受印支板块挤压，青藏高原岩体赋存地应力高，自然状态下储存较高的应变能。近几十年来水电站、交通等地下工程或河谷边坡开挖中，高储能岩体卸荷，极易发生片帮、岩爆、大变形等高地应力破坏，造成施工人员伤亡、施工设备损坏掩埋等重大的生命财产损失（图1）。已开工建设的川藏铁路穿越二郎山、折多山和色季拉山等八座山脉、以及青藏高原东南缘雅鲁藏布江缝合带等多个岩石圈级别的活动构造，跨越大渡河、金沙江和雅鲁藏布江等七条河流，受地形地貌及地质条件限制，规划的超长深埋隧道众多，桥隧比91%以上，隧道开挖过程中势必面临围岩大变形、岩爆等威胁。然而，目前对工程扰动条件下岩土体非均质材料破坏过程及其机理的认识仍然不清，严重制约着工程顺利实施。同时青藏高原及其周缘分布着大量的沉积岩及副变质岩等典型各向异性岩体，据1：50万地质图统计，川藏铁路沿线砂岩、板岩、大理岩、片麻岩、千枚岩等岩体占66%以上（图2）。然而，目前没有专门针对各向异性岩体的质量评价方法，在该类岩体的工程设计与施工中，依然利用传统的各向同性岩体质量评价方法，常常使得岩体分类偏差、支护措施不符，导致工程岩体失稳致灾，造成巨大的经济损失甚至威胁生命安全。
图1 青藏高原东缘大渡河流域双江口水电站地下洞室岩爆灾害
图2 川藏铁路规划线路沿线典型各向异性岩体。（左）红拉山隧道出口；（右）嘎益隧道进口
针对以上问题，页岩气与地质工程重点实验室郭松峰副研究员、祁生文研究员等人开展了研究。他们发现，岩体在高围压下以剪切裂纹为主，在工程开挖扰动状态条件下，随着径向卸荷围压降低，张剪性裂纹逐渐占主导（图3）。研究表征破裂的声发射事件发现，原位高围压情况下岩体的破裂主体发生在峰值强度前，且岩体破坏呈现延性特征，而在扰动卸荷围压降低情况下，岩体的主破裂集中发生在应力应变曲线的峰后下降段，呈现急剧的脆性破坏特征（图4），在工程中常常表现为岩爆等剧烈破坏。通过研究岩体破坏过程中局部应力分布发现，与未扰动高围压情况相比，岩体在扰动卸荷低围压情况下的局部应力集中程度明显增大，从而诱发了岩体张剪性脆性破裂（图5）。研究成果深化了对岩体材料因应力状态变化发生破坏的认识，揭示了工程开挖卸荷后高储能岩体的细观破坏机制，对工程扰动下非均质岩体破裂致灾防控具有一定的指导价值。
图3 不同围压下岩体破坏型式
图4 不同应力状态下岩体应力应变曲线及声发射过程
图5 不同应力状态下岩体渐进破裂过程及其局部应力集中情况
同时，针对各向异性岩体的质量评价问题，他们提出了一种基于国家标准BQ的各向异性系统A-BQ。成果考虑了两组基本评级因子，包括固有各向异性和结构各向异性（图6）。岩体的各向异性程度以最大质量得分与最小质量得分之比表征，并由围岩应力进行调整，据此将岩体的各向异性程度分为类各向同性、弱各向异性、中等各向异性、强烈各向异性和极强各向异性5个等级（表1a）。岩体质量得分则需由各向异性结构产状以及应力状态和地下水条件等因素校正，根据得分将各向异性岩体质量分为5级：极好、好、中等、差、极差（表1b）。在此基础上以隧道和边坡为例，给出了不同质量等级的隧道和边坡工程稳定性状态和可能破坏模式的评价建议，开展了分类系统对不同应力状态岩体的工程应用。
祁生文、郭松峰等人曾与希腊雅典国立科技大学教授Saroglou(2019,BEGE)合作提出了基于传统RMR分级的各向异性岩体质量分级方法ARMR，本次提出的A-BQ与ARMR形成了各向异性岩体质量评价的系列成果，填补了国内外该项研究的空白。
图6 各向异性岩体的固有各向异性与结构各向异性
表1 各向异性岩体分级系统（ABQ）。（a）各向异性岩体程度分级；（b）各向异性岩体质量分级
研究成果分别发表于国际工程地质学专业期刊Engineering Geology、Journal of Central South University以及Bulletin of Engineering Geology and the Environment。研究受第二次青藏高原综合科学考察研究、国家自然科学****基金、面上基金、青年基金以及中国科学院国际人才计划项目等的联合资助。
1.郭松峰, 祁生文*, Zhan Zhifa, Ma Lina, Getahun Ephrem, Zhang Shishu. Numerical study on the progressive failure of heterogeneous geomaterials under varied confining stresses[J]. Engineering Geology, 2020, 269, 10556. DOI：10.1016/j.enggeo.2020.105556.
2.郭松峰, 祁生文*, Saroglou Charalampos. A-BQ, A classification system for anisotropic rock mass based on China National Standard[J]. Journal of Central South University, 2020, 27, 3090-3102. DOI: 10.1007/s11771-020-4531-7.
