第一章　岩石力学与深埋工程

第一节　概述

一、基本概念

岩石力学是一门新兴的交叉性学科,作为一门独立学科起源于20世纪中期。岩石力学的突出特点是强调实践性,同时由于行业特点和地域性要求的差异,岩石力学也赋予了行业和地域特色。本书所述内容的基础是中国水电行业高地应力条件下的工程实践,同时借鉴和引用了近期国内外深埋岩石工程的认识和理念,使本书的内容能够紧跟国际研究潮流。鉴于本书定位于具备良好岩石力学知识和一定实践经验的读者,为方便阅读理解,本节专门介绍本书所引用的岩石力学基本概念,这些基本概念包括:①岩石和岩体的定义与差别;②岩石力学工作范畴;③深埋的定义和对应的埋深水平及现场界定;④岩体力学特性(力学行为)和围岩开挖响应。

1.岩石和岩体的定义和差别

岩石和岩体的定义和差别在很多教科书中已经被提及。本书中“岩石力学”术语中的岩石包括了岩石和岩体,但多指岩体。其中的岩石是某种单一岩性的完整块体,而岩体是岩(石)块和结构面组成的综合体。当岩石被单独引用时,指某一岩性类型的完整块体,其力学特性用标准试样的室内结果描述。这一话题并非来自中文表达或中文翻译,在英文中同样存在,国际岩石力学学会的英文为“International Society for Rock Mechanics”,学会对“岩石力学(Rock Mechanics)”工作范畴的定义包括岩石(rock)和岩体(rock mass)。虽然字面上有些误导,但已经约定俗成,本书中不再另作讨论。

2.岩石力学工作范畴

岩石力学起源和发展经历了两个中心:一个中心是起源于矿山行业的一些英语国家,如美国、南非、加拿大等;另一个中心是民用工程的部分欧洲国家,如奥地利、法国、葡萄牙、意大利等。这两个中心建立的岩石力学体制基本相同,工作范畴包括现场调查、试验测试、计算分析、工程设计和施工技术服务等,主要包括科研和工程实践两种方式。因此,本书所叙述的内容包含了从基础资料调查到施工现场技术服务的整个流程,而不是把岩石力学工作范畴局限在试验测试和计算分析环节。

3.埋深的定义和对应的埋深水平及现场界定

(1)深埋的定义和对应的埋深水平。本书中的深埋是一个不确定概念,不特指某个具体的深度。深埋是高地应力的简化和通俗表达方式,可以定义为工程活动导致岩体普遍开始表现出非线性力学行为所对应的埋深。该定义的核心是岩体非线性力学行为,即工程活动(如开挖)导致的应力变化使得岩体的表现已经普遍地超出了弹性阶段,岩体内部结构特征出现变化,基本强度受到显著影响。该定义中包括了两个修饰词,即“工程活动”和“普遍”,前者区别于自然岩体,即本书讨论的对象为工程岩体,岩体荷载的来源是工程活动(如开挖)对自然地应力场的扰动和改造;后者针对了自然条件的变化性。工程岩体表现出非线性特性的两个基本影响因素是岩体强度和地应力水平,二者都具有显著的空间变化性。比如,当一条竖井开挖到500m时因为局部异常可以发生显著的应力型破坏现象,但真正开始普遍出现这类问题的埋深可能在1500m,就这个工程而言,埋深大于1500m则属于深埋。

地应力和岩体强度是决定工程岩体是否普遍出现应力型问题(岩体非线性的工程表现)的两个基本因素,在一定的岩体强度条件下,埋深是影响地应力水平的基本因素,因此本书中深埋的岩石力学含义是高应力。不过埋深不是唯一的因素,构造应力水平还可以显著影响一个地区的总体地应力水平,使得同一埋深条件下不同地区的地应力水平差异悬殊。比如中国西部地区的地应力水平总体高于东部,同样岩体条件下,深埋在西部对应的深度会明显低于东部。另一方面,即便是在西部地区地应力分布完全相同时,当两个不同工程场址区的岩体强度存在明显差别时,岩体开始出现非线性响应的埋深也会不同,深埋对应不同的具体深度。

