《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Rockburst mitigation by microwave destressing in a deep drill-and-blast tunnel: thermal–damage–stress evolution with a slotted-wall coaxial applicator
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微波诱导裂化技术在深埋高应力隧道中的应用研究。通过对比开放式同轴（OECA）和开槽同轴（SWCA）微波 applicator 的阻抗匹配特性与辐射效率，发现SWCA能形成稳定的环形高温损伤区。在70kW恒定功率下，辐照时间每增加10秒，围岩P波速度平均下降2.9%，最大降幅达29.7%，并形成连续裂纹网络。实验表明微波 destressing 可降低最大主应力12.37%（5.4MPa），有效将岩爆危险等级从中度降至轻度。研究构建了多源信息融合的评价体系，为深地工程主动岩爆防控提供了现场验证证据。
作者名单：敖云潭|冯夏婷|李世平|张晓军|何娟|童天阳|张一凡|林峰
中国辽宁省沈阳市东北大学智能深部金属采矿与装备国家重点实验室（邮编：110819）
摘要
微波诱导的钻孔破裂是一种新兴的应力释放技术，具有显著的主动预防岩爆的潜力，然而其在深部高原位应力条件下的应力释放机制和现场表现仍不明确。本研究基于一个深埋的钻爆隧道，进行了高功率钻孔内微波破裂现场试验，以阐明热-机械耦合机制并量化应力释放效果。首先，比较了开放式同轴施放器（OECA）和带槽壁同轴施放器（SWCA）的阻抗匹配行为和辐射效率。然后，通过多源监测，量化了不同微波照射参数下周围岩石损伤和应力场的变化。结果表明：（1）与OECA相比，SWCA具有更稳定的电压驻波比（VSWR）和更高的辐射效率，在钻孔壁周围形成了连续的高温损伤区；（2）在70千瓦的恒定功率下，增加照射时间显著降低了周围岩石的P波速度（平均最大降低29.7%），并促进了裂缝网络的发展；（3）微波应力释放表现出明显的阶段依赖性阈值行为，最大应力降低5.4兆帕（约为最大主应力的12.37%）；（4）处理后微地震事件率和释放的能量显著减少，岩爆危险等级从中等降至轻微。本研究开发了一个基于SWCA的大规模微波应力释放系统，并为深部地下工程中的精确主动岩爆控制提供了现场验证的证据。
引言
在深部硬岩隧道中，挖掘引起的扰动和高原位应力的共同作用可能引发突然的脆性破坏和岩石喷射，即岩爆。岩爆威胁工人安全，并可能严重损坏设备（Naji等人，2019年）。因此，大量研究集中在岩爆的孕育机制、监测和早期预警上（Feng等人，2015年；Hu等人，2023年；Zhang等人，2022a年）。结合实验室实验，这些研究可以进一步加深对岩爆破坏机制和演化过程的理解（Zhang等人，2024a年；Zhang等人，2025a年）。由于岩爆的严重程度不同，应采取分级和针对具体情况的选择性缓解措施（Zhang等人，2024b年）。
为了减少深部硬岩隧道中的频繁岩爆危险，提出了多种主动控制技术。应力释放技术最初作为主动岩爆控制措施引入采矿领域（Roux和Leeman，1958年）。其核心思想是预先破裂高应力集中区，创建一个受损/破裂区域，从而促进应变能量的释放，并在时间和空间上将应力传递到更深的岩体中（Drover等人，2018年），从而主动中断岩爆的发展。现有的应力释放措施包括岩体预处理技术——水力压裂、钻孔应力释放、深孔应力释放爆破和导洞开挖（Zvarivadza等人，2025年；Konicek等人，2013年；Zhang等人，2012年），并辅以支护控制手段如岩栓和钢网（Yang等人，2025年）。虽然这些方法可以减少岩爆的频率和强度，但它们往往会引起强烈的二次扰动，对受影响体积的可控性有限，并可能显著降低周围岩石的承载能力。在这种背景下，利用非接触式微波能量来削弱周围岩石的微波应力释放技术（如图1所示）逐渐受到关注（Feng等人，2017年），能够在不显著降低周围岩石承载能力的情况下实现高应力区域的应力释放。
在过去几十年中，大量实验和数值测试验证了微波辐射显著削弱了岩石的力学性能（Jones等人，2007年；Kingman，2006年）。因此，学者们对微波辅助的机械岩石破碎进行了广泛研究，使用微波作为预处理来削弱岩石、减少切割器磨损（Feng等人，2022年）并提高切割效率（Lin等人，2022年；Lin等人，2025年）。因此，这项技术被认为是一种有前景的新岩石破碎技术（Rui等人，2023年；Tong等人，2025年）。此外，研究人员还研究了影响微波辅助机械挖掘的因素，包括微波参数（功率、照射时间和距离）（Kahraman等人，2020年；Lin等人，2024年）以及内在因素如矿物组成、含水量和应力状态（Lu等人，2020年；Zhao等人，2025年；Zheng等人，2021年）。
