Delayed-Memory Dynamics of Rock-Mass Instability During TBM Metro Tunnel Excavation
本研究开发了一个包含延迟记忆和摩擦动力学的降阶非线性模型，用以解释在节理岩体中进行地铁隧道开挖过程中，隧道掘进速率与累积岩体弱化是如何支配稳定、延迟集群及脉冲式不稳定状态之间的转变。
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在城市深处，在那片土地经常发生断裂和断层的地带，一台被称为隧道掘进机（TBM）的巨型机器正向前推进，为新的地铁线路开辟路径。这些机器是工程学的奇迹，能够以稳定、连续的动作切穿岩石。然而，它们所行进的地层并非一个坚固、均匀的整体，而是一个由裂缝、节理和古老断层连接在一起的复杂石块组合体。当机器推进时，它不仅仅是在移除物质，还在改变周围岩石受挤压和拉伸的方式。这种压力的变化可能导致岩石开裂、滑动甚至爆裂，有时其方式难以预测。几十年来，工程师们一直依赖于详细的岩石图谱以及在机器经过特定点时那一瞬间的应力计算，以确保安全。但实地观测表明，情况比这更为复杂。有时，岩石在机器经过时保持静止，却在几天甚至几周后发生位移、开裂或释放微震。这种延迟反应表明，岩石在机器离开后很久仍会“记住”这种扰动，并且这种记忆结合压力在地面中传播所需的时间，在决定何时何地发生不稳定状态方面起着至关重要的作用。
塞尔维亚雅罗斯拉夫·切尔尼水利研究所的一位研究人员开发了一种理解这种隐藏时序的新方法。该研究者并没有试图去绘制每一条特定隧道中的每一道裂缝（这需要巨大的计算能力和详尽的地质调查），而是创建了一个简化却功能强大的数学模型。想象一下，岩体并非连续的固体，而是两个并排放置的石块，它们由一个弹簧连接，并被一个具有抗滑动能力的粗糙表面隔开。随着隧道掘进机的移动，它就像一个经过这些石块的移动压力波。该模型追踪这些石块如何移动、如何相互摩擦，以及它们如何随时间发生内部变化。至关重要的是，该模型包含了两个在标准工程计算中常被忽视的概念：“记忆”与“延迟”。“记忆”代表了这样一个概念：岩石受到的压力和损伤越多，它就会变得越弱；它保留了经历过麻烦的记录，使得未来更容易发生滑动。“延迟”则解释了当一部分岩石发生位移时，这种运动影响到相邻部分需要一定的时间，就像涟写在池塘面上一样。
研究人员利用该模型进行了数千次模拟，改变了机器的速度、岩石的强度以及应力在石块之间传播所需的时间。结果显示，机器速度与岩石安全性之间的关系并非简单的直线关系。研究发现，移动机器非常缓慢实际上是危险的。当机器缓慢爬行时，它会在特定的岩石区域前停留很长时间，使得“记忆”中的应力不断积累，导致岩石显著变弱。这种缓慢的损伤积累最终会导致在机器经过很久之后发生突然的延迟滑动。相反，移动机器非常快则会产生另一种危险。快速的变化产生的压力就像一次剧烈的冲击，会在机器前端附近触发即时的、脉冲式的滑动。令人惊讶的是，模拟识别出了一个位于中间位置的狭窄“甜点区”。在中间速度下，机器移动得足够快，以防止岩石积累过多的破坏性“记忆”，但又足够慢，以避免快速推进带来的剧烈冲击。在这个特定的窗口期内，系统保持稳定，这表明存在一个平衡这些竞争性风险的最佳挖掘节奏。
其中最引人注目的发现之一是这种不稳定性是如何扩散的。模型显示，岩石失效的顺序并不总是按照机器遇到的先后顺序。通常，机器第二个到达的岩石块会比第一个岩石块更早变得不稳定，尽管机器更早经过了第一个岩石块。这是因为第二个岩石块承受了“双重打击”：来自机器经过其上方的直接压力，以及来自已被扰动的第一个岩石块传来的延迟且减弱的信号。这导致了一种特定的行为模式，研究人员称之为“选择性激活”。在整个系统陷入混乱之前，第二个岩块往往会开始自行滑动。这种选择性滑动作为一种前兆，是岩体接近临界点的警告信号。模型表明，如果工程师观察到下游区域开始出现活动，而上游区域保持静止，这可能预示着延迟相互作用和累积损伤正在酝酿一场更大规模的耦合失效。
这项研究还强调了扰动之间时间滞后的重要性。模拟表明，应力传递的延迟既可以使岩石趋于稳定，也可以使其恶化，这取决于时机。有时，延迟会导致石块发生不同步的运动，从而使其稳定；而另一些时候，延迟会导致它们在错误的时机互相挤压，从而放大运动并引发一系列滑动。这意味着，岩石反应的时机与施加的力量大小同样重要。该研究并不声称能精确预测某条特定隧道何时会失效，也不取代工程师用于设计的详细3D地图。相反，它提供了一个新的视角来理解延迟失效的“何时”和“为何”。它表明，岩石受损的历史以及应力在其中传播所需的时间，是解开为什么有些隧道保持平静，而有些隧道经历突然且延迟的爆发活动的谜团的关键。通过识别这些模式，特别是下游区域的选择性激活早期迹象，监测系统有可能被调整，以便在这些现象演变成重大不稳定事件之前捕捉到它们。
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