随着地球浅部资源开采殆尽，资源开采活动逐渐向深部发展，深部开发趋向于常态化^[1]。从世界范围内资源开采看，目前煤炭开采深度已达1 500 m，地热开采深度超过3 000 m，有色金属矿开采深度超过4 350 m，油气资源开采深度达7 500 m^[2]。深部工程区地质环境具有“三高”特征，即高地应力、高地温、高渗透压^[3]。高地应力是工程区出现巷道变形失稳、岩爆等灾害性破坏的主要原因。目前的地应力实测资料主要集中在地表以下1 000 m范围之内，对于较深部位的岩体地应力测量数据比较稀缺^[4]。地应力测量的手段方法有很多种^[5]，如水压致裂法、应力解除法等，但均存在一定的问题，如水压致裂法只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应力和最小主应力的大小和方向^[6]。岩饼作为高地应力地质环境的产物，其形貌特征能一定程度地反映所处的地应力环境。

国内外学者在岩芯饼化现象及描述、数值模拟、岩饼形成的应力机制、反演地应力等方面进行了深入研究。

岩饼现象描述方面：李占海等^[7]主要从岩体埋深、岩体结构、洞径尺寸、钻孔直径和钻孔方位分析了上述因素对岩芯饼化的影响，得到岩芯饼化的空间分布规律。

数值模拟方面：Li等^[8]发现出现灯盏状破坏和水平大主应力是相关的，并提出多种地应力组合条件下，裂隙走向及与其对应的裂纹形态与不同典型裂纹形态反映的应力场情况。Obert等^[9]通过试验发现，岩芯饼化主要与地应力差有关，垂直于钻井方向的应力分量（围压）越大越容易发生饼化，而轴向应力分量越大越不容易发生饼化。马天辉等^[10]通过数值模拟发现径向应力是影响岩芯饼化的主要因素，轴向应力仅使岩芯表面产生局部破坏；径向应力一定的情况下，随着轴向应力的增大，岩芯饼化逐渐减弱。姜谙男等^[11]通过数值模拟获得不同地应力下岩饼潜在破坏面的单元安全度分布规律。Li等^[12]通过数值模拟研究了泊松比和岩台高度对岩台底部应力集中的影响关系。Corthésy等^[13]通过2维应变软化模型模拟了岩芯饼化的过程机制。

应力机制方面：尚岳全等^[14]提出岩饼的形成是因为先剪后拉、以拉裂为主的观点。王士天等^[15]统计了拉西瓦电站坝区的应力条件及饼化的典型特征，得出不同应力条件下岩芯饼裂的发生机制不一样，基本可概括为3种类型，即全拉断型、外张内剪型和表张型。张宏伟等^[16]从地应力测试方法和能量两个方面解释了岩芯饼化产生的原因。阮小平等^[17]认为饼状岩芯是由低地应力作用下地应力主轴的倾斜所引起，且饼状岩芯的破坏形式为拉伸破坏。

反演地应力方面：刘竹华等^[18]针对二滩岩芯存在的低地应力条件下出现的饼化情况进行了Ⅰ型断裂裂纹模型分析，得出岩饼断裂扩张的起始部位在岩芯表面，且在与岩饼的长轴相对应的最大地应力的作用方向上。李彦恒等^[19]提出一种根据岩饼的几何形态测量初步计算3维地应力的方法。侯发亮^[20]推导出了岩芯饼化临界地应力公式与岩饼厚度的关系式。李树森等^[21]提出岩芯饼裂主要受地应力平均值控制的观点，说明了岩饼表面圆周状对称拉裂坎及垂直拉裂坎方向擦痕的形成原因。

国内外学者主要在应力机制和数值模拟方面做了较多工作，但对饼化现象的描述较少，缺乏详细直观的描述，且没有利用分维对断面形态进行分析。

针对在锦屏地下实验室二期工程辅引1^#支洞钻孔取芯中出现的岩芯饼化现象进行分析，利用扫描后3维数据对岩饼形态进行重建，基于分形理论对岩饼表面的粗糙度进行描述，结合锦屏地下实验室地应力情况对岩饼形成的应力机制进行了探索。