(2)深埋的现场界定。这是工程实践中关心的问题之一,即什么条件下开始出现工程需要关心的深埋特定问题。上述关于深埋定义中的岩体非线性是一个学术性概念,对应的工程术语为应力型问题,它包括硬质围岩出现如破裂、片帮、岩爆等一系列破坏形式,可以在工程实践中观察和辨别。地下岩体开挖以后,开挖面周边一些部位会出现应力升高,即二次应力集中现象,如果围岩中二次应力最高水平超过岩石单轴抗压强度时(注意深埋高围压条件下岩体的峰值强度和围岩二次应力水平可以超过岩石单轴抗压强度)。例如很多岩浆岩的单轴抗压强度可以超过200MPa,意味着在深埋条件下的围岩应力可以更高一些。因此围岩一旦产生应力型破坏,其能量水平相当高。目前世界上有记录的资料显示破坏释放的能量等同于里氏5.1级的地震。这种能量释放基本上发生在开挖工作面附近,而不是像构造地震那样远离地表建筑物数公里乃至数十公里的地下深部。因此几乎任何加固措施都不可能避免这种能量水平造成的工程影响。

4.岩体力学特性和围岩开挖响应

岩体力学特性(或称为岩体力学行为)和围岩开挖响应分别代表了学术性概念和工程性概念。其中的岩体力学特性泛指岩体受到荷载作用以后可能出现的变化,最基本的表达方式为应力-应变关系曲线(本构关系);围岩开挖响应指岩体力学特性决定的工程表现形式,比如具有脆性特性的岩体开挖以后的表现形式,包括弹性变形、破裂损伤、破裂扩展以及破裂扩展以后导致的鼓胀变形等,这些都通称为给定条件下围岩的开挖响应。

岩体力学特性包含的内容非常丰富。从连续介质力学角度,岩体力学特性可以采用本构关系来定量描述,具体通过一些数学方程和参数的方式来实现。比如在应力-应变阶段全过程曲线中以峰值强度为界,可以大致地分为峰前特性(行为)和峰后特性(行为),工程实践中常常用岩体的弹性模量和峰值强度定义峰前力学行为,而用脆性和塑性程度及残余强度描述峰后曲线形态。

岩体的峰值强度和残余强度不仅取决于岩体自身基本条件(岩石类型和结构面发育状况),而且还与受力,如围压状态密切相关。岩体强度和围压之间的函数关系即为岩体强度准则,包括摩尔-库仑(Mohr-Coulomb,MC)强度准则和霍克-布朗(Hoek-Brown,HB)强度准则等。所有这些术语及其含义已经在很多岩石力学著作和文章中叙述,这里不再详述。不过与浅埋条件下相比,这些传统的理论(如强度准则)在应用环节可能存在一些差别,体现了同样的理论在深埋和浅埋条件下应用方法的差异,这将在下文中叙述。

虽然大部分条件下可以采用传统的力学理论来描述深埋岩体力学行为和分析深埋工程的潜在问题,但是深埋岩体的某些力学行为有时并不能很好地被数学函数所描述,需要基础理论和技术手段上的更新。深埋脆性岩石的破裂特性就是典型实例,在研究破裂发生和发展过程时,岩体破裂特性直接影响了连续介质力学理论的适应性。这是因为当应力水平接近岩体的峰值强度时,硬质脆性岩体内往往会产生大量的细小破裂,并可能改变岩体的宏观力学特性。细小破裂的产生和发展过程是问题的内在本质,此时传统的连续力学理论可能存在基础性缺陷,需要采用细观非连续力学理论和相关技术手段描述这一行为。

深埋岩石力学研究和工程实践中需要建立的一个概念是岩体力学特性的变化性,即便是给定埋深条件下的给定岩体,其力学特性也不是一成不变的。影响岩体力学特性的“外在”因素还包括时间、尺寸和围压条件,分别称之为岩体力学特性的时间效应、尺寸效应和围压效应。

(1)时间效应。在一般埋深条件下,普遍认为岩体力学特性的时间效应多限于软弱性质岩石地区,表现为流变变形。但在深埋条件下,硬质岩石组成的岩体也可以表现出很典型的时间效应,在一些场合也被类比性地称为硬岩流变。深埋条件下硬质岩体力学特性时间效应的内在实质是破裂扩展,或称为应力腐蚀现象。在完整岩体内产生微小裂纹以后,裂纹端部产生局部应力异常,在受到外界条件的影响、如湿度和温度的变化以后,裂纹端部扩展。这一过程可以重复出现,表现形式上是裂纹随时间扩展。

