第二节　岩体工程潜在问题与工作流程

一、主要潜在问题

工程建设中的岩体问题大体可以分为三大类,即软岩问题、应力型问题和结构面控制型问题,如图1-2所示。以地下工程为例,这三类问题的典型表现形式分别为围岩大变形、岩爆和结构面组合的块体破坏等。当然,由于现实条件的变化性和复杂性,岩体工程中实际出现的问题在特征和性质上要复杂得多,也可能出现一些复合类型或过渡类型的破坏方式。比如在深埋地下工程实践中,应力型破坏往往还与结构面相关,出现中间情形的破坏类型。

图1-2所示的三种破坏类型分别受到三个基本因素的控制,分别为岩性(岩石强度)、地应力和结构面。这三个基本因素中的任何一个起主导性作用时,都可以导致潜在问题类型和性质的变化。因此,这三类问题也可以叙述为岩性软弱时的软岩问题、高地应力条件下的应力型问题以及结构面占主导作用时的结构面控制型问题。当然,这种叙述是相对粗略和宏观的表达。因为其中的任何一个因素都不可能独立于其他因素存在于现实的自然岩体中,因此也就不应该绝对和独立地看待这三种类型的问题。针对这三类问题的发生条件和主要表现形式可以进一步叙述如下。

(1)软岩问题。软岩问题主要是岩性起到控制作用的结果,主要体现了岩石基本力学性质的作用。一般来说,只要岩石性质足够软,软岩大变形问题就可能存在。高应力可以使得这类问题更加突出,或者说更容易导致大变形问题的产生。此时结构面的作用往往起次要作用,岩石越软弱,结构面的作用越被弱化。大变形及其导致的坍塌是软岩条件下隧洞开挖以后围岩最常见的潜在问题,这两种方式都大量出现在工程实践中。要说明的是,不应单纯从围岩强度指标自身来判断是否属于软岩,而是要从围岩强度与围岩应力之间的相对关系来分析。

(2)应力型问题。工程实践中讨论应力型问题时往往针对硬质岩石条件,它同样是应力水平与围岩强度之间关系比较的结果。高应力条件下可以导致完整坚硬岩石的剧烈破坏,成为应力型破坏的典型表现。岩爆、片帮、应力型节理、破损等都是相对坚硬和完整岩体条件下围岩的潜在应力型破坏方式,应力坍塌则主要出现在岩体承载力和应力水平差异明显的非脆性岩体中,多为结构面相对密集发育的岩体,如断层影响带等。

(3)结构面控制型问题。结构面控制型问题往往指硬质岩石地区低应力水平下结构面切割引起的块体破坏,以岩质边坡工程最常见,也大量存在于浅埋大跨度地下工程中。根据经验,当开挖跨度超过结构面平均间距的10倍时,结构面切割导致的块体稳定问题比较普遍。但在深埋高应力条件下,结构面也可以导致围岩的严重破坏。为了区分起见,高地应力条件下与结构面密切相关的破坏也增加了其他限定词,如构造型岩爆等。

在岩体质量相对较高的条件下,浅埋地下工程尤其是大跨度地下工程潜在问题主要为结构面控制型破坏,它与深埋地下工程的应力型破坏存在性质上的差别。因此,从浅埋到深埋体现了量变导致的质变,从而影响到从地质调查到施工技术要求全过程的工作思路、方法和技术等。表1-1以坚硬的脆性围岩为例,简要地总结了浅埋和深埋工程实践中在若干环节的差别。

二、基本工作流程

上述概要性地介绍了岩石力学学科起源、发展过程及岩石力学学科的工作内容和范畴。概括来说,岩石力学是研究岩石和岩体的物理和力学特性,并将这些研究成果用于工程实践,从而实现对潜在风险的预判和有效控制。岩石力学工程师的基本职责是在现场调查基础上、通过开展必要的试验测试和分析、判断潜在问题的风险程度、制定控制风险的工程措施并提出实施技术要求,复杂工程实践的岩石力学工作往往不能缺少试验测试和计算分析,但试验测试和计算分析绝对不是岩石力学工作的全部。

图1-3是归纳总结的岩石力学工作流程,也是本书试图传达的重要理念之一:服务于工程实践的岩石力学工作是由多个环节组成、具有流程要求的系统性工作,而不是仅仅局限在少数几个环节。岩石力学学科虽然要求在一些基础性环节达到精与深,但其实践性属性决定了对系统性的要求,需要在工程经验基础上来促进其发展。

地质测绘和勘探资料是岩石力学工作的基础,它提供了包括地层岩性、地质构造、地质演变历史过程等在内的基本资料。这些资料通常包含了具有普遍性意义的岩石力学信息。比如,岩性类型和近代构造运动活跃程度可能决定了场址区地应力水平,地层年代与历史构造背景也可能指示了岩体内细观裂纹发育条件和对岩体宏观力学特性的潜在影响。

在地质背景资料基础上,岩石力学第一项工作是岩石力学现场调查,主要目的包括以下两个方面。

(1)工程基本问题性质的判断。它决定了岩石力学试验测试和分析及监测与支护设计的基本工作方向。如果现场判断存在应力型问题的可能性,地应力测试与判断、岩体非线性力学特性的测试与分析验证等则成为岩石力学工作的重要基础性工作内容,反之,当地应力水平不足以导致应力型问题时,工作重点可能转移到结构面空间分布和强度的调查与测试,计算分析也相应地以结构面切割块体稳定为重点。

