開挖強卸荷下硬巖開裂：機制洞察與控制策略一、引言1.1研究背景與意義在各類地下工程和邊坡工程中，硬巖作為主要的工程介質(zhì)，其力學(xué)行為和穩(wěn)定性對工程的安全與可持續(xù)發(fā)展起著決定性作用。隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，越來越多的工程涉及到深部巖體的開挖，如深埋隧洞、地下廠房、深部礦山開采以及國防地下工程等。在這些工程中，硬巖在開挖過程中會經(jīng)歷復(fù)雜的應(yīng)力變化，其中開挖強卸荷是最為關(guān)鍵的力學(xué)過程之一。開挖強卸荷導(dǎo)致的巖體破壞現(xiàn)象，日趨嚴(yán)重。我國的錦屏I級和II級水電站、白鶴灘水電站、秦嶺隧道、玲瓏金礦等都受到高地應(yīng)力開挖卸荷的困擾。以白鶴灘水電站為例，其地下廠房系統(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)面臨著復(fù)雜的工程地質(zhì)條件和巖石力學(xué)問題，其中玄武巖的開裂問題尤為突出。在高應(yīng)力下硬巖卸荷破裂是導(dǎo)致玄武巖開裂的主要原因之一，玄武巖在承受較高應(yīng)力的情況下，其內(nèi)部會逐漸產(chǎn)生微小的裂縫，隨著應(yīng)力的增加，這些微裂縫會逐漸擴展并連通，最終導(dǎo)致玄武巖出現(xiàn)較大的開裂。此外，地下水的作用、地質(zhì)構(gòu)造運動等因素也會對玄武巖的開裂產(chǎn)生影響。當(dāng)硬巖經(jīng)歷開挖強卸荷時，其內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生急劇改變，打破了原有的力學(xué)平衡，進(jìn)而引發(fā)一系列復(fù)雜的物理力學(xué)響應(yīng)。其中，硬巖的開裂演化是最為顯著的現(xiàn)象之一，其不僅改變了巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，還對工程的穩(wěn)定性和安全性構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。硬巖開裂可能導(dǎo)致地下洞室的坍塌、邊坡的失穩(wěn)，進(jìn)而引發(fā)工程事故，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失。在深部礦山開采中，硬巖的開裂可能引發(fā)巖爆等動力災(zāi)害，對礦工的生命安全和礦山的正常生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。在邊坡工程中，開挖卸荷同樣是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的重要因素之一。邊坡開挖過程中，巖體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，原有的平衡被打破，容易引發(fā)巖體的開裂和滑動。裂隙巖質(zhì)邊坡存在巖體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、巖體破壞和滑動等問題，容易引發(fā)巖體滑坡、崩塌和坍塌等災(zāi)害事故，對人民生命財產(chǎn)安全和城市的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生不利影響。卸荷過程是導(dǎo)致裂隙巖質(zhì)邊坡滑坡等災(zāi)害的重要原因之一。因此，深入研究開挖強卸荷下硬巖開裂演化機制，對于準(zhǔn)確評估邊坡的穩(wěn)定性，制定合理的邊坡防護(hù)和加固措施具有重要意義。研究開挖強卸荷下硬巖開裂演化機制及控制方法，能夠為工程設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)，有效預(yù)防和控制硬巖開裂引發(fā)的工程災(zāi)害，保障工程的安全穩(wěn)定運行，具有重要的工程應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀硬巖開裂演化機制及控制方法一直是巖石力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點，國內(nèi)外學(xué)者圍繞這一主題開展了大量研究，取得了豐富的成果。在硬巖開裂演化機制方面，國外學(xué)者起步較早，進(jìn)行了一系列開創(chuàng)性的研究。如CookNGW通過大量的巖石力學(xué)試驗，研究了巖石在不同應(yīng)力條件下的破裂過程，揭示了巖石破裂的基本力學(xué)原理，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。在對深部硬巖巷道的研究中，發(fā)現(xiàn)了圍巖板裂或?qū)恿哑茐默F(xiàn)象，并對其形成機制進(jìn)行了初步探討。認(rèn)為這種破壞現(xiàn)象與深部圍巖巖性、所處應(yīng)力環(huán)境以及巷道開挖過程中圍巖所經(jīng)歷的應(yīng)力路徑密切相關(guān)。國內(nèi)學(xué)者在借鑒國外研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)大量工程實踐，對硬巖開裂演化機制進(jìn)行了深入研究。趙陽升等通過對巖石在三軸壓縮條件下的聲發(fā)射監(jiān)測，研究了巖石內(nèi)部微裂紋的萌生、擴展和貫通規(guī)律，建立了巖石破裂過程的能量演化模型，從能量角度揭示了硬巖開裂的本質(zhì)。周輝等針對錦屏水電站深埋隧洞工程，開展了高地應(yīng)力下硬巖卸荷破裂試驗研究，分析了卸荷速率、卸荷路徑等因素對硬巖破裂的影響，提出了卸荷條件下硬巖的強度準(zhǔn)則和破壞判據(jù)。在控制方法研究方面，國外主要從工程支護(hù)和加固技術(shù)入手。如瑞典學(xué)者提出了“新奧法”支護(hù)理念，強調(diào)充分利用圍巖的自承能力，通過及時支護(hù)和監(jiān)控量測，有效控制了地下洞室圍巖的變形和開裂。美國在深部礦山開采中，采用錨索、錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，增強了硬巖的穩(wěn)定性，減少了巖爆等災(zāi)害的發(fā)生。國內(nèi)在控制方法研究上也取得了顯著成果。馮夏庭等提出了基于智能巖石力學(xué)的地下工程穩(wěn)定性控制方法，通過實時監(jiān)測和反饋分析，實現(xiàn)了對硬巖工程的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計和控制。在裂隙巖質(zhì)邊坡治理方面，采用抗滑樁、擋土墻、預(yù)應(yīng)力錨索等多種加固措施，有效提高了邊坡的穩(wěn)定性?，F(xiàn)有研究雖然取得了豐碩成果，但仍存在一些不足之處。在開裂演化機制研究方面，對復(fù)雜應(yīng)力條件下硬巖內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的變化及其對開裂的影響研究不夠深入，尤其是多場耦合（如溫度場、滲流場與應(yīng)力場耦合）作用下硬巖的開裂機制尚缺乏系統(tǒng)研究。不同應(yīng)力路徑下硬巖的力學(xué)響應(yīng)和破裂規(guī)律研究還不夠全面，難以準(zhǔn)確描述實際工程中硬巖的復(fù)雜受力狀態(tài)。在控制方法研究方面，目前的支護(hù)和加固技術(shù)大多基于經(jīng)驗和定性分析，缺乏定量的理論依據(jù)和科學(xué)的設(shè)計方法，難以實現(xiàn)對硬巖開裂的精準(zhǔn)控制。對于一些新型控制材料和技術(shù)的研發(fā)還相對滯后，無法滿足日益增長的工程需求。現(xiàn)有研究成果在不同工程條件下的適應(yīng)性和通用性有待進(jìn)一步驗證和提高。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究圍繞開挖強卸荷下硬巖開裂演化機制及控制方法展開，主要內(nèi)容包括：硬巖開裂演化機制研究：通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗，模擬不同的開挖強卸荷條件，如卸荷速率、卸荷路徑等，實時監(jiān)測硬巖在卸荷過程中的變形、裂紋萌生與擴展情況，分析硬巖內(nèi)部微結(jié)構(gòu)在卸荷過程中的變化，揭示硬巖開裂的物理過程和力學(xué)機制，建立硬巖開裂的微觀和宏觀力學(xué)模型，闡述裂紋從萌生到貫通導(dǎo)致巖石破壞的全過程。影響硬巖開裂的因素分析：探討應(yīng)力狀態(tài)（包括初始地應(yīng)力大小、方向以及卸荷過程中的應(yīng)力路徑變化）、巖石物理力學(xué)性質(zhì)（如巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、彈性模量、泊松比、抗壓強度、抗拉強度等）、地下水（考慮地下水的滲流作用對巖石力學(xué)性質(zhì)的弱化以及孔隙水壓力對巖石應(yīng)力狀態(tài)的改變）、溫度（研究溫度變化引起的巖石熱脹冷縮對開裂的影響，以及在深部工程中高溫環(huán)境與卸荷耦合作用下硬巖的開裂特性）等因素對硬巖開裂演化的影響規(guī)律，通過正交試驗設(shè)計等方法，明確各因素的主次關(guān)系和交互作用。硬巖開裂控制方法研究：基于硬巖開裂演化機制和影響因素的研究成果，提出有效的硬巖開裂控制方法。從工程支護(hù)角度，研究新型支護(hù)材料（如高性能纖維增強復(fù)合材料、智能材料等）和支護(hù)結(jié)構(gòu)（如自適應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)、可伸縮支護(hù)體系等）的設(shè)計與應(yīng)用，通過數(shù)值模擬和模型試驗，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，提高支護(hù)效果；從施工工藝角度，探索合理的開挖順序（如分步開挖、分層開挖等）、開挖方法（如TBM法、鉆爆法的優(yōu)化等）以及爆破參數(shù)（如炸藥類型、裝藥量、起爆方式等），減少開挖過程中的卸荷擾動，降低硬巖開裂的風(fēng)險。工程實例分析：選取典型的地下工程（如深埋隧洞、地下廠房）和邊坡工程案例，對研究成果進(jìn)行應(yīng)用驗證。通過現(xiàn)場監(jiān)測（采用位移監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、裂縫監(jiān)測等手段），獲取工程實際運行過程中硬巖的變形和開裂數(shù)據(jù)，與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，評估控制方法的實際效果，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，進(jìn)一步完善硬巖開裂演化機制和控制方法。1.3.2研究方法本研究綜合運用多種研究方法，確保研究的全面性和深入性：室內(nèi)試驗研究：利用先進(jìn)的巖石力學(xué)試驗設(shè)備，如真三軸試驗機、巖石流變儀等，開展硬巖在不同卸荷條件下的力學(xué)試驗。在試驗過程中，采用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)、數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）等，實時獲取巖石內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴展信息以及巖石表面的變形情況。