《Symmetry》：Asymmetric Spalling Failures and Tensile Fracturing Mechanisms in Underground Busbar Chamber Induced by Blasting Excavation
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硬岩洞室中的剥落破坏（spalling failure）对地下洞室安全构成重大威胁。为阐明对称洞室几何构型与不对称开挖卸荷应力路径下剥落的宏观损伤特征与断裂机制之间的关系，研究人员采用微震（MS）监测、室内试验、现场地质调查与扫描电子显微镜（SEM）相结合的多
硬岩洞室中的剥落破坏（spalling failure）对地下洞室安全构成重大威胁。为阐明对称洞室几何构型与不对称开挖卸荷应力路径下剥落的宏观损伤特征与断裂机制之间的关系，研究人员采用微震（MS）监测、室内试验、现场地质调查与扫描电子显微镜（SEM）相结合的多尺度方法。记录的微震事件沿对称母线洞的自由面逐渐聚集，其中洞顶聚集程度最高。基于S波与P波能量比（ES/EP）的断裂机制反演定量表明，张拉断裂（tensile fracturing）主导了母线洞洞口的破坏。单轴压缩试验证实了硬质玄武岩的显著脆性及其对剥落破坏的高度敏感性，SEM观测解析了相关的细观断裂特征。该研究建立了开挖诱发微震活动、自由面张拉断裂发育与对称布置深部地下结构宏观剥落损伤之间的多尺度联系，为深部硬岩洞室剥落灾害的早期预警提供了理论基础。
硬岩洞室在高地应力条件下的开挖卸荷会破坏初始应力平衡，形成不对称应力集中并诱发围岩局部断裂，深部水电站母线洞等洞室在爆破开挖过程中极易发生剥落、片帮及岩爆灾害。传统支护设计依赖经验岩体分类或静态应力预测，难以捕捉开挖过程中局部化、渐进性断裂过程；已有研究多通过理论分析、数值模拟、室内试验与原位监测等手段开展，但对硬质玄武岩中开挖卸荷对脆性断裂发育的相对贡献仍缺乏定量认识，尤其在高应力洞室中更为不足。被动微震监测可追踪岩体破裂的时空萌生与演化，识别微震聚集的时空前兆特征以确定预警时间窗口，但传统监测手段主要检测破坏后或宏观变形，现有数值模拟与室内试验难以完全复现开挖的动态应力路径、结构几何不连续性与复杂原位岩体非均质性，且常将微震空间分布分析与实验室断裂力学分析割裂，未能建立微震活动、不对称破裂扩展与宏观剥落之间的定量联系。为此，研究人员针对对称布置的母线洞开挖过程中硬质玄武岩的多尺度断裂演化与不对称剥落机制开展研究，建立集成微震监测、现场调查、室内试验与微观观测的多尺度定量框架：分析微震事件的时空演化以表征母线洞周围脆性破裂的范围、强度与空间不对称性；定量反演断裂机制以揭示自由面附近岩石的破坏过程；考察开挖卸荷与脆性剥落破坏的耦合关系，为高应力洞室早期预警与支护优化提供理论与工程依据。研究依托金沙江白鹤滩水电站地下洞室群，采用永久注浆安装的单轴地震检波器开展原位微震监测，监测段间距30 m，通过地质钻探构建钻孔并结合数字全景钻孔成像获取地质结构数据，所采集岩体破裂信号具有高信噪比与清晰P波初至，经快速傅里叶变换（FFT）提取低频谱平台计算地震矩与矩震级。研究得出：微震矩震级分布于?2.25至?0.25，以低震级事件为主，b值为0.63，微震序列严格遵循G-R频率-震级分布；微震活动呈现裂纹萌生、扩展迁移与聚集形成的三阶段时空演化，晚期在母线洞洞口与洞顶自由面附近形成密集高能微震簇，其空间边界与高应力集中区及宏观剥落区吻合；能量比判据表明母线洞洞口断裂机制以张拉破坏为主；单轴压缩试验测得斑状玄武岩单轴抗压强度约162 MPa，峰后应力骤降无平台，表现为显著脆性与轴向劈裂破坏；SEM断口分析显示解理台阶、棱角状解理面与阶梯状撕裂线发育，缺乏剪切擦痕与摩擦泥，证实为快速失稳张拉裂纹扩展主导的脆性断裂。研究结论包括：（1）建立了集成微震监测与宏观至细观断裂分析的多尺度表征框架，微震事件主要聚集于对称布置的母线洞周围，呈现向局部自由面渐进迁移的时空不对称剥落破坏，能量比分析进一步证实张拉断裂优先发生于自由面附近，据此识别出交叉洞室岩体损伤发育的主要区域；（2）通过综合玄武岩室内力学试验、现场破坏调查与微震监测数据，在多尺度上系统验证了玄武岩的脆性破坏特征，多源方法在破坏模式、空间位置与演化规律方面的高度一致性显著提升了研究结果的可靠性与工程可解释性；（3）揭示了母线洞独特应力边界条件及其诱发的应力重分布是玄武岩脆性破坏的根本原因，开挖卸荷诱发局部应力集中、不对称裂纹扩展与能量快速释放，研究认识为类似深部洞室岩体稳定性评价与微震早期预警提供了坚实的理论基础。