1 锦屏地下实验室应力场分析及取芯 1.1 锦屏地应力场介绍

锦屏工程区长期以来地壳急剧抬升，雅砻江急剧下切，山高、谷深、坡陡。地貌上属地形急剧变化地带，故原储存于深处的大量能量在地壳迅速抬升后，虽经剥蚀作用使部分能量释放，但残余部分很难释放殆尽，因而本区为地应力相对集中地区，有较充沛的弹性能储备。从区域而言，工程区位于川藏交界处，临近主要构造带，构造应力强度较高，从长探洞及辅助洞施工过程中出现岩爆这一事实说明锦屏工程区有较高的地应力^[22]。

关于试验区地应力分布情况，参照中国水电顾问集团华东勘测设计研究院^[23]关于锦屏辅助洞竣工报告有关辅助洞地应力测试部分，距钻孔地点相近的辅助洞东端地应力测试结果，地应力的最大主应力值约为45 MPa，最大主应力方向在SE32°～SE54°左右。葛修润等^[4]关于钻孔局部壁面应力解除法在实验洞的测试结果，实验洞位于桩号AK08+850附近的实验支洞C，该支洞平行于辅助洞A，同样较取芯地点较近，最大主应力方向为SE27.6°，最大主应力值为74.58 MPa，倾角为27.7°。综上，引水隧洞中端至东端的地应力最大主应力方向约为SE28°，倾角为27.7°。根据锦屏地应力场情况，建立全局大地坐标系。辅助洞A走向、实验洞走向、钻孔方向、主应力方向如图1所示。由于主应力的倾角为向下27.7°，并沿主应力平面进行分解，对垂直平面主应力进一步分解。最大主应力平面与岩饼表面夹角为45°。

将空间主应力沿平行和垂直于岩饼断面两个方向分解，如图2所示。

1.2 取芯位置地质条件

地质情况以距取芯地点较近的4^#实验交通洞及辅助洞A东部近钻孔位置为参考。地质情况介绍如下：

4^#实验交通洞。地层岩性：T_2b灰～灰白色厚层状大理岩。地质构造选取典型节理：存在N35°WSW∠85°节理，面平直光滑，延伸长，具挤压，平行发育，间距大于10 cm；N10°WSW∠25°～0°节理，延伸长，平行发育一组，间距10～20 cm；N20°～30°ESE∠60°～70°节理：面直粗糙，延伸长，平行发育，间距20～30 cm，该节理发育密集，在该节理附近发生了岩爆现象；N20°WSW∠70°节理：面粗糙，延伸长，局部张开0.1～0.3 cm，充填少量岩屑、泥质。围岩的破坏情况为结构面组合及应力型破坏，破坏深度在0.3～0.5 m。围岩类别为Ⅲ类。

辅助洞A东部。东部在盐塘组（T_2r）地层发育6个小规模褶皱及一系列的紧密褶曲，辅助洞A剖面主要发育高角度逆冲断层。东部断层较小，发育有fE72，N13°WNE∠65°～70°断层。围岩类别为Ⅱ～Ⅲ级，多发生轻微–中级岩爆，其中桩号AK15附近有Ⅳ级围岩，并发生了强烈岩爆。

