1. 引言
随着我国经济的快速发展，诸如土木水利、隧道交通、矿山开发等地下工程活动正在增加。在岩体力学领域，受到外部荷载的作用，岩体内部缺陷(孔洞)容易引起裂纹的萌生、扩展和贯通，从而造成岩体的局部破坏，从而影响整个工程的稳定性 [1] 。
为了探究含孔洞岩石的失稳破坏的特性，针对含孔洞岩石的室内压缩破坏试验备受学者们的青睐。郑颖人等 [2] [3] [4] 通过室内模型试验研究发现从浅埋隧洞到深埋隧洞，围岩呈现从拱顶转向侧壁的破坏规律。杨圣奇等 [5] [6] 在含孔洞岩石力学特性方面做了大量的研究，进行岩石裂纹细观试验与单轴压缩模拟，研究了孔洞对岩石力学性质的影响，以及发现孔洞直径、缺陷分布和填充物性质对岩石的力学参数存在不同程度的影响。李地元等 [7] 开展两侧含有方形孔洞的花岗岩室内破坏试验，研究了裂纹的萌生及扩展全过程。杜明瑞等 [8] [9] 开展含预制椭圆形孔洞板状砂岩岩样进行单轴试验，研究了石膏充填及椭圆长短轴之比等因素对岩样的力学强度和变形破坏的影响。宫凤强等 [10] [11] [12] 开展含孔洞花岗岩和红砂岩隧洞模型试验，研究了不同应力状态下的隧洞围岩板裂破坏特征。
岩体在破坏过程中伴随着声发射现象，声发射活动蕴含着岩石内部破坏过程的丰富信息，有助于研究岩石的破坏机制。纪洪广等 [13] 开展不同围压下花岗岩破坏过程声发射试验发现，岩石破坏的前兆信息在声发射信号峰值频率分布中呈现为峰频主频段增多的特征。魏嘉磊等 [14] 对含圆孔岩样进行双轴加载过程的声发射观测实验，研究了岩石破坏的声发射前兆信息。李元辉等 [15] 研究岩石破裂过程中的声发射b值及分形维数的演化过程，发现岩石临近失稳破坏时，b值和分形维数均快速下降。虽然学者对岩体破坏预兆进行了一些研究，选取合适的岩石破坏预兆的声发射参数的相关研究较少。
以上研究多集中于圆形或椭圆形孔洞类岩石强度、变形特征的研究，但是现场实际工程中，在岩块尺度上赋存着形态各异的微孔洞，而目前对于预制特殊几何形状孔洞的真实岩样的岩石强度特性研究较少 [16] 。因此，以大尺寸的砂岩块体为材料制作直墙拱形隧洞模型，设计均匀加载的应力路径进行双轴压缩试验，并结合声发射系统分析砂岩隧洞表面宏观裂纹的扩展过程，以及通过声发射现象分析砂岩隧洞的破坏前兆特征。
2. 室内试验介绍
2.1. 试样制备
隧洞模型的材料选取至某地下工程质地均匀、无明显裂隙的真实砂岩，现场采集岩样后由石材工厂进行加工，切割打磨成长方体板状岩样，模型内孔洞用高压水刀切割而成，拱顶高为20 m，直墙高为60 mm，拱底长为80 mm，加工制作过程较精确，待加工完后形成一个光滑的孔洞边界，如图1。
2.2. 试验设备
室内双轴压缩试验通过岩石三轴试验机、高速摄像设备和声发射监测系统采集多组数据，对隧洞进行多物理场分析，试验系统如图2所示。
Figure 2. Biaxial compression test system for sandstone tunnels
图2. 砂岩隧洞双轴压缩试验系统
(1) 如图2(a)所示，在隧洞模型的左、右两侧各放置一块2 cm厚的钢压板并与液压泵相连，液压泵对隧洞施加侧向压力以模拟围岩受初始围压的影响。模型的上、下两侧各放置一块承压钢板，保证模型能够在加载过程稳定不会掉落。为了减小模型与试验机之间的摩擦力的影响，在模型的上、下、左、右四个侧面均匀涂抹一层凡士林，试验过程中防止隧洞偏心受载，须保证模型孔洞的中心与竖向加压柱处于同一竖直线上。
(2) 声发射监测系统如图2(b)所示，采用PCI-2声发射监测设备记录加载试验过程中隧洞内部的声发射信号。为了实现既过滤外界信号的干扰，又能较好地记录砂岩隧洞破坏过程的声发射信号，在试验开始前用断铅的方式不断调整系统的内置采集参数。本次试验中声发射门槛值设置为32 dB，前置放大器2/4/6型号的门槛值设置为40 dB，采样频率为1 MHz。