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，建立硬巖在開挖強卸荷條件下的力學(xué)特性數(shù)據(jù)庫，為理論分析和數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。數(shù)值模擬研究：運用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS）、離散元軟件（如UDEC、PFC）等數(shù)值模擬工具，建立硬巖的數(shù)值模型。模擬不同的工程條件和卸荷過程，分析硬巖內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律，預(yù)測硬巖的開裂位置和擴展方向。通過數(shù)值模擬，可以快速地對多種工況進(jìn)行分析，彌補室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗的局限性，為工程設(shè)計和控制方法的制定提供參考依據(jù)。理論分析研究：基于巖石力學(xué)、斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)等學(xué)科的基本理論，建立硬巖在開挖強卸荷下的力學(xué)模型和開裂判據(jù)。從能量角度、微觀結(jié)構(gòu)角度等深入分析硬巖開裂的機制，推導(dǎo)相關(guān)的理論公式，解釋試驗和數(shù)值模擬中觀察到的現(xiàn)象，為研究成果的理論升華提供支撐，使研究成果具有更廣泛的適用性和指導(dǎo)性。現(xiàn)場監(jiān)測與案例分析：在實際工程現(xiàn)場布置監(jiān)測系統(tǒng)，對硬巖的變形、應(yīng)力、裂縫開展等情況進(jìn)行長期監(jiān)測。收集工程建設(shè)和運行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，對典型工程案例進(jìn)行深入分析，總結(jié)工程實踐中的經(jīng)驗和問題。將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬和理論分析結(jié)果進(jìn)行對比驗證，不斷完善研究成果，使其更符合工程實際需求。二、開挖強卸荷下硬巖特性分析2.1硬巖基本物理力學(xué)性質(zhì)硬巖通常是指抗壓強度高、結(jié)構(gòu)致密、難以破碎或鉆探的巖石，其主要由多種礦物組成，這些礦物的種類、含量及相互組合方式，很大程度上決定了硬巖的基本性質(zhì)。花崗巖主要由石英、長石和云母等礦物組成，其中石英硬度高，賦予花崗巖較高的耐磨性和強度；長石則影響著花崗巖的顏色和結(jié)晶程度；云母的存在可能會降低巖石的整體強度，因為云母片之間的結(jié)合力相對較弱，容易成為巖石受力時的薄弱面。硬巖的結(jié)構(gòu)構(gòu)造對其物理力學(xué)性質(zhì)有著顯著影響。結(jié)構(gòu)方面，結(jié)晶結(jié)構(gòu)的硬巖，如花崗巖，礦物顆粒結(jié)晶良好，相互鑲嵌緊密，使得巖石具有較高的強度和穩(wěn)定性；而碎屑結(jié)構(gòu)的硬巖，如某些砂巖，碎屑顆粒之間的膠結(jié)程度不同，膠結(jié)物的性質(zhì)也各異，會導(dǎo)致巖石強度存在較大差異。構(gòu)造上，層理構(gòu)造會使硬巖在不同方向上的力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出各向異性，平行層理方向和垂直層理方向的抗壓、抗拉強度等可能會有明顯差別；節(jié)理和裂隙的存在則破壞了巖石的完整性，降低了其強度，同時增加了巖石的滲透性，使地下水更容易侵入，進(jìn)一步影響巖石的力學(xué)性能?？箟簭姸仁怯矌r抵抗壓縮破壞的能力，是衡量硬巖力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)之一。不同類型的硬巖，其抗壓強度存在較大差異?；鸪蓭r中的花崗巖，抗壓強度通常在150-300MPa之間，玄武巖的抗壓強度可達(dá)200-350MPa，輝綠巖的抗壓強度在200-300MPa范圍；變質(zhì)巖里的石英巖，抗壓強度較高，能達(dá)到300-400MPa，片麻巖的抗壓強度一般在100-250MPa；部分沉積巖，如硅質(zhì)、鐵質(zhì)及鈣質(zhì)膠結(jié)的碎屑巖，抗壓強度也較高。巖石的抗壓強度會受到多種因素的影響，包括礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、孔隙率以及受力狀態(tài)等。礦物成分中，硬度高的礦物含量越多，巖石的抗壓強度往往越高；結(jié)構(gòu)致密、孔隙率低的巖石，抗壓能力更強；在復(fù)雜受力狀態(tài)下，如三向應(yīng)力作用時，巖石的抗壓強度會有所提高?？估瓘姸仁怯矌r抵抗拉伸破壞的能力，相較于抗壓強度，硬巖的抗拉強度較低?；◢弾r的抗拉強度通常只有10-20MPa，這是因為巖石內(nèi)部存在的微裂隙、孔隙等缺陷在受拉時容易擴展，導(dǎo)致巖石過早破壞。巖石的抗拉強度同樣受礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等因素影響。礦物顆粒間的膠結(jié)強度、結(jié)構(gòu)面的分布和性質(zhì)等，都會對巖石的抗拉性能產(chǎn)生作用。在實際工程中，如地下洞室開挖，洞壁周圍巖石會受到拉應(yīng)力作用，當(dāng)拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強度時，就會產(chǎn)生開裂破壞，因此，了解硬巖的抗拉強度對于工程設(shè)計和穩(wěn)定性分析至關(guān)重要。2.2開挖強卸荷對硬巖的作用在地下工程和邊坡工程開挖過程中，硬巖經(jīng)歷開挖強卸荷時，其內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生急劇變化。以深埋隧洞開挖為例，在隧洞開挖前，巖體處于初始地應(yīng)力場中，受到上覆巖體自重、構(gòu)造應(yīng)力等的作用，處于相對平衡狀態(tài)。當(dāng)隧洞開挖后，洞壁周圍的巖體失去了原有的支撐，應(yīng)力開始重新分布。原本作用在開挖區(qū)域的應(yīng)力會向周邊巖體轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致洞壁附近巖體的切向應(yīng)力顯著增大，而徑向應(yīng)力則迅速減小，甚至趨近于零。這種應(yīng)力的急劇變化打破了巖體原有的力學(xué)平衡，是硬巖發(fā)生開裂演化的重要驅(qū)動力。在深部礦山開采中，隨著開采深度的增加，原巖應(yīng)力不斷增大。當(dāng)進(jìn)行巷道開挖時，巷道周邊巖體的應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生強烈改變。在高地應(yīng)力條件下，巷道圍巖所承受的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其自身的承載能力，從而引發(fā)圍巖的破壞和開裂。這種應(yīng)力的變化不僅會導(dǎo)致巖體的變形和破壞，還會對巷道的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，增加了巷道支護(hù)的難度和成本。開挖強卸荷過程中，硬巖內(nèi)部的能量也會發(fā)生轉(zhuǎn)化。在初始狀態(tài)下，硬巖儲存了一定的彈性應(yīng)變能，這是由于巖體在長期的地質(zhì)歷史過程中受到各種地質(zhì)作用的影響而積累起來的。當(dāng)開挖卸荷發(fā)生時，巖體的應(yīng)力狀態(tài)改變，彈性應(yīng)變能開始釋放。部分彈性應(yīng)變能會轉(zhuǎn)化為巖石的動能，使巖石產(chǎn)生變形和破裂，導(dǎo)致巖石內(nèi)部微裂紋的萌生和擴展；另一部分彈性應(yīng)變能則會以熱能、聲能等形式耗散掉。在巖爆發(fā)生時，大量的彈性應(yīng)變能瞬間釋放，產(chǎn)生強烈的沖擊和振動，對工程設(shè)施和人員安全造成嚴(yán)重威脅。通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗可以進(jìn)一步研究開挖強卸荷對硬巖的作用。在三軸壓縮試驗中，先對巖樣施加一定的圍壓和軸壓，模擬原巖應(yīng)力狀態(tài)，然后以不同的卸荷速率卸除圍壓，模擬開挖卸荷過程。通過監(jiān)測巖樣在卸荷過程中的應(yīng)力、應(yīng)變變化以及聲發(fā)射信號，可以分析硬巖的力學(xué)響應(yīng)和能量轉(zhuǎn)化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，卸荷速率對硬巖的力學(xué)行為有顯著影響，快速卸荷會導(dǎo)致巖樣內(nèi)部產(chǎn)生更高的應(yīng)力集中，加速微裂紋的擴展，使巖石更容易發(fā)生破壞，同時也會導(dǎo)致更多的彈性應(yīng)變能以動能的形式釋放，引發(fā)更強烈的破壞現(xiàn)象。2.3硬巖在強卸荷條件下的初始響應(yīng)在開挖強卸荷的初始階段，硬巖內(nèi)部會迅速萌生微裂紋。這是由于卸荷導(dǎo)致硬巖內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的急劇改變，使得原本處于平衡狀態(tài)的礦物顆粒之間的聯(lián)結(jié)力受到破壞。當(dāng)硬巖所受的拉應(yīng)力超過其抗拉強度時，就會在礦物顆粒的邊界或巖石的薄弱部位產(chǎn)生微裂紋。這些微裂紋的萌生具有隨機性和局部性，通常首先出現(xiàn)在硬巖內(nèi)部的孔隙、微裂隙等缺陷周圍，因為這些部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。在花崗巖中，微裂紋可能首先在石英與長石顆粒的接觸處萌生，因為這兩種礦物的熱膨脹系數(shù)不同，在應(yīng)力變化時容易產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形，從而引發(fā)微裂紋。通過掃描電子顯微鏡（SEM）對卸荷后的硬巖試樣進(jìn)行觀察，可以清晰地看到微裂紋的形態(tài)和分布情況。研究發(fā)現(xiàn)，初始階段萌生的微裂紋大多短小且不連續(xù)，寬度較窄，一般在微米級別。這些微裂紋的方向與硬巖所受的主應(yīng)力方向密切相關(guān)，通常垂直于最大主應(yīng)力方向或平行于最小主應(yīng)力方向，這是因為在這些方向上巖石所受的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力相對較大，更容易導(dǎo)致巖石的破壞。硬巖在強卸荷初期還會產(chǎn)生明顯的變形。這種變形主要包括彈性變形和塑性變形兩部分。在卸荷的瞬間，硬巖首先會發(fā)生彈性變形，這是由于巖石內(nèi)部的礦物顆粒在應(yīng)力作用下發(fā)生彈性位移，導(dǎo)致巖石整體形狀發(fā)生改變。隨著卸荷的持續(xù)進(jìn)行，當(dāng)應(yīng)力超過巖石的屈服強度時，塑性變形開始出現(xiàn)。塑性變形是由于巖石內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生滑移、位錯等不可逆的變化所引起的，它會導(dǎo)致巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞和損傷積累。通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）對硬巖在卸荷過程中的表面變形進(jìn)行監(jiān)測，可以得到巖石表面的位移場和應(yīng)變場分布。