岩爆的影响因素分析及预测--孙旭宁

岩爆的影响因素分析与预测孙旭宁1赵国斌2，3张国泉4（1 武警水电第二总队第七支队，江西鹰潭3350002 中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院工程地质力学重点试验室，北京，1000293 中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津，3002224武警水电第二总队第七支队，江西鹰潭335000）摘要岩爆是一种地下工程建设过程中常见的地质灾害现象。

对发生岩爆的工程实例进行研究分析，是对岩爆问题进行充分认识的基础。

文章总结了国内外部分工程实例岩爆发生情况，分析了影响岩爆的主要因素和部分特征，并通过对齐热哈塔尔引水隧洞支洞施工过程中岩爆的发生特征分析，对引水隧洞主洞的岩爆发生情况进行了预测，并认为，工程施工过程中要不断的认识和总结岩爆的发生规律将更有利于岩爆的预测与预防。

关键词岩爆岩性地应力构造埋深地下水齐热哈塔尔1 引言地下工程建设过程中遇到的高地应力、高埋深、高外水压力等复杂的工程地质环境，使隧洞的设计与施工遇到很多复杂的工程地质问题，诸如岩爆、高地温、突涌水等，此类地质灾害的发生具有不可预测性，突发性，强破坏性等特点，严重影响隧洞的施工进展。

这些问题中，岩爆的发生及其造成的恶劣后果较为突出。

岩爆是具有大量弹性应变能储备的硬脆性岩体，在开挖过程中，引起地应力分异、围岩应力跃升及能量进一步集中，在围岩应力作用下产生的张～剪脆性破坏，并伴随声响和震动，而消耗部分弹性应变能的同时，剩余能量转化为动能，使围岩由静态平衡向动态失稳发展，造成岩片（块）脱离母体，获得有效弹射能量，猛烈向临空方向抛（弹、散）射为特征，是经历“劈裂成板—剪切成块—块片弹射”渐进过程的动力破坏现象[1]。

岩爆灾害是地下工程中比较常见的地质灾害之一，它的发生不仅严重威胁施工人员及设备的安全、影响施工进度，而且还会造成超挖、初期支护失效，严重时还会诱发地震[2]。

岩爆发生的影响因素包括岩性、岩体结构、地应力条件、地下水状态、施工方法等。

岩爆的形成机理也较为复杂，国内外学者进行了大量的理论和室内及现场实验研究，包括岩爆形成的强度理论、刚度理论、能量理论等以及卸荷三轴试验和现场监控量测等手段。

2 岩爆主要影响因素分析本文通过对部分国内外工程实例的岩爆特征进行分析和总结，对岩爆的影响因素和部分特征进行了研究。

2.1围岩岩性及岩体结构的影响发生岩爆的岩石大多是新鲜完整、质地坚硬，结构密度好，没有或很少有裂隙存在，具有良好的脆性和弹性。

岩石的抗压强度越大，则其质地越坚硬，可能蓄积的弹性应变能就越大。

岩体在变形过程中所储存的弹性变形能不仅满足岩体变形和破裂所消耗的能量，还有足够的剩余能量转换为动能，使逐渐被剥离的岩块弹射出去，而形成岩爆[3]。

表2.1是国内外部分有岩爆发生的地下工程岩性对照表。

表2.1国内外部分有岩爆发生的地下工程岩性对照从围岩岩石的微观特征分析：颗粒具有定向排列的岩石比颗粒具有随机排列的岩石中的岩爆烈度弱，如围岩为片麻岩、花岗片麻岩、糜棱岩等发生岩爆时的烈度就比花岗岩、闪长岩等中的岩爆烈度弱，具有胶结连接的岩石比具有结晶连接的岩石中的岩爆烈度弱，如沉积岩中的岩爆烈度就比深成岩浆岩中的岩爆烈度弱，具有钙质胶结的岩石比具有硅质胶结的岩石中的岩爆烈度弱[4]。