(3) 为记录隧洞破坏过程裂纹的扩展情况，在隧洞模型的前、后方各放置一台高速摄像机，如图2(c)所示，拍摄速率为1 fps/s。
2.3. 加载方案及试验流程
根据现场工程的地质勘察情况以及文献 [17] ，地下洞库建设场地的水平地应力为1.9 MPa~3.0 MPa，因此设计室内试验的最大水平应力为3 MPa。由于隧洞开挖过程中，隧洞前方围岩均处于短时蠕变状态，并且，伴随隧道掌子面的推进，其围岩所处应力水平呈逐级增加的变化趋势，所以竖向荷载采用均匀加载的形式，具体试验步骤为：
(1) 预加载：利用岩石三轴试验机对隧洞模型竖向加压，加载方式采用荷载控制，加载速率为500 N/s。隧洞水平方向采用液压泵加载，当水平和竖向荷载达到150 kN (3 MPa)时停止竖向加载并保持液压泵施加的荷载不变；
(2) 竖向均匀加载：清零上一步预加载时的声发射系统的结果，对隧洞模型进行竖向均匀加载，采用位移控制方式，加载速率为0.02 mm/min，直至隧洞发生破坏后停止试验；
(3) 开启观测设备：高速摄像系统在水平荷载加压完成后，开始施加竖向荷载时立即启动，同步监测变形全过程试验数据；
(4) 卸载：待隧洞围岩出现大范围破坏或从试验机监测数据发现峰值荷载突降时，停止试验；
(5) 结束：保存并导出数据，关闭设备，拆卸模型，如图3所示。
Figure 3. Tunnel biaxial compression test stress path
图3. 隧洞双轴压缩试验应力路径
3. 试验结果分析
3.1. 砂岩隧洞荷载–时间曲线特征分析
直墙拱形隧洞的竖向荷载与时间关系曲线如图4所示，隧洞破坏过程大致经历4个阶段：
隧洞内部孔隙压密阶段(OA段)，隧洞内部原有的微小孔隙逐渐被压密，荷载–时间时间曲线呈现凹型。弹性变形阶段(AB段)，荷载–时间曲线呈线性变化，无肉眼可见的新生裂纹出现。裂纹稳定扩展阶段(BC段)，荷载–时间曲线从C点开始偏离直线，曲线表现出凸型，隧洞产生宏观裂纹并发生不断扩展，最终到达峰值荷载点D点。裂纹不稳定阶段(CD段)，隧洞承载能力迅速下降，内部裂纹贯通，表面岩体剥落，隧洞岩体出现大面积破坏，短暂时间后隧洞整体发生破坏，发出巨大声响。
Figure 4. Tunnel load-deflection curve
图4. 隧洞荷载–变形曲线
3.2. 隧洞裂纹扩展演化过程
砂岩隧洞加载破坏过程中宏观裂纹的扩展过程如图5所示。加载至t = 1503 s (Fz = 351.7 kN)时，隧洞表面拱底萌生一条向右下方15˚倾斜发展的细长裂纹1，长度约为10 cm (图5(a))。
加载至t = 2440 s (Fz = 520.6 kN)时，隧洞表面裂纹1无明显变化，洞室左上方拱肩处萌生一条长约8 cm的斜向右上发展的裂纹2a，同时在洞室左下方拱脚处萌生了一条长约1 cm的竖向裂纹2b，并沿着洞室的进深方向往岩体内部发展(图5(b))。
加载至t = 2755 s (Fz = 572.2 kN)时，隧洞表面裂纹1宽度变窄，长度缩短约为8 cm。裂纹2a斜向左下扩展，裂纹2b向上发展，两者几乎相连，此外，在洞室右下方出现一条远端裂纹3，长度约5 cm，同时拱底出现厚度约为1 mm~2 mm的板裂岩片层(图5(c))。
加载至t = 4464 s (Fz = 817.5 kN)时，裂纹2a继续向上扩展，裂纹2b切割岩体向临空面鼓起，裂纹3无明显变化，裂纹4斜向左上方扩展至约13 cm，同时在洞室左拱脚出现一条斜向右下发展的裂纹5 (图5(d))。
T = 4726 s (Fz = 858.2 kN)时，隧洞表面裂纹无明显变化，在洞室右直墙脚出现细小岩块剥落现象(图5(e))。
