综合数值-微地震方法揭示应变突发与断层滑移岩爆的孕育机制

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Integrated numerical-microseismic approach to unraveling the incubation mechanisms of strain burst and fault-slip rockburst

本研究通过数值模拟与微震监测技术，揭示深埋隧道中应变岩爆与断层滑移岩爆的应力重分布及能量释放机制差异，建立综合评估框架，为岩爆防治提供新方法。

　　

郝坦|冯戴|刘毅|魏明东|宋定然

中国四川省成都市四川大学水资源与水电学院水力与山地河流工程国家重点实验室，邮编610065

摘要

岩爆对深部岩石工程的建设和运行安全构成严重威胁。为了全面揭示灾害孕育机制，本研究采用数值正向建模与现场微震（MS）监测相结合的集成方法，研究了中国西南部一个复杂深埋隧道群中发生的典型应变爆裂和断层滑移岩爆案例。利用数字3D扫描技术获取原位地质强度指数（GSI），以准确校准模型，有效解决了传统参数获取方法的局限性。同时，整合了一个非线性模型来模拟开挖卸载效应。结果表明，由于开挖过程中的岩性变化，隧道顶部靠近断层界面处发生了显著的应力下降，导致应变能大量释放。因此，采用了一个多参数岩爆能量指数，确认了该区域的高风险特性。此外，从时空分布、演化模式和矩张量反演三个角度系统地解释了这两种类型岩爆的微震活动。对于应变爆裂，拉伸断裂在初始应力调整阶段占主导地位；一旦岩体质量降至临界阈值，爆破引起的卸载会立即引发能量释放，其特点是预兆时间短且破坏范围有限。相比之下，断层滑移岩爆受结构控制，经历应力调整、变形驱动和能量释放的渐进过程。在此过程中，混合断裂和剪切断裂逐渐增加，主要表现为正滑或逆滑。这些岩爆表现出相对不同的预兆信号；然而，这种断层滑移往往会引起大规模破坏。所建立的集成方法不仅阐明了应变爆裂和断层滑移岩爆的对比灾害孕育机制，还为从传统预测向动态预测的转变提供了实用框架，为岩爆预防提供了宝贵见解。

引言

在全球范围内，与交通隧道（赵等人，2025年）、水利水电（徐等人，2025年）和能源开采（张等人，2025年）等领域的重大基础设施项目相关的岩石工程正逐步向更深的地下环境发展。与浅层围岩不同，深部岩体通常承受着较高的上覆岩压和地质应力，并伴随着不可避免的开挖动态扰动，使其容易发生高能量动态灾害（瓦格纳，2019年；吴等人，2024年）。其中，岩爆作为一种典型的动态灾害，由于其不可预测性，常常对地下工程的建设和运行构成严重威胁（何等人，2023年）。此外，深部岩石工程不可避免地遇到复杂的地质条件，如断层破裂带（宋等人，2024年）、硬岩与软岩的过渡带（李等人，2023b年）以及异常的构造应力（纳吉等人，2019年）。这些挑战导致岩爆灾害的发生频率和严重程度不断增加，特别是在青藏高原等地区（杨等人，2025年）。因此，揭示开挖动态扰动引起的应力重分布并实现岩爆灾害孕育过程的实时评估，已成为确保深部岩石工程安全高效推进的先决条件。

从力学角度来看，深部工程中围岩在瞬时卸载后，会从原始的原位应力状态向轴压增加和围压降低的机械状态转变（王等人，2025年）。在此过程中，能量逐渐在结构薄弱面积累，直至超过其储存能力或岩体强度，最终引发岩爆（李等人，2022a年），如图1所示。因此，明确原位应力的演化对于控制围岩稳定性至关重要（张等人，2012年），而开挖卸载效应的数值模拟已成为评估岩体破坏风险的重要方法（谢等人，2025b年）。然而，深部岩体中的卸载过程常常由于偏应力急剧增加而引发塑性屈服甚至破坏（维比索诺等人，2024年）。因此，适用于浅层岩体的线性弹性模型无法准确捕捉深部岩体的力学响应（蔡等人，2023年）。此外，数值模拟的可靠性在很大程度上取决于岩体参数的准确获取（谢等人，2025a年）。传统方法，如实验测量或反分析，由于试样扰动、尺寸效应和简化的边界条件，往往无法准确反映岩体的原位特性（蔡等人，2022年；陈等人，2020年）。数字技术的进步，包括非接触式3D扫描和摄影测量，逐渐实现了岩体结构特征和力学参数的自动化获取（周等人，2022年）。鉴于此，基于卸载过程正向动态分析的数值研究越来越受到重视。

