由刚性不连续性引起的深隧道不稳定机制：来自实验室对比试验和数值模拟分析的见解

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Instability mechanisms of deep tunnels induced by stiff discontinuities: insights from laboratory comparative tests and numerical simulation analysis

刚性结构面在深部开挖中的力学特性及围岩破坏演化规律研究，通过直接剪切试验与数值模拟分析表明：结构面破坏以剪切滑移和表面咬合为主，完整混凝土试样声发射事件量及能量释放量较结构面试样高一个数量级，隧道开挖变形主要沿结构面倾向方向发展，形成滑剪复合破坏模式。

　　

张艳|郑向生|李少军|高瑶辉

中国四川省成都市成都理工大学地质灾害防治与地球环境保护国家重点实验室，邮编610059

摘要

在深部工程开挖中，高原位应力引发的地质灾害类型和规模受到岩体内刚性不连续面的强烈影响。本研究在多级正常应力条件下进行了直剪试验，以探讨人工劈开的大理石结构面试样、混凝土浇筑结构面试样和完整混凝土试样的剪切力学性质。此外，还使用颗粒流代码（PFC）分析了隧道开挖过程中围岩的破坏演变过程。结果表明，结构面试样的破坏主要由沿结构面的剪切滑动和表面粗糙部分的剪切脱落主导；而完整混凝土试样中的次级裂纹相对于中心剪切面呈簇状对称分布。完整混凝土试样的声发射（AE）事件数量和总能量释放量均比结构面试样高一个数量级，这证实了其破坏过程更为剧烈。在隧道开挖过程中，沿结构面倾角方向的剪切位移成为围岩变形的主要因素，最终导致沿该特定方向的滑移-剪切复合破坏。为了预防具有刚性不连续面的隧道围岩中的岩爆，本文提出了一种结合设计、开挖、加固和监测的系统性策略。研究结果对于理解具有刚性不连续面的岩体的不稳定性机制和灾害诱发效应具有重要的启示意义。

引言

硬脆岩体广泛分布于各种地质构造单元中，是隧道和边坡等重大工程项目中的主要承重介质，因此需要特别关注。这类岩体通常具有较高的抗压强度和硬度，但抗拉和抗剪强度相对较低。岩体内的普遍存在的刚性不连续面（如未风化的节理和硅质胶结不连续面）会显著影响岩体的整体完整性和连续性。因此，刚性不连续面在剪切载荷下的力学行为成为岩体不稳定的关键触发因素。

目前，关于具有刚性不连续面的岩石的研究主要集中在三个方面：基本力学性质、渐进破坏机制和数值模拟分析。在力学性质研究方面，主要涉及在不同表面粗糙度、填充材料类型和正常应力水平条件下岩石剪切强度定律和破坏准则的建立、改进和验证（Thirukumaran和Inderaratna，2016；Xia等人，2014；Zhang等人，2016a，2016b；Feng等人，2024；Shu等人，2025；Zhao等人，2020；Zheng等人，2025）。后续研究进一步阐明了剪切过程中的膨胀行为、摩擦性质以及粗糙面磨损-互锁机制（Zhao和Cai，2010；Arzúa等人，2014；Walton和Diederichs，2015；Hu等人，2022），同时也探讨了尺寸效应和各向异性对这类岩石剪切强度的影响（Kulatilake等人，2001；Shao等人，2019；Mashhadiali和Molaei，2023）。

在破坏机制研究方面，基于断裂力学理论，利用AE技术反演了剪切过程中微裂纹萌生、扩展和发育为宏观断裂的损伤演变规律（Zhang等人，2019a）。结合能量耗散机制，相关研究通过识别变形率的突变和AE b值的降低等前兆特征来量化破坏阈值，并进一步预测控制岩石渐进不稳定的临界点（Zhang等人，2019b；Zhang等人，2019c）。在此过程中，广泛采用了扫描电子显微镜（SEM）和计算机断层扫描（CT）等技术来表征矿物颗粒尺度上的摩擦诱导磨损和接触力链的演变特征（Munoz和Taheri，2017；Wang等人，2023）。此外，还研究了岩石在复杂条件下的力学响应，如水-岩相互作用（Jiang等人，2019；Li等人，2020；Zhang等人，2025a）、围压-温度耦合（Zhang等人，2025b；Lu等人，2019）和循环动态加载（Xu等人，2021；Hong等人，2022；Yin等人，2025），揭示了多场耦合对岩石不稳定性影响的驱动机制。