加载至t = 4787 s (Fz = 884.8 kN)时，裂纹2a向上扩展路径上出现些许小岩块剥落，裂纹3扩展至洞室右直墙脚，裂纹4未发生扩展，但裂纹下端切割小岩块掉落。裂纹5发生闭合，在裂纹2a下侧出现一条斜向左下扩展的裂纹6，长度约16 cm。洞室内部两侧直墙处岩体成块剥落掉至拱底，形成中间厚两边薄的棱锥剥落体，隧洞整体受力达到峰值，发生脆性破坏(图5(f))。
3.3. 隧洞破坏过程声发射特征
微隧洞破坏过程中声发射振铃计数、幅值随时间的变化曲线如图6、图7所示，声发射活动的整个过程可以分为初始期、发展期、平静期和活跃期。
加载初期，声发射活动十分微弱。
当t = 1503 s (Fz = 351.7 kN)时，声发射振铃计数和幅值出现第一次跃升(图6、图7标号①)，分别为265次、66 dB，表明砂岩隧洞在压密阶段裂纹萌生、扩展现象不明显，当岩石表面出现裂纹时，声发射活动开始增强。
当t = 2440 s (Fz = 520.6 kN)时，声发射振铃计数和幅值出现第二次跃升(图6、图7标号②)，分别为212次、94 dB。此时，隧洞表面出现新裂纹。
当t = 2755 s (Fz = 572.2 kN)时，声发射振铃计数和幅值出现第三次跃升(图6、图7标号③)，分别为188次、79 dB。此时隧洞表面已有裂纹在扩展且萌生新裂纹。
当t = 4464 s (Fz = 817.5 kN)时，声发射振铃计数和幅值出现第四次跃升(图6、图7标号④)，分别为476次、91 dB。隧洞表面裂纹在不断扩展，且出现岩块剥离的现象。
当t = 4500 s~4600 s时，隧洞表面宏观裂纹无明显变化，声发射信号进入平静期，振铃计数和能量率降低至只有零星信号。
当t = 4787 s (Fz = 884.8 kN)时，隧洞即将达到其极限承载能力，隧洞表面出现大的破坏，岩块掉落。声发射振铃计数、幅值表现为量值高、分布密集的特点。振铃计数、幅值急剧跃升(图6、图7标号⑤)，分别达到各自的峰值，振铃计数最高可达811次，幅值最高可达106 dB。
总之，振铃计数和幅值与时间的曲线变化趋势具有一致性。声发射振铃计数和幅值跃升几乎同时出现，第一次跃升时，对应新的裂纹产生；第二次到第四次跃升时，对应岩石内部大量微裂纹的扩展、表面岩体鼓起以及宏观裂纹的形成，第四次跃升和第五次跃升之间出现平静期能够为岩石完全破坏前兆提供有效的信息。由声发射累计振铃计数曲线可以看出声发射活动呈现阶段性，伴随裂纹的发展，声发射活动逐渐活跃起来。
Figure 6. Tunnel acoustic emission ringing counts as a function of time
图6. 隧洞声发射振铃计数–时间曲线
Figure 7. Variation curve of tunnel acoustic emission amplitude with time
图7. 隧洞声发射幅值–时间曲线
4. 结论
(1) 直墙拱形砂岩隧洞裂纹演化过程为：裂纹首先自直墙脚开始萌生并逐渐扩展至起拱线。随荷载的增大，隧洞直墙处岩石碎屑开始剥落，当接近隧洞峰值荷载时，洞室内部两侧直墙被裂纹切割成块掉落，剥离体中间厚两边薄的片状岩块。
(2) 隧洞双轴压缩破坏全过程声发射的演化过程，分为初始期、密集期、平静期和活跃期4个阶段。
(3) 初始期隧洞的声发射振铃计数和幅值较微弱；荷载不断增大时，声发射活动进入密集期，振铃计数和幅值逐渐活跃起来；临近峰值荷载，岩体的声发射活动突然减弱进入平静期；进入活跃期，振铃计数和幅值突然急剧增长至最大值，隧洞发生破坏。
(4) 岩石塑性变形前期声发射活动较活跃，应力转移后，岩体卸载时声发射事件减少也有可能出现平静。但从隧洞双轴声发射试验结果发现，由于声发射平静期出现在临近峰值荷载处，可将其作为破坏的预警信号，对工程现场岩体稳定性的声发射监测有一定指导意义。
参考文献