中国锦屏地下实验室开挖隧洞灾变特征与长期原位力学响应分析

深部地下实验室(underground research laboratory，URL)是开展粒子物理学、天体物理学及宇宙学领域的暗物质探测研究等一些重大基础性前沿课题研究的重要实验场所，它同时也广泛用于矿业开采、石油、CO2储存和核废物地质处置、岩石力学领域[1-2]。深部地下实验室埋深大，所处地应力环境、地质环境复杂多样，导致洞室围岩力学特性及变形规律呈现出独特的性质。大多数发达国家已在矿山和深部地下开辟了深部地下实验室，目前，国际上正在运行的地下实验室有数十个，容积从几百立方米到十几万立方米，垂直岩石覆盖厚度从几百米到两千多米[3]。

中国锦屏深部地下实验室二期(China Jinping Underground Laboratory Phase II，CJPL-II)位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的锦屏山山体中，其最大埋深约2 400 m，是目前国际上最深、规模最大的地下实验室[4]。地下实验室总体方案采用4洞9室2竖井“错开型”的布置形式，其中1#—8#为物理实验室，9#为深部岩石力学实验室。1#—8#实验室各长65 m，城门洞型，隧洞截面14 m×14 m，9#实验室长60 m(东西两侧各30 m)，4#、5#实验室端头分别实施基坑竖井扩挖，分别形成一长方体实验室(长×宽×高：28 m×16.6 m×27.2 m)和一圆柱体实验室(直径18.2 m，高30.7 m)，如图 1所示。

深埋高应力隧洞建设过程中，通常潜在岩爆、片帮、坍塌等硬岩工程灾害，且随着应力的增高，深部工程灾害发生的频率更高、规模更大、危害更为严重。为此，在锦屏地下实验室二期隧洞开挖建设过程和长期运行过程中，综合开展了系统的原位安全监测和稳定性数值分析研究，对可能发生的深部工程灾害进行了实时监测和预警，揭示了施工及运行过程中深部围岩的力学响应特性。

中国锦屏地下实验室二期处于轴向近南北走向的背斜区，2#交通洞轴线部位即为背斜核部，1#、2#和3#实验室位于该背斜北西翼，4#—8#实验室位于南东翼。从核部往两翼岩层产状特征为：走向均为近SN~NNE，北西翼倾向NW，南东翼倾向SE。工程区在2#—4#实验室间发育2条断裂构造，延伸较长，整体上错切背斜构造；3#实验室桩号0+00 m到0+42 m和4#实验室桩号0+00 m到0+52 m发育一条挤压破碎带，产状为N10°~20°W/SW∠70°~80°，挤压严重。2条断裂构造与背斜构造是地下实验室工程区主要构造格局，构造类型可将工程区围岩分为2个区，即A区为背斜核部与局部断层构造区和B区为背斜两翼构造影响区，如图 2a所示。实验室工程区岩性为三迭系中统白山组(T2b)大理岩，工程区各实验室岩性变化显著，有绛紫、白色的微晶大理岩、灰白或灰黑细晶大理岩、灰白色厚层状细晶大理岩等。整个工程区，3#和4#实验室背斜核部区岩体完整性最差，属于Ⅲ-Ⅳ级围岩，从背斜核部向两翼岩体完整性逐步增大，变为Ⅱ级围岩。

由于地质条件复杂，隧洞埋深大，且构造作用强烈，锦屏地下实验室围岩处于极高应力状态下[5]。地应力是深埋隧洞产生围岩破坏的驱动力，因此，在锦屏地下实验室区域进行了多次现场应力测试，测试结果显示：最大主应力达到69.2 MPa，方位角为NW33.96°，与水平面夹角55.6°，中间主应力量值为67.32 MPa，方位角为NE167.36°，与水平面夹角为32.6°，最小主应力量值为25.54 MPa，方位角为NE70.9°，与水平面夹角为9.98°[6]，如图 2b所示。根据主应力与实验室洞室轴线间夹角、洞型的关系，各段洞室在南侧拱肩和北侧边墙靠近拱脚位置容易出现应力集中而导致围岩破裂，后续开挖时在各段洞室相应位置也陆续观测到岩爆等围岩应力型破坏现象，且通过数值模拟得到了验证。