1.3 现场取芯

锦屏地下实验室是中国首个极深地下实验室，实验室垂直岩石覆盖达2 400 m，是目前世界岩石覆盖最深的实验室。取芯地点位于锦屏二级辅引1^#支洞，如图3所示，距辅助洞A70 m，距离3^#实验洞约240 m。所取得的岩样为白云组大理岩。钻孔方位如图4所示，取芯工作共完成了1～10、12、13号孔的取芯作业。根据已编录的岩芯情况，这11个孔的总进尺为481.74 m，岩芯的总长度为282.085 m；其中典型的饼化现象主要出现在7、9、10号孔，3个孔向均为水平钻取岩芯的方向。钻进工作发现，左侧洞室水平孔的岩石质量指标（ $ RQD$ 值）最大，其次为底部垂直孔，最后为右侧边墙水平孔。其中7号孔所取岩芯的 $ RQD$ 值如图5所示。 $ RQD$ 值随着钻进深度的增加而增加，反映了钻进深度增加后，岩芯质量变好，岩体未受到较大扰动。典型的饼化岩样前后均为短柱状或较长柱状的岩芯，且大理岩坚硬致密，反映了饼化现象通常发生于致密完整的岩体中，是应力释放的一种表现。

7号孔岩饼情况如图6所示。编号31～32之间有5块连续岩饼（岩饼编号7-5～7-9），编号28～29之间有7块连续岩饼（岩饼编号7-10～7-16）。

10号孔岩饼情况如图7所示。编号37～38之间有6块连续岩饼（岩饼编号10-3～10-8），编号24～25之间有4块连续岩饼（岩饼编号10-9～10-12），编号25～26之间有6块岩饼（岩饼编号10-13～10-17，岩饼10-14～10-15之间间隔破碎块岩样）。

9号孔岩饼情况如图8所示。编号20～21之间有4块岩饼（岩饼编号9-1～9-4，岩饼9-2与9-3之间存在短柱状岩芯）。

2 岩饼断面形貌特征分析

利用Geomagic Capture 3维扫描仪，对岩饼进行整体扫描可获得岩饼上下表面数据坐标点。Geomagic Capture扫描仪采用蓝光LED非接触式扫描技术，相机具有130万像素，采集点距为0.08 mm，精度为0.06 mm。利用表面数据点，建立3维坐标，其中岩饼的局部坐标系如图2（a）所示， $ {\textit{Z}}$ 轴为钻进方向， $ Y$ 轴为取样盒中上表面最高点方向。在取样后对上下表面进行标记，针对扫描仪，夹持点为 $ Y$ 轴上下点。扫描结果绕 $ Y$ 轴，以 $ X{\textit{Z}}$ 平面旋转每15°上下表面截线。利用MATLAB计算上下表面截线的分维，采用盒维数法^[24]计算断裂面各方向剖面的分形维数：

$ {L_i}(\delta ) = {L_{0i}}\delta _i^{1 - D} $

(1)

根据双对数图，可确定分形维数为：

$ {D_i} = 1 - {\beta _i} $

(2)

式中， $ {\beta _i} $ 为双对数图直线斜率，i分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°、180°。

通过统计40个样0°～180°的剖线，并主要选取相邻的岩饼维度进行分析，如10号孔10-9～10-12岩样上表面不同方向剖面分维数、10-15～10-17岩样上表面不同方向剖面分维数及9号孔岩饼上表面不同方向剖面分维数，如图9、10所示。

通过对相邻岩饼上、下表面的各角度分维数据可发现均在45°取得最小分维值，在30°、60°、75°取得较大的分维值，在105°～180°的范围内的分维值也较小；非相邻表面分维则不具备这个规律。王金安等^[25]认为对于拉断裂表面，平行巴西试验加载方向剖面上的分维最大（相对粗糙），垂直加载方向剖面的分维最小（相对平滑）；对于剪切断裂表面，沿剪切滑移方向的剖面分维最小，垂直于剪切滑移方向的剖面分维最大。根据第1.1节地应力分解情况，岩饼在地应力加载方向分维值较大，符合巴西劈裂加载方向剖面分维最大的规律。由此初步判断所研究的岩饼很有可能属于拉破坏。

