地下工程施工中岩爆发生的判据及防治方法

地下洞室施工中岩爆的预测及防治方法

（锦屏建设管理局工程一部周洪波）

【题记】

锦屏工程中有大量的地下工程，包括公路隧道、辅助洞、一二级地下厂房、二级引水隧洞等，岩爆是地下洞室开挖施工过程中应特别注意的问题。本文总结了岩爆的特征、类型及分级，对引发岩爆的因素进行分析和归纳，并总结了岩爆可能发生的判据，由此可对岩爆的发生进行预测；通过对岩爆发生因素的分析及判据的总结，本文还总结了一些岩爆的防治措施，可在地下洞室施工中借鉴和应用。

岩爆是一种极为复杂的动力失稳现象，迄今为止，人们对其形成机理还无统一认识。一般认为，岩爆是高地应力条件下地下洞室开挖过程中，因开挖卸荷引起洞室周边围岩产生应力分异作用，储存于硬脆性围岩中的弹性应变能突然释放且产生爆裂脱落、剥离、弹射甚至抛掷性等破坏现象的一种常见动力失稳施工地质灾害。它直接威胁施工人员、设备的安全，影响工程进度，已成为世界性的地下工程难题之一。为此，对在地下洞室开挖过程中是否发生岩爆和可能在哪些部位发生岩爆作出预测和判断，并制定必要的防治措施，以维持围岩稳定和施工安全十分重要。

一、岩爆的特征、类型及分级

岩爆是岩体中聚积的高弹性应变能的一种具有代表性的释放现象。岩爆是突发性的，主要表现为岩体急剧破坏，岩块由岩体表面上突然飞出，而且大部分发生在掌子面及附近的边墙上，与塌方、坍顶有明显不同。简单地说，岩爆就是地下洞室周边围岩的应力集中，不能承受这种应力集中的岩石发生突然地脆性破坏，而从自由面剥落、弹出或抛射的一种现象。

岩爆的类型可以从多个角度描述，根据岩爆特征，考虑岩爆危害方式、危害程度及其防治对策等因素，可分为：片状剥落型、爆裂弹射型，爆炸抛射型、洞壁垮塌型。

还可将岩爆分为：

（1）应变型：指地下洞室周边坚硬岩体产生应力集中，在脆性岩石中发生激烈的破坏，是最一般的岩爆现象；

（2）屈服型：指在有相互平行裂隙的地下洞室中，洞室壁的岩石屈服，发生突然破坏，常常是由爆破振动所诱发的；

（3）岩块突出型：是因为被裂隙和节理等分离的岩块突然突出的现象，也是因爆破或地震等而诱发的。

从发生规模的大小，岩爆基本上可飞为三类：

（1）小规模的：是指在壁面附近浅层部分（厚度小于25cm）破坏，破坏区域仍然是弹性的；

（2）中等规模的：指形成厚度0.25~0.75m环状松弛区域的破坏，但空洞本身仍然是稳定的；

（3）大规模的：指超过0.75m以上厚度的岩体显著突出，很大的岩块弹射出来，这种情况采用一般的支护是不能防止的。

根据岩爆发生的剧烈程度，目前国内外大多以岩爆烈度将岩爆划分为轻微、中等、强烈、剧烈4级（见表1）。

二、引发岩爆的因素

地下洞室施工中，引发岩爆的内在因素主要有围岩性质、地应力、地形地貌、活断层和地震等。

（1）围岩性质

岩爆主要发生于坚硬脆性岩石中，岩石强度高，节理裂隙少，围岩完整性好，这些条件都有利于岩石积蓄弹性应变能。如瑞士的ＳＬＡ198号岩体分类标准中，第一类中有岩爆，对应的指标：单轴抗压强度>100ＭＰａ，内摩擦角>40°，粘聚力>2ＭＰａ。

（2）地应力

高地应力对岩爆的影响主要表现在：大埋深带来的岩体自重应力再加上地质构造运动而产生的极高构造应力，使得围岩的初始应力状态具有很高的量值，势必会给地下洞室的坚硬围岩带来岩爆问题。

岩体的自重应力和埋深是成正比的，当覆盖层达到一定深度时就可能出现岩爆。

实际上，岩爆并非仅发生在隧道所处的最大埋深位置，而可以发生在任意埋置深度的隧道中，这就让我们很自然地想到自重应力并非总是地壳应力场中的最大主应力。随着地下岩体不同点原位应力大小与方向的精密测量技术的发展，揭示出：由于地质构造运动，至少在1000ｍ深度以内原位水平应力σＨ是垂直应力σｖ的数倍。

（3）地形地貌

地形地貌是发生岩爆的一个重要因素。地下洞室发生岩爆的地段通常位于壮年期的山体中，山体一般陡峻呈浑圆状，这样的地形地貌通常也反映了山体岩体质量好，岩石坚硬且抗风化能力强，岩石易于积蓄弹性应变能。而地形变坡地带(平行洞室轴线方向表现为坡脚和最大覆盖深度处，垂直

洞室轴线表现为坡脚)也较易发生岩爆：一方面受山体岩体应力的传递，在地形变坡地带的应力集中程度就较高，一旦隧道开挖，洞室周边产生的应力进一步集中，同时在变坡地带还受到偏压，这样，对于脆性坚硬岩石就易于发生岩爆。

（4）断层及地震

区域性大断裂(断层)，尤其是活动断裂(断层)，本身就反映了区域处于构造活动时期。一般而言,在大的活动断层地带，其区域构造应力会有较高的量级。另外，在隧道开挖接近断层带时，断层附近本身为一应力集中带，使断层附近的应力释放后叠加在隧道围岩之上，从而使岩爆频繁、严重。

地震对岩爆的影响主要表现为地震波对洞室周边产生一个动力响应，加剧了隧道围岩应力的释放，使岩爆发生更严重。

而引发岩爆的外在因素主要有施工方式、方法及开挖质量控制等方面，采用掘进机（TBM）等机械开挖方式、采取“短进尺、弱爆破”，采取光面爆破、预裂爆破，严格控制炮眼利用率、提高残孔率等都可以减少岩爆发生的概率。

三、岩爆发生的判据

根据前述引发岩爆的主要因素，在地下洞室施工前，可根据勘测地质成果及工程经验拟定岩爆可能发生的判据。从一些国家的规定和研究成果看岩爆发生的判据大同小异，这对在地下洞室勘测设计阶段，根据揭示的地质条件来判断岩爆的发生与否是有参考价值的，起码有一个基本判断依据。一些国家和相关研究成果提出的标准和建议见表2。

表2相关岩爆判据表

表中：σc——岩石单轴抗压强度；σmax——最大地应力；I s——岩石点荷载强度；σt——坑道周边切向应力；σL——岩石抗压强度。

实际上这些符号的意义是相关的，例如洞室周边切向应力（σt）通常是地应力值的2倍，即：σt ＝2σmax。而I s与σc，σc与σL都是有关的，因此，在评价岩爆发生程度时，主要采用岩石强度和最大地应力这两个指标。

根据上述岩爆发生的判据结合经验观察，可总结出如下一些岩爆发生的基本条件：

（1）岩石单轴抗压强度：σc>80MPa（至少>60）