研究表明，在卸荷初期，硬巖表面的變形呈現(xiàn)出不均勻性，靠近卸荷面的區(qū)域變形較大，而遠(yuǎn)離卸荷面的區(qū)域變形相對較小。這是因為靠近卸荷面的巖石所受的卸荷影響更為直接，應(yīng)力變化更為劇烈。隨著卸荷的進(jìn)行，變形區(qū)域逐漸向巖石內(nèi)部擴展，變形程度也逐漸增大。硬巖在強卸荷初期還會伴隨著能量的釋放和轉(zhuǎn)換。如前文所述，卸荷過程中硬巖儲存的彈性應(yīng)變能開始釋放，部分能量用于產(chǎn)生微裂紋和引起巖石的變形，另一部分能量則以聲發(fā)射、熱能等形式耗散。聲發(fā)射是巖石內(nèi)部微裂紋萌生和擴展過程中產(chǎn)生的彈性波，通過聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)可以實時獲取巖石內(nèi)部的損傷信息。研究發(fā)現(xiàn)，在強卸荷初期，聲發(fā)射事件的數(shù)量和能量會迅速增加，這表明巖石內(nèi)部的微裂紋在大量萌生和擴展，巖石的損傷在不斷加劇。同時，由于巖石內(nèi)部的摩擦和變形，會產(chǎn)生一定的熱能，導(dǎo)致巖石溫度升高，但這種溫度變化通常較小，需要采用高精度的溫度測量設(shè)備才能檢測到。三、硬巖開裂演化機制理論研究3.1裂紋萌生機制在開挖強卸荷條件下，硬巖內(nèi)部應(yīng)力集中是導(dǎo)致裂紋萌生的關(guān)鍵因素。當(dāng)硬巖受到開挖卸荷作用時，其內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生急劇變化，在巖石內(nèi)部的缺陷、礦物顆粒邊界以及結(jié)構(gòu)面等部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。從微觀角度來看，硬巖是一種非均質(zhì)材料，其內(nèi)部存在著大量的微孔隙、微裂隙以及礦物顆粒之間的薄弱界面。在初始狀態(tài)下，這些微觀缺陷處就已經(jīng)存在一定程度的應(yīng)力集中。當(dāng)開挖卸荷導(dǎo)致硬巖所受的外部應(yīng)力發(fā)生改變時，這些缺陷處的應(yīng)力集中程度會進(jìn)一步加劇。在含有微裂隙的硬巖中，微裂隙尖端的應(yīng)力集中系數(shù)會隨著卸荷引起的應(yīng)力變化而增大，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到一定程度時，就會超過巖石材料的局部強度，從而導(dǎo)致微裂紋在微裂隙尖端萌生。巖石內(nèi)部礦物顆粒的性質(zhì)和排列方式也對裂紋萌生有重要影響。不同礦物的彈性模量、熱膨脹系數(shù)等物理性質(zhì)存在差異，在應(yīng)力變化時，礦物顆粒之間會產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形，進(jìn)而在顆粒邊界處引發(fā)應(yīng)力集中，促使裂紋萌生。在花崗巖中，石英和長石顆粒的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度變化或應(yīng)力改變時，它們之間會產(chǎn)生相對位移和變形，導(dǎo)致顆粒邊界處的應(yīng)力集中，容易引發(fā)微裂紋的產(chǎn)生。從宏觀角度分析，硬巖的結(jié)構(gòu)面，如節(jié)理、層理等，是巖體的薄弱部位。在開挖卸荷過程中，結(jié)構(gòu)面附近的應(yīng)力會發(fā)生重分布，使得結(jié)構(gòu)面周邊巖體承受的應(yīng)力超過其強度極限，從而導(dǎo)致裂紋在結(jié)構(gòu)面附近萌生。在具有節(jié)理的硬巖邊坡開挖中，節(jié)理面的存在改變了巖體的應(yīng)力分布，在卸荷作用下，節(jié)理面附近的巖體容易產(chǎn)生拉應(yīng)力或剪應(yīng)力集中，當(dāng)這些應(yīng)力達(dá)到巖石的抗拉或抗剪強度時，裂紋就會在節(jié)理面周邊萌生，并有可能沿著節(jié)理面擴展。裂紋萌生的條件可以通過應(yīng)力準(zhǔn)則和能量準(zhǔn)則來判斷。應(yīng)力準(zhǔn)則認(rèn)為，當(dāng)巖石內(nèi)部某點的應(yīng)力狀態(tài)滿足一定的強度條件時，裂紋就會萌生。如當(dāng)該點的拉應(yīng)力達(dá)到巖石的抗拉強度，或者剪應(yīng)力達(dá)到巖石的抗剪強度時，裂紋就可能在此處產(chǎn)生。能量準(zhǔn)則則從能量的角度出發(fā)，認(rèn)為當(dāng)巖石內(nèi)部由于應(yīng)力集中所積累的彈性應(yīng)變能達(dá)到一定程度，足以克服裂紋萌生所需的表面能和其他能量損耗時，裂紋就會萌生。根據(jù)格里菲斯（Griffith）理論，對于脆性材料，當(dāng)裂紋擴展單位面積所釋放的彈性應(yīng)變能大于等于形成新裂紋表面所需的表面能時，裂紋就會開始萌生。在硬巖中，雖然其并非完全脆性材料，但格里菲斯理論為裂紋萌生的能量分析提供了重要的基礎(chǔ)，通過考慮巖石的非均質(zhì)性和損傷特性，可以對硬巖裂紋萌生的能量條件進(jìn)行更深入的研究和修正。3.2裂紋擴展機制在開挖強卸荷下，硬巖中的裂紋擴展主要受拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的驅(qū)動，其擴展路徑和方式呈現(xiàn)出復(fù)雜的特征。當(dāng)硬巖受到拉應(yīng)力作用時，裂紋傾向于沿著垂直于拉應(yīng)力的方向擴展。這是因為在拉應(yīng)力作用下，裂紋尖端的應(yīng)力集中區(qū)域會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)變，使得裂紋尖端的巖石材料發(fā)生拉伸破壞，從而導(dǎo)致裂紋沿著拉應(yīng)力的垂直方向延伸。在硬巖的拉伸試驗中，可以觀察到裂紋從初始萌生點開始，逐漸向垂直于拉伸方向擴展，最終形成貫穿巖石試樣的宏觀裂縫，導(dǎo)致巖石的抗拉強度喪失，發(fā)生脆性斷裂。從微觀角度來看，拉應(yīng)力作用下裂紋擴展是由于巖石內(nèi)部礦物顆粒之間的化學(xué)鍵被拉斷。硬巖中的礦物顆粒通過化學(xué)鍵相互連接，形成了巖石的整體結(jié)構(gòu)。當(dāng)拉應(yīng)力作用于巖石時，礦物顆粒之間的化學(xué)鍵承受拉力，當(dāng)拉力超過化學(xué)鍵的強度時，化學(xué)鍵斷裂，礦物顆粒之間的聯(lián)結(jié)被破壞，從而導(dǎo)致裂紋的擴展。在石英含量較高的硬巖中，由于石英晶體的化學(xué)鍵強度相對較高，裂紋擴展相對較困難，但當(dāng)拉應(yīng)力足夠大時，仍會導(dǎo)致石英晶體之間的化學(xué)鍵斷裂，使得裂紋在石英顆粒之間擴展。剪應(yīng)力作用下，裂紋的擴展路徑則更為復(fù)雜。裂紋可能沿著最大剪應(yīng)力面擴展，也可能發(fā)生偏轉(zhuǎn)和分叉。當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到巖石的抗剪強度時，裂紋尖端會產(chǎn)生剪切滑移，導(dǎo)致裂紋沿著最大剪應(yīng)力方向擴展。然而，由于巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性和各向異性，裂紋在擴展過程中可能會遇到不同強度的礦物顆?；蚪Y(jié)構(gòu)面，從而導(dǎo)致裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)裂紋遇到強度較高的礦物顆粒時，裂紋可能會繞過該顆粒繼續(xù)擴展，使得裂紋路徑發(fā)生彎曲；當(dāng)裂紋遇到多個方向的剪應(yīng)力作用時，還可能會發(fā)生分叉現(xiàn)象，形成多條裂紋同時擴展的情況。在巖石的剪切試驗中，可以觀察到裂紋在剪應(yīng)力作用下的復(fù)雜擴展行為。裂紋首先在巖石內(nèi)部的薄弱部位萌生，然后沿著最大剪應(yīng)力方向擴展，在擴展過程中，裂紋可能會出現(xiàn)分支和曲折的現(xiàn)象，最終形成不規(guī)則的剪切破壞面。通過微觀觀測發(fā)現(xiàn)，剪應(yīng)力作用下裂紋擴展涉及到礦物顆粒的滑移、位錯以及顆粒之間的摩擦和磨損等微觀機制。礦物顆粒在剪應(yīng)力作用下發(fā)生相對滑移，導(dǎo)致顆粒之間的接觸狀態(tài)改變，產(chǎn)生摩擦熱和磨損碎屑，這些微觀過程進(jìn)一步影響了裂紋的擴展速率和路徑。裂紋擴展過程中，還會受到巖石內(nèi)部微結(jié)構(gòu)和缺陷的影響。微孔隙、微裂隙等缺陷會改變裂紋尖端的應(yīng)力分布，促進(jìn)裂紋的擴展。微孔隙周圍的應(yīng)力集中會使得裂紋更容易在孔隙附近萌生和擴展；而微裂隙的存在則可能為裂紋的擴展提供通道，使得裂紋能夠沿著微裂隙的方向快速傳播。巖石內(nèi)部的礦物顆粒排列方式、顆粒大小和形狀等微結(jié)構(gòu)特征也會對裂紋擴展產(chǎn)生影響。顆粒排列緊密、大小均勻的巖石，裂紋擴展相對較困難；而顆粒排列松散、大小差異較大的巖石，裂紋更容易擴展。3.3裂紋貫通與破壞機制隨著開挖強卸荷的持續(xù)進(jìn)行，硬巖中萌生和擴展的裂紋逐漸相互連通，這是導(dǎo)致硬巖最終破壞的關(guān)鍵階段。當(dāng)裂紋之間的距離減小到一定程度時，裂紋尖端的應(yīng)力場相互疊加，使得裂紋之間的巖石材料承受的應(yīng)力超過其強度極限，從而導(dǎo)致裂紋之間的巖石發(fā)生斷裂，實現(xiàn)裂紋的貫通。在裂紋貫通的過程中，裂紋的擴展方向和路徑起著重要作用。由于硬巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和非均質(zhì)性，裂紋的擴展方向并非完全直線，而是會受到巖石內(nèi)部礦物顆粒、微結(jié)構(gòu)和缺陷的影響而發(fā)生曲折和偏轉(zhuǎn)。當(dāng)裂紋遇到強度較高的礦物顆粒時，裂紋可能會繞過該顆粒繼續(xù)擴展，使得裂紋路徑呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀；而當(dāng)裂紋遇到微裂隙或孔隙等缺陷時，裂紋可能會沿著這些缺陷快速擴展，從而加速裂紋的貫通。從微觀角度來看，裂紋貫通是由于礦物顆粒之間的聯(lián)結(jié)被徹底破壞。在裂紋擴展過程中，礦物顆粒之間的化學(xué)鍵不斷被拉斷或剪斷，當(dāng)裂紋相互靠近時，裂紋尖端之間的礦物顆粒受到的應(yīng)力集中更為嚴(yán)重，最終導(dǎo)致礦物顆粒之間的聯(lián)結(jié)完全失效，裂紋得以貫通。在砂巖中，當(dāng)裂紋擴展到一定程度時，砂粒之間的膠結(jié)物會被破壞，使得砂粒相互分離，裂紋得以在砂粒之間貫通，從而導(dǎo)致巖石的整體性喪失。裂紋貫通后，硬巖會形成宏觀破裂面，進(jìn)入破壞階段。宏觀破裂面的形成標(biāo)志著硬巖的力學(xué)性能急劇下降，失去了原有的承載能力。根據(jù)巖石的破壞形式和特征，可以將硬巖的破壞分為脆性破壞和延性破壞兩種類型。脆性破壞是硬巖在開挖強卸荷下常見的破壞形式，其特點是破壞過程迅速，沒有明顯的塑性變形階段。在脆性破壞中，裂紋一旦萌生和擴展，就會迅速貫通，形成宏觀破裂面，導(dǎo)致巖石突然斷裂?；◢弾r在高應(yīng)力下的卸荷破壞通常表現(xiàn)為脆性破壞，巖石在短時間內(nèi)發(fā)生劇烈的破裂，釋放出大量的能量，可能引發(fā)巖爆等動力災(zāi)害。延性破壞則相對較為緩慢，巖石在破壞前會經(jīng)歷一定程度的塑性變形。在延性破壞過程中，裂紋的擴展較為穩(wěn)定，巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，最終形成宏觀破裂面。一些含有較多黏土礦物或具有層理結(jié)構(gòu)的硬巖，在卸荷過程中可能會表現(xiàn)出延性破壞的特征。