岩爆是在高地应力地区硬岩隧洞施工中经常发生的一种动力失稳地质灾害。自1738年英国的莱比锡煤矿发生岩爆以来，世界各国相继有关于岩爆的报道，我国最早有记录的岩爆发生在1933年的抚顺胜利煤矿^[1-2]。随着国家经济建设的快速发展，我国有多个大型水电和公路工程，如天生桥水电站、锦屏二级水电站、二郎山隧道、秦岭隧道等都曾发生过强烈岩爆^[3-5]。岩爆发生时，岩体产生爆裂、弹射甚至抛掷等破坏现象，直接威胁施工人员及设备的安全，造成重大灾害。针对工程建设中岩爆这一亟待解决但又很难解决的问题，国内外岩石力学工作者多年来从不同的角度进行了大量的研究工作。但因其本身问题的复杂性，还未能形成成熟的理论和方法。

岩爆模型试验是探讨洞室岩爆机理的一种重要方法，例如李天斌^[6]制作的半径为42 mm的圆孔洞室尺寸模型，采取“后开孔”的成孔方式来研究洞室岩爆物理过程；费鸿禄^[7]等为了再现地下工程中的岩爆现象，在试验中进行了洞径为18 mm的模拟洞室试验；陈陆望和白世伟^[8-9]进行了直径为160 mm的圆形洞室岩爆破坏的平面应变模型试验。以上模型试验虽然取得了一定的研究成果，但所采用的加载系统都是由液压系统完成。顾金才^[10]认为目前试验中采用的油压控制系统由于油路供油速度缓慢，很难实现抛掷型岩爆；左宇军等^[11-12]采用改进的三轴霍普金森压杆(SHPB)实现动静组合加载试验，一定程度上能模拟动静组合加载，但其试验对象是小尺寸(ϕ50 mm×50 mm)圆柱体试件，观察到的岩爆现象也不是十分明显。

由于现有岩爆模型试验系统所采用的液压加载系统在试件破坏瞬间因油路供油缓慢，导致加载速率较低，本研究在已有模型试验成果的基础上，按模型材料物理力学性能需满足岩爆倾向性指标的要求，选用石膏材料制作了大尺寸模型试件，采用自主研发的气液复合岩爆模型试验装置^[13-14]，比较相同加载应力路径下，液压和气液复合加载的洞室岩爆现象，对洞室的破坏过程、破坏形态、破坏范围、临界荷载等相关规律进行研究。

模型试验是在自主研制的气液复合加载岩爆模型试验装置(图 1)上进行，本装置主要由岩爆模型试验主机、液压控制系统、气压控制系统和数据采集系统4大部分组成。主机内腔顶部装有4组相互独立加载器，可实现对试件的均布加载或梯度加载。气液复合型加载器采用气液联合设计，当试件破坏时，油压瞬间下降，此时，蓄能腔储存的压缩气体迅速补偿加载器的压力损失，克服了液压传动加载速率迟缓，无法及时补充能量的缺点^[15]，满足模型破坏突然失稳时加载器快速响应的动静组合加载。

图 1 气液复合加载岩爆模型试验装置 Fig. 1 Rock burst test apparatus using gas-liquid compound loading

本研究的模型试验相似问题，主要考虑了几何相似条件和应力相似条件，根据试验装置的内部结构尺寸，选取几何相似系数为1:20，应力相似系数为1:10。模型试件尺寸为长×宽×厚=1 000 mm×600 mm×400 mm，采用地下工程常用的直墙拱顶洞室结构形式进行试验，预开挖模型洞室宽度为200 mm，拱半径为100 mm。

根据已进行的模型试验成果^[13-14]，选用高强度石膏材料制作模型，为了在试验过程中测量模型内部受力及变形状况，对试验模型试件分两块进行制作，每块尺寸：长×宽×厚=1 000 mm×600 mm×200 mm，水膏比为0.6，添加柠檬酸作缓凝剂，单片试件制作完成后经常温干燥和烘干处理，粘贴好测试应变片，经保护处理后，利用快干水泥将两块试件进行合模粘结，形成岩爆模型试验整块试件(1 000 mm×600 mm×400 mm)。试验确定的模型材料参数与根据相似比换算出的原型岩体力学参数见表 1。