(2)解译现场现象。地质勘探工作往往包括钻孔和勘探洞的开挖,当勘探部位的地应力水平足够高时,勘探工作会揭示出一些现场现象,如钻孔岩芯饼化、孔壁破坏、探洞围岩片帮等,这些现象通常可以可靠地指示深埋工程所关心的基础性信息,如地应力相对于岩石强度的量值水平、三个主应力的比值关系、主应力的方位特征、岩体峰后力学特性(如脆性)等。特别是这些信息建立在现场实际地质背景条件下,是对室内试验等非自然环境下成果的补充,因此,在现实工作中可以用来检验相关成果的现实可靠性,并进行必要的修正。

当现场调查对工程潜在问题的性质和控制因素及其基本特点有一个基本判断以后,岩石力学下一步的工作是试验测试和现场编录。就深埋工程而言,地应力和岩体力学特性是这一阶段的工作重点。不论是哪个方面的工作,都需要特别强调现场判断与试验测试手段的结合。

地应力是深埋地下工程中岩体最重要的赋存条件,其工程重要性不言而喻。不过,现实工作中必须接受的事实是目前具备的科技水平还无法实现精准的地应力测试,现有的地应力测试技术多建立在理想弹性假设基础上。并且,即便现有测试技术突破了基本理论假设上的限制,自然界客观存在的地应力局部异常化现象以及地应力分布的不均匀性也是面临的现实问题。正因为如此,国际岩石力学学会在2003年颁布的“地应力场估计方法”技术文件中,特别强调了基本地质分析和现场判断对测试的基础性作用。比如,在一个地区采用水压致裂测试方法开展地应力测试时,测试前的钻孔布置就需要建立在主应力方位经验判断基础上,以满足测试工作对钻孔方位布置的要求。

岩体力学特性是深埋岩石力学工作的另一个关键性基础工作。其基本理念是把岩体看成是岩石和结构面的组合体,岩石力学特性采用方便快捷的小尺寸岩石试验方式获得,代表了岩体可能具备的基本力学行为。岩体是否继承或在多大程度继承了岩石的力学特性,则还显著地受到结构面发育条件的影响。可以采用岩体质量分级(如RMR、GSI等)或通过现场编录的方式获得。这一基本理念和工作方法在20世纪80年代即已经基本成型,目前仍然在不断发展和完善中。建立这一理念考虑了两个基本性问题:①岩体力学特性存在尺寸效应,小尺寸的室内试验乃至现场试验结果无法可靠地代表工程尺度下岩体的力学特性;②在现有的试验水平和工程经济条件下,现实中基本无法通过现场试验直接地、精准地了解工程尺度(数米至数十米量级)岩体的力学特性。

不过,采用现场编录和室内试验相结合的方法往往只能获得描述岩体弹性力学特性的相关参数,并不能给出岩体开挖屈服以后非线性阶段的力学行为,而恰恰是后者很大程度上决定了开挖以后围岩的破坏方式和破坏程度,是工程设计中普遍关心的问题。近年来的科研和实践活动中围绕这方面的问题开展了卓有成效的工作,但并没有形成广泛应用的工作流程。这方面的成果包括以下方面。

1)数值试验:综合岩体模型(SRM)技术是研究宏观大尺度岩体复杂力学特性数值试验方法的典例,体现了这一环节的国际前沿动态。SRM把岩体处理成岩石和结构面的综合体,在计算机中进行大尺度综合岩体的岩石力学实验(如三轴压缩),即通过计算机完成大尺度岩体的力学试验。

2)拟合计算:基本思路是采用计算机“复制”现场观察到的应力型破坏现象或者是应力型破坏问题的测试数据。由于现场的应力型破坏程度与岩体峰后特性密切相关,当计算机能复制现场破坏特征时,可以认为模拟过程中对岩体峰后特性的描述满足工程设计和论证的可靠性要求。

在获得岩体地应力条件和岩体力学特性的认识以后,就可以对工程中潜在的问题进行分析和评价,其中经验方法和数值方法是开展分析评价最主要的技术手段。由于试验周期和费用的限制,除非是特别要求,现实中很少采用试验方法。

潜在工程问题分析和评价工作与行业特点、具体工程要求等密切相关。比如,在深埋矿山工程实践中,开采的可行性、采矿方法、采场布置、开采顺序等往往是普遍关心和需要分析论证的问题。在深埋隧洞工程中,工程运行期的稳定和安全性往往比矿山领域更重要和突出,是需要论证的重点环节之一。可以说,不同行业和不同工程的分析论证工作有着一般性特点,如深埋工程的分析基本都围绕应力和围岩强度的矛盾进行,有着较为普遍性的应力型问题判断指标和准则等。但是,由于自然岩体的变化性,针对不同工程的分析往往又有着独特的要求,比如在本书中介绍的锦屏二级深埋隧洞,大理岩脆-延转换力学特性的描述在分析中占据重要地位,而岩浆岩地区深埋工程分析中则主要强调了脆性特征。

潜在问题的岩石力学分析需要针对给定的具体对象,如某个设计方案或者给定工程部位的特定问题。因此,岩石力学分析通常要融入到具体的工程设计过程中,设计与分析论证之间存在密切的互动关系,通过分析论证工作不断发现和修正设计环节的问题,直到在技术可行和经济合理两个方面都满足工程要求。

在很多情况下,特别是对尚处于前期设计阶段的深埋工程,设计方案不可避免包含一定的工程风险,而且现实中不可能、也没有必要设计出“无风险”的工程方案。现实中可靠了解和避免风险的方式是实施过程中的安全监测和设计优化。安全监测设计的基础也是岩石基本力学特性及其决定的潜在破坏表现形式,比如,应力型破坏问题的早期预警显然不宜采用变形监测手段,也不宜以变形作为主要的安全判断指标。