国内外洞室脆性破坏判据研究

洞室围岩的片帮或者劈裂破坏可以比较普遍地出现在深部地下工程掘进过程中的某一个特定深度段内，是高应力引起岩体、甚至完整岩石破坏的结果。国际上对高应力条件下脆性岩石地区的工程实践对此类破坏与应力水平、岩石强度之间的关系进行了很多总结[156-158]。

图5-1给出了18个方形洞室不同应力水平条件下和不同岩石地区片帮破坏开始出现时的应力条件，即破坏开始出现的最大初始主应力与岩石单轴抗压强度之比在0.16～0.42，平均值为0.25，当破坏在小尺寸洞室断面上全面出现时，该比值一般在1/3左右。

图5-1 开始出现片帮破坏时的应力条件统计

完整岩体开挖产生岩爆（伴随岩石弹射）时预示着初始应力水平达到更高，与岩石单轴抗压强度之比一般在0.40以上。这种条件下的大规模开挖往往伴随微震现象-应力高度集中导致岩体破裂或岩体中已存在断裂的错动、能量以动力波方式释放并传播的结果，微震并可能导致其他一些潜在不稳定部位岩体在波动冲击条件下的破坏。断裂型微震对工程安全的影响可以非常突出，是许多深埋地下工程出现大规模岩体破坏的重要因素。由于高应力是产生这类破坏的必要因素，而在施工和运行条件下高应力总是存在于水电深埋隧洞群洞间岩柱内，构成了洞室间距设计和运行安全加固设计时必须慎重对待的问题。

南非的金属矿山众多，且埋深较大围岩表现出明显的脆性特征，因此对脆性围岩的地下洞室研究比较多。以下总结了多位研究者提出对脆性破裂区的经验公式：

Ortlepp等^[159]利用远场应力准则分析3～4m直径的巷道，得出当最大主应力水平达到0.2σ_f时，围岩就出现了剥落破坏现象。当超过0.4σ_f时候，需要强力支护来维持稳定性。

Wagner^[160]利用最大最小主应力及其峰值强度σ_f提出一个应力集中系数的概念

当SF≥0.8时候就会出现剥落的破坏现象，当靠近边墙附近产生剥落的强度σ₁=0.25σ_f。Stacey^[161]提出了一个张应变准则(www.xing528.com)

令σ₂=σ₃，则

临界应变可以通过试验获得，得出当σ₁=0.3σ_f时候，洞室边墙开始出现剥落。

Carter等^[162]提出了一个Rocker函数和应力比率，其中包含了围压、单轴抗压强度及其抗拉强度。因此产生破坏时的最大主应力表达式为，其中R是通过试验曲线拟合的指数。

Lajtai等^[163]提出用抗拉强度和抗压强度表征围岩应力状态的应力比率指数，当USR＞1代表围压已经脆性破裂。

对此Hoek和Brown^[164]总结经验提出一个简单的近似判别方法：①σ₁/σ_f=0.1，巷道稳定；②σ₁/σ_f=0.2，边墙容易出现剥落纵向劈裂现象；③σ₁/σ_f=0.5，有岩爆的潜在危险。

这与根据体积应变（见图3-1）进行的分区判断裂纹扩展阶段是一致的。但是以前学者提出的脆性破裂的判据都是应力的表征，并未完全反映脆性岩石本身的特性，因此判据应该称为脆性破坏的充分条件，并非必要条件。这就需要提出一个更能体现脆性岩石力学特性的一个稳定性判据，下节就针对以前判据的不足之处，提出一个根据合理的围岩脆性劈裂破坏判据。