为测量试验过程模型试件内部受力和变形状况，设计在直墙拱顶洞室断面的拱顶、45°拱、边墙和底部分别布置应变测量，每条测线布置5~7个测点的环向应变片和径向应变片。测点布置如图 2所示。

图 2 应变片测点布置图(单位：mm) Fig. 2 Layout of strain gauge measuring points (unit:mm)

模型试件材料的单轴抗压强度为6 MPa，对应于原型洞室的拱顶应力达60 MPa，如果该原型应力场单纯由岩体自重产生，文献[16]一般取应力集中系数1.5~3，可模拟800~1 500 m埋深的岩体洞室。为了模拟较大埋深条件下的洞室受荷破坏状态，试验时在模型试件的顶部表面覆盖一块8 mm厚钢板。试验共进行了两组，试件1顶部加载器均为静态加载；试件2顶部加载器为气液复合加载，即加载试验前，先在气液复合加载装置的蓄能腔中充入2 MPa的储能气压，积蓄岩爆破坏瞬间加载器所需的弹性应变能，待加载压力到达2 MPa后，即可与静态加载压力同步。通过两组模型试验，比较不同荷载条件下，地下深埋洞室岩爆发生的规律性、影响范围以及岩爆剧烈程度的差异性。

根据深埋洞室开挖过程中洞室表面围岩受力特点，模型试验通过3个方向的独立加载装置对洞室进行3向加载。试验时按照洞室顶部垂直荷载和水平荷载3:1的比例同步施加荷载，模型试验加载如图 3所示。

图 3 模型试验加载图 Fig. 3 Loading in model test

试验加载时，每级荷载需稳压10 min后再进行下一级加载，以便荷载能够均匀传递，同步记录各个加载器的荷载值。试验加载路径如表 2、表 3所示。

试件宏观破坏现象如图 4所示，由图 4可知：

图 4 试件围岩宏观破坏 Fig. 4 Macro damage of surrounding rock of specimen

(1) 试件1模型顶部加载器采用液压加载，顶部荷载和围压按3:1的比例同步施加，每级荷载需稳压10 min后再进行下一级加载。顶部初始加载为1 MPa，围压初始加载为0.3 MPa，试件总加载时长为60 min。由洞室内部布置的摄像头观察发现，试件加载至第5级荷载时，洞室侧墙及拱脚部位有碎屑颗粒弹射出来，加载至第6级荷载时，洞室侧墙和拱肩部位开始出现裂纹的扩展，随着荷载的作用，洞壁两侧的裂纹继续扩张并形成片状逐步剥落下来。

(2) 试件2模型试件顶部加载器采用气液复合加载，顶部荷载和围压按3:1的比例同步施加，每级荷载需稳压10 min后再进行下一级加载。顶部气液复合加载装置的蓄能腔中充入初始储能气压，顶部初始加载为2.1 MPa，围压初始加载为0.7 MPa，试件总加载时长为50 min。试件加载至第5级荷载时，由洞室内部布置的摄像头观察发现，洞室侧墙及起拱部位在极短的时间内出现了较大范围的层裂及弹射碎片，并伴随较大的声响。继续稳压，洞壁两侧的块体形成较大范围的剥落破坏。试件顶部气液复合加载的蓄能腔工作产生的气压，在洞室破坏瞬间维持较高的加载速率，是洞壁两侧块体形成较大破坏范围的主要原因。

从试验后的试件表面可以看出，试件1在静载作用下洞室周边形成了数条环状的细、浅裂纹，在洞室边墙及拱顶部位逐渐向上扩展，裂纹宽度逐渐变细。试件2在气液复合加载作用下，沿洞室周边形成了较大的破坏裂缝，直至扩展到模型边缘，洞室破坏程度较大。

对试验后的洞室破坏区域进行清理测量，试件1的边墙破坏深度在20~50 mm左右，而试件2的边墙破坏深度达100~120 mm左右。

试验时每组测点分别布置环向和径向应变片，h₁~h₇表示试件洞室由洞壁处依次沿着洞径方向向外分布的环向应变，v₁~v₇表示试件洞室由洞壁处依次沿着洞径方向向外分布的径向应变。根据试验过程采集的应变数据，整理出应变随加载及时间变化的关系曲线，分析试件逐级加载过程中，试件内部变形状态和应力变化。各测点应变变化特征如图 5所示。

