隧道施工中岩爆的成因及预防研究

隧道施工中岩爆的成因及预防研究
摘要：岩爆一直以来都是令人生畏的地质灾害，这种地质灾害的成因有很多，但是岩爆是遵循着一定的规律才发生的，所以为了预防岩爆的发生，我们必须要加强对岩爆成因的分析和监测，以实现危害最小化。

岩爆的预防研究是很有价值的，其有助于保障矿山的开采工作顺利地进行和施工作业人员的安全。

关键词：隧道施工；岩爆成因；预防研究
岩爆是一种在隧道施工中形成的现象，在地下施工时积聚已久的岩体可能会突然释放，击破岩石导致爆裂从而形成弹射的现象。

岩爆产生的影响是不一样的，轻则剥落岩片，没有太大的弹射现象，重则会导致4. 6级的震级，造成很大的声响。

所以对于分析岩爆的成因和预防研究是非常必要的，没有合理的预防措施就会给人民和政府带来危害。

一、岩爆的成因
（一）特点
1．岩爆的发生没有预兆
岩爆和塌顶、侧壁坍塌现象等是不一样的，岩爆的发生管查不出来一点预兆，有时一般不会掉落石块的地方，也会突然间巨大的声响，发生岩石爆裂，爆裂有时会应声而下石块，有时也会一段时间不坠落。

2．发生岩爆的地点不确定
一般情况下岩爆会发生在新开挖工作面或是开挖的附近，特殊的也有离新开挖工作面较远处的地方。

随着暴露时间的延长，岩爆发生的频率会有所降低。

通常岩爆发生的时间是在16天之内，但是特殊情况下也有滞后一个月甚至几个月还有发生岩爆现象的事情发生。

3．岩块的大小不一
岩爆发生时，岩块随着洞壁围岩的母体弹射出来，弹射出来的小岩块的大小和形状不一，有的呈中厚边薄的不规则片状，厚度多呈几厘米长宽，极少数达到几十厘米长宽。

特殊严重的时候，好几吨重的岩石从拱部弹落下来，导致岩爆性坍方。

（二）主要条件
专家对隧道施工中岩爆的成因做了很多深入性的研究，他们发现地应力的大小和地层的岩性条件，都是产生岩爆的决定性因素。

从物理中的能量角度来分析，
岩爆的形成过程是集聚在岩体中的能量，在一个合适的机会下突然从储存的状态变为释放的状态，直至最终使岩体严重破坏，而挣脱母岩的过程。

换句话说，岩爆的发生取决于岩体中是否具备了足够的能量，使其爆裂从而释放出大量的能量的方式。

（三）分析发生岩爆的不同情况
1．构造情况
通常在构造活动区和地震区的地应力会相对比较大，一旦水平地应力大的时候，垂直地应力也可能会随之增大。

当洞室轴线和构造主应力垂直时，其地应力会比平行于构造主应力大一些。

2．地形条件
地形和垂直地应力的关系密切，通常情况下是埋深越大，地应力就越大。

例如在平缓山头上，其垂直地应力就和其上的覆岩石重量相近，而斜坡地形的覆岩石重量小于其垂直地应力，尤其是在山坡坡脚的地方，我们还要注意沟谷的地形很容易引起应力集中的问题。

3．建筑物开挖情况
从建筑物开挖的角度看，平行建筑物间的隧道、岩柱，要从两头开挖，接着逐渐到贯通的部位，这些部位和建筑物体变化处集中了较大的应力，从而非常容易于发生岩爆。

4．分析发生岩爆的部位
我们可以通过计算分析岩体的应力条件和演示的强度，看两者是否相近，或是前者是否小于后者的测量值，并根据比较、预测岩爆最容易发生的部位。

经过分析我们得到，一旦具备了产生岩爆的应力条件时，岩石的状态是：岩爆发生可能性最大的地方就是，岩石越完整、新鲜、干燥和脆硬的地方。

在施工过程中，如果想要预防岩爆的发生，还需要足够的施工经验作为基础，对岩爆做详细的观测和研究也有助于积累施工经验，通过分析岩石地下水情况和地应力条件的差异化可以更好的预测岩爆。

经验告诉我们：在隧道中很大的垂直地应力，很小的水平地应力时，岩爆越是容易在边拱部位发生；在一些地应力不等向的地区，岩爆通常会发生在平行最大主应力或中间主应力方向的洞壁位置；在很大的水平地应力，很小的垂直地应力时，岩爆容易发生在底板和顶拱的部位。