锦屏地下实验室二期施工过程发生的工程灾害主要包括：1)岩爆[7-8]，在开挖或其他外界扰动下，岩体中聚积的弹性变形势能突然释放，导致围岩爆裂、弹射的动力现象；2)塌方[9]，已开挖或正在开挖隧洞围岩出现塌陷下坠的现象；3)片帮[10]，围岩由应力引起的平行于开挖面的一种破坏。其中，发生1次极强岩爆、1次强烈岩爆，多次中等和轻微岩爆，1次大规模塌方，多次小型局部塌方等。典型灾害破坏案例如表 1所示，可以看出，地下实验室二期建设过程中，硬岩工程灾害发生的频率高、危害严重，给施工带来极大困难。

实验室分3层开挖，上层(8.5 m)先开挖中导洞之后进行两侧边墙扩挖，中层(4.5 m)全断面开挖，下层预留1.0 m的保护层。为了确保锦屏深部地下实验室二期工程的安全开挖支护与长期稳定运行，通过岩体变形、开裂、弹性波、应力、微震、声发射、三维激光扫描、岩体结构面遥测等原位监测手段[11-13]，室内试验与理论分析相结合的综合技术路线，实时获取深部地下实验室开挖全过程的岩体响应及其演化特性，实现对岩体多尺度破裂、变形、应力演化特征的跟踪分析和岩爆等灾害的安全预警[14]。

岩体围岩变形及其演化是高应力隧洞硬岩致灾和长期力学行为的重要评价指标，在该洞室群区域内共埋设多套多点位移计，来实时监测1#、2#、4#、5#、9#实验室开挖和运行全过程岩体变形破裂全过程变化特征[14]，典型测试结果如图 3a所示。跟踪监测结果显示，1#实验室上层变形量较小，下层由于受结构面的影响变形量达到83.7 mm，下层开挖后上下层交界处南侧边墙和北侧边墙变形量分别增加了28.7和35.5 mm；2#实验室整体稳定性较好，边墙最大变形量为25.3 mm，4#实验室附近存在蚀变破碎带，与之相邻的3#实验室曾发生过大规模的塌方，由于其地质条件较差，该实验室开挖后边墙最大变形量超过76 mm；5#实验室围岩变形也相对较小，距离边墙最近测点为16.0 mm；9-1#实验室开挖之后南侧边墙变形较大，最大变形为4.5 mm。总体来说，围岩变形以1#实验室和4#实验室北侧边墙较大，最大变形达83.7 mm，其他实验室位移相对较小，变化范围5~30 mm。

近4年的监测结果表明：深部围岩变形主要发生在开挖期，最大变形量达到83.7 mm，且呈台阶式增大特征。实验室开挖过程中出现距离边墙较远测点处的位移大于距边墙较近测点的现象，典型测试结果为1#实验室DSP01-T钻孔，如图 3b所示，位移沿洞室径向呈现“多波峰”，表明了围岩深部在开挖过程中存在破裂的现象。采用钻孔摄像获得钻孔设备安装前的测试结果如图 3c所示，沿钻孔轴向方向的原始裂隙分布如图 3d所示，可以看出，CD区间的裂隙密度和平均宽度均大于BC区间，与之对应的，虽然BC区间更靠近边墙，CD区间的应变大于BC区间，与图 3b中的多波峰特征对应。因此，测点位移和区间应变大于邻近测点的地方均为裂隙更加发育的地方。

运行期间，各测点保持协调变化，已开挖支护的实验室隧洞长期运行下的力学响应处于变形收敛状态，而9-1#实验室由于未采取支护措施，在深部高应力环境中，硬岩表现出一定的流变特性，岩石具有强时间效应，表现出明显的流变或蠕变，洞室周围的变形位移随时间持续增加，如图 3e所示。

各个实验室上层开挖完成后，在两侧边墙和顶拱布置5套锚杆应力计，每套锚杆应力计长度为6 m，共有2个测点，距边墙深度分别为2和4 m。下层开挖后，在下层两侧边墙各布置1套锚杆应力计，规格与布置方式与上层一致，典型锚杆应力监测结果如图 4所示，1#实验室下层开挖过程中上层锚杆应力值增加量最大为380.5 MPa，下层锚杆应力值增长速率逐渐减小趋于稳定；2#实验室上层开挖后埋设锚杆应力计最大值为158.5 MPa，下层开挖后埋设锚杆应力计最大值约45 MPa；4#实验室上层多个锚杆应力计在中层及下层开挖过程中也出现了明显的应力下降现象，但是开挖完成后锚杆应力变化不大。岩体锚杆应力测试结果表明：局部区域最大锚杆应力530 MPa，在运行期锚杆应力值均于收敛状态，趋向稳定。

