隧道工程学读书报告

读书报告一：岩爆

一、岩爆现象及其研究现状

岩爆是围岩处于高应力场条件下所产生的岩片（块）飞射抛撒，以及洞壁片状剥落等的现象。岩体内开挖地下厂房、隧道、矿山地下巷道、采场等地下工程，引起挖空区围岩应力重新分布和集中，当应力集中到一定程度后就有可能产生岩爆。在地下工程开挖过程中，岩爆是围岩各种失稳现象中反映最强烈的一种，是地下施工的一大地质灾害。

国内外众多岩爆研究成果和大量岩爆实际资料和试验数据表明：发生岩爆，除了岩体应力（地应力或初始应力）必须大于岩石单轴抗压强度的某一百分数之外，岩石还应该是脆性的、坚硬和完整的或比较完整的，同时岩石的弹性应变能需要比岩石破坏耗损应变能大很多。反之，不会发生岩爆。

对于岩爆的研究现状，国内外学者提出了多种岩爆判据和岩爆分级，分析了岩爆的发生机制，提出了各种岩爆预测的方法。

二、岩爆的分类及其发生机制探讨

岩爆的特征可从多个角度去描述，目前主要是根据现场调查所得到的岩爆特征,考虑岩爆危害方式、危害程度以及对其防治策略等因素，分为破裂松脱型、爆裂弹射型、爆炸抛射型。

从规模来看，岩爆可分为小规模岩爆（壁面附近浅层厚度小于25cm部分的破坏）、中等规模岩爆（形成厚度0.25～0.75m的环状松弛区域的破坏）和大规模岩爆（超过0.75m的岩体显著突变，很大的岩块弹射出来）。

根据发生的条件和机制，岩爆可分为应变型、应变-结构面滑移型和断裂滑移型。不同类型的岩爆孕育规律和机制不同。

从发生的时间来看，岩爆分可为即时型岩爆和时滞型岩爆。

由于岩爆是极为复杂的动力现象，至今对地下工程中岩爆的形成条件及机理还没有形成统一的认识。有的学者认为岩爆是受剪破裂，有的学者认为是张破裂；还有一种观点把产生岩爆的岩体破坏过程分为：劈裂成板条、剪（折）断成块、块片弹射三个阶段式破坏。

文献[2][3]对岩爆及其附近区域实时监测到的微震信息进行了矩张量分析，研究了即时型岩爆和时滞型岩爆的机制。结论是：1.对于即时型岩爆，岩爆孕育过程经历了张拉破坏、剪切破坏、拉剪混合型破坏或（和）压剪混合型破坏；2.对于时滞型岩爆，岩爆区初期微震事件以拉伸、剪切及拉剪混合型破坏为主，再以沿破坏面扩展的拉伸破坏为主，之后由一个明显的“平静期，最后以剪切破坏为主导。

三、岩爆预测现状

岩爆至今仍是岩石力学世界性难题之一，目前国内外还没有关于岩爆预测预报公认的、成熟的理论和方法。我国一般岩爆按设计和施工两阶段进行预测预报。

在设计阶段，根据隧道工程地质勘察资料，结合现场实测诸钻点的地应力值，通过反演得出隧道区域内的初始应力场。然后通过数值分析所得隧道各分段洞周应力值，结合室内岩石试验，利用不同判据，得出设计阶段各洞段可能发生岩爆及其级别、并在设计中提出相应对策。

在施工阶段，隧道开挖后，及时采用应力解除法，对洞壁直接进行应力测试，同时采集隧道内岩样进行室内试验或用回弹仪测出该洞段岩石抗压强度，利用不同判据，得出比设计阶段更为符合实际的该洞段的岩爆发生及其级别，以便及时采取防治对策。在此阶段有两个值得注意的问题：1.勘测期的地应力值与施工阶段实测的不一定一致，因此施工期要直接对围岩进行表面或浅部应力进行测试；2.数值分析方法要选择合适的本构方程和恰当的岩体力学参数。

此外，还可以在现场利用声发射法进行监测。无论是室内试验还是现场监测资料均表明，岩体（石）破裂声发射信号急剧增加都超前岩石（体）的变形破坏。利用声发射仪可探测潜在的岩爆位置。声发射法是最直接的预报方法。知道隧道岩爆可能发生部位，则可及时采取相应的防治措施。