在隧道掘进的施工中，端面的应力会较高，岩爆容易发生在整个端面上；当陡坡和隧道平行的时候，岩爆容易发生在靠近陡坡侧的顶拱部位；隧道分岔处应力较大的尖角部位，也是岩爆常发生的部位。

二、岩爆的预测及防治
（一）预测方法
很多预测方法都是施工从业人员在施工过程中总结出来的，他们提出可以采用初始应力和切向应力与单轴抗压强度之比的方法进行预测，这些预测方法适用性较强，被广泛应用于岩爆的预测中。

以下几种预测方法是根据经验总结出来的：
1．霍克判断
Pz表示原岩垂直应力，σc表示岩石单轴抗压强度，此霍克判断是根据Pz 和σc的比值来判断岩爆的表现形状，当Pz/σc=0.1时，需要稳定巷道；当Pz/σc=0.2时，会出现少量片帮；当Pz/σc=0.3时，出现片帮的情况会非常严重；当Pz/σc=0.4时，为了防止岩爆需要重型起支护作用；当Pz/σc=0.5时，就可能会出现岩爆的现象。

2．伊阿多尔恰尼诺夫判断
这种判断方法是根据σg（围岩最大压应力）和σc（岩石单轴抗压强度）之间的数量关系判断发生岩爆的可能性的，如果σg ≤0.3σc 时，就不会发生岩射和削落现象；如果σg < （0. 5～0. 8）σc 时，就会发生岩射，从而导致削落的现象；如果σg < 0. 8σc 时，不仅会发生岩爆，还会发生强烈的岩射想象。

3．I. A. 特钱英奥判断
I. A. 特钱英奥的判断方法是根据|σt +σz | 和0. 3σc之间的大小关系决定发生岩爆的可能性，如果|σt +σz | < 0. 3σc，就不会发生岩爆，否则就可能会发生岩爆现象，其中σz 表示轴向应力，σt 表示围岩切向应力。

4．巴顿判断
巴顿判断是通过σc与σ1 的比值和σt 与σ1 的比值来判断岩爆的级别的，在这种判断中岩爆分为两个级别，分别是轻微型和严重性。

前者的σc/σ1 在5~2.5范围，σt /σ1 在0.33~0.16的范围内，后者的指标在σc/σ1 在<2.5的范围，σt/σ1 在<0.16的范围内，其中σc表示岩石单轴抗压强度，σt 表示抗拉强度，σ1 表示岩体最大初始应力。

（二）岩爆的防治
分析岩爆是否会发生，主要取决于围岩的岩性状况和围岩的应力状况，如果在隧道施工中，可以有效预测、控制这两个因素，岩爆的发生频率就可能得到有效的控制，所以，我们主要从两方面来防治岩爆的发生。

在隧道施工作业中，有很多强化围岩的措施，这些措施的原理是给围岩提供
定量的径向约束，改变围岩的应力状态，将原来的平面应力状态转变为三维应力状态，从而抑制岩爆的发生。

这样的措施有：紧跟混凝土衬砌、锚杆加固、锚喷网联合、喷钢纤维混凝土等。

在施工中常被用作弱化围岩的方法有：注水、超前预裂爆破、排孔法、切缝法等，从岩石的物理性质分析，为了改变岩石的力学性质，通过注水的方法可以降低其储存能量的能力和脆性。

其余的措施是为了释放或是转化岩石中储存的能量，例如: 排孔法就可以转移岩石中的能量到深层，在周边的切向应力也会随之减少，从而释放围岩一直以来积蓄的弹性应变能。

三、结论
在隧道施工中常发生岩爆这种地质灾害，岩爆的成因有很多种，其影响范围也很广。

岩爆不会破坏或破损岩质，但岩爆发生的周期是不固定的，有时会频繁出现，有时也会延续一段时间之后再消失。

岩爆的危害很严重，对于工程来说它会延误工期，增加工程造价；对于施工作业人员来说，会严重地威胁到他们的人身安全。

目前我国对于岩爆的成因和预防研究还不够全面，还需要我们不断地研究和总结，尽量避免岩爆的发生，不仅有利于工程本身，还有利于人员安全、社会进步和经济的发展。