深埋隧洞开挖后，其附近岩体中通常会发生应力重分布，导致围岩体的节理裂隙、渗透系数、波速会发生变化，发生这种变化的区域称为隧洞开挖损伤区(EDZ)[16]。通过对钻孔声波测试获取岩体波速随孔深变化曲线，确定岩体松弛界线判定标准，在变化曲线上划定围岩松弛深度，通过多次测试获得断面或者局部区域围岩的松弛深度演化特征。

1#—8#实验室共布置10个监测断面，对不同地质条件及不同地应力下的实验室开挖后围岩的损伤区深度及其在断面的分布特征进行测试。通过对钻孔声波测试获取了岩体波速随孔深变化曲线，确定岩体松弛界线判定标准，在变化曲线上划定围岩松弛深度，典型测试结果如图 5a所示。1#实验室开挖完成后，围岩松弛深度1.4~3.7 m，上层松弛深度均小于2 m，下层松弛深度稍大，其中靠近上下层交界处松弛最大深度分别为3.7和3.2 m，如图 5b所示。2#实验室整体稳定性较好，开挖后围岩松弛深度1.2~2.6 m。3#实验室北侧松弛深度4.1~5.1 m，南侧松弛深度3.0~4.6 m。4#实验室开挖后最大松弛深度达到6.7 m。5#实验室开挖后松弛深度1.1~2.7 m，整体松弛深度不大。7#实验室上层开挖完成后松弛深度0.7~1.2 m，但是下层开挖完成后上层松弛深度1.7~3.3 m，下层开挖对上层的影响较大；下层在开挖后北侧边墙松弛深度(2.8~4.6 m)远大于南侧边墙松弛深度(0.8~ 1.8 m)。8#实验室松弛深度分布特征与7#实验室较为相似：上层开挖后松弛深度较小(0.7~2.2 m)，较7#实验室稍大，下层开挖后上层松弛深度增加明显(1.6~4.5 m)；开挖完成后，上层边墙松弛深度南侧大于北侧，下层边墙松弛深度北侧大于南侧。9-1#实验室开挖后最大EDZ深度自0.2 m逐渐增大到0.7 m，在掌子面经过监测断面2倍洞径后稳定，如图 5c所示。总的来说，3#实验室松弛深度最大，7#和8#实验室次之，1#、2#和5#实验室松弛深度相对较小，即松弛深度整体上：3#、4#＞7#、8#＞1#、2#、5#。

地质条件对松弛深度影响显著：1#—8#实验室断面尺寸均相同，但是各实验室的地质条件差异明显，同时地应力差别较大，主要体现在围岩破坏模式的差异：1#、2#实验室在开挖中未有大型破坏，岩体相对完整。在2#交通洞中轴线上有褶皱，3#和4#实验室位于破碎带附近，是该工程区域内地质条件最差的区域。5#、6#实验室岩体相对完整，南侧边墙在上层开挖过程中发生过一次应力型塌方和一次中等岩爆，7#、8#实验室在实验室开挖过程中均有强烈岩爆发生。开挖尺寸也对松弛深度有较大的影响：上层中导洞开挖后的松弛深度一般都大于上层边墙扩挖后的松弛深度。

采用数字钻孔摄像原位监测围岩破裂区，反映围岩内部破裂区随开挖的萌生及演化特征，对其破裂范围及破裂程度做出定量评价[17]。对实验室21个测试孔破裂区原位观测结果分析得出，深埋大理岩岩体强度较高且完整性更高的岩体，破裂区范围较小，平均破裂区长度为1.7 m，但开挖过程中新生裂隙较多，破裂程度为中等到强烈破碎。岩体强度较低且岩体完整性较差的岩体，破裂区范围较大，平均破裂区长度为2.2 m，但新生裂隙较少，开挖响应以原生裂隙扩展为主，破裂程度为轻微到中等破碎。

