《Buildings》：Research Progress on the Impact of Structural Planes on Tunnel Rockburst Based on Engineering Cases and Laboratory Tests
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岩爆频繁发生于深部硬岩隧道，对地下工程的安全高效建设构成重大挑战。工程实践表明，除高地应力和硬脆性岩性外，围岩中广泛分布的结构面亦显著改变岩爆的破坏模式与烈度。本综述基于16例已发表的现场案例和40余项室内试验研究，系统探讨了深部硬岩隧道中受结构面控制的岩爆现
岩爆频繁发生于深部硬岩隧道，对地下工程的安全高效建设构成重大挑战。工程实践表明，除高地应力和硬脆性岩性外，围岩中广泛分布的结构面亦显著改变岩爆的破坏模式与烈度。本综述基于16例已发表的现场案例和40余项室内试验研究，系统探讨了深部硬岩隧道中受结构面控制的岩爆现象。首先，通过案例数据的统计分析，总结了工程尺度下结构面对隧道岩爆的影响机制；随后，整合现有试验成果，从结构面位置（隐蔽/暴露）、产状（倾角、走向、长度）、充填状态及多结构面组合四个视角，分析了结构面几何与物理特性如何改变岩爆行为；进一步归纳了室内试验中的多物理场响应特征（声发射、红外热辐射、表面应变场），并比较了由结构面主导的裂纹扩展与能量演化规律；讨论了结构面效应的尺度依赖性，强调了实验室尺度机制与现场尺度工程现象之间的一致性与差异；最后，分析了结构面与动力扰动耦合作用下的岩爆机制，并针对不同结构面条件提出了针对性的工程控制策略。本综述旨在整合一套分析框架，以建立结构面特性（位置、产状、充填状态及多结构面组合）与多物理场响应、破裂演化及能量演化规律，以及工程尺度岩爆行为之间的关联。值得注意的是，本综述所整理的工程案例主要来源于中国深部硬岩隧道。结构面对岩爆影响的普适性仍需结合不同构造背景和工程条件的案例进一步验证。
主体部分总结：
1. 引言
岩爆是深部硬岩隧道开挖卸荷诱发的一种典型动力破坏现象。按结构面在工程岩体中的作用，岩爆可分为应变型和结构型两类。应变型岩爆主要发生在完整或较完整的硬脆岩体中；结构型岩爆则明显受岩体中的结构面（如节理、断层、层理、软弱夹层）控制，在高地应力条件下表现为剪切滑移或拉剪复合型破坏。含结构面的隧道更易发生剪切滑移型岩爆，但走向与边墙垂直的结构面易诱发围岩张拉开裂，进而产生张拉板裂岩爆。板裂被视为岩爆的重要前兆。
2. 文献检索与筛选方法
本综述遵循PRISMA 2020指南，采用结构化、透明的文献筛选流程。检索数据库为Web of Science核心合集和中国知网（CNKI），时间范围为2000年1月至2026年4月。共检索到435条初始文献记录，经去重、摘要筛选和全文评估后，最终纳入44篇与结构面岩爆试验直接相关的文献。两名评审者依据四项标准化标准（地质信息完整性、结构面描述完整性、岩爆表征清晰度、试验/开挖过程完整性）对纳入研究进行质量评估，总分≥3的研究予以保留。
3. 结构面相关术语定义
为便于阅读，表2提供了结构面相关术语的标准化定义，包括断层、节理、层理、软弱夹层、结构面产状（倾向、倾角、走向）、结构面充填状态、隐蔽结构面、暴露结构面等。
4. 结构控制型岩爆的工程案例研究
4.1 案例选择与数据提取
工程案例来源于已发表的期刊论文、学位论文和技术报告，记录了与地质结构面相关的岩爆事件。纳入标准要求案例满足结构面类型、组合模式及相应岩爆破坏特征存在显著差异时视为独立案例；同一区段连续岩爆受相同结构面控制时视为单一案例。共提取了来自10个地下工程的16个代表性工程案例。
4.2 案例分类与归一化
