深部岩体工程围岩分区破裂化现象研究综述

第27卷第6期岩石力学与工程学报V ol.27 No.6 2008年6月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June，2008 深部岩体工程围岩分区破裂化现象研究综述

钱七虎1，李树忱1，2

(1. 解放军理工大学工程兵工程学院，江苏南京 210007；2. 山东大学土建与水利学院，山东济南 250061)

摘要：随着经济建设与国防建设的不断发展，深部岩体工程越来越多，如逾千米乃至数千米的矿山(如金川镍矿和

南非金矿等)、锦屏二级引水隧洞及辅助洞、核废料的深层地下存储、深部地下防护工程等。深部岩体工程在开挖洞室或巷道时，围岩变形和破坏等出现了一系列新的科学现象。除了岩爆和围岩挤压大变形以外，围岩的分区破裂化现象也吸引了很多岩石力学工作者的关注。基于国外对分区破裂化现象的实验和理论研究，归纳出分区破裂化现象的主要特征参数及其变化规律，揭示分区破裂化现象产生的条件；提出这一领域的研究方向；同时介绍国内在该领域实验和理论方面的研究进展。

关键词：岩石力学；深部岩体；分区破裂化；非线性岩石力学；动力问题；岩爆

中图分类号：TU 45文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)06–1278–07

A REVIEW OF RESEARCH ON ZONAL DISINTEGRATION

PHENOMENON IN DEEP ROCK MASS ENGINEERING

QIAN Qihu1，LI Shuchen1，2

(1. Engineering Institute of Engineering Corps，PLA University of Science and Technology，Nanjing，Jiangsu210007，China；

2. School of Civil and Hydraulic Engineering，Shandong University，Jinan，Shandong250061，China)

Abstract：With the development of national economy and defense works，there are more and more deep underground rock wass engineering，such as the mines with depth of thousand to several thousands meters(Jinchuan nickel mines and gold mines in South Africa，etc.)，water diversion tunnels and auxiliary tunnel of Jinping II hydropower station，deep geological deposition of nuclear waste and deep underground protection engineering. While the deep rock mass are excavated by the blast or other methods，the deformation and fracture of the surrounding rock show several new scientific characteristic phenomena. Besides the deep rockburst and large deformation of tunnel in squeezing ground，the phenomenon of zonal disintegration attracts the attentions of scholars and engineers in the fields of geotechnical engineering and rock mechanics in the world. Based on the experimental and theoretical researches of zonal disintegration phenomenon at home and abroad，the main characteristics and corresponding changing laws of zonal disintegration are summarized. It is revealed the mechanism for the occurrence of zonal disintegration；and the emphasis in this field is proposed. Also the domestic experimental and theoretical investigations of zonal disintegration phenomenon are introduced.

Key words：rock mechanics；deep rock masses；zonal disintegration；nonlinear rock mechanics；dynamic problem；rockburst

收稿日期：2008–04–14；修回日期：2008–05–12

基金项目：国家自然科学基金重大项目“深部岩石力学基础及应用”(50490270)

作者简介：钱七虎(1937–)，男，1960年毕业于哈尔滨军事工程学院，1965年于原苏联莫斯科古比雪夫军事工程学院获副博士学位，现任中国工程院院士、解放军理工大学教授，主要从事防护工程及地下工程方面的教学与研究工作。E-mail：gcyqqh@

第27卷第6期钱七虎，等. 深部岩体工程围岩分区破裂化现象研究综述 • 1279 •

1 引言

深部岩石力学之所以在当代发展成岩石力学的一个热点研究方向，是因适应了深部岩体工程围岩变形和破坏的一系列新科学现象研究的需要。除了岩爆和围岩挤压大变形以外，围岩的分区破裂化现象也吸引了很多岩石力学工作者的关注。在深部岩体工程中开挖洞室或坑道时，在其洞室围岩中会产生交替的破裂区和非破裂区的现象，这种现象在相关文献中被称之为分区破裂化现象(zonal disintegration)。这些科学现象的“新”在于浅部岩体工程中未曾发现过这些现象，并且这些现象用传统的连续介质弹塑性力学不能完全解释清楚。解释这些新现象发生的机制，定性以及定量地分析这些现象及其规律，数值仿真出这些科学现象正孕育形成新的岩石力学分支学科——一些学者将其称为深部非线性岩石力学。

本文总结了国内外分区破裂化现象研究领域的实验和理论研究成果和进展，归纳出分区破裂化现象的主要特征参数及其变化规律，定性分析了分区破裂化现象产生的机制，指出了这一领域下一步的研究方向。

2 现场观测与实验研究

深部岩体分区破裂化现象于20世纪70年代在南非2 073 m深的金矿中首次被发现[1]。之后，在南非深部金矿的巷道中系统地观察到了围岩中存在的分区破裂化现象，如图1所示[2]。

图1 南非Witwatersrand 金矿巷道顶板分区破裂化现象[2] Fig.1 Zonal disintegration phenomenon of the tunnel roof in Witwatersrand gold deposit in South Africa[2]

这些现象是采用岩石潜望镜进行观测的。岩石潜望镜带有电光源和倾斜反射镜，可深入钻孔观察；同时，岩石潜望镜带有照相机，可以把围岩表面裂缝照下来。通过采用岩石潜望镜对南非深部金矿巷道的观察，其结果表明，所有的钻孔都不止有一个比较集中的破裂区，这些破裂区由间隔5～150 mm 的裂缝组成，这些裂缝把岩体分割成片状的破坏区，这些破坏区被相对完好的、约为1 m厚的未破裂区所分割开，其方向垂直于工作面，破裂区范围至少有5 m，破裂区平行于工作面可延伸至12 m。在机械化开挖的Doornfontein金矿Chamber矿井的顶板上也显示出与钻爆法开挖的矿井中相似的分区破裂化现象，所以在G. R. Adams和A. J. Jager[2]的研究中排除了分区破裂化现象的产生是由于爆破引起的，即不论是在钻爆法施工的巷道还是采用机械化施工的巷道中，只要条件满足，巷道围岩都会产生分区破裂化现象。他们还根据围岩中裂缝的走向是否平行于工作面，区分了岩体中原有的地质节理和采掘扰动引起的破坏裂缝，在图上标示以斜线和垂直线。

G. R. Adams和A. J. Jager[2]指出，裂缝形成于分离的区域中的原因尚未得到理论解释。

俄罗斯科学院(原苏联科学院)西伯利亚分院对分区破裂化现象于20世纪80～90年代进行了深部矿井现场实验研究、实验室模拟实验研究、理论分析以及现象的应用研究[3～13]。现场实验研究[4]是在诺里尔斯基金属矿山联合企业塔拉娜哈十月矿区的若干矿井中进行的，其深度分别为957～1 050，800～900，500～550以及110～140 m。为了进行实验观察，研制了一系列探测装置及其相应的综合分析方法：常电流和低频电流的电测法、地下电测法、超声透射法、γ射线的核物理探测法，并且采用钻孔型岩石潜望镜进行选择性的目力检查。把这些钻孔探测的特征测量结果绘制于图上，得到了这些巷道围岩的分区破裂化现象，如图2所示。各种方法探测的结果相互印证，通过结果的重复性保证了探测的可靠性。

图2 Taimyrskii矿山巷道围岩的分区破裂化现象

Fig.2 Zonal disintegration phenomenon of tunnel

rockmass in the Taimyrskii Mine