隨著地下工程向活動構造區和深部進軍，地應力逐漸增高，工程開挖引起應力重分布在開挖面附近形成強烈應力集中，容易引發堅硬圍巖中儲存應變能的突然釋放，造成片幫、巖爆等脆性破壞，給高應力地區地下工程安全建設運維帶來挑戰。經典巖石力學常常基于實驗室測得的單軸抗壓強度預測巖石脆性破壞時的圍巖應力，即巖石脆性破壞預測的靜載荷理論。然而多個地下工程原位測試數據表明，巖石發生脆性破壞時圍巖應力都顯著低于實驗室測量的單軸抗壓強度，靜載荷理論并不能適用于巖石脆性破壞的預測。因此，巖石脆性破壞預測成為近年來巖體工程地質力學研究的前沿熱點與難點。
為解決這一問題，中國科學院地質與地球物理研究所祁生文研究員等人聯合中國電建集團成都勘測設計研究院張世殊正高級工程師，結合以往的研究資料，在現場大量片幫、巖爆等脆性破壞數據的基礎上，提出了巖石脆性破壞的四種機制模式，即板裂型（I型）、潰曲型（II型）、剪切型（III型）和結構面滑移型（IV型-復合型）。當巖體較為完整時，隨著圍巖應力集中程度的增強，起初主要發生輕微脆性破壞的板裂型片幫，再嚴重些是中度脆性破壞的潰曲，而如果出現了V型坑的剪切破壞，則是強烈的脆性破壞。如果巖體中結構面發育，則屬于復合型破壞，巖石脆性破壞的嚴重程度等級將提高一級（見表1）。
在此基礎上，基于圍巖破壞深度與洞室半徑之比把巖石脆性破壞嚴重程度分為輕微、中等、強烈和極強四個等級（見表2）。
基于巖石脆性破壞機制，結合巖石破壞過程的全應力-應變曲線（圖1），他們提出了新的地下工程圍巖脆性破壞預測判據：當洞壁最大主應力圖片超過巖石起裂應力圖片時，巖石會發生輕微或中等脆性破壞；當洞壁最大主應力圖片集中以至于超過巖石損傷應力圖片時，巖石剪切破壞會增加，導致強烈的脆性破壞。考慮到圍巖與巖石的差異，他們創新性引入巖體完整性系數Kv或地質強度指數GSI對預測判據進行校正（如表3所示）。
圖1 典型脆性巖石全應力應變曲線
他們將脆性破壞判據應用于雙江口水電站地下廠房工程開挖中，多個不同巖體破壞程度的預測區域均發生了相應的破壞，預測結果與現場高度相符，得到了驗證（圖2）。此外還使用了來自多個工程的數據做了檢驗，結果表明準確率很高，相比于現有的巖石脆性破壞準則有了明顯提高。
圖2 雙江口水電站巖石脆性破壞現場圖。
（a）樁號K0+890m；（b）樁號K-64m
綜上，該研究按照圍巖脆性破壞的力學機制，將巖石脆性破壞分成板裂型（I型）、潰曲型（II型）、剪切型（III型）、結構滑移型（IV型）四種類型，同時根據圍巖破壞深度與隧道半徑比值將巖石脆性破壞嚴重程度分成輕微、中等、較強和強烈四個等級。同時，結合巖石破壞全應力-應變曲線，提出了一種預測巖石脆性破壞嚴重程度的新方法，該方法在雙江口水電站及其他工程實例中得到了很好的驗證。該新判據的應用前景廣闊，有望為越來越多的在建擬建的高地應力地下工程安全建設提供科學支撐。
轉自：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1823474214896930416
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