对岩爆问题的探讨

岩土工程界　第8卷　第11期地下工程

　〔收稿日期〕　2005-6-14对岩爆问题的探讨

艾　凯1　孙　路2　刘元坤1　尹健民1 (1.长江科学院岩基研究所　2.上海勘测设计研究院)

摘　要　介绍岩爆发生的机制、岩爆的特征及分类,并对岩爆的预测和防治进行了探讨。关键词　岩爆　预测　防治

岩爆是矿山坑道、水电洞室、交通隧洞等地下工程的一大地质灾害。这种现象首次报道于1738年,发生在英国的锡矿山。到目前为止,在世界范围内,已有二十多个国家和地区频繁发生。随着世界的发展,人类对各种矿产资源、能源和交通运输的需求日益增加。越来越多的工程将修建在长、深、密集的地下洞室中。岩爆灾害也将日益突出。因此探讨岩爆的机理、有效的预防岩爆是一个具有理论和实际意义的研究课题。

1　岩爆发生的机制

在地下洞室的修建过程中,由于开挖使地应力重分布,围岩应力集中,在洞壁平行于最大初始应力σ

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的部位,切向应力梯度显著增大,洞壁受压导致垂直洞壁方向产生张应力。这种应力的作用和不断增强,首先产生环向的张裂或劈裂,进而发生剪切破坏。一旦岩块被剪断,且又具有较高的剩余能量时,致使岩块发生弹射,完成由弹性势能到动能的转换,形成岩爆。岩爆造成的破坏主要呈两种破坏形式:劈裂破坏和剪切破坏。

岩爆的产生有外部和内部两方面的原因。其外因在于:岩体中蓄存有高地应力,特别是地下洞室的开挖,改变了岩体赋存的力学环境,其内因是岩石矿物结构密度、坚硬度较高。由地应力评估岩爆发生的可能性,需从应力对地下洞室成洞性的影响入手,但后者的影响因素很复杂,有应力大小、最大主应力与地下洞室轴线的相对方向、地下洞室横断面内的最大主应力及应力差大小等.目前有关岩爆的形成机理主要有:强度理论、刚度理论、能量理论、失稳理论等。

(1)强度理论认为围岩的切向应力与岩石单向抗压强度决定了岩爆是否发生以及岩爆的强烈程度,根据统计规律和经验判断建立了用抗压强度与围岩切向应力比值确定岩爆发生的准则。如: Russenes岩爆判别法、Turchaninov岩爆判别法、Hoek岩爆判别法。

(2)刚度理论认为岩爆取决于岩石加载过程的刚度与应力达到峰值以后卸载过程的刚度比值。当该比值小于1时,认为岩爆有可能发生。

(3)能量理论认为岩体在力学系统平衡状态破坏时释放的能量大于消耗的能量则发生岩爆。它由波兰采矿科学院A.奇代宾斯基于60年代提出的。通过判断弹性应变能指数W

ET

(弹性应变能与塑性应变能的比值)的大小来确定岩爆是否发生。

(4)失稳理论认为围岩组成的变形系统处于不稳定平衡,失稳后变到新的稳定平衡状态的过程。处于平衡状态的变形系统,其势能必有驻值。平衡状态是否稳定,取决于驻值是极大值还是极小值。变形系统有驻值时,势能∏的一次变分为零;势能∏的二次变分小于零,则系统势能为极大值,系统为不稳定平衡。δ2∏<0即为发生岩爆的失稳准则。岩爆发生应同时满足围岩的强度准则与失稳准则,他们是岩爆发生的必要条件。

2　岩爆的特征及分类

岩爆是高地应力地区岩石地下工程中的一种常见灾害。它常常表现为片状剥落、严重片帮,有的伴有声响及岩片弹射、能量猛烈释放、洞室突然破坏,往往给人员、设备和建筑的安全带来巨大损失。根据国内外实例。可将岩爆划分为水平应力型、垂直应力型和混合应力型3种主要类型。水平应力型岩爆主要发生在最大初始应力近于水平的高应力区,主要特征是岩体中的水平应力远大于垂直应力。垂直应力型岩爆主要发生在以重力为主,积累大量弹性应变能的地区。最大主应力近于垂直,水平应力较小。垂直应力型岩爆释放的是重力长期作用积累

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地下工程GEOTECHN I CAL ENGI N EER I N G WORLD　VOL.8　No.11