围岩岩石的宏观特征，可以理解为岩体的结构效应。

其中包括岩层的组合关系和岩体结构。

谭以安博士在文献[5]中从围岩岩体中能量释放引起岩爆的观点论述了岩爆的岩体结构效应。

岩层组合关系：不仅岩石本身，而且由岩层所组成的岩体也须具备积蓄弹性能的能力。

这往往与地层结构，岩层组合有关。

强度低而软的岩石因其塑性变形大，不产生岩爆是众所周知的；在具有软硬相见的地层中，岩爆也不产生或较少产生。

如日本关越[6]隧洞岩爆主要发生在石英闪长岩中，在石英闪长岩与角页岩交互带很少发生，这里由于能量被软弱岩层的永久变形所消耗，而不易储存下来。

下坂地水利枢纽引水隧洞[7]中花岗岩与片麻岩接触紧密，蚀变不明显，岩层交互带也没有发生岩爆的记录。

岩体结构：在地应力条件和岩性条件大体相同的情况下，岩体结构包括节理，裂隙，层面等软弱结构面发育程度，产状及组合关系不同时，岩体储存能量的能力则有很大差异。

从岩体完整性来说，按《水力发电工程地质勘察规范50487－2009》分类认为：Ⅰ,Ⅱ类围岩因强度较高，岩体软弱结构面较少，在高应力作用下，多以弹性变形为主，易于储存弹性应变能，Ⅲ、Ⅳ类以下围岩多以塑性变形为主，储能能力差。

谭以安博士通过工程实践观察和弹射试验证明了这一点[5]。

可见，岩体结构效应（围岩类型，结构面产状）对弹性应变能的储存具有控制作用。

由于储能多少和方向的差别，因而造成隧洞不同地段岩爆有无和强弱的差异。

徐林生在文献[8]中按公路隧道围岩分类规范（JTJ026－090）进行围岩分类，认为，岩爆段围岩类别均为IV、V类，节理很发育的II、III类围岩不会发生岩爆活动，即岩爆具有明显的岩体结构效应。

总之，岩体弹性能的储存能力和岩性，岩层组合，岩体结构有关。

其中岩性是影响岩爆发生的内在决定因素。

2.2地应力对岩爆的影响地应力是地下工程赋存环境中最主要的指标之一，岩体中的初始地应力受地形条件、地质条件、构造环境等因素的影响。

岩爆的发生与地应力积聚特性有密切关系。

在同样的地质背景条件下，较高地应力区最易于发生岩爆。

通常具有较高的地应力的岩石，其弹性模量也较高。

因此在高地应力区，岩石具有较大的弹性应变能，最易发生岩爆，形成岩石的破碎区。

高地应力是指初始应力，特别是水平初始应力分量大大超过其上覆岩层的重量。

高地应力区的岩石具有脆碎特征，而岩爆是岩石的脆性破坏过程。

在岩体中开挖巷道，改变了岩体赋存的空间环境，扰动了巷道周围岩石初始应力，破坏了巷道周围的平衡状态，引起了巷道周围的岩体应力重新分布和应力集中，由于应力集中的影响，往往围岩应力超过岩爆的临界应力，产生岩爆。