(2)尺寸效应。岩体力学特性尺寸效应是一个古老的岩石力学问题,因为对这一特性缺乏有效的定量研究成果,其工程应用水平相对较低。即使人们认识到这一特性的存在和对工程的潜在影响,但难以定量地评价其影响方式和程度。

岩体力学特性中尺寸效应的最基本描述是峰值强度。假设对同一岩体取不同尺寸的试样进行试验时,获得的强度值随试件尺寸增大而减小。当然,岩体力学特性尺寸效应远不只是表现在峰值强度上,还会影响到应力-应变曲线的形态,即影响到岩体的基本力学特性,甚至导致性质上的变化(如从脆性转换到塑性)。岩体峰后力学特性的尺寸效应更能帮助解释一些工程,如锦屏二级深埋隧洞岩爆风险和开挖洞径之间的非单调变化关系,同时也对岩体峰后非线性力学特性尺寸效应的这一基础性研究提出了要求,体现了实践对理论发展的促进作用。

导致岩体力学特性产生尺寸效应的一个基本因素是岩体内的结构面。小尺寸试件内可以不包括任何结构面,而大尺寸试件内可以出现多条结构面,即不同尺寸岩体试件中结构面数量对岩体力学特性可以产生显著影响。然而,现实中的问题可能并不如此单一。以加拿大URL(Underground Research Laboratory)竖井片帮破坏为例的研究成果显示,即便是没有任何可见结构面的完整岩体,其强度也存在尺寸效应。此外,很多变质岩中存在不同规模的岩脉发育,岩脉也可以改变岩体力学特性,表现为力学特性随尺寸的变化。

岩体尺寸效应的理论研究往往以“试件”为对象,对“试件”施加荷载进行研究。工程实践中感兴趣的是工程活动荷载变化范围内的岩体,加载也是针对这部分岩体而言。以隧洞为例,在同等条件下开挖洞径越大,围岩受载范围也越大,相当于试件尺寸越大。因此在地下工程实践中开挖断面的差异可能会显著地涉及岩体力学特性的尺寸效应,使得同样条件下不同开挖洞径之间的围岩响应方式存在差异甚至可能缺乏足够的可比性。

(3)围压效应。岩体力学特性的围压效应是深埋条件下的一个普遍问题,实际上也已经体现在经典的岩石力学理论中。比如几乎所有的岩体强度准则包括最常用的摩尔-库仑强度准则和霍克-布朗强度准则,它们都是强度和围压之间的函数关系,都描述了岩体峰值强度随围压变化的基本特征。当深埋条件下岩体围压超过一定水平时,岩体的强度和围岩应力水平都可以超过岩石单轴抗压强度。

岩体力学特性的围压效应不仅仅只是体现在峰值强度的变化性方面,围压水平还可以影响到岩体的峰后力学行为。岩石室内三轴试验结果已经揭示一些类型的岩石存在脆—延转换特性,即低围压条件下岩石表现出脆性特性,围压升高以后脆性减弱而延性增强,甚至直接表现为理想的塑性特征。图1-1给出了不同围压岩样的应力-应变曲线,显示了这一现象。

岩体力学特性是决定地下工程开挖以后围岩响应的主导性因素,因此岩体固有力学特性决定了围岩开挖响应的性质和类型,岩体力学特性的变化(时间效应、尺寸效应和围压效应等)将直接影响到围岩的现场表现。

岩体的峰前力学特性决定了围岩的弹性变形和发生屈服破坏的条件。在深埋条件下,这两个方面的响应往往不被工程关注。这是因为围岩弹性变形基本不导致任何工程问题,多是开挖过程中释放的部分。深埋的定义是围岩开始普遍地出现非线性行为,即围岩会普遍地产生屈服现象。

深埋工程实践往往关心的是围岩屈服程度和表现形式,其中岩体峰后力学特性起到了决定性作用。在其他条件相同时,峰后行为中脆性特性突出时,围岩瞬间剧烈破坏程度相对较大,也具备导致剧烈岩爆破坏的条件。此时工程中关心的围岩变形是脆性破裂发展一定程度以后岩体扩容、体积膨胀的结果,意味着这部分岩体已经丧失了很大一部分的承载力,对支护力的要求可能会更高一些。但延性或塑性特征占主导地位时,围岩强度损失相对不明显,也不可能产生如岩爆一类的剧烈脆性破坏,同等条件下有利于工程的施工安全。