建立了“结构面地质尺度–岩爆力学类型”二维分类体系。按地质尺度分为大型（断层、蚀变带，延伸>10 m）、中型（节理组、主导层理，延伸1–10 m）和小型（隐伏裂隙、软弱夹层，延伸<1 m）结构面；按失稳机制分为断层滑移型岩爆、结构型岩爆和应变-结构型岩爆。所有案例采用统一标准化框架重新编码，记录地质条件、应力环境、开挖方式、隧道断面、结构面特征、岩爆烈度、破坏模式和事件频率等变量。
4.3 结构面对岩爆的影响
结构面对岩爆的影响体现在四个方面：(1) 空间效应：岩爆破坏常局限于掌子面与结构面之间的区域，结构面作为天然屏障改变应力波传播路径，易沿其发生大范围剪切滑移失稳；(2) 时间效应：中小型结构面多诱发即时岩爆，大型断层和蚀变带因蠕滑等时间相关效应多诱发滞后岩爆；(3) 频率效应：16个案例中14个经历多次岩爆事件，结构面沿隧道轴向或径向分布可诱发系列岩爆或径向链式岩爆，增加灾害不确定性；(4) 烈度效应：在统计的37次岩爆事件中，24次为中烈度及以上，表明高烈度破坏常与结构控制型岩体相关，锯齿状结构面可储存额外能量并在滑动时猛烈释放。
5. 室内岩爆试验方法
室内岩爆试验分为岩爆倾向性试验和岩爆物理模拟试验。倾向性试验包括单轴压缩（UC）、循环加卸载单轴压缩（CLUC）、常规三轴压缩（CTC）、直剪（DS）和霍普金森压杆（SHPB）试验；物理模拟试验重点模拟真实应力路径，分为高静载试验（双轴压缩BC、真三轴压缩TTC、单面自由五面压缩SFSFSC、真三轴加卸载TTL）和真三轴动力扰动（TTDD）试验。岩爆监测技术包括高速摄影（HSP）、声发射（AE）、红外热辐射（ITR）、电磁辐射（ER）和数字图像相关（DIC）等。
6. 考虑结构面效应的室内岩爆试验
6.1 结构面对岩爆破坏模式和烈度的影响
6.1.1 结构面位置
隐蔽结构面与隧道开挖边界之间存在岩桥效应，开挖卸荷导致岩桥区能量显著积聚，破坏程度明显大于暴露结构面情形，起始破坏应力更低，岩爆发生更早。暴露结构面为应力释放提供既有通道，围岩破坏模式由岩爆转变为板状破裂，岩爆烈度显著降低。
6.1.2 结构面倾角
结构面倾角变化使岩体破坏模式从应变型拉伸劈裂转变为剪切滑移破坏。随着倾角从0°增至90°，岩石强度呈U形（或不对称U形）变化，峰值强度最低点通常出现在30°–60°范围。低倾角结构面以张拉板裂为主，破坏范围广但弹射速度较低；中等倾角（45°–60°）以沿结构面剪切滑移为主，宏观破坏烈度最高；高倾角结构面以拉剪复合或X型剪切破坏为主，整体破坏烈度低于中等倾角情形。
6.1.3 结构面走向
结构面平行于隧道方向时，岩爆坑位置受倾角显著影响，易发生剪切型岩爆；结构面垂直于隧道方向时，易发生板裂-剪切型岩爆，破坏对称分布于隧道两侧。
6.1.4 结构面长度
增大结构面长度加剧岩体板裂效应，降低峰值应力，使破坏模式从局部拉裂/剪切转变为整体剪切滑移。结构面长度增加时，岩爆坑形态从V形变为台阶式，近自由面岩块发生严重滑移。
6.1.5 结构面充填
未充填结构面在加载初期张开，阻碍应力传递，导致端部应力集中；闭合时瞬时释放能量诱发岩爆。高粘结强度充填材料（如树脂）使试样力学行为接近完整岩石，水泥充填对岩爆烈度影响有限，而注浆加固可提高结构面粘结强度但可能积聚更高岩爆能量。
6.1.6 多结构面相互作用
多结构面将岩体切割成多个块体，能量分散耗散，岩爆烈度降低但坍塌风险增大。双裂纹相互作用随倾角增加而增强，导致岩爆破坏范围扩大而局部烈度降低。结构面距自由面越近，张拉劈裂效应越显著，弹射动能降低。
6.2 含结构面岩体的多物理场响应特征
6.2.1 声发射响应特征
含结构面试样多呈现拉剪混合破坏模式，倾角增加时AF/RA比值增大，张拉裂纹比例提高。b值在岩爆前突然下降后回升可作为预警信号。含结构面试样AE能量呈“阶梯式”或“多峰”释放，反映结构面闭合、滑移和次生裂纹扩展等多重能量释放事件叠加。隐蔽结构面促进能量集中释放，暴露结构面则降低能量释放强度。
6.2.2 红外热辐射响应特征
含结构面岩体在破坏前卸载面或暴露面出现局部高温区，其分布随结构面倾角变化。剪切滑移破坏的红外温升显著高于张拉破坏。红外高温区与DIC高应变区位置一致，可直接反映应力集中和能量积聚区域。