而对岩爆产生影响的地应力包括岩体中的初始地应力和因岩体开挖造成的围岩应力重分布。

初始地应力如因构造运动产生的水平地应力，因岩体上覆厚度存在的岩体自重应力——即垂直地应力，还有因边坡岩体卸荷存在的卸荷应力，深切峡谷地区产生的集中应力等等。

谭以安博士根据影响岩爆发生的应力特征将岩爆分为水平应力型，垂直应力型和混合应力型（包括混合应力I型、II型、III型）[1]。

表2.2是部分发生岩爆的隧洞地应力特征。

表2.2 部分隧洞地应力特征文献[9]中论述了岩爆发生与应力重分布圈的关系，认为在岩体爆破后，由于岩石内的应力平衡受到破坏，为达到应力平衡要进行应力重分布。

岩爆发生频率与初次应力重分布的时间有直接关系，爆破后4～5h是岩爆发生最频繁的时间段，即初次应力重分布圈形成的时间。

初次应力重分布圈形成后，岩石爆出或松动，出现第二次应力重分布，两次应力重分布圈形成的时间间隔约10h。

随着时间的延长，形成第三次应力分布圈、第四次应力重分布圈，直至岩体整体达到应力平衡。

应力重分布的不断调整，使得强岩爆区即使进行了锚、喷、网联合支护依然有岩爆发生。

从表2.2中可以看出，地应力状态（包括方向，量级和洞线的夹角等）对岩爆的发生起控制作用。

瑞典福斯马克（Forsmark）电站[10,11]岩爆发生深度约在地表下5～10m处，约10cm大小的岩块从隧洞西边墙上有力的弹射出来，并伴随着很大的响声。

岩爆使得引水隧洞底部毁损。

并且从开挖之日起即发生岩爆，持续到开挖后四个月。

据认为，该隧洞的岩爆现象，与其他隧洞有岩爆现象的隧洞工程相比较，仅仅是轻微的，未发生重大问题。

在福斯马克的3号机组处，用三个钻孔进行地应力测量，其中的两个钻孔一直继续测量到500m深处。

结果表明，水平应力很大，其值超过20MPa是常见的，最大达到30MPa。

且水平地应力一般大于垂直地应力，后者与上覆岩层重量非常一致。

此外，岩石应力清楚地表明：岩石节理方向与地应力最大主应力具有良好的相关形。

卡尔松(Carlsson)认为：水平节理组及其宽大的间隙可能是由于岩体中应力状态的结果，所观察的岩爆现象是由于表面岩体中极高的水平地应力这一情况造成的；岩爆不是岩石基质破损的属性，而仅仅是早已存在的小型断裂的扩展[10]。

2.3 构造对岩爆的影响小孤山水电站[2]的岩爆发生有如下特点：在褶皱的核部及附近，因为地壳运动形成褶皱过程中，储存了大量的构造应力，如桩号3＋100～3+140段，埋深不带大，为350m左右，但该处为背斜的核部，发生了轻微岩爆。

北京大台井深部岩巷[3]开挖过程中，在复杂的地质构造带容易发生岩爆。

如褶曲、岩脉、断层以及岩层的突变等。

大台井各水平运输大巷均布置在急倾斜煤层底板中，煤层倾角大于75度。

这种特殊的地质构造，造成水平地应力较高，为铅垂地应力的2倍以上，因此形成了较高的构造应力。

天生桥水电站引水隧洞所通过地段的褶皱机制亦即构造变形特征显著不同。

因此，在构造变动地质历史中，不同地段能量的消耗与储存下来的能量多寡也就不同。

引水隧洞所处的尼拉背斜主要由灰岩组成，两翼平缓，为同心等厚褶皱，系弹性弯滑作用形成；除褶皱轴部及斜切，横切背斜的断层带岩石较破碎外，其他地段相对完整，岩层仍处在弹性压缩状态，残余应力并未完全解除，尤其翼部储存了大量弹性应变能；而坝盘－拉腰向斜由砂页岩互层组成，多个紧闭的相似褶皱组成复式向斜，系弯流作用形成，构造变形过程中，塑性－流动变形较大，岩石软而碎，弹性应变能储存较少。

因此，隧洞过尼拉背斜翼部地段有岩爆发生，过坝盘复式向斜段却无岩爆发生[12]。

锦屏辅助洞开挖中已证实，在断层破碎带及节理裂隙带发育区段无岩爆发生。

而断层破碎带附近完整岩体中，由于断层形成过程中的应力分异和后期可能的构造活动造成临近完整岩体中应力积聚，其储存的弹性应变能很大，当洞室开挖到此部位就易激发岩爆的发生。

据统计，开挖洞段强～极强岩爆90％以上都发生在断层带附近或紧靠背斜轴部。

围岩中的节理、层理和劈理等结构面亦有一定的影响，当上述结构面与洞壁或临空面平行时，在围岩切向应力作用下，岩体将沿此结构面拉裂，当切应力很高时就可能导致岩爆。

此外在背斜轴部因褶皱过程中积累和储存大量弹性应变能，当工程揭露到此部位时，储存的能量就会猛烈释放而造成岩爆发生[13]。

新疆齐热哈塔尔引水隧洞3＃、4＃施工支洞中在断层影响范围内发生的岩爆也证明在断层的下盘是应力较为集中，容易发生岩爆。

萝卜岗隧洞紧邻区域性大断裂，为汉源～昭觉断裂与金坪断裂两大断裂之间的基岩山脊隆起区，地应力相对较高[14]。

苍岭隧道[15] K97+650掌子面上的中等岩爆证明断层及节理裂隙区附近若存在较为完整岩体，或熔结凝灰岩中有花岗斑岩的侵入时易在周围完整岩体中形成应力增高带，隧道开挖经过该地段，能量的突然释放而产生岩爆的烈度将可能大于其他正常地段。