深部坚硬断裂岩体道路长期变形与破坏的机制：以爆破效应为例的案例研究

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Mechanisms of long-term deformation and failure in deep hard fractured rock roadways: A case study on blasting-induced effects

长期变形与破坏机制在深部硬裂岩巷道中研究，通过多尺度监测系统（三维激光扫描、钻孔成像等）揭示高地应力与爆破振动耦合作用下的空间演化规律，发现变形沿最大主应力方向（σ1）显著发展，爆破振动加速裂缝扩展，并建立数值模拟验证模型。

　　在深部坚硬破碎岩体巷道中，长期变形与破坏现象往往受到高围岩应力和频繁爆破扰动的共同作用而显著加剧。尽管已有大量研究关注这一领域，但重复爆破如何加速高破碎岩体的退化过程，其具体机制仍存在不足。本研究以金川二矿790米水平段为对象，采用多尺度监测系统，结合三维激光扫描、钻孔成像、多点测斜和振动监测等技术手段，追踪地表变形与内部裂隙的空间时间演化过程。通过现场观测，我们发现变形与破坏模式呈现出明显的非对称性和非均匀性。变形与结构退化主要沿着最大主应力（σ?）方向演化，而支撑结构若与σ?方向垂直，则容易发生屈曲现象。在卸载松弛区，主裂隙开启并高度敏感于爆破振动，而在应力集中区，由于裂隙网络被压缩，振动的影响则相对较小。研究结果表明，爆破引发的裂隙扩展是长期退化的主要驱动力。不同的应力场对裂隙演化的影响方式各异，强调了减少开挖引发的破坏和控制动态扰动以提高长期稳定性的必要性。这些发现有助于我们更好地理解开挖与爆破在深部破碎岩体中的相互作用，并为开发更加有效和适应性的支护策略提供了支持。

深部地下工程面临着复杂的挑战，包括软岩的显著变形、硬岩的岩爆以及水涌等问题，这些现象主要源于高真三轴应力条件（σ? > σ? > σ? > 0）的环境（He et al., 2005；Xie et al., 2015）。在深部工程项目的开挖后，岩体的变形往往表现出明显的时变特性，导致长期的变形和结构退化。例如，锦屏一级水电站主变电室在两年时间内发生了0.2米的向下位移，整个监测期间未观察到收敛现象（Ma et al., 2020）。同样，盘古二矿-520米水平段的轨道巷道在100天内记录了1米的水平收敛，也未表现出稳定迹象（Ma et al., 2022）。这种长期的变形和破坏现象对深部工程项目的施工安全构成了严重威胁。

长期变形与破坏的主要成因可以分为客观和主观因素。客观因素包括高应力环境和不利的地质条件，这些因素使岩体更容易发生变形（Xu et al., 2017）。相反，主观因素则包括不合理的开挖和支护系统，这些是人为因素，持续导致变形（Frenelus et al., 2021；Wang et al., 2021a）。此外，岩体的流变特性（Xie et al., 2019）、地下水的影响（Wang and Yan, 2023）、断层滑动（Ma et al., 2021）以及外部施工活动对应力场的影响（Fan et al., 2020；Qi et al., 2022；Wang et al., 2018）都是触发变形的因素。

例如，应力诱导的流变特性导致长期变形的现象可以在淮南矿区的黏土岩（Jia et al., 2022）、连城山隧道的绿泥片岩（Liu et al., 2022）、哈巴雪山隧道的片麻质玄武岩（Zhao et al., 2024；Zhao et al., 2025a；Zhao et al., 2025b）以及白皎煤矿的砂质泥岩和细砂岩（Mu et al., 2020）中观察到。在含水丰富的地层或湿润气候条件下，地下水对深部工程结构的稳定性有显著影响，主要表现为软化作用、增加孔隙水压力以及引发化学腐蚀。这些过程会破坏软岩结构，如韦来隧道（Frenelus and Peng, 2023）和富含黏土的隧道（Chang et al., 2020）。此外，裂缝中的地下水压力，如在锦屏二级水电站进水隧道中发现的（Huang et al., 2022；Jia et al., 2023），会导致裂缝扩展和岩体的持续变形，最终引发长期破坏。

穿过活动断层的隧道，如香炉山隧道（Wang et al., 2021），由于断层带中复杂的地质条件，极易受到断层蠕动和不稳定的影响。Huang et al.（Huang et al., 2014）指出，高应力隧道对爆破扰动特别敏感，因为重复爆破会在更深的地层中产生扰动区，从而引发长期变形。例如，白鹤滩水电站地下厂房（Meng et al., 2021）和玉溪煤矿主井（Wu et al., 2022）等工程中，都观察到了因爆破引起的显著变形现象。

然而，尽管已有诸多研究，关于长期变形的研究主要集中在软岩蠕变和地下水效应上。相比之下，爆破开挖虽然在深部坚硬岩体工程中是最常见的方法，但研究多集中于短时振动效应，如应力波传播、峰值粒子速度衰减以及完整硬岩的损伤阈值（Qiao et al., 2024；Yan et al., 2020）。实验室研究表明，重复冲击会加速弱风化花岗岩中微裂隙的发展和刚度退化（Yan et al., 2020），而在约束压力下的循环爆破则会导致非线性累积损伤、塑性应变增加以及裂隙扩展增强（He et al., 2018）。同样，动态-静态耦合试验表明，动态强度和刚度会随着重复冲击而逐渐降低，尤其是在较低的约束压力条件下（Wang et al., 2023）。物理模型试验和数值模拟也确认了循环爆破会在围岩中引发持续的损伤累积（Huang et al., 2023）。此外，分层碎屑岩体巷道的现场监测进一步表明，长期不稳定是由于动态扰动下的累积损伤引起的，这种现象受到层理结构和高地应力的显著影响，而稳定性则依赖于分区域和多层次的协同支护策略（Chen et al., 2025）。

然而，大多数现有研究将爆破视为一种瞬时的动态载荷，主要关注振动安全阈值，而对频繁爆破循环对长期巷道变形的累积效应仍缺乏深入理解。此外，许多实验室和数值研究假设岩体是完整或均质的，忽略了深部坚硬破碎岩体中常见的不连续性和预先存在的裂隙网络。因此，关于重复爆破下开挖引发的裂隙区的演化机制以及破碎岩体巷道的长期变形和破坏过程，目前仍不清楚。这种知识的缺失阻碍了对长期稳定性评估的准确性以及有效控制策略的制定。

这一问题对于大规模水电和采矿项目尤为重要，因为长期的施工周期需要每天进行爆破作业，从而对围岩施加持续的扰动（Sun et al., 2021）。然而，对受到这种扰动影响的破碎岩体的长期变形研究仍较为有限。现有的研究大多关注完整岩体的条件，对如金川镍矿（Yu et al., 2024；Zhao et al., 2021）、穆孔煤矿（Yu et al., 2018）、关山隧道（Bao et al., 2022）和万合隧道（Li, 2021）等坚硬破碎岩体环境下的长期变形研究仍显不足。

为了弥补这一研究空白，本研究聚焦于金川二矿790米水平段深部坚硬破碎岩体巷道的持续变形与破坏机制。通过集成的现场监测和三维离散元建模，我们分析了开挖引发的损伤与长期爆破振动的耦合效应。通过追踪三个交汇巷道的地表变形与内部裂隙的时序演化过程，本研究旨在（1）阐明破坏区的空间分布与演化过程；（2）确定爆破振动对裂隙扩展的影响；（3）为提高深部破碎岩体环境下的长期稳定性控制策略提供理论依据。