在数值模拟分析方面，利用颗粒流代码（PFC）和三维离散元代码（3DEC）等数值模拟软件构建了高精度不连续介质模型，能够再现结构面的渐进剪切破坏过程（Mehranpour和Kulatilake，2017；Jiang等人，2022；Zhu等人，2025）。此外，离散元方法（DEM）与有限元-离散元耦合方法（FDEM）的结合使用有助于建立微观结构与宏观力学响应之间的跨尺度关联模型（Shan等人，2024；Zhou等人，2024）。随后通过实验室测试或现场监测验证了数值结果的可靠性，并提出了加固方案的力学依据，从而为确保深部地下工程的安全提供了理论支持（Tian等人，2024；Zhou等人，2024；Zhang等人，2025c）。

尽管对具有结构面的岩石进行了大量研究并取得了重要见解，但仍存在许多关键挑战。一方面，现有研究主要集中在弱结构面上，如泥质夹层和填充节理，而对刚性不连续面在剪切载荷下的力学响应的研究较少；另一方面，不同制备方法引起的力学性质差异尚未得到充分探讨，具有刚性不连续面的围岩渐进破坏机制的分析也不够充分。

为了解决这些问题，本研究首先探讨了三种试样的力学性质和AE特征，即人工劈开的金坪大理石结构面试样、3D打印重建的混凝土浇筑结构面试样和完整混凝土试样。随后，采用离散元方法-有限差分方法（DEM-FDM）耦合模拟方法研究了隧道开挖过程中围岩的破坏特性。最后，探讨了结构面粗糙度对剪切力学性质的影响，并阐明了刚性不连续面对岩体强度的削弱作用。本研究的结果为分析具有刚性不连续面的岩体的不稳定性过程和灾害诱发效应提供了宝贵见解。

研究区域概述

金坪地下实验室位于四川省凉山地区的金坪山隧道中间段，垂直覆盖层深度约为2400米，目前是世界上最大、最深的地下实验室。金坪山地区以深切的高山峡谷典型地貌为特征，具有明显的地形起伏，存在多组走向为NNE和NWW的断层。

应力-位移曲线特征

图4展示了三种试样的正常应力-正常位移曲线。如图所示，所有曲线都表现出明显的压实阶段，其中人工劈开的大理石结构面试样的压实特征最为明显（图4(a)）。这种现象可以归因于试样组成材料和制备工艺的差异。

工程背景

在金坪地下实验室的开挖过程中，记录了四次不同强度的岩爆事件，其中最强烈的一次发生在7#实验室区域。原位应力测量结果显示，该研究区域处于极高的原位应力状态，最大主应力约为69.20 MPa，位于方位角326.04°；中间主应力约为67.30 MPa，位于方位角167.36°；最小主应力...

结构面粗糙度对岩石剪切强度的影响

作为结构面的关键特征，粗糙度对具有此类结构面的岩石试样的直剪试验结果有显著影响。先前的研究已经证实，结构面粗糙度与岩石试样的剪切强度之间存在正相关关系（Zhang等人，2016；Wang等人，2018；Kong等人，2022；Zhou等人，2024；Shu等人，2025；Yin等人，2025）。对于低粗糙度的结构面，剪切强度主要由...

结论

以金坪地下实验室的应力诱导结构不稳定性为研究背景，本研究在不同正常应力条件下进行了直剪试验，并逐渐降低了峰值后的正常应力。结合AE技术，研究了三种试样在剪切过程中的力学性质和能量演变规律。同时，还探讨了具有刚性不连续面的围岩在隧道开挖过程中的破坏演变特性。

作者贡献声明

张艳：撰写初稿、方法论制定、资金申请、数据管理。郑向生：撰写初稿、验证、方法论制定、数据管理。李少军：验证、方法论制定、概念构思。高瑶辉：验证、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号42130719和42107211）、四川省自然科学基金（编号2025ZNSFSC0097）以及深部地下工程智能建造与健康运维国家重点实验室（编号SDGZ2532）的支持。