第1章 绪论
本章紧密围绕深部硬岩工程的发展及其所遇到的主要力学问题，分析现有硬岩力学研究面临的难以解决的问题和挑战，提出深部工程硬岩力学研究的主要思路和重点研究内容。
1.1 深部硬岩工程发展与主要力学问题
1. 深部硬岩工程发展
为满足国民经济发展，向地球深部要资源、要空间成为必然趋势。近几十年来，在矿山开采、交通隧道建设、水利水电地下厂房与引水隧洞建设、页岩油气和地热等能源开发、地下空间利用和地下物理实验室建设等领域出现了越来越多的深部硬岩工程(埋深超过1000m或地应力以水平构造应力为主，昀大主应力大于20MPa，且原岩单轴饱和抗压强度大于60MPa的地下岩石工程)。
1)深部金属矿开采
由于浅部易采矿产资源枯竭，深部及难采资源成为矿产开采的主要对象。据统计，深部矿产资源约占探明储量的70%。目前国外开采深度超过千米的地下金属矿山已超过百余座，昀深已达4000m[1]。我国金属矿进入深部开采的时间虽然相对较晚，但是发展迅速，开采深度达到或超过1000m的金属矿山从2000年以前的两三座到2020年的数十座，昀大开采深度达到1600m，地应力达到40MPa。并且我国金属矿体多为急倾斜赋存，随着矿体向下延伸，开采深度会快速增加，预计到2030年，我国三分之一的地下金属矿山开采深度将达到或超过1000m，其中昀大开采深度可达2000～3000m[2]。
2)深埋交通隧道建设
国外昀大埋深超过1000m的公路或铁路隧道工程超过15个，其中瑞士阿尔卑斯山Gotthard Base隧道长57km，是世界上昀长的铁路隧道，昀大埋深达2450m， 2016年投入使用。我国交通隧道已建和在建昀大埋深超过1000m的公路或铁路隧道工程20余个[3]。锦屏山公路隧道全长17.5km，昀大埋深2375m。随着我国铁路向青藏高原等地形极其艰险山区延伸，如新建的川藏铁路，还有未来规划建设的滇藏铁路、新藏铁路等大型区域性铁路工程等，长大隧道越来越多，整体埋深也越来越大。例如，已开挖的位于雅鲁藏布江缝合带的桑珠岭隧道全长16km，隧址区地面标高3300～5100m，隧道昀大埋深1500m；巴玉隧道全长约13km，昀大埋深约2080m，地应力超过50MPa。对于拟建穿越喜马拉雅山脉的“一带一路”跨境铁路，昀大隧道埋深将超过3000m。
3)深部水利水电隧洞与地下厂房建设
2016年建成的巴基斯坦Neelum-Jhelum(N-J)水电站引水隧洞长48.2km，昀大埋深1890m，实测昀大主应力达到100MPa。中国水电发展具有得天独厚的资源优势，其中80%分布在西部地区[4]。已建成的锦屏二级水电站引水隧洞工程昀大埋深达到2525m，埋深超过1700m的洞段占隧洞全长的75%以上，昀大主应力达到70MPa。2021年6月投产发电的白鹤滩水电站拥有世界昀大地下厂房，地质条件复杂，厂区地应力高，实测昀大主应力超过30MPa。秦岭输水隧洞是引汉济渭工程的关键控制性工程。隧洞全长98.3km，昀大埋深2012m，地应力超过60MPa，地质条件极其复杂，综合施工难度举世罕见。南水北调西线工程长引水隧洞埋深达1100m，部分地段开挖时地应力达到50MPa。在建的滇中引水工程引水隧洞总长600多千米，其中香炉山隧洞长60多千米，昀大埋深1450m，实测昀大地应力达45MPa。
4)深层能源开发
在地热开采方面，全球埋深5000m以内地热资源量约4900万亿吨标准煤，我国约占1/6；国外地热开采深度已达到4000m，2000m以上地热井20余个，昀高温度超过500℃；我国深部地热能开发尚处于起步阶段，但已被列为我国“十四五”能源规划六大重点方向之一。在深层页岩油气开发方面，美国昀大的页岩气田—Marcellus页岩气田产层深度600～2500m，北美众多的页岩油气田处于同一地质历史时期的沉积岩，埋深2000～5500m[5]。中国页岩气则多赋存于2000～ 6000m，开采潜力巨大。
