岩爆的形成机制分析

岩爆的形成机制分析

岩爆的形成机制十分复杂，搞清岩爆的形成机制，对隧道设计、施工、预测和防治至关重要。

4.6.2.1岩爆的形成机制

岩爆的形成机制，一般可从以下几个方面进行研究：

1、现场岩爆的详细观测及观测结果的分析，找出其规律性。

2、岩体及岩石性质试验分析，其中包括单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、点荷载强度、岩石弹性能量指数、岩石蠕变特性、岩石应力—应变全过程曲线、多轴应力下的强度等。

3、岩爆的室内模拟实验、应力及应变状态的分析等。

4.6.2.2岩爆的形成条件及影响因素

1、地层岩性条件

从地层岩性上看，并不是所有岩石都会产生岩爆，根据大量的现场调查发现，岩爆都是发生在新鲜完整、质地坚硬、性脆、抗压强度较高、没有或很少有裂隙的岩层中，如花岗岩、片麻岩、混合片麻岩等。那些结构松散、弹性模量小、抗压强度低、含水量高的岩石是不易发生岩爆的。

从能量观点出发，上述岩石具有良好的储能条件。这是通过分析岩石的全过程应力—应变关系解释这一现象的，并用岩石弹性能量指数W ET作为衡量岩爆产生的岩性条件，W ET

越大，岩爆的可能性越大。

所谓弹性能量指数是指岩石加载过程岩石积蓄的弹性应变能与岩石破坏时耗散的弹性应变能之比值。

2、地应力条件

从地形图可以看出，南吉顶沟高程900米，线路前进方向右侧高程1500米，左侧高程1200米，假设将隧道放大至左侧坡面切线方向，则隧道左侧荷载为零，右侧承受一偏压荷载P。从力学上分析，隧道偏压存在剪切应力，最大剪切应力发生在右侧拱顶至拱脚位置，隧道开挖后造成应力重分布，在围岩应力重分布调整过程中形成岩爆。现场岩爆发生位置恰在拱脚至拱顶位置，证明了地应力是岩爆发生的主要因素之一。

岩爆发生区段

3、岩爆与围岩应力的关系

从现场实际调查研究发现，隧道开挖后的应力状态与岩爆密切相关。洞室开挖后在掌子面和洞壁附近的围岩容易产生应力集中，最大环向应力σθ出现在距掌子面1倍洞径附

近，最大轴向应力σx出现在掌子面附近。岩爆发生的地点一般都在掌子面2倍洞径左右的地段，持续时间4小时左右，烈度和频率与掌子面的距离增大而逐渐降低。

4、岩爆与洞室埋深的关系

岩爆与洞室埋深有一定关系，一般来讲，隧道埋深越大，开挖时产生岩爆的烈度和频率就可能越大，但这种关系并不是绝对的。

5、岩爆与光爆效果

洞室的断面形状直接影响围岩应力分布及应力集中程度。从应力集中角度来看，圆形断面一般比较有利，具有较小的应力集中系数。与岩体的强度相比较，围岩在低得多的初始应力场中产生岩爆，这不仅是由于洞室开挖后围岩应力产生集中，而且由于爆破施工，洞壁凹凸不平增加了洞壁应力集中程度。从现场调查来看，光爆效果好，开挖轮廓圆顺，岩爆的烈度较小；光爆效果差，开挖轮廓线凹凸不圆顺，岩爆的烈度大。

根据国内外研究，可以认为引起岩爆的原因很多，影响因素复杂，如地层岩性、地应力状态、洞室埋深、围岩应力状态、开挖断面形状、开挖方法等等。但众多因素中，地层岩性和地应力条件是产生岩爆的决定因素，只有具备这两个条件，才有可能发生岩爆。

4.6.2.3岩爆的预测

岩爆的成功预测取决于多种因素，然而查明岩体初始应力场（地应力的大小及分布），则是问题的关键所在。岩体初始应力的测试多在工程的勘测阶段进行，采用的方法有：

1、实地量测

目前常用的量测方法有营钻法、水压致裂法、声发射法等。近年来这几种地应力测试手段，愈来愈为人们所重视。但是，实测常常受到费用高和测试条件的限制。

2、地质分析法

（1）借助宏观地质力学的方法，研究区域地应力场分布和大小。一般认为岩体的初始应力主要为构造残余应力与自重应力的叠加。高的构造应力主要位于地壳运动活动区。

（2）根据地形地貌的分析。某些地区上升剧烈，河谷深切，剥蚀作用很强，其岩体的初始应力大于自重应力。地形地貌造成应力集中，在高山峡谷地区，谷地为应力高度集中区。地形地貌造成应力释放，地形受密集的沟谷切割山体不雄厚的地方，构造残余应力不易储存。

3、工程类比法

可以同地质条件类似的邻区工程进行应力场量级的类比，如终南山隧道就采用了铁路隧道施工的地质资料。

4、利用反映高地应力的几种特异地质现象，预示岩爆的发生

如果岩体具有的地应力值，足以使洞室围岩发生岩爆的

话，它必然也会在前期的地质勘探和岩石力学试验中表现出来，其形态无疑与低应力时有显著不同，故称此为特异地质现象。它预视该地区具有较高的地应力场，并具备发生岩爆的条件。

在地质钻孔中，当岩心出现“饼化”现象时，即预示地应力较高。所谓“饼化”即从钻孔中取出的岩心呈有规则的椭圆形薄饼，岩饼厚薄不一，从几毫米到几十毫米。这同钻孔直径有一定关系，直径大，厚度亦大，反之则小。

在现场大型剪切试验以及用表面应力解除法做岩体应力测量试验过程中，当岩体四周被解除后（四周和母岩凿断），底部自动断裂，甚至被弹起，并伴有断裂声；或将岩样放置一段时间后，自行破碎时，即预示地应力较高。当地应力较高时，无论进行钻孔压力试验，或现场大型剪切试验及室内单轴压缩试验，其应力应变关系曲线，都可能出现异常。如加载时变形为正值，卸载到零稳定后变形出现负值，或加载时基本不产生变形，卸载出现较大的负变形。