深埋硬质岩体力学特性时间效应决定的最常见现场表现形式是破裂滞后现象。开挖面新揭露的岩体完整性很好,依照浅埋条件下的经验可以不进行支护,但是在一段时间以后,岩体的完整性逐渐变差,甚至出现大面积的围岩坍塌破坏,工程实践已经验证了深埋条件下完整围岩可能仍然需要及时有效的系统支护。当然这只是岩体力学特性时间效应对工程实践造成的一个方面的影响,工程实践中还涉及诸如支护类型选择、支护时机、围岩长期安全性诸多等环节的问题。

二、本书的编写思路

深埋地下工程岩体通常处于高应力环境下,开挖导致的岩体的强卸荷以及复杂的地质条件构成的工程建设条件一方面导致了岩体力学性质的复杂性,另一方面也构成了岩体破坏失稳类型多样性,表现出复杂多变的变形破坏模式,这给深埋地下工程的建设带来了巨大挑战,常规的支护方法和支护类型很难满足此类工程的支护需求。此外,深部岩体复杂的力学特性和响应,也将直接导致更加严重的工程灾害,如硬岩岩爆和软岩大变形等,这类环境的支护设计方法也仍在探索的过程中,虽然国内外工程实践已积累了大量的支护设计经验,但是仍存在很多问题超越了现有的工程经验和认识,都需要形成一套系统的研究方法和工作思路。

本书以锦屏二级引水隧洞为工程背景,以建设工程中面临的重大关键技术问题为对象,对深埋岩石力学与地下工程问题进行了系统深入的探索和研究,遵循地下工程设计的基本流程,希望能够在深埋地下工程建设中具有广泛的适用性和更好的针对性,这也形成了本书编排的主要思路。

本书第一章首先介绍了岩石力学与深埋地下工程相关的基本概念和研究历程,帮助读者了解相关背景,并对工作流程和工作要求也做了相应的阐述,帮助读者建立起一个大概的编写和研究思路,之后对依托工程锦屏二级水电站引水隧洞工程做了详细的介绍,以方便读者能够迅速融入到本书的编写背景中。

围岩的开挖响应现场表现形式、监测方法以及数值分析技术这些内容贯穿于本书编写的各个章节中,因此本书第二章对该部分内容进行了详细的介绍。

地应力是深埋地下工程中岩体最重要的赋存条件,是制约深埋工程建设的关键因素,在工程建设前必须对地应力场有一个清晰准确的认识,因此本书第三章首先介绍了深部地应力场的分析与工作方法。

在高地应力条件下围岩将表现出不同于浅埋工程的力学特性,例如锦屏二级深埋大理岩所表现出的脆-延-塑转换特性,这些特性无论对于分析围岩的开挖响应还是制定支护策略,都是关键性的基础工作,该部分内容包含在本书的第四章中。

为了更加准确地理解围岩开挖响应所包含的工程信息,需要借助于合理有效的监测和测试手段,以及时了解围岩安全性,并通过调整设计方案和完善施工方法等保证围岩稳定,将该部分内容写入了第五章中。

处于高应力环境下的深埋岩体,在开挖时会发生强烈的岩体卸荷现象,加之各类复杂地质问题,不仅导致了岩体力学性质的复杂性,也构成了岩体破坏失稳类型的多样性,这些破坏都给深埋工程的支护设计带来了巨大挑战,单一或孤立的支护方法和支护类型很难满足此类工程的建设需求。本书的第六章介绍了不同类型破坏的支护方式及在锦屏二级深埋隧洞中的支护设计实践和应用效果。

岩爆和软岩大变形是深埋工程中的两个特殊的工程难题,此类问题的防治措施仍在探索的过程中,虽然国内外工程实践已积累了大量的工程经验,但仍存在很多问题超越了现有的工程经验和认识,本书的第七章、第八章和第九章将在锦屏二级深埋隧洞中的工程实践经验提炼总结出来,为读者在遇到类似工程问题时提供借鉴。

