隨著地下工程向活動(dòng)構(gòu)造區(qū)和深部進(jìn)軍，地應(yīng)力逐漸增高，工程開挖引起應(yīng)力重分布在開挖面附近形成強(qiáng)烈應(yīng)力集中，容易引發(fā)堅(jiān)硬圍巖中儲(chǔ)存應(yīng)變能的突然釋放，造成片幫、巖爆等脆性破壞，給高應(yīng)力地區(qū)地下工程安全建設(shè)運(yùn)維帶來挑戰(zhàn)。經(jīng)典巖石力學(xué)常常基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的單軸抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)巖石脆性破壞時(shí)的圍巖應(yīng)力，即巖石脆性破壞預(yù)測(cè)的靜載荷理論。然而多個(gè)地下工程原位測(cè)試數(shù)據(jù)表明，巖石發(fā)生脆性破壞時(shí)圍巖應(yīng)力都顯著低于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的單軸抗壓強(qiáng)度，靜載荷理論并不能適用于巖石脆性破壞的預(yù)測(cè)。因此，巖石脆性破壞預(yù)測(cè)成為近年來巖體工程地質(zhì)力學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)與難點(diǎn)。
為解決這一問題，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所祁生文研究員等人聯(lián)合中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院張世殊正高級(jí)工程師，結(jié)合以往的研究資料，在現(xiàn)場(chǎng)大量片幫、巖爆等脆性破壞數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了巖石脆性破壞的四種機(jī)制模式，即板裂型（I型）、潰曲型（II型）、剪切型（III型）和結(jié)構(gòu)面滑移型
（IV型-復(fù)合型）。當(dāng)巖體較為完整時(shí)，隨著圍巖應(yīng)力集中程度的增強(qiáng)，起初主要發(fā)生輕微脆性破壞的板裂型片幫，再嚴(yán)重些是中度脆性破壞的潰曲，而如果出現(xiàn)了V型坑的剪切破壞，則是強(qiáng)烈的脆性破壞。如果巖體中結(jié)構(gòu)面發(fā)育，則屬于復(fù)合型破壞，巖石脆性破壞的嚴(yán)重程度等級(jí)將提高一級(jí)（見表1）。

    在此基礎(chǔ)上，基于圍巖破壞深度與洞室半徑之比把巖石脆性破壞嚴(yán)重程度分為輕微、中等、強(qiáng)烈和極強(qiáng)四個(gè)等級(jí)（見表2）。
    基于巖石脆性破壞機(jī)制，結(jié)合巖石破壞過程的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖1），他們提出了新的地下工程圍巖脆性破壞預(yù)測(cè)判據(jù)：當(dāng)洞壁最大主應(yīng)力圖片超過巖石起裂應(yīng)力圖片時(shí)，巖石會(huì)發(fā)生輕微或中等脆性破壞；當(dāng)洞壁最大主應(yīng)力圖片集中以至于超過巖石損傷應(yīng)力圖片時(shí)，巖石剪切破壞會(huì)增加，導(dǎo)致強(qiáng)烈的脆性破壞。考慮到圍巖與巖石的差異，他們創(chuàng)新性引入巖體完整性系數(shù)Kv或地質(zhì)強(qiáng)度指數(shù)GSI對(duì)預(yù)測(cè)判據(jù)進(jìn)行校正（如表3所示）。

圖1 典型脆性巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線

    他們將脆性破壞判據(jù)應(yīng)用于雙江口水電站地下廠房工程開挖中，多個(gè)不同巖體破壞程度的預(yù)測(cè)區(qū)域均發(fā)生了相應(yīng)的破壞，預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)高度相符，得到了驗(yàn)證（圖2）。此外還使用了來自多個(gè)工程的數(shù)據(jù)做了檢驗(yàn)，結(jié)果表明準(zhǔn)確率很高，相比于現(xiàn)有的巖石脆性破壞準(zhǔn)則有了明顯提高。

圖2 雙江口水電站巖石脆性破壞現(xiàn)場(chǎng)圖。

（a）樁號(hào)K0+890m；（b）樁號(hào)K-64m
 

    綜上，該研究按照圍巖脆性破壞的力學(xué)機(jī)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(jié)構(gòu)滑移型（IV型）四種類型，同時(shí)根據(jù)圍巖破壞深度與隧道半徑比值將巖石脆性破壞嚴(yán)重程度分成輕微、中等、較強(qiáng)和強(qiáng)烈四個(gè)等級(jí)。同時(shí)，結(jié)合巖石破壞全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，提出了一種預(yù)測(cè)巖石脆性破壞嚴(yán)重程度的新方法，該方法在雙江口水電站及其他工程實(shí)例中得到了很好的驗(yàn)證。該新判據(jù)的應(yīng)用前景廣闊，有望為越來越多的在建擬建的高地應(yīng)力地下工程安全建設(shè)提供科學(xué)支撐。

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