此外，微震（MS）监测技术已广泛应用于深部岩石工程中，以定量评估原位应力平衡破坏对岩体造成的损害（段等人，2024年）。这种方法能够捕捉围岩中裂缝的3D时空信息，从而识别岩爆灾害的前兆预警指标（宋等人，2025b年）。目前，已有大量研究基于微震事件能量、频率和时空聚类等传统参数来识别岩爆的位置、规模和概率（刘等人，2021年）。然而，这些方法主要依赖经验统计，依靠历史数据建立微震参数与岩爆案例之间的映射关系（张等人，2024年）。最近，随着人工智能的快速发展，机器学习技术在微震数据分析中展现出巨大潜力（宋等人，2025a年）。然而，这些算法的核心范式在于寻找宏观参数中的统计模式，这本质上限制了它们的适用性，因为数据依赖性很强（詹等人，2023年）。特别是在岩体工程中，这些方法的泛化能力受到地质条件和项目特征的显著限制，“黑箱问题”阻碍了它们对源破裂机制和应力状态的准确描述。相比之下，矩张量（MT）反演通过描述源处的二阶对称张量来表示等效力偶系统，可以定量描述岩石断裂的力学机制，并区分拉伸、剪切和冲击事件（宋等人，2022年）。这种基于力学的方法在采矿灾害（赵等人，2023年）、隧道围岩（费格尼耶和扬，1992年）和水力压裂（李和常，2021年）等领域已经显示出独特优势。值得注意的是，单一参数框架无法完全揭示岩爆的复杂发展过程。迫切需要一个结合多种微震参数和矩张量反演的集成框架，以深入理解岩爆机制并提高早期预警能力。

由于长期的地壳运动，天然岩体富含宏观节理和大规模断层（谭等人，2024年；谭等人，2025年），导致局部岩爆特征存在显著差异（郭等人，2023年）。根据形成机制，岩爆被分为应变爆裂、应变-结构滑移岩爆和断层滑移岩爆（冯等人，2022年）。当潜在岩爆区域存在断层或结构面时，这些不连续表面阻碍了应力向深层岩体的传递，导致局部应力集中和应变能的快速积累与突然释放（张等人，2013年）。此外，这种结构弱点降低了整个系统的刚度，改变了能量积累-释放模式，增加了应力重分配过程中岩爆发生的可能性（冯等人，2019年）。为此，许多研究人员尝试通过实验或数值方法研究不连续性几何参数对岩爆发展的影响（程等人，2023年；马努切赫里安和蔡，2018年）。然而，简化模型难以准确再现现场条件和动态开挖效应（周等人，2018年），使得研究结果在揭示相关岩爆机制方面仍然有限。还应强调的是，由于地质断层中岩爆案例相对较少（而非节理组），断层滑移型岩爆的形成机制仍不清楚（冯等人，2017年；冯等人，2022年）。因此，深部地下工程中不同类型岩爆的灾害孕育过程和源机制的差异很少被系统报道。

总之，本研究旨在建立一个集成研究框架，用于深埋隧道中的岩爆分析，结合基于数字获取的原位岩参数的正向数值模拟以及基于源破裂机制的微震参数。这种集成方法支持岩爆风险预测和前兆识别，强调在开挖过程中实时有效地收集多源信息。本文的其余部分安排如下：第2节概述了项目概况和深埋隧道中的微震监测布置；第3节基于原位岩体参数，介绍了开挖卸载引起的原位应力演变和岩爆指数；第4节重点讨论了微震活动的时空分布、前兆特征和源机制；第5节比较了两种类型岩爆的灾害孕育过程；第6节提出了结论性意见。

项目概述

本研究选择了一个位于青藏高原的大型深埋隧道群，研究区域靠近包含主隧道和两条辅助通道的交叉部分。代表性隧道段的地质剖面如图2a所示。在该研究区域内，岩体以发育良好的垂直节理为特征，主要由灰白色花岗闪长岩组成。矿物组成包括石英、钾长石等。

开挖卸载效应

鉴于复杂的地质条件，以及人工开挖卸载引起的应力重分布是岩爆发生的必要条件（龚等人，2023年），分析其演变对于理解岩体的能量转化和非线性变形至关重要。因此，本研究首先确定研究区域的原位应力状态，然后使用数字化测量的岩体参数进行数值正向计算

微震活动特征

为了进一步捕捉动态断裂演化并验证静态模拟结果，部署了实时微震监测系统，以揭示应变爆裂和断层滑移岩爆的灾害孕育机制。因此，本节系统地分析了微震事件的时空分布、前兆特征、迁移路径和破裂机制。

讨论

虽然本研究结合了数值正向分析和现场微震监测来研究深埋隧道中的岩爆灾害，但这两种方法的协同效应及其在岩爆评估中的互补优势尚未得到充分探索。此外，还需要一个整体框架，系统地连接应变爆裂和断层滑移岩爆整个灾害孕育过程中的应力重分布、微震演化模式和源破裂机制

结论

通过将数值正向分析与现场微震监测相结合，本研究建立了深埋隧道中岩爆评估的综合性框架。这种集成方法不仅促进了从传统预测向动态预测的转变，还成功揭示了应变爆裂和断层滑移岩爆之间对比鲜明的灾害孕育机制。主要结论总结如下：

(1) 对开挖过程的系统数值模拟

作者贡献声明

郝坦：撰写——初稿、验证、方法论、调查、正式分析、数据整理。冯戴：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。刘毅：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。魏明东：撰写——审稿与编辑、可视化。宋定然：撰写——审稿与编辑、调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号52225904和52522906）以及四川省科技计划项目（编号2025ZYD0004）的财政支持。本研究还得到了New Cornerstone Science Foundation通过XPLORER PRIZE项目的支持。