三、本书适用范围

我国岩石力学起步相对较晚的重要原因之一是20世纪90年代之前我国大型地下工程数量相对较少,岩石力学研究缺乏足够的实践支持,与外界交往也不够广泛和深入。深埋岩石力学研究更是如此。在金属矿山领域,尽管实施了大量大型地下矿山开采,但是开采深度相对不大。除金川等少数几座岩体条件较差的矿山存在一些困难外,普遍性的应力型问题没有真正意义地表现出来。

最近几年煤矿开采速度较快,一些大型煤矿也达到了约1200m的埋深水平。与国际上深埋矿山相比,我国深埋矿山有着自身独有的一些特色。虽然应力型问题已经开始普遍性地影响到深埋矿山的开采,但问题的类型存在一些差别,如瓦斯、顶板稳定等在金属矿山难以遇到或者基本不存在。即便是同样关心的岩爆问题,二者在成因机制和控制手段上也存在差别。

过去我国的岩石力学工程主要研究对象为地表和近地表岩体,应力水平相对较低,岩石强度高,结构面往往成为控制性因素。在过去很长一段时间内,主要针对结构面控制型问题,三峡水电站就是其中最典型的实例。然而,随着工程的需要,开始面对高应力问题,也遇到了难以逾越的难题,如秘鲁Olmos深埋引水隧洞TBM掘进过程遭遇强烈岩爆以后进度严重滞后,更严重的问题在于缺乏有效的应对措施。

我国西部水电开发中虽然深埋地下工程并不常见,绝大部分地下工程特别是地下厂房洞室群通常也是位于地表以下数百米的深度范围内,然而应力型破坏依然成为西部水电工程建设中需要普遍关注的问题,甚至是对工程建设周期和运行安全占据重要地位的关键性问题之一。其主要原因是我国西部的构造条件和水电站场址所在的深切河谷地貌,使得这些场址区普遍存在高应力现象,其中比较突出的工程部位包括坝基和岸坡内的地下厂房洞室群。

我国西部地区是近现代地壳活动相对活跃的地区,2008年发生的汶川地震和2013年发生的芦山地震就是这种活跃性的表现。地表GPS位移监测结果显示了西部地区地表目前仍然处于有规律的运动过程中,岩体初始地应力水平相对较高。

深切河谷地貌可以严重影响岩体地应力分布,在近河床区域形成相对突出的应力集中现象,形成坝基岩体的高应力水平,可能导致坝基开挖过程的应力型破坏,小湾水电坝基开挖过程中已经出现这类问题。此外,河床应力集中区还会影响到河谷岸坡两侧低高程部位的一定范围内,形成一个与河谷地貌形态相关的局部地应力异常区,当地下厂房洞室群布置在这一区域内时,同样可能面临高应力问题。雅砻江流域的锦屏一级水电站地下厂房、江边水电站地下厂房在开挖过程中都遇到过对工程造成严重影响的应力型问题,前者表现为下游拱肩一带岩体破裂扩展导致的持续松弛,后者为强烈的岩爆破坏。

在我国西部开发建设中,在相对较长一段时间内,交通和水电工程仍然会涉及深埋条件下的地下开挖,还需要解决好这些工程中可能遇到的应力型问题。也就是说,原本是深埋矿山行业关心的应力型问题将比较普遍地存在于我国西部水电、交通、水利工程建设中,这些行业相对缺乏解决应力型问题的认识和经验积累。撰写本书的重要目的就是针对我国西部地下工程建设中的高应力型问题,这些问题可以出现在深埋条件下,也可以是由深切河谷地区特定的初始地应力引起。

我国深埋工程建设在应对高应力问题时,可以借鉴和引用国际、国内深埋矿山行业取得的成果,特别是理论认识、技术方法和一些工程措施。但是,由于行业特点和要求、既往积累、地域文化等方面的显著差别,针对我国深埋工程应力型问题需要建立起适应于本行业和地域实际要求的工作方法和流程,希望本书能起到这方面的作用。

为此,本书以我国水电行业现行技术工作方法与流程为基础,特别强调目前工作方法与解决应力型问题要求之间的差异,并针对应力型问题系统叙述基础资料采集(现场调查、试验、测试等)、分析评价、监测和支护设计、施工技术要求等几个环节需要遵循的工作方法和流程,使得相关的认识和经验能够应用于未来的工程实践之中。