在岩爆预测预报方法中，岩体电磁辐射监测预报法被认为是很有前途的。这一方法是依据完整岩石压缩变形破坏过程中，弹性范围内不产生电磁辐射，峰值强度附近时电磁辐射最强，软化后无电磁辐射的原理，采用特制的仪器，现场监测岩体变形破裂过程中发出的电磁辐射“脉冲”信号，通过数据处理和分析研究，预报岩爆。

四、岩爆防治现状

我国关于岩爆的防治也是按设计和施工两阶段进行。

在设计阶段，对于隧道线路选择，应该尽量避开易发生岩爆的高地应力集中地区。当难以避开高地应力集中地区时，要尽量使隧道轴线与最大主应力方向平行布置，以减小应力集中系数，防止发生岩爆或能够降低岩爆级别。隧道断面选择尽可能用圆形，不可能时可用城门洞形(即上圆下方形)，使隧道断面有利于减少应力集中。

在施工阶段，目前已有许多行之有效的治理岩爆的措施。归纳起来有：加固围岩、加防护措施、完善施工方法、改善围岩应力条件以及改变围岩性质等。具体情况举例说明如下。

为了改善围岩应力条件，可以采用应力解除法，即在围岩内部造成一个破碎带，形成一个低弹性区，从而使掌子面及洞室周边应力降低，使高应力转移到围岩深部。为达到这一目的，可以打超前钻孔或在超前钻孔中进行松动爆破。

为了改变围岩性质，目前广泛采用注水软化法。煤层压力注水一般有两种方式：一是在煤层开采前进行压力预注水，使煤体湿润，减缓和消除煤的冲击能力；二是对工作面前方局部应力集中带进行高压注水，以减缓应力集中，这是一种局部解危措施。

对于施工安全措施，主要有躲避及清除浮石两种。岩爆一般在爆破后1h左右比较激烈，且多数发生在1～２倍洞室直径范围内，所以躲避是一种行之有效的方法。在拱顶部位由于岩爆所产生的松动石块必须清除，以保证施工的安全。对于破裂松脱型岩爆，弹射危害不大，可采用清除浮石的方法来保证施工安全。

五、岩爆预测不足

在设计阶段，岩爆的预测方法主要根据隧道或矿采区地质勘察资料和获得的现场诸钻点地应力值，反演得出隧道区域或矿采区初始应力场，然后通过数值分析得到隧道或矿井各分段洞周应力值，结合室内岩石试验，利用不同判据，得出各洞段可能发生岩爆及其级别。但是，岩爆的发生是多种因素共同作用的结果，目前许多判据是在不同角度对岩爆现象分析研究基础上提出的，而且往往通过单一因素或很

少因素对岩爆预测，这难免具有局限性和人为因素的影响，使得预报岩爆发生与否具有不确定性。

在施工阶段，岩爆的预测预报方法主要是对隧道或矿井围岩(煤岩)直接进行测试，利用不同判据，得出比设计阶段更符合实际的岩爆发生及其级别.这同样因许多判据只考虑了单一因素或很少因素，使得岩爆发生与否仍有不确定性。因此，至今尚无一套公认完善的岩爆预测方法，仍需进一步共同研究。

六、岩爆预测发展方向

国内外众多学者先后从不同角度，运用不同手段对岩爆现象进行了分析，许多系统工程的理论也应用于岩爆预测中。

目前研究较多的有模糊数学、突变理论、遗传算法以及BP神经网络等，这些方法都取得了一定的效果，但所考虑的岩爆影响因素较少，且各影响因素的重要性主次关系也不明确，具有一定局限性。

文献[4]采用了一种新的数学方法，将层次分析法(AHP)和逼近理想解排序法(TOPSIS)相结合应用于岩爆预测中。文献运用TOPSIS法综合考虑了岩爆发生的十多种因素，同时AHP法可以较为客观地给出各影响因素的权值，使二者的结合使用为提高岩爆预测的准确性提出了新的思路。

另外，用地震学方法预测预报岩爆是值得重视的，可作研究方向之一。岩爆实质上是因在高地应力岩体或矿体中进行掘进或开采，引起岩体或矿体中聚集的应变能突然释放，诱导了人工地震即岩爆的发生。因此，有学者基于地震学提出了一种岩爆预报的物理学方法。目前该方法的预报成功率可达35%～60%。

文献[5]提到，用真三轴试验机对可能发生岩爆区的岩石试件进行实际岩爆仿真试验是更具有前途的岩爆预测预报的方法。目前，以何满潮教授为首的科研小组用真三轴试验机进行的岩爆仿真试验，可以判断该岩石所在区是否发生岩爆，什么情况下发生岩爆，是对岩爆预测更具有工程试用性的方法。