這些巖石在受力時，黏土礦物或?qū)永砻嬷g會發(fā)生相對滑移和錯動，吸收一部分能量，使得裂紋的擴展相對緩慢，巖石的破壞過程也較為平緩。硬巖的破壞過程還與應(yīng)力狀態(tài)、加載速率等因素密切相關(guān)。在高圍壓條件下，硬巖的破壞形式可能會從脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐模驗閲鷫旱脑黾涌梢砸种屏鸭y的擴展，使得巖石在破壞前能夠承受更大的變形。加載速率對硬巖的破壞也有顯著影響，快速加載會使硬巖來不及發(fā)生塑性變形，更容易發(fā)生脆性破壞；而緩慢加載則可能使硬巖有足夠的時間進(jìn)行塑性調(diào)整，破壞形式更傾向于延性破壞。四、影響硬巖開裂演化的因素分析4.1地質(zhì)因素4.1.1巖石結(jié)構(gòu)與構(gòu)造巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造是影響其開裂演化的重要內(nèi)在因素，其中層理、節(jié)理和裂隙等結(jié)構(gòu)特征對硬巖在開挖強卸荷下的力學(xué)行為有著顯著影響。層理是沉積巖在形成過程中，由于先后沉積下來的沉積物的顆粒大小、成分、顏色和形狀的不同而顯示出的成層現(xiàn)象。這種成層結(jié)構(gòu)使得巖石在力學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)出各向異性，平行層理方向和垂直層理方向的強度和變形特性存在明顯差異。在平行層理方向，巖石的顆粒排列相對緊密，礦物顆粒之間的聯(lián)結(jié)力較強，因此巖石的抗壓強度和抗剪強度相對較高；而在垂直層理方向，層理面成為巖石的薄弱部位，巖石的抗拉強度較低，容易在拉應(yīng)力作用下發(fā)生開裂。在隧道開挖過程中，如果隧道軸線方向與層理方向垂直，當(dāng)硬巖受到開挖卸荷作用時，垂直層理方向的拉應(yīng)力容易導(dǎo)致層理面之間的分離，進(jìn)而引發(fā)巖石的開裂和剝落，影響隧道的穩(wěn)定性。節(jié)理是指在地質(zhì)作用下，巖石發(fā)生一系列規(guī)則的破裂，但破裂面兩側(cè)巖石沒有發(fā)生明顯的位移。節(jié)理的存在破壞了巖石的完整性，降低了巖石的強度。節(jié)理的密度、間距、方向和張開度等參數(shù)對硬巖的開裂演化有著重要影響。節(jié)理密度越大，巖石的完整性越差，在開挖強卸荷下更容易發(fā)生開裂。當(dāng)節(jié)理間距較小時，裂紋更容易在節(jié)理之間擴展和貫通，導(dǎo)致巖石的破壞。節(jié)理的方向與主應(yīng)力方向的夾角也會影響巖石的開裂方式。當(dāng)節(jié)理方向與最大主應(yīng)力方向平行時，節(jié)理面容易產(chǎn)生剪切滑移，促進(jìn)裂紋的擴展；當(dāng)節(jié)理方向與最大主應(yīng)力方向垂直時，節(jié)理面在拉應(yīng)力作用下容易張開，導(dǎo)致巖石的拉伸破壞。在邊坡工程中，節(jié)理的存在可能會形成潛在的滑動面，在開挖卸荷過程中，邊坡巖體的應(yīng)力狀態(tài)改變，節(jié)理面的抗滑力降低，容易引發(fā)邊坡的滑動和失穩(wěn)。裂隙是巖石中的裂縫，與節(jié)理類似，也是巖石的薄弱部位。裂隙的產(chǎn)生原因多種多樣，包括巖石的成巖過程、構(gòu)造運動、風(fēng)化作用等。裂隙的存在增加了巖石的滲透性，使得地下水更容易侵入巖石內(nèi)部，進(jìn)一步弱化巖石的力學(xué)性質(zhì)。在開挖強卸荷下，裂隙尖端容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，促使裂紋的萌生和擴展。在深部礦山開采中，硬巖中的裂隙在高地應(yīng)力和開挖卸荷的共同作用下，可能會迅速擴展和貫通，引發(fā)巖爆等動力災(zāi)害。巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造還會影響裂紋的擴展路徑和方向。由于巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性，裂紋在擴展過程中會受到層理、節(jié)理和裂隙等結(jié)構(gòu)面的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)和曲折。裂紋可能會沿著結(jié)構(gòu)面擴展，或者繞過結(jié)構(gòu)面繼續(xù)傳播，這種復(fù)雜的擴展路徑使得巖石的開裂演化過程更加難以預(yù)測和控制。4.1.2地應(yīng)力狀態(tài)地應(yīng)力是指存在于地殼中的應(yīng)力，它是由巖體的重力、地質(zhì)構(gòu)造運動以及地球內(nèi)部的熱應(yīng)力等多種因素共同作用而形成的。初始地應(yīng)力的大小和方向?qū)τ矌r在開挖強卸荷下的開裂演化起著至關(guān)重要的作用。在深部地下工程中，高地應(yīng)力條件普遍存在。當(dāng)進(jìn)行工程開挖時，原有的地應(yīng)力平衡被打破，應(yīng)力開始重新分布。高地應(yīng)力會導(dǎo)致硬巖內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，尤其是在洞室周邊、掌子面等部位。這些應(yīng)力集中區(qū)域容易引發(fā)硬巖的開裂和破壞。在深埋隧洞開挖過程中，洞壁周圍的巖體所承受的切向應(yīng)力會顯著增大，當(dāng)切向應(yīng)力超過巖石的抗拉強度時，就會在洞壁產(chǎn)生徑向裂紋，隨著開挖的繼續(xù)，這些裂紋可能會進(jìn)一步擴展和貫通，導(dǎo)致洞壁的坍塌。地應(yīng)力的方向也會影響硬巖的開裂模式。最大主應(yīng)力方向決定了裂紋的主要擴展方向。在巖石爆破試驗中，研究發(fā)現(xiàn)具有初始靜載作用的試件，其徑向主裂紋的擴展由無初始應(yīng)力時的放射狀轉(zhuǎn)變成沿著主應(yīng)力方向擴展。當(dāng)最大主應(yīng)力與巖石的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面方向相互作用時，會改變裂紋的擴展路徑。如果最大主應(yīng)力方向與節(jié)理方向平行，節(jié)理面在剪切應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生滑移，促進(jìn)裂紋沿著節(jié)理面擴展；如果最大主應(yīng)力方向與節(jié)理方向垂直，節(jié)理面在拉應(yīng)力作用下容易張開，導(dǎo)致裂紋垂直于節(jié)理面擴展。地應(yīng)力的大小和方向還會影響巖石的破壞形式。在高圍壓條件下，巖石的破壞形式可能會從脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐?。?dāng)圍壓較低時，巖石在開挖強卸荷下更容易發(fā)生脆性破壞，裂紋迅速擴展，巖石突然斷裂；而當(dāng)圍壓較高時，圍壓的約束作用抑制了裂紋的擴展，巖石在破壞前能夠承受更大的變形，破壞形式更傾向于延性破壞。地應(yīng)力的分布不均勻也會導(dǎo)致巖石局部應(yīng)力集中，加速巖石的破壞。在隧道開挖過程中，如果地應(yīng)力分布不均勻，在應(yīng)力集中區(qū)域，巖石更容易產(chǎn)生塑性變形和開裂，從而影響隧道的穩(wěn)定性。4.1.3地下水作用地下水在硬巖的開裂演化過程中扮演著重要角色，其通過滲透、軟化和化學(xué)作用等多種方式對硬巖的力學(xué)性質(zhì)和開裂行為產(chǎn)生影響。地下水的滲透作用會改變硬巖內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)?shù)叵滤趲r石孔隙和裂隙中流動時，會產(chǎn)生孔隙水壓力?？紫端畨毫Φ拇嬖跁档蛶r石顆粒之間的有效應(yīng)力，從而削弱巖石的強度。在地下洞室開挖過程中，洞壁周圍的巖石由于開挖卸荷，孔隙水壓力會發(fā)生變化，導(dǎo)致巖石的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)一步惡化，更容易引發(fā)開裂。當(dāng)孔隙水壓力增大到一定程度時，可能會導(dǎo)致巖石的有效應(yīng)力為零，使巖石失去承載能力，發(fā)生破壞。軟化作用是地下水對硬巖的另一個重要影響。地下水會溶解巖石中的某些礦物成分，使巖石的結(jié)構(gòu)變得疏松，強度降低。在含有黏土礦物的硬巖中，地下水的浸泡會使黏土礦物吸水膨脹，導(dǎo)致巖石的體積增大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，強度顯著下降。這種軟化作用會加速硬巖在開挖強卸荷下的開裂演化過程。在邊坡工程中，地下水的軟化作用可能會使邊坡巖體的抗滑力降低，增加邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險。地下水還會與硬巖發(fā)生化學(xué)作用，進(jìn)一步改變巖石的性質(zhì)。地下水可能含有各種化學(xué)物質(zhì)，如酸、堿、鹽等，這些物質(zhì)會與巖石中的礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的礦物或化合物。這些化學(xué)反應(yīng)可能會導(dǎo)致巖石的體積變化、強度改變以及結(jié)構(gòu)破壞。在巖溶地區(qū)，地下水對石灰?guī)r的溶蝕作用會形成溶洞和裂隙，破壞巖石的完整性，增加了巖石開裂和坍塌的可能性。地下水還會影響巖石內(nèi)部裂紋的擴展。在裂紋尖端，地下水的存在會降低裂紋擴展的阻力，促進(jìn)裂紋的快速擴展。地下水的流動還可能攜帶一些顆粒物質(zhì)，這些物質(zhì)在裂紋中沉積，會改變裂紋的形態(tài)和擴展路徑，使得硬巖的開裂演化過程更加復(fù)雜。4.2開挖因素4.2.1開挖方式與順序在硬巖開挖工程中，開挖方式和順序的選擇對硬巖的應(yīng)力釋放和開裂情況有著至關(guān)重要的影響。常見的開挖方式主要有爆破開挖和機械開挖，不同的開挖方式會導(dǎo)致硬巖受到不同形式和程度的擾動。爆破開挖是一種較為傳統(tǒng)且應(yīng)用廣泛的硬巖開挖方式，它通過炸藥爆炸產(chǎn)生的巨大能量在瞬間釋放，對巖石產(chǎn)生強烈的沖擊和破壞作用，從而實現(xiàn)巖石的破碎和開挖。這種開挖方式具有效率高、成本相對較低等優(yōu)點，在大型隧道、礦山開采等工程中應(yīng)用較多。爆破開挖會產(chǎn)生強烈的爆破震動和沖擊荷載，對硬巖的完整性造成較大破壞。爆破震動會使硬巖內(nèi)部產(chǎn)生大量的微裂紋，這些微裂紋在后續(xù)的開挖過程中可能會進(jìn)一步擴展和貫通，導(dǎo)致硬巖的開裂和強度降低。在某隧道爆破開挖工程中，通過對爆破后硬巖的聲波測試發(fā)現(xiàn)，爆破區(qū)域附近硬巖的聲波波速明顯降低，表明硬巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到了嚴(yán)重破壞，微裂紋大量增加。爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波還可能導(dǎo)致硬巖中的原有裂隙擴展，使得硬巖的穩(wěn)定性進(jìn)一步下降。在節(jié)理裂隙發(fā)育的硬巖中，爆破應(yīng)力波容易沿著節(jié)理裂隙傳播，加劇裂隙的擴展和巖體的破碎，增加了工程施工的難度和風(fēng)險。機械開挖則主要依靠機械設(shè)備的切削、破碎等作用來開挖硬巖，如隧道掘進(jìn)機（TBM）、液壓破碎錘等。機械開挖具有對圍巖擾動小、施工精度高、有利于控制超欠挖等優(yōu)點，在對硬巖完整性要求較高的工程中應(yīng)用越來越廣泛。