图 5 试件应变-时间曲线 Fig. 5 Strain-time curves of specimens

(1) 从试件1洞室周边各测线的应变-时间曲线可看出，随着荷载的施加，各测点应变逐步增长。洞室拱肩和边墙部位各测点应变较大，环向应变呈受压状态，径向应变呈受拉状态，加载至第5级荷载时，距离洞室侧墙30 mm处的1号测点发生破坏，与洞内摄像头观察到的加载至该分级荷载后有轻微弹射现象产生基本吻合；加载至第6级荷载后，距离洞室侧墙、拱肩及顶拱洞周附近的部分测点也发生破坏，洞室拱肩及边墙部位产生裂纹，逐步扩展发生破坏。

(2) 从试件2洞室周边各测线的应变-时间曲线可看出，随着荷载的施加，各测点应变逐步增长。当加载至破坏荷载时，洞室拱肩和边墙部位各测点应变有一个明显的瞬间梯度变化，破坏时的应变较试件1有1倍以上的突变。距离洞室120 mm内拱肩和边墙部位的多测点发生破坏，同时，破坏瞬间洞室拱顶各测点的应变也较试件1有较大的突变。与洞内摄像头观察到的加载至该破坏荷载时，在洞室侧墙及起拱部位出现较大范围的层裂及弹射碎片并伴随较大声响的现象基本吻合。与试件1相比，采用气液复合加载时，相同部位的破坏现象更为剧烈，侧墙的破坏范围更大，岩块的弹射量也更多，岩爆现象更为显著。

声发射能量是反映岩石内部破坏有效且敏感的声发射特征参数，广泛用于预测岩石的破坏^[17-18]。为此，采用声发射设备对岩爆过程进行了监测。洞室顶部为通道1，左边墙为通道2，右边墙为通道3，试件洞室声发射传感器布置如图 6所示。各声发射能量-时间-累积能量曲线中，横轴表示到达时间(单位s)，纵轴为通道号能量。模型试件加载历程所有通道声发射能量曲线如图 7所示。

图 6 声发射传感器布置图 Fig. 6 Layout of AE sensors

图 7 声发射能量-时间-累积能量曲线 Fig. 7 AE energy-time-cumulative energy curves

根据试件宏观破坏现象，结合试件声发射能量-时间-累积能量曲线及参数，分析得出：

(1) 试件1为静载试验。随着荷载的施加，各通道产生不同程度的声发射能量事件，破坏瞬间释放的最大声发射能量较小，大部分能量用于洞室周边裂缝的产生及扩展，能量集聚程度低，破坏以局部弹射和剥落方式产生碎屑、碎块。

(2) 试件2为气液复合加载试验。随着荷载的施加，各通道产生不同程度的声发射能量事件，加载至岩爆发生前，试件不断积聚能量，在岩爆时集聚的能量瞬间释放，洞室边墙部位的声发射在发生岩爆时有明显的能量突变，释放的累积能量值较大，岩爆产生的弹射体较大，岩爆强烈。

两组试验加载方法不同，洞室周边的能量集聚程度和释放速率不同，使得试件破坏现象差异性明显。试验表明：岩爆的发生及烈度与能量的集聚程度和破坏时能量的释放速率密切相关。

采用自主研发的气液复合型岩爆模型试验装置，进行了液压和气液复合两种不同加载方式的岩爆模型试验，得到以下结论：

(1) 直墙拱顶断面洞室边墙及拱肩部位在加载过程中易产生环向破坏，并形成岩石碎屑的剥落、弹射现象。在本试验加载条件下，液压加载条件下，边墙的破坏范围较小，而气液复合加载条件下，边墙破坏区范围大致为0.6b(b为洞室宽度)。

(2) 试验表明，岩爆的发生及烈度与加载方法和破坏时能量的释放速率密切相关。由两组试件的应变-时间曲线可看出，气液复合加载破坏瞬间洞室拱顶及拱肩部位的应变较液压加载有一倍以上的突变，相同部位的破坏现象更为剧烈，岩块的弹射量也更多，岩爆现象更为显著，因此，气液复合加载的试验方法更为符合实际工程岩体破坏过程的实际受荷。

(3) 试件声发射最大能量释放通道均为布置于侧墙部位的通道，说明洞室边墙部位易发生损伤破坏，气液复合加载较静载加载具有明显的能量突变，更容易产生岩爆。