进行微波应力释放研究的基础是开发能够再现原位应力条件的开放式微波设备。因此，Feng等人（2021年）开发了一种开放式高功率微波硬岩破裂装置，能够模拟真实的三轴应力状态，在不同应力水平下实现微波诱导的钻孔破裂，同时实时监测辐射过程中的温度、破裂信号和变形。随后，Zhang等人（2022年）使用开放式同轴施放器（OECA）在真实三轴应力下对玄武岩进行了微波诱导的钻孔破裂试验。结果表明，OECA对钻孔玄武岩（直径58毫米，深度100毫米）具有显著的破裂效果，在短时间内生成了复杂的裂缝网络。然而，这些试验仅限于实验室规模的钻孔，因此不能直接为涉及大直径和深钻孔的现场应用提供信息。关于微波应力释放对岩爆的影响，Yang等人（2024年）使用冲击诱导的岩爆模型研究了不同模拟参数下微波破裂区的损伤程度，数值评估了微波应力释放技术的可行性。Lu等人（2019年）在玄武岩中挖掘的地下电站进行了低功率微波的钻孔破裂试验，显示微波诱导的裂缝在岩体内形成，且P波速度显著降低。
总体而言，尽管微波辅助的岩石破碎技术在实验室规模上取得了进展，但在高功率微波照射下深部高应力岩体中的损伤-应力耦合仍不清楚。对于现场规模的钻孔，缺乏能够捕捉微波诱导热裂解及其相关应力释放的时空演变的验证模型。这些限制影响了应力释放效果的全面评估，限制了深部地下项目中主动岩爆缓解的工程应用。
因此，本研究旨在阐明在深部高原位应力条件下微波诱导钻孔破裂的应力释放机制和演化特性。本研究还建立了一个基于多源信息融合的应力释放效果评估框架。依托一个深埋的钻爆隧道中的高应力区，比较研究了两种施放器——开放式同轴施放器（OECA）和带槽壁同轴施放器（SWCA）的能量传递效率和加热特性，以确定适合大范围现场破裂的关键设备。在此基础上，研究了随着微波照射时间增加，周围岩石损伤和应力变化的时空演变。红外热成像、P波测试、钻孔成像、应力监测和微地震监测共同用于解释从微观损伤到宏观应力响应的高功率微波诱导钻孔破裂过程。结果为微波应力释放作为主动岩爆缓解方法的有效性提供了现场证据。
工程背景
工程背景
该隧道位于中国西南部的山区，地表海拔约为2500-4000米，最大埋深超过2000米。纵向地形-地质剖面和测试段位置如图2所示。区域构造加载和显著的地形起伏产生了高原位应力状态。
隧道主要穿过完整的Trondhjemite岩层，其中夹杂少量其他岩层（例如leptyinite）。该岩体的特点是节理较少，
微波照射过程中VSWR的变化
因此，我们研究了两种同轴施放器在不同初始功率水平下的启动VSWR演变。图13展示了在10千瓦、30千瓦和50千瓦的初始功率下激活后前60秒内的VSWR变化。结果表明，无论施放器类型如何，VSWR都会从相对较低的水平迅速上升并超过预设阈值。随后的智能阻抗调节系统完成了阻抗调整
微波应力释放机制
微波应力释放的本质在于由快速温度上升和热诱导裂缝传播驱动的钻孔周围热-机械应力重新分布的耦合效应。实验室真实三轴微波钻孔破裂试验表明，在不同的σ1和σ2条件下，声发射（AE）波形参数（包括RA和AF）可用于区分破坏模式（Zhang等人，2022b）。拉伸事件的特点是RA较低
微波应力释放技术对岩爆的主动控制效果
国内外学者提出的各种应力释放技术（Shnorhokian和Ahmed，2024年），结合支护措施如岩栓和钢网（Yang等人，2025年）或挖掘补偿方法（Hu等人，2024年），可以降低岩爆风险。然而，这些方法仍存在局限性，包括难以破裂高应力岩石和显著的二次扰动。
因此，微波应力释放技术受到了关注，因为它能够
结论
基于中国西南部一个易发生岩爆的钻爆隧道段落，使用了一种自主研发的915兆赫高功率微波钻孔破裂应力释放系统。结合微地震监测来确定应力集中区，布置了应力释放钻孔和监测孔。对深部硬岩中微波钻孔破裂的加热特性、损伤破裂特性和应力变化过程进行了现场实验研究
作者贡献声明
敖云潭：撰写——原始草案、软件开发、方法论、数据分析。冯夏婷：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取。李世平：撰写——原始草案、方法论、调查。张晓军：数据分析。何娟：方法论、数据分析。童天阳：方法论、数据分析。张一凡：数据可视化。林峰：撰写——原始草案、软件开发、方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U2568209）、深地探测与矿产资源勘探-国家重点科技项目（项目编号：2025ZD1008302）和国家自然科学基金（项目编号：52404116）的支持。作者还感谢何本科教授、陈松博士和张静勋博士在现场测试中的帮助。作者也感谢匿名审稿人和编辑的宝贵意见