采用TBM開挖硬巖時，刀具對巖石的切削作用相對較為溫和，能夠較好地保持硬巖的原有結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，減少微裂紋的產(chǎn)生。機械開挖的效率相對較低，設(shè)備成本較高，對施工條件和技術(shù)要求也較為嚴(yán)格。在一些地質(zhì)條件復(fù)雜、巖石硬度較高的區(qū)域，機械開挖可能會遇到刀具磨損嚴(yán)重、掘進(jìn)速度慢等問題，從而影響工程進(jìn)度和成本。開挖順序的不同也會導(dǎo)致硬巖的應(yīng)力釋放和開裂情況存在差異。在地下洞室群的開挖中，合理的開挖順序可以有效地控制圍巖的應(yīng)力分布，減少硬巖的開裂和變形。先開挖中心洞室，再逐步開挖周邊洞室的順序，會使中心洞室周邊圍巖的應(yīng)力首先得到釋放，形成一定的應(yīng)力調(diào)整區(qū)域。在后續(xù)周邊洞室開挖時，由于中心洞室的存在，周邊洞室圍巖的應(yīng)力分布會發(fā)生改變，可能會導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象的加劇，從而增加硬巖開裂的風(fēng)險。而采用先開挖周邊洞室，再開挖中心洞室的順序，周邊洞室開挖后會對中心洞室的圍巖產(chǎn)生一定的約束作用，在一定程度上可以減小中心洞室開挖時的應(yīng)力集中程度，降低硬巖開裂的可能性。在某地下廠房洞室群的開挖中，通過數(shù)值模擬對比了不同開挖順序下圍巖的應(yīng)力和位移情況，結(jié)果表明，合理的開挖順序可以使圍巖的最大主應(yīng)力降低10%-20%，有效地減少了硬巖的開裂和變形。在邊坡開挖中，開挖順序同樣重要。自上而下分層開挖的方式可以使邊坡巖體在開挖過程中逐步釋放應(yīng)力，避免應(yīng)力集中和突然卸載導(dǎo)致的巖體開裂和失穩(wěn)。而如果采用自下而上開挖的方式，會使邊坡下部巖體提前失去支撐，上部巖體的應(yīng)力集中加劇，容易引發(fā)邊坡的滑坡和坍塌。在某高陡邊坡開挖工程中，由于采用了自上而下分層開挖的順序，并結(jié)合了及時的支護(hù)措施，有效地控制了邊坡巖體的變形和開裂，保證了邊坡的穩(wěn)定性。4.2.2卸荷速率卸荷速率是指在開挖卸荷過程中，巖體應(yīng)力降低的快慢程度，它對硬巖的破壞特性和裂紋演化有著顯著的影響。在室內(nèi)巖石力學(xué)試驗中，通過控制卸荷速率對硬巖試樣進(jìn)行卸荷試驗，可以深入研究卸荷速率的影響規(guī)律。當(dāng)卸荷速率較快時，硬巖內(nèi)部的應(yīng)力來不及充分調(diào)整和釋放，會導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇?？焖傩逗墒沟糜矌r內(nèi)部的微裂紋迅速擴展，裂紋之間的相互作用增強，更容易形成宏觀的破裂面，從而導(dǎo)致硬巖的脆性破壞。在高應(yīng)力條件下的硬巖卸荷試驗中，快速卸荷會使硬巖在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信號，表明巖石內(nèi)部的微裂紋在快速擴展和貫通，巖石的損傷急劇增加?？焖傩逗蛇€可能引發(fā)硬巖的巖爆等動力災(zāi)害。在深部礦山開采中，當(dāng)開挖速度過快，導(dǎo)致圍巖卸荷速率過高時，積聚在硬巖中的大量彈性應(yīng)變能會瞬間釋放，引發(fā)巖爆，對礦山的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。相反，當(dāng)卸荷速率較慢時，硬巖有足夠的時間進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整和變形協(xié)調(diào)，微裂紋的擴展相對較為緩慢和穩(wěn)定。慢卸荷可以使硬巖內(nèi)部的應(yīng)力逐漸均勻化，減少應(yīng)力集中的程度，從而降低硬巖的破壞程度，使其破壞形式更傾向于延性破壞。在一些工程實踐中，通過控制開挖進(jìn)度，降低卸荷速率，可以有效地減少硬巖的開裂和破壞。在某深埋隧洞的開挖中，采用了較慢的開挖速度，使圍巖的卸荷速率保持在較低水平，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，隧洞周邊圍巖的變形和開裂情況得到了明顯改善，支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的荷載也相對較小。卸荷速率還會影響硬巖的強度特性。研究表明，隨著卸荷速率的增加，硬巖的峰值強度會有所提高，但同時其殘余強度會降低。這是因為快速卸荷導(dǎo)致硬巖的破壞更加突然和劇烈，在達(dá)到峰值強度后，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)迅速破壞，殘余承載能力大幅下降。而慢卸荷下硬巖的破壞過程相對平緩，其殘余強度相對較高。在實際工程中，需要根據(jù)硬巖的強度特性和工程要求，合理控制卸荷速率，以確保工程的安全和穩(wěn)定。五、硬巖開裂演化的實驗研究5.1實驗方案設(shè)計本次實驗旨在通過模擬開挖強卸荷過程，深入研究硬巖在不同條件下的開裂演化規(guī)律。實驗選取典型硬巖，如花崗巖作為研究對象，因其在各類工程中廣泛分布且具有代表性的力學(xué)性質(zhì)。在試件制備方面，從現(xiàn)場采集花崗巖巖塊后，采用專業(yè)的巖石切割設(shè)備，將其切割成直徑為50mm、高度為100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，以滿足巖石力學(xué)試驗的規(guī)范要求。在切割過程中，嚴(yán)格控制切割參數(shù)，確保試件表面平整光滑，減少因加工造成的試件損傷和內(nèi)部缺陷。為了模擬實際工程中硬巖內(nèi)部可能存在的初始缺陷，部分試件在制備過程中，采用高精度的鉆孔設(shè)備在試件內(nèi)部預(yù)制一定長度和寬度的微裂紋，微裂紋的方向和位置根據(jù)實驗設(shè)計進(jìn)行精確控制，以研究初始缺陷對硬巖開裂演化的影響。實驗設(shè)備選用先進(jìn)的真三軸巖石力學(xué)試驗機，該設(shè)備能夠精確控制三個方向的加載和卸荷，模擬復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。同時，配備了聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，用于實時監(jiān)測試件在加載和卸荷過程中內(nèi)部微裂紋萌生和擴展產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，通過分析聲發(fā)射事件的數(shù)量、能量和頻率等參數(shù)，獲取硬巖內(nèi)部損傷演化的信息。采用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)，對試件表面的變形進(jìn)行全場測量，通過在試件表面噴涂隨機散斑圖案，利用高速攝像機采集試件在不同加載階段的圖像，再通過專業(yè)的DIC分析軟件，計算出試件表面各點的位移和應(yīng)變，直觀地觀察硬巖在卸荷過程中的變形特征和裂紋擴展路徑。加載與監(jiān)測方案設(shè)計如下：首先，在真三軸試驗機上對試件施加初始地應(yīng)力，模擬工程現(xiàn)場硬巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，其中軸向應(yīng)力設(shè)置為30MPa，兩個水平方向的圍壓分別設(shè)置為15MPa和10MPa，以模擬實際工程中常見的非均勻地應(yīng)力場。然后，以不同的卸荷速率進(jìn)行水平方向圍壓的卸荷，設(shè)置快速卸荷速率為0.5MPa/s，慢速卸荷速率為0.01MPa/s，研究卸荷速率對硬巖開裂演化的影響。在卸荷過程中，聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)和DIC系統(tǒng)同步工作，實時采集數(shù)據(jù)。每卸荷一定的應(yīng)力值（如1MPa），暫停卸荷，記錄聲發(fā)射信號和DIC圖像，以便對硬巖在該應(yīng)力狀態(tài)下的開裂和變形情況進(jìn)行詳細(xì)分析。同時，利用高精度的應(yīng)變片，測量試件在軸向和徑向的應(yīng)變，與DIC測量結(jié)果相互驗證，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。5.2實驗結(jié)果與分析5.2.1裂紋發(fā)展過程觀測在實驗過程中，通過高清攝像機和數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)，對硬巖試件在開挖強卸荷下的裂紋發(fā)展過程進(jìn)行了全程觀測，清晰地記錄了裂紋從萌生到擴展貫通的各個階段。在卸荷初期，當(dāng)圍壓開始降低時，硬巖試件表面首先出現(xiàn)微小的裂紋，這些裂紋主要集中在試件的局部區(qū)域，通常是在試件內(nèi)部缺陷或應(yīng)力集中部位。通過微觀觀測發(fā)現(xiàn)，這些初始裂紋大多為微裂紋，寬度在微米級別，長度較短，一般在幾毫米以內(nèi)。它們的萌生具有隨機性，分布較為分散。隨著卸荷的繼續(xù)進(jìn)行，微裂紋的數(shù)量逐漸增多，并且開始向周圍擴展。部分微裂紋在擴展過程中會發(fā)生相互連接，形成更長的裂紋。在這個階段，裂紋的擴展方向主要受到試件內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的控制，大多沿著垂直于最大主應(yīng)力方向或平行于最小主應(yīng)力方向擴展。隨著卸荷程度的進(jìn)一步加深，裂紋擴展速度明顯加快，裂紋的長度和寬度不斷增加。此時，試件表面的裂紋開始形成較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不同方向的裂紋相互交織。一些主裂紋逐漸形成并占據(jù)主導(dǎo)地位，它們的擴展導(dǎo)致試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步破壞。主裂紋的擴展路徑并非完全直線，而是會受到巖石內(nèi)部礦物顆粒、微結(jié)構(gòu)和缺陷的影響而發(fā)生曲折和偏轉(zhuǎn)。當(dāng)裂紋遇到強度較高的礦物顆粒時，可能會繞過該顆粒繼續(xù)擴展；當(dāng)裂紋遇到微裂隙或孔隙等缺陷時，會沿著這些缺陷快速擴展，從而加速裂紋的貫通。最終，當(dāng)卸荷達(dá)到一定程度時，主裂紋相互貫通，形成宏觀的破裂面，導(dǎo)致硬巖試件完全破壞。宏觀破裂面的形態(tài)與裂紋的擴展過程密切相關(guān)，呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀。在破裂面附近，可以觀察到大量的巖石碎屑和破碎的礦物顆粒，這表明巖石在破壞過程中經(jīng)歷了劇烈的變形和破碎。通過對破裂面的微觀分析發(fā)現(xiàn)，破裂面主要由礦物顆粒的斷裂、顆粒間的滑移和分離等形成，這些微觀過程導(dǎo)致了巖石整體結(jié)構(gòu)的解體和強度的喪失。對比快速卸荷和慢速卸荷兩種工況下的裂紋發(fā)展過程，發(fā)現(xiàn)快速卸荷時裂紋的萌生和擴展速度明顯更快。在快速卸荷條件下，硬巖試件內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象更為嚴(yán)重，導(dǎo)致微裂紋在短時間內(nèi)大量萌生并迅速擴展，試件更快地達(dá)到破壞狀態(tài)，且破壞程度更為劇烈，宏觀破裂面更為明顯和粗糙；而在慢速卸荷條件下，裂紋的擴展相對較為穩(wěn)定和緩慢，試件有更多時間進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整和變形協(xié)調(diào)，破壞過程相對較為平緩，破裂面相對較為平整。