6.2.3 DIC响应特征
结构面存在使表面应变场呈现强烈非均匀性，高应变区首先出现在结构面尖端或结构面与孔洞之间的“岩桥”区域。通过追踪应变集中区演化，可清晰识别翼裂纹、反翼裂纹和剪切裂纹的萌生、扩展与贯通。DIC可定量判断裂纹的张拉、剪切或拉剪复合模式，但仅能监测试样表面应变场，对隐蔽结构面内部应变集中监测受限。
6.3 结构面对岩石能量演化的影响
6.3.1 能量积聚与储能极限
结构面降低岩体储能能力，隐蔽结构面的总输入能降幅（33.6%）大于暴露结构面（18.3%）。含隐蔽结构面试样破坏时释放的累积绝对能量更高，能量释放更集中。结构面加速弹性应变能向耗散能的转化，使能量积聚时间缩短约30%。
6.3.2 能量耗散与释放
结构面促进拉张主导破裂机制向拉剪复合转变，增加剪切断裂能耗。瞬时滑移破坏（倾角45°/60°）中热能释放显著，而表面动能转化比例较低。隐蔽45°倾斜结构面试样的每次AE撞击平均能量约为完整试样的2.2倍，但累计撞击数仅为后者的69.5%，呈现“低频、高幅”能量释放特征；注浆加固则转变为“高频、低幅”模式。应变能释放率（SERR）在不同岩爆类型中排序为：底板翼裂纹滑移岩爆>拱顶应变岩爆>底板应变岩爆>拱顶翼裂纹滑移岩爆>无岩爆。断层粗糙度增加使能量释放率急剧增大。
6.3.3 基于结构面产状的能量特征差异
随倾角从0°增至90°，峰值应力和吸收能量呈U形趋势，最小值出现在45°–60°。峰前存储弹性应变能占比在60°时最大（超过85%）。岩爆能量释放率（Uv）随倾角增大呈先减后增趋势，45°时最小、90°时最大。该趋势与“宏观破坏烈度在45°–60°峰值”并不矛盾：中等倾角以剪切滑移为主，大量弹性能通过摩擦耗散转化为热能和AE能，单位破裂面能量释放率低但破坏范围大；高倾角以张拉劈裂为主，摩擦耗散弱，弹性能更多转化为弹射动能，单位体积释放率高但整体破坏范围较小。隐蔽结构面试样的弹性能释放量约为暴露结构面的40倍。环氧树脂注浆试样的绝对能量峰值约为未注浆试样的7倍，而水泥注浆仅增加6%。
6.4 工程尺度岩爆能量演化规律
微震（MS）监测表明，断层滑移型岩爆释放能量比应变型岩爆高一至两个数量级，且主频显著降低。MS能量时间演化呈“先降后升”规律，空间上从深部向浅部迁移。岩爆发展过程可分为六个阶段：平静期、破裂萌生期、破裂发展期、破裂累积-轻微断层位移期、进一步破裂累积期、破裂贯通-断层滑移期。b值在岩爆前持续下降，应力释放后回升，但强结构控制岩爆后b值可能不恢复而持续下降。结构面控制的能量释放具有间歇性和级联性，一次主岩爆后常伴随多次中等岩爆和后续事件，呈链式发展。
7. 讨论
7.1 结构面效应的跨尺度一致性与差异性
7.1.1 岩爆破坏特征的一致性
实验室试验成功复现了工程案例中观察到的V形岩爆坑、台阶式破坏、沿结构面滑移等典型破坏模式。隐蔽结构面更易诱发高强度岩爆的规律在两个尺度上表现一致。
7.1.2 能量演化规律的跨尺度比较
两个尺度均遵循结构面降低整体储能能力同时创造局部高能区的规律。但实验室能量释放量级为焦耳级（AE累积能量102–10? J），持续时间毫秒至秒级；工程尺度断层滑移岩爆能量达10?–10? J，释放持续数天至数周，且呈间歇级联模式。摩擦耗散比例随尺度增大而增加，实验室光滑裂隙耗散有限，天然粗糙充填断层耗散更多能量。前兆特征方面，实验室表现为AE b值下降、累积能量阶跃上升；工程尺度前兆窗口更长（断层滑移岩爆前2–4天），涉及b值下降、能量指数上升、累积视体积急剧增加等多参数协同演化。工程尺度特有的“岩爆后能量异常”——首次事件后能量指数持续升高、b值持续下降——在标准室内试验中无法复现。
7.1.3 不同尺度岩爆破坏的差异分析
