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335000

2 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，北京，100029

3 中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津，300222

4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。