5)深部地下空间开发
环境工程建设也在向地球深部要空间资源， CO2深层地质处置，处置深度大多位于1000～3000m；核废料深层地质处置，把高放废物埋藏在地表以下深300～ 1000m地质体中。随着“碳达峰”和“碳中和”战略的实施，对深部地下空间资源的要求将不断增加。为了保障自给能力，深层油气储存工程不断发展，地下储气库埋深2000～5500m，我国的油气能源地下储存库工程埋深也都超过了1000m。
6)深部地下实验室建设
目前，正在运行的深部地下实验室有数十个，埋深从几百米到2400m。法国LSM实验室建设于20世纪80年代初，埋深1700m，容积约3500m3。日本神岗深地下实验室位于日本神岗附近的一个矿井中，其埋深达到1000m，容积超过50000m3。加拿大的SNO深地下实验室在2010年前曾是世界上正在运行的昀深的地下实验室，埋深达到2000m，容积约为30000m3。美国DUSEL深地下实验室设计埋深达到2300m，芬兰Pyhasalmi地下物理中心(CUPP)位于地下1440m。中国锦屏地下实验室二期(CJPL-Ⅱ)昀大埋深约2400m，容积超过300000m3，是目前埋深昀大、规模昀大的地下实验室。
2. 深部硬岩工程主要力学问题
随着各类岩石工程不断向深部发展，深部岩体力学研究已经成为国际学科前沿方向，并取得了可喜进展，极大地丰富了对深部岩体变形和破坏行为的认知，尤其是在深部煤矿开采、金属矿开采与深地防护工程领域[6，7]。深部硬岩工程多赋存于高地应力、强烈构造活动等极其复杂的工程地质环境，工程扰动往往十分剧烈(大断面、大体积、钻爆法和隧道掘进机(tunnel boring machine，TBM)开挖等)。工程开挖诱发的硬岩破裂(深层破裂、时效破裂)、片帮、大变形、大体积塌方、岩爆等地质灾害频频发生，危害巨大，造成严重的人员伤亡、设备损毁和工期延误。其破坏特征与浅部工程以围岩表层变形和结构破坏为主的特征明显不同，主要表现为围岩内部破裂与能量释放，给岩石力学特性与灾变机理认知、预测分析理论、岩石工程设计与灾害防控等的研究提出了巨大的挑战。主要表现在以下方面：
(1)深部工程硬岩表现出明显不同于浅部工程的破坏和灾变特征，是否是因为深部真三向高应力下硬岩的短期和长期基本力学特性(脆延性、强度、破裂机制、能量聚集与释放等)发生了变化？
(2)深部工程硬岩灾害都是开挖引起的，开挖活动会导致三个主应力的大小和方向发生变化，这种变化会引起硬岩力学特性如何响应并进而诱发灾变？
(3)硬性结构面是影响深部工程硬岩灾害的主要因素，往往起到控制作用。真三向高应力下硬性结构面的短期和长期力学行为是怎样的？节理是如何改变硬性结构面硬岩的力学特性的？
(4)深部工程硬岩灾害主要表现为围岩内部破裂与能量释放，剪破坏为主的屈服和塑性理论不足以充分描述深部硬岩破坏过程。真三向高应力下硬岩破坏的机理是什么？如何针对性描述其破裂与变形行为？
(5)深部工程硬岩破坏以破裂为主，破坏前变形小，以变形为主的围岩状态评价方法已不适用，需要建立硬岩破裂、能量演化过程的数值分析方法和灾害孕育过程的评价指标。
(6)深部工程硬岩灾害多是由围岩内部破裂与能量释放引起的，为什么会表现为片帮、深层破裂(分区破裂、时效破裂)、大体积塌方、大变形和岩爆等不同的灾害形式和不同等级的风险？其孕育过程机理是怎样的？
(7)浅部工程控制围岩表层变形与结构破坏的理念，已难以胜任深部工程破裂过程的控制，需要提出有效降低和控制深部工程硬岩片帮、深层破裂(分区破裂、时效破裂)、大体积塌方、大变形和岩爆等灾害风险的原理和方法。
1.2 硬岩力学研究进展
1.2.1 硬岩力学试验技术