5.2.2力學(xué)參數(shù)變化分析在實驗過程中，同步記錄了硬巖試件在開挖強卸荷下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過對該曲線的分析，以及相關(guān)數(shù)據(jù)的計算，得到了硬巖的彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律。從應(yīng)力-應(yīng)變曲線來看，在卸荷初期，硬巖試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本符合線彈性規(guī)律，此時應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而線性增加，彈性模量保持相對穩(wěn)定。隨著卸荷的進(jìn)行，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始偏離線性關(guān)系，出現(xiàn)非線性變形，這表明硬巖內(nèi)部開始產(chǎn)生微裂紋和損傷，彈性模量逐漸降低。在裂紋快速擴展階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率急劇減小，說明彈性模量迅速下降，硬巖的剛度明顯降低。當(dāng)裂紋貫通，試件達(dá)到破壞狀態(tài)時，應(yīng)力急劇下降，應(yīng)變迅速增大，此時硬巖已失去承載能力，彈性模量趨近于零。通過對不同卸荷速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)卸荷速率對硬巖的力學(xué)參數(shù)有顯著影響?？焖傩逗蓵r，硬巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率變化更為劇烈，彈性模量下降更快。這是因為快速卸荷導(dǎo)致硬巖內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇，微裂紋迅速擴展，巖石損傷發(fā)展更快，從而使得彈性模量快速降低。而在慢速卸荷條件下，硬巖有更多時間進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整和變形協(xié)調(diào)，微裂紋的擴展相對較為緩慢，彈性模量的下降也相對較為平緩。泊松比是反映硬巖橫向變形特性的重要參數(shù)。在實驗過程中，通過測量硬巖試件在軸向和橫向的應(yīng)變，計算得到泊松比的變化。結(jié)果表明，在卸荷初期，泊松比基本保持穩(wěn)定，隨著卸荷的進(jìn)行，當(dāng)硬巖內(nèi)部開始產(chǎn)生微裂紋和損傷時，泊松比逐漸增大。這是因為微裂紋的產(chǎn)生和擴展使得硬巖的橫向變形能力增強，從而導(dǎo)致泊松比增大。在裂紋快速擴展階段，泊松比進(jìn)一步增大，表明硬巖的橫向變形進(jìn)一步加劇。當(dāng)硬巖達(dá)到破壞狀態(tài)時，泊松比達(dá)到最大值，此時硬巖的橫向變形已非常明顯，試件發(fā)生了較大的塑性變形。卸荷速率同樣對泊松比有影響。快速卸荷時，泊松比的增大速度更快，在破壞時達(dá)到的值也更大。這是由于快速卸荷下硬巖的破壞更為突然和劇烈，橫向變形在短時間內(nèi)迅速增大，導(dǎo)致泊松比快速上升。而慢速卸荷時，泊松比的增大相對較為緩慢，這與慢速卸荷下硬巖破壞過程相對平緩，橫向變形逐漸發(fā)展的特點相符。5.2.3能量演化規(guī)律研究在開挖強卸荷下，硬巖的開裂演化過程伴隨著能量的輸入、耗散和釋放，通過對實驗過程中能量的監(jiān)測和分析，揭示了硬巖在該過程中的能量演化規(guī)律。在卸荷前，硬巖試件在初始地應(yīng)力作用下儲存了一定的彈性應(yīng)變能。隨著卸荷的開始，外部荷載逐漸減小，硬巖試件開始釋放彈性應(yīng)變能。同時，由于硬巖內(nèi)部微裂紋的萌生和擴展，以及巖石顆粒之間的摩擦、滑移等微觀過程，會消耗一部分能量，這部分能量稱為耗散能。在卸荷初期，彈性應(yīng)變能的釋放速度相對較慢，耗散能也較小。隨著卸荷的進(jìn)行，微裂紋逐漸增多并擴展，彈性應(yīng)變能的釋放速度加快，耗散能也隨之增加。在裂紋快速擴展階段，彈性應(yīng)變能大量釋放，耗散能也急劇增大，這是因為此時裂紋的擴展需要消耗大量能量，同時巖石內(nèi)部的摩擦和變形加劇，也導(dǎo)致能量的耗散增加。當(dāng)硬巖試件達(dá)到破壞狀態(tài)時，彈性應(yīng)變能幾乎全部釋放，耗散能達(dá)到最大值。此時，硬巖內(nèi)部的結(jié)構(gòu)已完全破壞，裂紋相互貫通，形成宏觀破裂面。在破壞后的階段，硬巖的能量主要以動能的形式存在，即破裂后的巖石碎片具有一定的速度和動能。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)硬巖在開裂演化過程中，彈性應(yīng)變能的釋放量與耗散能的增加量基本相等，這符合能量守恒定律。不同卸荷速率下硬巖的能量演化規(guī)律存在差異?？焖傩逗蓵r，彈性應(yīng)變能的釋放速度更快，在短時間內(nèi)釋放出大量能量，導(dǎo)致耗散能也迅速增加。由于快速卸荷下硬巖的破壞更為劇烈，裂紋擴展速度快，巖石碎片的動能也較大。而慢速卸荷時，彈性應(yīng)變能的釋放相對較為緩慢，耗散能的增加也較為平穩(wěn)，巖石碎片的動能相對較小。這表明卸荷速率不僅影響硬巖的力學(xué)行為和裂紋擴展過程，還對其能量演化產(chǎn)生重要影響。在實際工程中，合理控制卸荷速率可以有效地減少能量的集中釋放，降低硬巖開裂和破壞的風(fēng)險。六、硬巖開裂演化的數(shù)值模擬研究6.1數(shù)值模擬方法與模型建立為深入探究開挖強卸荷下硬巖開裂演化機制，本研究選用顆粒流軟件PFC（ParticleFlowCode）進(jìn)行數(shù)值模擬分析。PFC基于離散元理論，將連續(xù)介質(zhì)離散為顆粒集合體，通過模擬顆粒間的接觸力和相對運動，能夠有效模擬巖石等材料的破裂過程，尤其適用于研究硬巖在復(fù)雜受力條件下的微觀力學(xué)行為和裂紋擴展特性。在模型建立過程中，首先根據(jù)室內(nèi)實驗所采用的花崗巖試件尺寸，在PFC中構(gòu)建直徑50mm、高度100mm的圓柱體顆粒模型。為使模型更貼合實際硬巖特性，需合理設(shè)置顆粒參數(shù)。參考花崗巖的物理力學(xué)參數(shù)以及相關(guān)研究成果，設(shè)定顆粒的密度為2.65g/cm3，彈性模量為70GPa，泊松比為0.25。顆粒間的接觸模型選用線性接觸模型，該模型能較好地描述顆粒間的法向和切向力學(xué)行為。同時，根據(jù)室內(nèi)實驗中硬巖的強度特性，確定顆粒間的粘結(jié)強度和抗拉強度，粘結(jié)強度設(shè)置為10MPa，抗拉強度設(shè)置為5MPa，以保證模型在受力過程中能產(chǎn)生與實際硬巖相似的裂紋萌生和擴展現(xiàn)象。為模擬開挖強卸荷過程，在模型加載方面，首先對模型施加初始地應(yīng)力，模擬實際工程中硬巖的初始應(yīng)力狀態(tài)。在模型的頂部和底部施加30MPa的軸向應(yīng)力，模擬上覆巖體的自重應(yīng)力；在模型的四周施加15MPa和10MPa的水平圍壓，模擬非均勻的水平地應(yīng)力場。待模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡后，以不同的卸荷速率卸除水平方向的圍壓。設(shè)置快速卸荷工況時，卸荷速率為0.5MPa/s；慢速卸荷工況時，卸荷速率為0.01MPa/s，以此研究卸荷速率對硬巖開裂演化的影響。在模型中，通過設(shè)置監(jiān)測點來獲取硬巖在卸荷過程中的力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)。在模型內(nèi)部均勻布置多個監(jiān)測點，用于監(jiān)測顆粒的位移、速度以及顆粒間的接觸力等參數(shù)。在模型表面布置監(jiān)測點，以觀察裂紋的萌生和擴展情況。利用PFC軟件的后處理功能，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化處理，得到硬巖在不同卸荷條件下的應(yīng)力分布云圖、位移矢量圖以及裂紋擴展形態(tài)圖等，從而直觀地了解硬巖開裂演化過程中的力學(xué)行為和裂紋擴展規(guī)律。6.2模擬結(jié)果與討論6.2.1裂紋擴展模式模擬通過PFC數(shù)值模擬，成功獲取了硬巖在開挖強卸荷下的裂紋擴展模式，清晰展現(xiàn)了裂紋從萌生到擴展貫通的全過程。在卸荷初期，模擬結(jié)果顯示硬巖內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域率先出現(xiàn)微裂紋，這些微裂紋主要在顆粒間的薄弱接觸處萌生，呈隨機分布狀態(tài)。隨著卸荷的持續(xù)進(jìn)行，微裂紋逐漸擴展，部分微裂紋開始相互連接，形成更長的裂紋。在裂紋擴展過程中，裂紋的擴展方向受到硬巖內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)和顆粒結(jié)構(gòu)的共同影響，大多沿著垂直于最大主應(yīng)力方向或平行于最小主應(yīng)力方向擴展，這與理論分析中裂紋擴展受應(yīng)力控制的原理相符。隨著卸荷程度的加深，裂紋擴展速度加快，裂紋網(wǎng)絡(luò)逐漸復(fù)雜化。模擬圖像顯示，不同方向的裂紋相互交織，形成了復(fù)雜的裂紋體系。主裂紋在這個過程中逐漸形成并占據(jù)主導(dǎo)地位，其擴展路徑呈現(xiàn)出曲折的特征，這是由于裂紋在擴展過程中遇到顆粒的阻擋或不同力學(xué)性質(zhì)的顆粒集合體，導(dǎo)致裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)和繞過現(xiàn)象。最終，主裂紋相互貫通，形成宏觀破裂面，導(dǎo)致硬巖完全破壞。模擬得到的宏觀破裂面呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀，與實際硬巖破壞后的破裂面形態(tài)相似。將數(shù)值模擬得到的裂紋擴展模式與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者具有較高的一致性。在裂紋萌生階段，模擬結(jié)果和實驗觀測都表明微裂紋首先在硬巖的局部應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生；在裂紋擴展階段，兩者的裂紋擴展方向和路徑也基本一致，都呈現(xiàn)出沿著應(yīng)力方向擴展且受巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響而曲折的特點；在裂紋貫通和破壞階段，模擬得到的宏觀破裂面形態(tài)與實驗中硬巖破壞后的破裂面形態(tài)也較為相似。通過對比分析，驗證了數(shù)值模擬方法在研究硬巖裂紋擴展模式方面的有效性和準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步深入研究硬巖開裂演化機制提供了可靠的手段。6.2.2應(yīng)力場與位移場分析在數(shù)值模擬過程中，對硬巖內(nèi)部的應(yīng)力場和位移場變化進(jìn)行了詳細(xì)分析，以揭示開挖強卸荷下硬巖的力學(xué)響應(yīng)機制。在卸荷前，硬巖處于初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)，內(nèi)部應(yīng)力分布相對均勻。隨著卸荷的開始，硬巖內(nèi)部應(yīng)力場發(fā)生顯著變化。