)難題。因此，更加深入和廣泛的研究工作有必要持續(xù)地開展與推進(jìn)，現(xiàn)有的理論方法和研究思想還需在后續(xù)研究中不斷完善和細(xì)化。本文主要起“拋磚”作用，以期達(dá)到“引玉”效果，從而匯聚廣大科技工作者更多優(yōu)秀的研究成果，為解決川藏鐵路建設(shè)過程中的重大工程科學(xué)與技術(shù)難題提供借鑒與參考。