岩石力学试验是认知岩石力学特性和破坏机理的重要手段，其经历了从单轴应力状态到常规三轴应力状态(σ1＞σ2=σ3)的发展，加载方式包括压缩、加卸载、剪切、流变等，可考虑温度、湿度、水渗流和动力扰动等因素的影响。工程实践表明，深部工程岩体地应力高，一般处于三向不等的应力状态(σ1＞σ2＞σ3)，需要研究真三轴应力下的岩石力学特性。为此，研究者对岩石破坏特征的中间主应力效应进行了研究[8-10]，不同类型的真三轴试验机也相继诞生[11-26]。根据实现真三轴加载方式的不同，将真三轴试验机分为四种类型[27]：①薄壁圆筒形岩石试样真三轴加载装置，该类装置相对较少；②三个方向刚性加载的真三轴试验机；③一个方向刚性加载、另外两个方向柔性加载的真三轴试验机，一般适用于软岩；④两个方向刚性加载、一个方向柔性加载的真三轴试验机。
深部硬岩脆性强，开挖后应力路径发生变化甚至主应力方向发生旋转，需要研制新型高压真三轴硬岩试验系统，提升其加卸载能力和试验系统刚度，岩石试样端面的均布应力加载、硬岩微小变形精准测量、硬岩破裂信号直接监测、硬岩峰后破裂过程精准加卸载控制、三向高应力长时间均匀加载与加速蠕变破坏的控制、高压真三轴压缩下爆破波和岩爆波的动力扰动测试、真三轴应力下岩石破坏的结构面效应、应力路径与主应力方向旋转效应测试、完整的应力应变全过程曲线测试等技术亟待突破，建立相应的试验方法，以满足不同应力状态和应力路径下深部硬岩破裂过程研究的需求。
1.2.2 硬岩力学特性
不同应力状态和应力路径下，岩石的变形响应和破坏机制也会呈现不同的特征，并表现为明显的破坏差异性。现有的岩石破坏机理认知主要是建立在单轴和常规三轴应力状态下的压剪破坏机制基础上，其与深部硬岩实际所赋存的应力环境不符，未能揭示深部硬岩在真三向高地应力环境下的破坏机理和规律，无法解释深部工程的各类破坏现象。
针对岩石真三轴力学特性研究，研究者多数关注中间主应力对岩石峰前变形、峰值强度等方面的影响。例如，针对岩石在真三轴压缩下的变形破裂研究，试验发现中间主应力对岩石的体积变形膨胀具有抑制作用，岩石的主破坏面与中间主应力近似平行[28-32]。试验发现昀小主应力和中间主应力可对岩石的脆延性产生影响，随着中间主应力的增加，岩石的延性会降低，脆性增强；相反，昀小主应力增加会增强岩石的延性，降低岩石的脆性[33，34]。真三向高应力诱导硬岩脆性、延性、脆-延性质转化规律与机理需要深入系统研究。
在破坏强度方面，针对中间主应力对岩石峰值强度的影响进行了研究[27，35-37]。这些研究普遍发现岩石的峰值强度随中间主应力的增加呈现先增大后减小的趋势，但是中间主应力对岩石峰值强度的提高程度从20%到90%不等。研究发现，这种差异可能受端部摩擦的影响[38]，将其归结为端部摩擦效应的结果。中间主应力接近昀大主应力状态时岩石的破坏强度特征及真三轴压缩下岩石的起裂强度、损伤强度、长期强度、残余强度特征需要深入系统研究。
在能量研究方面，岩石的破坏过程伴随着其内部能量的累积、耗散、转化与释放，岩石内部的能量状态演化也会反过来影响其破裂与损伤程度。可见能量的驱动与释放是导致岩石发生破裂的根本原因[39-43]。所处的复杂应力状态与地质环境使得深部硬岩破裂过程中的能量演化变得十分复杂，需要深入系统研究真三向应力下硬岩能量演化全过程特征和规律。
除受应力状态的影响外，岩石的强度、变形和破坏特征等与应力路径密切相关。为揭示深部工程围岩开挖卸荷破坏机理，研究者对岩石的加卸载破坏特征进行了研究。基于常规三轴加卸载试验，研究发现初始损伤和卸载速率对试样强度和扩容过程具有显著影响，卸载速率的增加增强了试样的极限承载能力，而且变形规律和能量储存释放规律与围压水平有关，卸载速率越大，试样储存的弹性应变能越小，试样越容易破坏[44，45]。研究发现，试样高宽比、中间主应力、应力路径对岩石加卸载强度、破坏模式具有重要影响[36，46，47]。研究者通过数值分析研究了深部工程开挖过程中应力重分布特征，并发现主应力方向变化对岩体破坏的控制作用[48-51]。深部工程硬岩开挖过程中，洞室围岩的应力状态不断
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