卸荷面附近的應(yīng)力迅速釋放，導(dǎo)致該區(qū)域的應(yīng)力降低，而遠(yuǎn)離卸荷面的區(qū)域則由于應(yīng)力重分布，應(yīng)力有所增加，形成明顯的應(yīng)力梯度。在卸荷初期，最大主應(yīng)力方向逐漸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，向垂直于卸荷面的方向偏轉(zhuǎn)，這是因為卸荷導(dǎo)致硬巖在垂直于卸荷面方向的約束減小，使得該方向更容易產(chǎn)生變形和破壞。隨著卸荷的繼續(xù)進(jìn)行，硬巖內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇，尤其是在裂紋尖端和顆粒接觸薄弱區(qū)域，應(yīng)力集中系數(shù)顯著增大。這些應(yīng)力集中區(qū)域成為裂紋萌生和擴展的主要場所，因為當(dāng)應(yīng)力集中超過巖石的強度極限時，就會引發(fā)微裂紋的產(chǎn)生和擴展。位移場分析結(jié)果表明，在卸荷初期，硬巖主要發(fā)生彈性位移，位移量相對較小且分布較為均勻。隨著卸荷的進(jìn)行，當(dāng)硬巖內(nèi)部開始產(chǎn)生微裂紋和損傷時，塑性位移逐漸出現(xiàn)，位移量也隨之增大。在裂紋擴展階段，位移主要集中在裂紋周圍區(qū)域，裂紋尖端的位移梯度較大，這表明裂紋尖端的巖石變形較為劇烈。當(dāng)裂紋貫通形成宏觀破裂面后，破裂面兩側(cè)的巖石發(fā)生相對位移，導(dǎo)致硬巖的整體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，位移場呈現(xiàn)出明顯的不連續(xù)性。通過對不同卸荷速率下硬巖應(yīng)力場和位移場的對比分析，發(fā)現(xiàn)卸荷速率對其有顯著影響?？焖傩逗蓵r，硬巖內(nèi)部應(yīng)力變化更為迅速，應(yīng)力集中現(xiàn)象更為嚴(yán)重，導(dǎo)致裂紋尖端的應(yīng)力強度因子增大，裂紋擴展速度加快。同時，快速卸荷下硬巖的位移響應(yīng)也更為迅速，位移量更大，尤其是在裂紋擴展階段，位移集中區(qū)域更為明顯。而慢速卸荷時，硬巖有更多時間進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整和變形協(xié)調(diào)，應(yīng)力場和位移場的變化相對較為平緩，裂紋擴展速度較慢，位移量也相對較小。6.2.3與實驗結(jié)果對比驗證為驗證數(shù)值模擬方法的有效性，將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行了全面對比分析，從裂紋擴展模式、力學(xué)參數(shù)變化以及能量演化規(guī)律等多個方面進(jìn)行驗證。在裂紋擴展模式方面，數(shù)值模擬得到的裂紋萌生、擴展和貫通過程與實驗觀測結(jié)果高度吻合。模擬中裂紋首先在應(yīng)力集中區(qū)域萌生，隨后沿著垂直于最大主應(yīng)力方向擴展，形成復(fù)雜的裂紋網(wǎng)絡(luò)，最終貫通形成宏觀破裂面，這與實驗中觀察到的硬巖裂紋擴展現(xiàn)象一致。通過對比模擬和實驗得到的裂紋擴展形態(tài)圖，可以清晰地看到兩者在裂紋的分布、擴展方向和破裂面形態(tài)等方面具有相似性，進(jìn)一步證明了數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確地再現(xiàn)硬巖在開挖強卸荷下的裂紋擴展模式。在力學(xué)參數(shù)變化方面，對比數(shù)值模擬和實驗得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明，兩者的應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨勢基本一致，在卸荷初期，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合線彈性規(guī)律，隨著卸荷的進(jìn)行，出現(xiàn)非線性變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線偏離線性關(guān)系，彈性模量逐漸降低，泊松比逐漸增大。數(shù)值模擬得到的彈性模量和泊松比的變化趨勢與實驗結(jié)果相符，雖然在具體數(shù)值上可能存在一定差異，但變化趨勢的一致性驗證了數(shù)值模擬在反映硬巖力學(xué)參數(shù)變化方面的可靠性。在能量演化規(guī)律方面，數(shù)值模擬和實驗都揭示了硬巖在開挖強卸荷下彈性應(yīng)變能釋放、耗散能增加以及能量守恒的規(guī)律。模擬結(jié)果顯示，隨著卸荷的進(jìn)行，彈性應(yīng)變能逐漸釋放，耗散能不斷增加，在硬巖破壞時，彈性應(yīng)變能幾乎全部釋放，耗散能達(dá)到最大值，這與實驗中通過能量監(jiān)測得到的結(jié)果一致。通過對比能量演化曲線，可以看出數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確地模擬硬巖在開裂演化過程中的能量變化情況，為深入研究硬巖開裂的能量機制提供了有效的手段。綜合以上對比分析，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果在裂紋擴展模式、力學(xué)參數(shù)變化和能量演化規(guī)律等方面具有良好的一致性，充分驗證了所采用的數(shù)值模擬方法在研究開挖強卸荷下硬巖開裂演化機制方面的有效性和準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步開展硬巖開裂演化的研究和工程應(yīng)用提供了可靠的依據(jù)。七、開挖強卸荷下硬巖開裂控制方法7.1工程措施7.1.1合理的開挖方案優(yōu)化在硬巖開挖工程中，開挖方案的優(yōu)化對于減少硬巖開裂至關(guān)重要。開挖順序的合理規(guī)劃能夠有效控制硬巖的應(yīng)力釋放和變形，降低開裂風(fēng)險。在地下洞室群的開挖中，應(yīng)遵循“先外后內(nèi)、先小后大、分層分段”的原則。先開挖周邊的小型洞室，為后續(xù)大型洞室的開挖創(chuàng)造有利的應(yīng)力釋放條件，減少大型洞室開挖時的應(yīng)力集中。在某大型水電站地下廠房洞室群的開挖中，先開挖導(dǎo)流洞、尾水洞等周邊洞室，再逐步開挖主廠房洞室。通過這種開挖順序，使得主廠房洞室周邊圍巖的應(yīng)力得到了有效調(diào)整，降低了硬巖開裂的可能性。分層分段開挖可以使硬巖在開挖過程中逐步適應(yīng)應(yīng)力變化，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致的突然開裂。每一層的開挖厚度應(yīng)根據(jù)硬巖的力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力大小等因素合理確定，一般不宜過大。在隧道開挖中，可采用臺階法開挖，將隧道斷面分為上臺階和下臺階，先開挖上臺階，待上臺階支護(hù)穩(wěn)定后，再開挖下臺階，這樣可以有效控制隧道圍巖的變形和開裂。開挖方法的選擇也直接影響硬巖的開裂情況。在對硬巖完整性要求較高的工程中，應(yīng)優(yōu)先考慮機械開挖方法，如隧道掘進(jìn)機（TBM）開挖。TBM通過旋轉(zhuǎn)刀盤上的刀具切削巖石，對圍巖的擾動較小，能夠較好地保持硬巖的原有結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，減少微裂紋的產(chǎn)生。在秦嶺某特長隧道的施工中，采用TBM開挖硬巖段，通過對開挖過程中圍巖的變形監(jiān)測和微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，TBM開挖后的圍巖內(nèi)部微裂紋數(shù)量明顯少于爆破開挖，硬巖的完整性得到了較好的保護(hù)。在一些復(fù)雜地質(zhì)條件下，如巖石硬度極高或節(jié)理裂隙極為發(fā)育的區(qū)域，單純的機械開挖可能效率較低，此時可采用爆破開挖與機械開挖相結(jié)合的方法。先通過爆破對硬巖進(jìn)行初步破碎，然后利用機械進(jìn)行修整和清理，這樣既能提高開挖效率，又能在一定程度上控制硬巖的開裂。在爆破開挖時，應(yīng)嚴(yán)格控制爆破參數(shù)，采用微差爆破、光面爆破等技術(shù)，減少爆破震動和沖擊對硬巖的損傷。7.1.2有效的支護(hù)手段錨桿支護(hù)是控制硬巖開裂的常用手段之一。錨桿通過將硬巖內(nèi)部的巖體與穩(wěn)定的巖體連接在一起，提供錨固力，限制巖體的變形和位移，從而增強硬巖的穩(wěn)定性，抑制裂紋的擴展。在地下洞室支護(hù)中，根據(jù)洞室的尺寸、形狀以及硬巖的力學(xué)性質(zhì)和地應(yīng)力狀態(tài)，合理確定錨桿的長度、間距和布置方式。對于深埋地下洞室，由于地應(yīng)力較大，可采用加長錨桿，增加錨固深度，提高錨固效果。在某深埋地鐵隧道的支護(hù)中，采用了長度為4m的錨桿，間距為1.2m，呈梅花形布置，有效地控制了隧道圍巖的變形和開裂。錨桿的材質(zhì)和強度也對支護(hù)效果有重要影響，應(yīng)選擇高強度、耐腐蝕的錨桿材料，如螺紋鋼錨桿，以確保在長期的工程運行中能夠可靠地發(fā)揮支護(hù)作用。錨索支護(hù)則適用于對支護(hù)強度要求較高的硬巖工程。錨索通過施加預(yù)應(yīng)力，對硬巖產(chǎn)生主動的約束作用，能夠有效地抵抗巖體的變形和破壞，阻止裂紋的萌生和擴展。在高陡邊坡的加固中，錨索可以將邊坡巖體與深部穩(wěn)定的巖體錨固在一起，提高邊坡的抗滑穩(wěn)定性。在某高速公路高陡邊坡的治理中，采用了預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，錨索的設(shè)計拉力為500kN，錨固長度為10m，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，錨索施加預(yù)應(yīng)力后，邊坡巖體的位移明顯減小，硬巖的開裂得到了有效控制。錨索的張拉施工應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)行，確保預(yù)應(yīng)力的施加準(zhǔn)確可靠，同時要注意對錨索的保護(hù)，防止其受到腐蝕和損壞。噴射混凝土支護(hù)能夠及時封閉硬巖表面，防止風(fēng)化、水蝕等因素對硬巖的進(jìn)一步破壞，同時還能與錨桿、錨索等支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用，形成聯(lián)合支護(hù)體系，增強硬巖的穩(wěn)定性。噴射混凝土可以填充硬巖表面的裂隙和孔洞，提高硬巖的整體性和抗風(fēng)化能力。在噴射混凝土中添加鋼纖維、合成纖維等增強材料，可以顯著提高噴射混凝土的抗拉、抗剪強度和韌性，使其更好地適應(yīng)硬巖的變形，抑制裂紋的擴展。在某礦山巷道支護(hù)中，采用了鋼纖維噴射混凝土支護(hù)，鋼纖維的摻量為30kg/m3，通過現(xiàn)場試驗和監(jiān)測表明，鋼纖維噴射混凝土支護(hù)后的巷道圍巖表面裂縫明顯減少，支護(hù)效果顯著提高。7.2技術(shù)手段7.2.1應(yīng)力調(diào)控技術(shù)應(yīng)力調(diào)控技術(shù)旨在通過特定的工程手段，對硬巖內(nèi)部的應(yīng)力進(jìn)行有效的調(diào)整和控制，以減少因應(yīng)力集中和應(yīng)力突變導(dǎo)致的硬巖開裂現(xiàn)象，保障工程的安全與穩(wěn)定。鉆孔卸壓是一種常用的應(yīng)力調(diào)控方法。