扫描重建表面结果如图11～14所示。扫描结果蓝色为外表面，黄色为内表面。

将岩饼分为以下4种形态：1）呈现灯盏状破坏，中间内凹，两侧相对上凸，如图11所示。其中灯盏状破坏均出现在一面，另一面较为平坦，且灯盏表面的裂纹均出现于凹轴两侧的坡面上。2）拉错痕出现于岩饼正中或稍偏中心一点，如图12所示。3）错台出现于周边位置，呈台阶状，如图13所示。第3）种形态的岩饼个数较多，表现为周边有错台状起伏，且错台很少发生对称现象，而是出现在一侧，另一侧则相对平坦。4）一边厚度大于另一边厚度，边缘上、下表面有相连的情况，厚度很小，如图14所示。第4）种形态的岩饼个数也较多，其共同特征有：岩饼呈现一侧的厚度变薄，两个面有相互趋近连接的现象；在变薄的部分面上错台起伏、擦痕等较多；有一部分错台起伏的走向为沿着变薄的坡面。

3 岩芯饼化力学机制探索 3.1 岩芯饼化的应力环境分析

基于对岩饼断面形态的分析，可通过数值方法获得在特定地应力条件下岩饼断面的应力分布。基于Flac^3D有限差分法构建钻孔开挖的模型，首先模拟初始应力场，位移清零后再进行开挖模拟，模型尺寸2 m $\times$ 2 m $\times$ 1.5 m，采用莫尔库伦本构模型，岩饼直径为110 mm，钻头宽度拟取30 mm，故开挖区为模型内直径为0.17 m的圆柱，并残留一定高度直径为0.11 m的圆台。模型的1/4如图15所示。

模型参数选取如表1所示。

根据课题组模拟岩样不同赋存深度的三轴试验结果，通过绘制莫尔圆得到内摩擦角和黏聚力，计算采用MATLAB最小二乘法求得内摩擦角为38.68°，黏聚力为45.33 MPa。杨氏模量通过单轴抗压试验的应力应变曲线直线段所得为39 GPa，泊松比为0.18；抗拉强度根据格里菲斯抗压强度与抗拉强度的关系，取单轴抗拉强度的1/10倍，为17.9 MPa。数值模型将三向不等地应力及开挖扰动对岩芯根部应力分布的影响作为主要因素考虑，未考虑实际工程地质条件、钻孔深度及实际发生饼化的具体位置等因素。

模型的边界条件为：在底面施加法向位移约束条件；在模型 $y$ 向正面施加124.90 MPa的初始应力，在模型 $x$ 向正面施加95.01 MPa的初始应力，在模型 $x$ 向负面施加法向位移约束条件，在模型 $ {\textit{z}}$ 向正面施加42.80 MPa的初始应力，在模型 $ {\textit{z}}$ 向负面施加法向位移约束条件。模型的应力边界条件采用葛修润院士^[4]对于3号孔的应力值及其倾向倾角分解到岩芯局部坐标系3个垂直方向上（表2）。应力值为：轴向（Flac^3D模型的 $ y$ 向）为 $ \displaystyle\sum {{\sigma _i}\cos j} $ =124.90 MPa（ $ i$ 为3个主应力， $ j$ 为各主应力与岩饼 $ x$ 轴的夹角）。

模拟初始应力场并开挖后，对岩根最大主应力进行分析，如图16所示，数值为正为拉应力，数值为负为压应力。

根据最大拉应力准则，考察在最大主应力云图条件下可能出现拉破坏的位置。图16中，位置1已接近抗拉强度的17.8 MPa出现于岩根上端面中心偏旁侧，这与第2节中提到的部分岩饼出现上下表面在侧边位置相连的现象和在岩饼中间或偏中间出现错台一致（第2）、4）种形态）。位置2已接近抗拉强度的17.8 MPa出现于岩根的根部侧向位置，拉破坏可能从边缘进行扩展。在岩芯根部，可能出现从边缘轴向逐渐向内发展的裂缝，导致最终的饼化现象。这个情况和真实的岩饼情况相符。参照图17岩饼的侧面，出现较明显的向内的裂纹，但未最终形成饼化现象，也证实了裂纹可能从侧面向内部发展。同时这种应力分布情况也会在钻进过程中形成灯盏状的破坏。