的弹性应变能,是岩体的弹射破坏,而不是现代重力

场作用下的冒顶或塌方。因此,对于水平洞室、巷道

来说,垂直应力型岩爆发生的部位在洞壁的两侧,即

由于洞室的开挖在两侧应力集中的区域。而不同于

发生在洞顶,在自重作用下仅作自由落体运动的塌

落破坏。因此在地下洞室的开挖过程中,要加强洞

室两侧岩壁的防护和支撑。混合应力型岩爆主要是

水平应力、垂直应力、剥蚀残余应力以及边坡应力联

合作用的结果。

由于存在有各向异性的变形特性和层状结构,

应力集中效应要比理想均质材料更为明显,相应的

应力集中系数有可能成倍地增大。

3　岩爆的影响因素

岩爆的影响因素很多,可以分为两个方面:一为

自然因素,如地质条件。二是人为因素,比如开挖洞

室的断面形状、尺寸、设计布置的空间位置以及施工

方法等等。

(1)岩爆与地应力的关系。前人研究一般认

为:岩体处在能使其变形或破裂的高地应力的作用

之下。许东俊认为岩爆的地应力条件还有:洞室围

岩要存在岩爆应力状态,即径向应力为零的双轴应

力状态和径向应力为最小主应力的真三轴应力状

态。地壳的应力可以分为自重应力、构造应力等。

隧洞埋藏深度变化直接引起自重的变化,因此岩爆

与隧洞埋深有着密切的关系。根据经验,一般埋深

超过1000m,在这种情况下。开挖隧洞不是岩爆会

不会发生,而是如何控制岩爆的等级。对于发生岩

爆的最小埋深的判断,侯发亮教授提出了以下的判

断公式:根据工程需要,对于岩爆的临界埋深需要一

个大致的了解,以便在设计和施工过程中作好防范。

针对在深埋隧洞的地应力是以自重为主,在不考虑

构造应力的情况下的判断岩爆的临界埋深判据为:

H CR=0.318(1-μ) (3-4μ)γ

σ

c

式中μ—岩石泊松系数;γ—岩体容重;σ

c

岩石单轴抗压强度。

公式表明,只要上覆岩层厚度大于公式计算的临界埋深值,岩爆就可能会发生。

另外在浅部,因为有时水平应力比垂直应力大得多,有时也会发生岩爆。比较典型的是瑞典Fors2 mark核电站的事例,其冷却水隧洞仅在地下5～10m处,在其建造过程中也发生了岩爆。原因在于该处的水平地应力很大,最大可达30MPa。

(2)岩爆与岩性的关系,国内外学者大都认为岩爆经常发生在坚脆的岩体内。坚硬的块状岩体(花岗岩、混合岩)较层状岩体易产生岩爆。原因是前者积蓄的能量较大,破坏形式表现为岩爆;而后者多表现为隧洞围岩的变形,如鼓胀、弯曲等。

(3)岩爆与地质构造的关系。人们从工程实践中发现,岩爆易于发生在褶皱地区,特别是靠近褶曲的核部地区,此处构造应力集中。在断层带、破碎带、节理密集带等破碎岩体内不易产生岩爆,而在距离断层较近的完整岩体内易于发生岩爆。地质构造面对岩爆也有明显的影响。在研究断层与岩爆关系时,需要注意对断层力学性质的研究。一般在断层的下盘往往岩体比较完整应力也易于集中,因此岩爆的级别比较高。另外,在地下水丰富的洞段(断层水、裂隙水、岩溶水等)不易产生岩爆,在干燥洞段则易发生岩爆。此外,高水头承压水与岩爆的关系也需要加以注意。因为高水头承压水使洞室应力复杂化。

(4)人为的在洞室断面设计上可能使得应力集中的程度不一样。另外,施工工程中的爆破也可能诱发岩爆的形成。

总的来说,岩爆的产生条件(因素)是极为复杂的,不可能用一两个条件(因素)或指标就能准确地确定岩爆是否发生和其强度,但这些判别标准在应用上还是具有一定的现实意义的。因此在施工工程中对岩体进行监测,并对岩爆进行预测是十分重要的。

4　岩爆的预测

岩爆的预测是人们关心的重要问题,但研究进展缓慢,目前工程中常用的办法多是:

(1)根据上述理论得到的岩爆发生准则与洞室应力估算值配合进行岩爆预测。

(2)模糊识别方法。在岩爆预测研究方面,国内外学者为合理处理多因素评价影响不一致的问题,采用模糊数学工具、神经网络方法等进行评价。在模糊数学的应用方面,一般采用模糊综合评判法,即先对岩爆倾向性程度进行分类,并根据智能专家系统对各主控因素进行权重分配,然后计算具体岩石岩爆特征因素的加权平均值,根据评分的高低,决定其岩爆程度的分类。但是,该方法在合理进行权重分配方面实际操作性差,过分依赖主观因素,容易影响评价结果。

(3)根据地形、地质构造和洞室埋深进行统计,

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