在硬巖中鉆孔時，鉆孔周圍的巖體應(yīng)力會發(fā)生重新分布，原本集中在硬巖內(nèi)部的應(yīng)力會向鉆孔周邊轉(zhuǎn)移，從而降低了硬巖整體的應(yīng)力集中程度。鉆孔卸壓的原理基于彈性力學(xué)中的孔口應(yīng)力集中理論，當(dāng)在無限大的彈性體中鉆一個圓孔時，孔周邊的應(yīng)力會發(fā)生顯著變化，切向應(yīng)力會增大，而徑向應(yīng)力會減小。在實際工程中，通過在硬巖中合理布置鉆孔，可以人為地制造應(yīng)力釋放區(qū)域，使硬巖內(nèi)部的高應(yīng)力得到分散。在深部巷道開挖中，在巷道周邊布置一定間距和深度的鉆孔，隨著鉆孔的施工，巷道周邊巖體的應(yīng)力得到有效釋放，原本可能導(dǎo)致巷道圍巖開裂的高應(yīng)力得到緩解，從而降低了巷道圍巖開裂的風(fēng)險。鉆孔卸壓的效果與鉆孔的參數(shù)密切相關(guān)，包括鉆孔的直徑、間距、深度以及排列方式等。一般來說，鉆孔直徑越大，卸壓效果越好，但過大的鉆孔直徑會增加施工難度和成本；鉆孔間距過小會導(dǎo)致卸壓區(qū)域重疊，造成資源浪費，間距過大則無法達(dá)到預(yù)期的卸壓效果；鉆孔深度應(yīng)根據(jù)硬巖的應(yīng)力分布情況和工程要求確定，確保能夠有效釋放深部巖體的應(yīng)力。在某礦山深部巷道的鉆孔卸壓工程中，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗，確定了鉆孔直徑為100mm，間距為1.5m，深度為5m的最優(yōu)鉆孔參數(shù)，使巷道周邊巖體的應(yīng)力集中系數(shù)降低了30%，有效控制了硬巖的開裂。爆破誘導(dǎo)也是一種有效的應(yīng)力調(diào)控技術(shù)。通過合理設(shè)計爆破參數(shù)，利用爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波對硬巖進(jìn)行預(yù)裂或松動，改變硬巖內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，使其更加均勻，從而減少硬巖在后續(xù)開挖過程中的開裂。在邊坡開挖工程中，采用預(yù)裂爆破技術(shù)，在邊坡輪廓線上先進(jìn)行爆破，形成一條預(yù)裂縫。這條預(yù)裂縫可以阻隔后續(xù)爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波向邊坡巖體內(nèi)部傳播，減少應(yīng)力波對邊坡巖體的破壞，同時也能使邊坡巖體的應(yīng)力分布更加均勻，降低邊坡巖體開裂的可能性。爆破誘導(dǎo)的關(guān)鍵在于爆破參數(shù)的精確設(shè)計，包括炸藥類型、裝藥量、起爆方式和起爆順序等。不同的炸藥類型具有不同的爆炸性能，會對爆破效果產(chǎn)生顯著影響；裝藥量的大小直接決定了爆破產(chǎn)生的能量和應(yīng)力波的強度；起爆方式和起爆順序則影響著應(yīng)力波的傳播方向和疊加效果。在某高陡邊坡的爆破誘導(dǎo)工程中，選用了低爆速、高猛度的乳化炸藥，根據(jù)邊坡巖體的性質(zhì)和開挖要求，精確計算裝藥量，并采用微差起爆方式，控制起爆順序。通過這種方式，成功地在邊坡輪廓線上形成了連續(xù)、平整的預(yù)裂縫，有效保護(hù)了邊坡巖體的完整性，減少了硬巖的開裂。7.2.2材料改性技術(shù)材料改性技術(shù)是通過向硬巖中添加外加劑、纖維等物質(zhì)，改變硬巖的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，從而提高硬巖的抗裂性能，使其在開挖強卸荷條件下更能抵抗裂紋的萌生和擴展。在硬巖材料中添加外加劑是一種常見的改性方法。外加劑可以通過多種方式影響硬巖的性能，從而提高其抗裂能力。膨脹劑是一種常用的外加劑，它在硬巖中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生體積膨脹，從而在硬巖內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力。這種壓應(yīng)力可以抵消部分因開挖強卸荷產(chǎn)生的拉應(yīng)力，減少裂紋的萌生和擴展。在混凝土中添加膨脹劑后，混凝土在硬化過程中會產(chǎn)生一定的膨脹，補償了混凝土在干燥和降溫過程中產(chǎn)生的收縮，從而提高了混凝土的抗裂性能。減縮劑則可以降低硬巖內(nèi)部的收縮應(yīng)力，減少因收縮導(dǎo)致的裂紋產(chǎn)生。減縮劑通過降低硬巖內(nèi)部孔隙溶液的表面張力，減少水分蒸發(fā)引起的毛細(xì)孔負(fù)壓，從而降低硬巖的收縮變形。在某隧道襯砌工程中，添加減縮劑后，硬巖襯砌的收縮變形減少了20%，有效抑制了裂紋的產(chǎn)生。外加劑的種類繁多，其作用機理和效果也各不相同，在實際應(yīng)用中需要根據(jù)硬巖的具體性質(zhì)和工程要求，選擇合適的外加劑，并確定其最佳摻量。在含有較多黏土礦物的硬巖中，添加適量的固化劑可以改善黏土礦物的性質(zhì)，提高硬巖的強度和抗裂性能；在高溫環(huán)境下的硬巖工程中，添加耐高溫外加劑可以增強硬巖的熱穩(wěn)定性，減少因溫度變化引起的裂紋。纖維增強是提高硬巖抗裂性能的另一種重要方法。將纖維均勻地?fù)饺胗矌r中，纖維可以在硬巖內(nèi)部起到橋接和增強的作用。當(dāng)硬巖受到外力作用產(chǎn)生裂紋時，纖維能夠阻止裂紋的進(jìn)一步擴展，因為纖維與硬巖之間的粘結(jié)力可以承受一定的拉力，從而分散裂紋尖端的應(yīng)力集中。在混凝土中摻入鋼纖維、聚丙烯纖維等，都能顯著提高混凝土的抗裂性能。鋼纖維具有較高的強度和彈性模量，能夠有效地增強硬巖的抗拉和抗剪強度；聚丙烯纖維則具有較好的柔韌性和分散性，能夠在硬巖中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加硬巖的韌性。在某地下洞室的噴射混凝土支護(hù)中，摻入體積分?jǐn)?shù)為1%的鋼纖維后，噴射混凝土的抗拉強度提高了30%，抗裂性能得到了明顯改善。纖維的種類、長度、直徑和摻量等因素都會影響纖維增強的效果。不同種類的纖維具有不同的性能特點，需要根據(jù)硬巖的性質(zhì)和工程要求進(jìn)行選擇；纖維長度和直徑的選擇要考慮其在硬巖中的分散性和與硬巖的粘結(jié)效果；摻量的確定則需要通過試驗研究，在保證硬巖工作性能的前提下，尋求最佳的抗裂效果。八、工程實例分析8.1白鶴灘水電站地下廠房玄武巖開裂案例白鶴灘水電站坐落于四川省涼山彝族自治州寧南縣與云南省昭通市巧家縣的交界地帶，作為金沙江下游干流河段梯級開發(fā)的關(guān)鍵項目，是世界在建規(guī)模最大、綜合技術(shù)難度最高的水電工程之一，其地下廠房系統(tǒng)規(guī)模宏大且復(fù)雜。該水電站地下廠房的尺寸為長438米、跨度34米、高度88.7米，堪稱世界上已建的最大地下廠房。地下廠房洞室群主要由地下廠房、主變室、尾閘室、尾水調(diào)壓井、引水隧洞、母線洞、尾水洞等構(gòu)成，地下洞室總長217公里，規(guī)模位居世界第一。在地下廠房的建設(shè)過程中，玄武巖作為主要的巖體類型，出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的開裂現(xiàn)象。通過現(xiàn)場詳細(xì)觀測發(fā)現(xiàn)，地下廠房頂拱及邊墻部位的玄武巖開裂情況尤為突出。在頂拱區(qū)域，裂紋多呈放射狀分布，從拱頂中心向四周延伸，部分裂紋長度可達(dá)數(shù)米，寬度在幾毫米到幾厘米不等。在邊墻部位，裂紋主要沿垂直方向發(fā)展，部分裂紋與水平節(jié)理相互連通，形成復(fù)雜的裂紋網(wǎng)絡(luò)。在廠房邊墻的高處，由于巖體受到的拉應(yīng)力較大，出現(xiàn)了多條長度超過5米的豎向裂紋，且這些裂紋在水平方向上與節(jié)理面相互交錯，導(dǎo)致巖體的完整性受到嚴(yán)重破壞。導(dǎo)致白鶴灘水電站地下廠房玄武巖開裂的原因是多方面的。高地應(yīng)力是引發(fā)玄武巖開裂的關(guān)鍵因素之一。該區(qū)域的地應(yīng)力水平較高，在地下廠房開挖過程中，原有的地應(yīng)力平衡被打破，應(yīng)力重新分布，使得洞室周邊的玄武巖承受了巨大的壓力。洞室周邊的最大主應(yīng)力可達(dá)到30MPa以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了玄武巖的抗拉強度，從而導(dǎo)致巖體產(chǎn)生大量的裂紋。地下水的作用也不可忽視。地下水的長期浸泡使得玄武巖的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，其強度和抗變形能力降低。地下水還會在巖石內(nèi)部產(chǎn)生孔隙水壓力，進(jìn)一步削弱了巖石顆粒之間的聯(lián)結(jié)力，加速了裂紋的擴展。在地下水位較高的區(qū)域，玄武巖的開裂情況明顯比其他區(qū)域更為嚴(yán)重，這充分說明了地下水對玄武巖開裂的促進(jìn)作用。針對玄武巖開裂問題，工程中采取了一系列控制措施。在支護(hù)方面，采用了錨桿、錨索和噴射混凝土相結(jié)合的聯(lián)合支護(hù)方式。通過合理布置錨桿和錨索，將不穩(wěn)定的巖體與穩(wěn)定的巖體錨固在一起，提供強大的錨固力，有效限制了巖體的變形和位移，抑制了裂紋的擴展。在地下廠房邊墻部位，每隔1.5米布置一根長度為6米的錨桿，同時每隔3米布置一根預(yù)應(yīng)力錨索，錨索的設(shè)計拉力為500kN，錨固長度為10m。噴射混凝土及時封閉了玄武巖表面，防止風(fēng)化和水蝕對巖體的進(jìn)一步破壞，同時與錨桿、錨索共同作用，形成了穩(wěn)固的支護(hù)體系。通過對控制措施效果的評估，發(fā)現(xiàn)這些措施在一定程度上有效地控制了玄武巖的開裂。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，采取支護(hù)措施后，地下廠房洞室周邊巖體的位移明顯減小，頂拱和邊墻部位的裂紋擴展速度得到了顯著抑制。在采取支護(hù)措施后的半年內(nèi)，頂拱區(qū)域的裂紋擴展長度平均減少了70%，邊墻部位的裂紋擴展速度降低了60%。部分區(qū)域仍存在一定程度的開裂現(xiàn)象，這表明控制措施仍有待進(jìn)一步優(yōu)化和完善。在一些地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，由于巖體結(jié)構(gòu)的不均勻性和地應(yīng)力分布的復(fù)雜性，現(xiàn)有的支護(hù)措施未能完全滿足要求，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)支護(hù)方案，以確保地下廠房的長期穩(wěn)定性。8.2某地鐵隧道硬巖開挖案例某地鐵隧道工程位于城市核心區(qū)域，該區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道穿越的地層主要為花崗巖硬巖，其巖石抗壓強度高達(dá)80-120MPa，巖體完整性較好，但節(jié)理裂隙在局部區(qū)域較為發(fā)育。隧道采用礦山法施工，開挖斷面為馬蹄形，尺寸為寬6.5米、高7.2米，施工過程中嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強支護(hù)、快封閉、勤量測”的原則。在隧道開挖過程中，硬巖開裂問題逐漸顯現(xiàn)。在初期支護(hù)完成后，通過現(xiàn)場巡查發(fā)現(xiàn)，部分地段的隧道拱頂和邊墻出現(xiàn)了不同程度的裂紋。在某段隧道拱頂，發(fā)現(xiàn)了多條長度在1-3米不等的縱向裂紋，裂紋寬度在0.5-2毫米之間；邊墻部位也出現(xiàn)了一些斜向裂紋，與水平方向夾角約為30°-60°，長度在0.5