3.2 岩芯饼化破坏机制初探

根据扫描岩饼表面的错痕及台阶状错台，可初步判断为拉应力超过岩芯抗拉强度引起的破坏。根据部分岩饼表面出现的下凹现象、上下表面相连的情况，以及数值模拟中出现的应力分布情况，可初步对岩芯饼化的成因进行推断。

1）岩饼呈现灯盏状破坏的情况。此种形态对应的破坏机制为裂纹轴向发展。如图18所示，将岩芯破裂面分为1面和2面，其中2面具有灯盏状形态。岩芯在原地应力场处于三向受压的状态，在钻头刚钻进至1面时岩芯侧面卸荷，未受到扰动的相近岩芯2面仍处于三向受压情况，在继续钻进卸荷过程中由于水平构造应力作用大于上覆容重影响，会发生向内挤压的趋势；1面的裂纹在侧面产生后应力集中位置向内转移并在旋转作用下裂纹有向下的趋势，在整体上呈现裂纹向内、向下发展，最终呈现中心外凸，表面两侧厚度较薄，下面岩芯出现灯盏状破坏，且凹轴两侧的坡面在挤压和受到钻杆旋转的影响，在坡面出现拉错痕。这和数值模拟的结果，即岩饼在边缘先开始发生破坏，应力集中向内转移，逐渐断裂贯通的结果也相符。

2）岩饼呈现一侧较薄、另一侧较厚的情况。此种形态对应的破坏机制为裂纹从周边向中间发展贯通，在周围地应力场非静水压力的状态下，受到较大水平主应力的一侧更容易发生破坏，且在钻机不断旋转的过程中，一侧断裂而产生应力集中；另一侧岩饼的厚度增加，形成一侧薄、一侧厚，厚度薄侧上下两面趋近的形态。

3）钻头对岩芯有一定的摩擦阻力，一定程度上会阻碍岩芯饼化的形成，未将该原因进行重点考虑。

4 结　论

在埋深2 400 m的大理岩隧道洞壁向围岩内部钻孔，通过对岩饼扫描形态、表面不同方向剖面分维、数值模拟结果等进行分析，得出了以下结论：

1）岩饼形态可大体上分为4种，这4种形态两两对应：周边产生密集的错台也可能发生内部下凹的形态，中心偏侧部分产生错台也可能会产生两侧厚度不均的岩饼。

2）饼化岩芯表面线分维呈现各向异性，对岩饼表面的局部坐标系而言，与 $ X{\textit{Z}}$ 平面夹角呈15°～30°的剖面分维值较大，即该方向剖面较粗糙；把锦屏的地应力场进行分解，发现分主应力方向与分维较大的剖面方向一致，初步得出岩饼可能由拉破坏产生。

3）将锦屏的主应力分解作为应力条件施加于钻孔模型上，分析岩根不同位置的最大主应力，发现接近抗拉强度的位置位于中心偏一侧和岩芯侧面周边两种情况。

4）对岩芯饼化的应力机制进行探索，认为岩芯饼化现象由拉破坏产生。当岩饼表现为厚度不均时，可能处在水平应力不相等的地应力环境中，且较薄一侧受到较小的主应力，裂纹沿较大的水平主应力贯通发展；当岩饼呈现灯盏状破坏时，裂纹沿轴向向内发展，拉错痕出现在坡面上。

[致谢]在本次钻孔取芯过程中，雅砻江流域水电开发有限公司锦屏水力发电厂对四川大学的现场试验工作予以了大力支持和密切配合，谨此特别向雅砻江流域水电开发有限公司锦屏建设管理局表示衷心的感谢！对中国科学院武汉岩土力学研究所李建春研究员及戎立帆博士在扫描设备的提供和指导操作等方面的支持和帮助深表谢意！