实验室范围内围岩多为单区破裂，典型单区破裂如图 6a所示，为1#实验室开挖前的预设钻孔。在中导洞开挖掌子面过钻孔9 m时孔内新增3条裂隙，其中有2条平行的长度为0.8 m的长裂隙，横跨测孔1.4 ~2.2 m，此时的破裂范围为2.2 m；上层边墙扩挖掌子面过测孔2 m时，孔内多处裂隙扩展，并在1.2 ~1.5 m处新增多条微裂隙，致使该区域完全破碎，此时的破裂范围为2.5 m；底层开挖掌子面距测孔3 m时，破裂范围并未继续延伸，但1.2 ~1.5 m处裂隙继续发育，并在微裂隙和应力共同作用下致使孔内切割掉块。分区破裂钻孔4个，分别为2个三区破裂和2个两区破裂。4个分区破裂孔均为岩体完整性较好、强度较高的岩体内，与单区破裂相比，出现分区破裂的过程为孔内距第一破裂区较远的原生裂隙附近出现衍生裂隙且范围逐步扩大形成了第2和第3个破裂区。图 6b为9-1#实验室开挖前预设钻孔，在掌子面开挖至距孔口前5 m时在0~0.5 m和1.1~1.3 m处出现分区破裂，掌子面推进过孔口12 m时，孔口破裂区无变化，中部破裂范围增至1.1~1.4 m。

微震监测是岩爆最为广泛的监测方法，根据评估的岩爆风险区域，布置多个传感器，对岩爆风险区域内的岩体破裂释放出的弹性波信号进行采集，根据采集获取的弹性波，进一步分析获得破裂位置、时间、能量等震源参数，因地制宜地辅以地质预报及现场施工宏观观察等手段，建立多方位、多手段的岩爆监测预报系统[18-21]。

锦屏地下实验室二期是复杂洞室群工程，采用60多个微震传感器协同工作进行微震源定位。实验室开挖期间，微震活动随时间的演化特征受施工影响较大，不同的开挖步对应的微震活跃程度略有不同，如图 7a所示。实验室中导洞开挖时微震活动最活跃，每日微震事件数和每日微震释放能均处于高位。上层边墙开挖时微震活动较活跃，微震事件数比中导洞开挖时略有下降，微震释放能与中导洞开挖时基本持平。进行系统支护期间，微震事件数和微震释放能均明显下降。下层开挖时微震事件数较系统支护期间明显上升，但较上层边墙开挖期间有所下降，而微震释放能较中导洞开挖和上层边墙开挖阶段均有所上升，即单个微震事件释放能量较大。这说明中导洞开挖时，围岩应力调整最剧烈，围岩中产生较多微破裂事件；上层边墙开挖时围岩中应力调整略有下降，每日微震事件数降低；系统支护对围岩破裂活动的抑制是明显的，系统支护期间，微震事件数和微震释放能均明显下降；下层开挖时，围岩应力调整向围岩深部转移，小事件数量降低，释放能量较多的大事件增多。整体上微震活动性有如下规律：中导洞开挖>上层边墙开挖>下层开挖>系统支护。系统支护对围岩破裂活动的抑制较明显，因此，施工允许的条件下应及时施作系统支护。

以整个监测期的主要微震事件(局部震级>-2.0)的活动特征及6月1日—7月18日所监测的微震活动特征说明地下实验室开挖过程中硬岩破裂的空间演化规律，如图 7b所示。图中球体颜色表示微震事件发生的时间，球体大小代表微震释放能量，球体越大，微震释放能越大。从图 7中可以看出：微震活动性由大到小依次为：8#、7#、4#、3#、5#、6#、1#、2#、9#，开挖是微震活动的主要诱因，岩体条件(较完整＞裂隙发育)是主要控制因素；7#和8#实验室微震活动活跃且大事件频发，实际开挖过程中持续发生岩块弹射现象(持续性轻微岩爆)，已完成开挖的各洞室微震活动逐渐平缓，表明岩体微破裂极少，实验室围岩趋于稳定。

隧道工程开挖和长期运行过程中，围岩内二次应力出现集中和长时调整，当应力条件发生变化，部分岩体的强度不能满足要求时，就会出现开裂、体胀现象，造成岩体的不可逆的时效损伤，承载能力下降，从而影响工程安全。结合在深部围岩长期原位力学行为监测和认知的基础上，研究认为：深部硬岩工程的长时变形破坏，以控制开裂为主，为此提出相应的岩体时效劣化评价指标和设计控制方法。在支护设计时，需要确定围岩的损伤程度并确定支护参数，为此，提出岩体破坏度(rock mass failure degree, RFD)指标，考虑主应力空间中应力点与屈服面的关系，来合理揭示围岩时效劣化区的范围和裂化程度。

