岩爆形成条件、预测预报与防治

岩爆形成条件、预测预报与防治

岩爆是高地应力条件下地下工程开挖过程中,硬脆性围岩因开挖卸荷导致洞壁应力分异, 储存于岩体中的弹性应变能突然释放, 因而产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。它直接威胁施工人员、设备的安全, 影响工程进度, 已成为世界性的地下工程难题之一。

一、岩爆形成机理分析

综合分析岩爆形成机理，可从内因和外因两个方面解释岩爆。在高地应力区开挖硐室、围岩岩体结构、水文地质条件、地质构造和地形地貌可以构成岩爆形成的内因。从外因方面来说，硐室开挖施工和钻爆发施工、地震也可以诱发岩爆。

1、高地应力

形成岩爆的必要要件是应变能储集, 其力学条件满足: 原岩处于高地应力环境和洞室开挖后形成二次应力高度集中。

（1）原岩初始高地应力环境根据勘察资料显示, /值为2. 1～7. 0, 达到高应力和极高应力水平, 具备了岩爆形成的条件之一。式中: -岩石饱和抗压强度(); -垂直于隧洞轴线方向的最大初始应力()。

（2）洞室开挖后形成二次应力高度集中在高及极高应力区开挖隧洞, 必将扰动原岩的初始应力状态,破坏隧洞周围岩体初始应力平衡, 从而导致应力重新分布。当重新分布的围岩应力超过岩爆临界应力, 则产生岩爆。

（3）岩爆发生在洞室围岩内dσ3/ (σ1-σ3)正增长期增长很快的那一范围d σ3/ (σ1- σ3)越高,越易引起岩爆,因为高的dσ3/ (σ1-σ3)抑制了围岩静态破坏与位移，dσ3/ (σ1-σ3)亦可理解为高应力区中σ3的变化,它与岩爆的关系是:在一定应力环境中,围岩内高应力环境(高的σ1-σ3)中最高σ3部位(可直观判读)最容易引起岩爆。

2、围岩岩体结构

（1）在深层岩浆岩或片理、片麻理不发育的变质岩中发生的岩爆往往强烈程度较大,使得岩片(块)常呈弹射状抛出。而在片理、片麻理发育的变质岩中发生的岩爆则往往强烈程度较小,主要为劈裂或剥落形式。这是由于片理、片麻理发

育的变质岩,其岩石颗粒呈明显的定向排列现象。在颗粒定向排列的方向上易产生应力集中,该方向上的微裂纹最易发生扩展或产生沿粒间的滑动。这样就在定向排列的方向上构成了一个相对较弱的面,使得岩石可以在不太高的应力下就可沿该面破坏。从而往往难以发生强度较高的岩爆,而以劈裂或剥落形式为主。对于矿物颗粒不呈定向排列的岩石,如花岗岩、花岗闪长岩、石英岩等,颗粒随机排列,即不存在某一方向上相对力学强度较低的面。这样的岩石有利于聚集较高的应力状态,而且也只有在较高的应力状态下才可能使岩石发生破坏。因而一旦发生岩爆,往往具有较高的强烈程度。

（2）岩石颗粒间联接主要有结晶联接和胶结联接两种。结晶联接是相同矿物或不同矿物的晶面彼此直接联接,是与矿物晶粒同时形成的。胶结联接则是在成岩过程中矿物颗粒被胶结物胶结而形成,这是沉积岩的颗粒联接特征。结晶联接比胶结联接更牢固,因此具结晶联接的岩石往往比胶结联接的岩石强高更高,更不容易破坏。具结晶联接的岩石往往只有聚集较高的应力状态及较高的弹性应变能时才有可能使岩石发生破坏,所以岩爆的发生一般表现为较强烈的弹射或抛掷现象。而胶结联接由于是通过强度相对较低的胶结物(与岩石矿物相比)将岩石矿物联系起来,因而在岩石中形成了一些相对薄弱的环节,使得岩石的强度有所降低。在没有聚集很高的应力下就有可能发生破坏,所以发生岩爆时一般强烈程度较低,多表现为劈裂或剥落形式。同时,胶结物的成分,对岩爆发生的强烈程度也有着重要的影响。与前面的分析相似,由于硅质和铁质的胶结作用强,其岩爆的发生也往往较强烈,常表现为弹射或抛掷现象。而钙质胶结物强度较低,不利于应变能的聚集,岩石发生岩爆时一般强烈程度不高。泥质胶结作用最弱,以泥质胶结为主的岩石一般强度低,发生岩爆的的可能性很小。迄今见诸报道的仅在二郎山公路隧道的砂质泥岩中发生了爆裂松脱、剥落为主的轻微岩爆现象。

（3）假设无论在压应力下或张应力下裂纹都是张开的,得出了如下结论:当β=arctan时,该方向上的微裂纹最易扩展; 当β= 0 或β=arctan

时,裂纹最不易扩展。式中:β为加荷方向(最大主应力方向)与裂纹方向的夹角; φ为裂纹面上的内摩擦角。当岩石中的裂纹大多表现为不易扩展时,岩石的强度较高,不易发生破坏。而一旦发生岩爆就往往很强烈。当岩石中的裂纹大多表现为易于扩展时,说明这些裂纹在排列上具有大致一致的方向性。因此较易扩展并

相互连通,则其强度较低,较易破坏。一旦发生岩爆,其强烈程度一般不高,主要表现为沿优势裂纹方向劈裂或剥落。可以看出,微裂纹方向对岩爆的影响与宏观结构面产出状态对岩爆的影响具一定的一致性。

3、水文地质条件

多资料研究表明, 岩石的含水量对岩爆的产生起着极其重要的作用, 而高含水量可降低岩体储存弹性应变能的能力和岩体强度。引水隧洞区气候干燥少雨, 河谷岸坡陡峻, 地下水不丰富,围岩岩体干燥或潮湿, 因而满足产生岩爆形成的水文地质条件。

4、地质构造

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等特别是向斜的轴部岩层存在较大的地应力聚积有大量的弹性应变能，一旦进行开挖或开采,就有可能产生岩爆。

5、地形地貌

地形地貌是深埋长隧道岩爆的一个重要因素,隧道发生岩爆的地段通常位于壮年期的山体中, 山体一般陡峻呈浑圆状,这样的地形地貌通常也反映了山体岩体质量好,岩石坚硬且抗风化能力强,岩石易于积蓄弹性应变能。而地形变坡地带(平行隧道轴线方向表现为坡脚和最大覆盖深度处,垂直隧道轴线表现为坡脚) 。一方面受山体岩体应力的传递,在地形变坡地带的应力集中程度就较高,一旦隧道开挖,隧道周边产生的应力进一步集中,同时在变坡地带还受到偏压,对于脆性坚硬岩石就易于发生岩爆。

6、工程施工对岩爆的影响

工程施工对岩爆的影响可以从硐室开挖深度和硐室的形状、尺寸两方面来分析。

（1）开挖深度（埋深）。通常埋深越大，地应力就越高。前文中提到高地应力是影响岩爆发生的主要外因，而开挖深度与地应力的变化密切相关，因此考虑开挖深度也是研究岩爆影响因素的重要方面。

（2）硐室的形状、尺寸。通过分析圆形硐室和非圆形硐室（直墙圆拱形）的应力状态可知，在同样的应力环境条件下，圆形硐室应力集中效应小于非圆形硐