实验室预制结构面多为规则光滑裂隙，且处于厘米尺度；工程天然结构面具有复杂起伏形态、胶结充填和风化差异，呈米至数十米尺度。随尺度增大，结构面剪切强度降低、摩擦耗散比例增加、脆性破坏特征减弱。室内试验结果主要揭示结构岩爆的行为特征和内在力学机制，工程应用时需结合结构面实际尺度、形态和粘结状态综合分析验证。
7.2 动力扰动与结构面耦合试验的破坏特征与机制
弱动力扰动（低应变率10??–10?2 s?1）与结构面耦合作用下，破坏呈渐进阶段性，分为平静期、颗粒弹射期、板屈曲/岩块剥落期和整体岩爆失稳期。AE累积能量呈“阶梯式”增长，岩爆触发应力阈值较纯静载降低约9–10%。隐蔽结构面与隧洞壁间形成“弱层”作为初始损伤区；暴露结构面因应力波反射形成局部拉压复合应力场，成为能量释放优先路径。冲击扰动（应变率10?–10? s?1）下，结构面改变裂纹萌生顺序：剪切裂纹先于张拉裂纹萌生，破坏模式从完整岩石的张拉劈裂转变为X型共轭剪切或断层滑移型失稳。粗糙断层拱顶峰值应变能密度（SED）可达下盘对应位置的20倍以上，应变能释放率（SERR）可达40倍以上。随应变率增加，结构面对强度的控制作用逐渐减弱，应变率效应趋于主导。
7.3 结构面影响岩爆的机制
(1) 结构面剪切强度尺寸效应：室内预制结构面长度5–15 cm，可保持较高有效粗糙度，峰值剪切强度高，峰后脆性跌落显著，储存弹性能瞬间释放；工程尺度天然结构面长度达米至数十米，有效JRC随尺寸增大显著降低，峰后软化趋于平缓，残余强度比例高，剪切破坏通过局部渐进滑动和逐步扩展发展，为滞后岩爆孕育提供基础。(2) 围岩与结构面的流变时间效应：实验室加载速率10??–10?2 s?1，流变变形可忽略；工程尺度深部围岩长期处于高地应力环境，结构面剪切行为呈显著粘弹塑性流变特性，持续剪应力低于瞬时强度但高于长期强度时，蠕变变形随时间累积，导致无显著外部扰动条件下发生滑移失稳，是大型断层或蚀变带控制滞后岩爆的核心机制。(3) 应力边界条件本质差异：实验室采用刚性伺服控制系统，应力均匀可调，能量快速积聚；隧道工程围岩具有半无限应力边界，开挖卸荷引起应力重分布是时空演化过程，切向应力从自由面逐渐向深部传递，隐蔽结构面附近的应力集中需一定时间达到峰值，从而延长岩爆孕育期。
8. 工程应用与实践意义
8.1 岩爆风险评估
开挖前勘察需充分表征结构面产状、间距、充填状态及与隧道轴向的空间关系，并采用地质测绘、超前探测和三维地质建模构建精细化地质预测模型。不同构造尺度影响显著：中小型节理影响局部应力集中和裂纹起裂，大型断层或蚀变带可通过渐进剪切滑移和时效变形诱发滞后岩爆。传统预测方法应纳入结构面参数，与应力指标相结合，增强工程预测可靠性。
8.2 开挖设计与支护优化
(1) 隐蔽结构面发育段：采用超前预注浆加固结合长锚索提高岩桥区完整性和潜在滑动面粘结强度，缩短单次开挖进尺，遵循“短进尺、快支护”原则。(2) 中倾角（45°–60°）断层节理发育段：建议采用高抗剪系统锚杆，设置吸能支护构件抵抗剪切滑移冲击；对大型断层可在上盘布置卸压孔降低能量积聚水平。(3) 平行于洞壁的低倾角结构面段：采用高预应力短锚索约束岩板向外变形，布置分层支护防止渐进性剥落，优化爆破工艺减少开挖扰动损伤。(4) 多结构面交切段：优先考虑支护系统整体刚度和封闭性能，采用短进尺、分步开挖，采用“锚网-钢拱架-喷射混凝土”联合支护方案。
9. 结论
高地应力和硬脆岩体是岩爆发生的基本前提，结构面对岩爆的空间位置、孕育时间、发生频率和烈度具有显著调控作用。室内试验证实结构面位置、倾角、走向、长度、充填状态和组合模式可通过调控应力分布、裂纹演化和能量转换显著影响岩爆破坏。多物理场监测方法（AE、ITR、DIC）可捕获结构控制型岩爆的分阶段、局部化响应特征，可作为岩爆风险预警的前兆信号。上述结论基于中国16例深部硬岩隧道工程总结，普适性仍需更多不同构造背景、岩性和应力条件的案例验证。未来研究方向包括：建立统一数据标准和定量评价方法、精细模拟复杂破裂面组合、深入研究真三轴动静组合加载下结构面响应机制、发展基于多物理场融合的智能监测预警技术。