工程岩体破裂过程细胞自动机分析软件CASRock(cellular automata software for engineering rock mass fracturing process)具有局部性和并行性的特点，能够较好地模拟岩体破裂的局部化过程[22]。该方法将工程岩体视为由元胞组成的系统，工程岩体整体的力学行为通过元胞与其邻居之间依据局部弹脆塑性更新规则的相互作用依次传递，避免了传统方法需求解大型线性方程组及其带来的复杂性，是一种“自下而上”解决工程岩体破裂过程局部化模拟问题的思路。CASRock软件系统嵌入了RFD指标，可成为工程师和科研人员研究岩石破裂机理和工程岩体稳定性的有力工具。

依托工程中国锦屏地下实验室二期，以4#实验室竖井开挖过程为例，建立图 8所示的计算分析模型，反演得到加固后的围岩基本力学参数如表 2所示，其中地应力值根据实测得出，如表 3所示。通过CASRock分析软件，模拟竖井分步开挖过程中破坏度RFD演化过程，如图 9a所示，较好地反映了开挖过程围岩损伤程度和范围的演化。

分层开挖完成后CASRock模拟的RFD分布如图 9b所示，实测开挖后围岩劣化最大的地方出现在南侧拱肩区域与北侧拱脚区域，南侧边墙EDZ深度约为2.1 m，北侧边墙EDZ深度约为3.3 m。为围岩稳性评价和支护设计优化提供了支撑。工程开挖完成后进一步分析，数值模拟结果与现场测试结果及钻孔声波测试结果基本一致，也与现场实际破坏一致。

基于目前世界上埋深最大的中国锦屏地下实验室二期(CJPL-Ⅱ)，系统分析了实验室开挖过程中遇到的典型深部工程灾害，通过综合原位监测技术和数值稳定性分析，阐述了深埋洞室围岩长期力学响应行为，并对其影响因素和形成机制进行了探讨。研究结果表明：

1) 围岩变形以1#和4#实验室北侧边墙较大，最大变形达83.7 mm，其他实验室位移相对较小，变化范围10~30 mm；隧洞的每一层开挖扰动，变形均有台阶式突增现象；在实验室开挖过程中出现距离边墙较远测点处的位移大于距边墙较近测点的现象，位移沿洞室径向有时呈现“多波峰”分布；开挖完成后，各实验室变形总体处于收敛状态。岩体锚杆应力局部区域最大锚杆应力530 MPa，开挖过程中多个锚杆应力计出现了明显的应力下降现象，开挖完成后，锚杆应力处于收敛状态。

2) 岩体弹性波和钻孔摄像揭示的开挖损伤区范围一般在0.8~3.5 m。开挖完成后，4#实验室岩体松弛较大，最大松弛深度达6.7 m，其他实验室相对较小，总体变化范围为1.0~3.0 m，局部测点达4.5 m。不同洞径、不同开挖尺寸、不同地质环境开挖导致的松弛深度表现出显著的差异。

3) 围岩随开挖内部破裂演化，存在分区现象，强度较高且完整的岩体，破裂区范围较小，平均破裂区长度为1.7 m，但开挖过程中新生裂隙较多，破裂程度为中等到强烈破碎。强度较低且岩体完整性较差的岩体，破裂区范围较大，平均破裂区长度为2.2 m，但新生裂隙较少，开挖响应以原生裂隙扩展为主，破裂程度为轻微到中等破碎。

4) 以实时监测地下实验室施工过程岩体破裂过程为目标，构建了高灵敏度高精度微震监测系统。各实验室开挖时的微震活动性强弱：8#＞7#＞4#，3#＞5#，6#＞1#、2#、9#。开挖是微震活动的主要诱因，岩体条件(较完整＞裂隙发育)是主要控制因素，目前地下实验室开挖已完成且各洞室微震活动逐渐平缓，表明岩体微破裂极少，实验室围岩趋于稳定。

5) 基于CASRock软件分析表明，实验室开挖卸荷后南侧拱肩和边墙应力高、松弛深度较大，是高风险区，为实验室围岩稳定分析、动态支护设计优化提供了支撑。