隨著交通基礎設施的快速發展，近年來超長跨度隧道的數量和跨度都在增加，表1中列出了幾個典型例子。普遍認為，隧道開挖，尤其是大跨度開挖，可能會對周圍巖體造成損傷，甚至導致安全事故（例如隧道坍塌、巖爆）。
隧道開挖會引起應力重新分布，不可避免地會對周圍巖體造成損傷。這種損傷通常表現為相互連接的宏觀裂縫，統稱為開挖損傷區。在該區域內，根據損傷程度，周圍巖體可以進一步分為高損傷區和低損傷區（Perras和Diederichs，2016）。開挖損傷區外的區域通常表現為彈性變形，稱為開挖影響區（Siren等人，2015）或開挖擾動區（Tsang等人，2005）。與開挖擾動區相比，開挖損傷區含有大量不可逆的微觀損傷的巖石，因此是確保隧道穩定性和安全性的關鍵關注點。因此，估計開挖損傷區是研究開挖引起的巖體損傷機制和緩解策略的研究人員的主要關注點。
確定穩定隧道開挖所需的支護是隧道工程中的關鍵任務（Carranza-Torres和Fairhurst，2000；Dammyr等人，2017）。目前，收斂-約束法仍然是設計支護結構的主流方法（Carranza-Torres和Fairhurst，2000）。在這種方法中，使用地面反力曲線（GRC）來描述開挖過程，而支護特性曲線用于確定適當的支護方式和安裝時機。通常，GRC可以通過解析解、數值模擬或實驗室無支護開挖實驗獲得（Brown等人，1983；Li等人，2012；Fang等人，2013；Dammyr等人，2017），需要注意的是，GRC是在假設隧道在無支護的情況下開挖的情況下定義的。這一假設會導致與工程實踐的偏差，因為支護開始工作后周圍巖體的反應會發生變化。當支護不是非常強時，這種偏差通常很小且可以忽略不計，但在涉及超長跨度隧道的情況下，這種偏差可能會相當大，因為支護系統通常由在不同時間安裝的各種元件組成，如管棚、先進的小管、水平噴射注漿、巖栓、巖栓-電纜協同以及錨固-注漿-襯砌接頭等（Johnson，1989；Luo等人，2020；Sinha和Walton，2021）。
因此，估計超長跨度隧道中周圍巖體的實際開挖引起的反應和支護組件的實際工作狀態成為一個關鍵挑戰和迫切需求。為此，本文致力于開發一種實用工具，用于估計具有復雜支護系統的周圍巖體的原位開挖損傷區，以八達嶺超長跨度隧道作為典型應用。
通常有幾種方法可以用來估計開挖損傷區，如多點伸長計法（Liu等人，2020b；Luo等人，2021）、聲發射法（Feng等人，2019b；Xie等人，2019）、鉆孔相機法（Wang等人，2018；Song等人，2021）和微地震（MS）監測技術（Li等人，2020c；Ji等人，2020）等。其中，MS技術具有多個優點。首先，它覆蓋的監測面積比其他方法更大，后者通常僅限于以點或線的方式分析損傷區。同時，MS監測是非侵入性的，不會干擾周圍巖體。此外，它能夠在宏觀變形發生之前檢測和表征巖體內的損傷區，從而提前預測潛在的不穩定性風險（Jiang等人，2021）。Xu等人（2015）報告稱，MS事件的發生與洞壁的表面位移密切相關，MS事件在局部區域的快速傳播和積累可以被視為位移異常增加的早期指標。Dai等人（2017）分析了周圍巖體大變形前MS事件源參數的演變特征，包括地震能量、表觀體積和分形維數。Zhao等人（2017）指出，周圍巖體變形的快速增加滯后于MS事件在特定區域的發生和聚集。
因此，MS技術引起了廣泛關注，并在MS-損傷關系方面有多種應用。例如，Martin（1997）根據測試洞穴中MS事件的分布估計了開挖損傷區的范圍。Cai和Kaiser（2005）基于MS監測的裂縫分布和密度研究了周圍巖體的損傷程度。Zhao等人（2022）利用MS監測評估了爆破開挖對巖石的損傷，展示了其在支持施工策略動態優化中的作用。Sun等人（2025）使用MS監測研究了軟巖隧道中的大變形機制，闡明了巖石損傷的漸進性失效和演變過程。Hu等人（2019）進行了原位MS監測實驗，以探索豎井的失效特性。
然而，現有的工作主要是定性分析。為了對獲得的MS數據進行定量解釋，已有幾項研究基于巖石斷裂能量進行了定量損傷評估，并將這些方法整合到數值模型中（Li等人，2020a；Song等人，2024），但MS技術在超長跨度隧道中的定量應用仍然有限。我們之前的工作（Li等人，2019）應用MS技術監測了八達嶺長城站超長跨度隧道爆破開挖過程中的振動。然后，我們將MS技術的應用擴展到分析該隧道中周圍巖體的開挖損傷區（Li等人，2020b），其中根據MS事件的空間分布將周圍巖體分為高密度區、中密度區和低密度區。然而，Li等人（2020b）用于估計開挖損傷區的兩個閾值是經驗性的，缺乏理論依據，因此難以推廣到其他隧道。
為了解決這個問題，我們在本工作中提出了一種新的方法來估計周圍巖體的高損傷區。在這種方法中，使用雙差成像方法獲取開挖前后的波速，然后將波速的變化轉化為周圍巖體的損傷狀態。根據損傷力學的假設，可以獲得高損傷區。與我們之前的經驗方法（Li等人，2020b）相比，當前方法有三個優點：（1）建立了使用波速變化和損傷力學估計高損傷區的理論基礎；（2）克服了我們早期工作中經驗性閾值的限制；（3）通過變形監測和MS事件分布驗證了所提出的方法。
本文的其余部分如下。第2節簡要介紹了微地震方法和雙差成像原理。第3節介紹了開挖損傷區的分類以及識別高損傷區的關鍵假設。第4節討論了在工程中的應用，使用新方法解釋了八達嶺隧道的現場微地震數據以估計高損傷區。最后，第6節總結了幾個結論。
