地下工程施工中岩爆发生的判据及防治方法

地下洞室施工中岩爆的预测及防治方法（锦屏建设管理局工程一部周洪波）【题记】锦屏工程中有大量的地下工程，包括公路隧道、辅助洞、一二级地下厂房、二级引水隧洞等，岩爆是地下洞室开挖施工过程中应特别注意的问题。

本文总结了岩爆的特征、类型及分级，对引发岩爆的因素进行分析和归纳，并总结了岩爆可能发生的判据，由此可对岩爆的发生进行预测；通过对岩爆发生因素的分析及判据的总结，本文还总结了一些岩爆的防治措施，可在地下洞室施工中借鉴和应用。

岩爆是一种极为复杂的动力失稳现象，迄今为止，人们对其形成机理还无统一认识。

一般认为，岩爆是高地应力条件下地下洞室开挖过程中，因开挖卸荷引起洞室周边围岩产生应力分异作用，储存于硬脆性围岩中的弹性应变能突然释放且产生爆裂脱落、剥离、弹射甚至抛掷性等破坏现象的一种常见动力失稳施工地质灾害。

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。

为此，对在地下洞室开挖过程中是否发生岩爆和可能在哪些部位发生岩爆作出预测和判断，并制定必要的防治措施，以维持围岩稳定和施工安全十分重要。

一、岩爆的特征、类型及分级岩爆是岩体中聚积的高弹性应变能的一种具有代表性的释放现象。

岩爆是突发性的，主要表现为岩体急剧破坏，岩块由岩体表面上突然飞出，而且大部分发生在掌子面及附近的边墙上，与塌方、坍顶有明显不同。

简单地说，岩爆就是地下洞室周边围岩的应力集中，不能承受这种应力集中的岩石发生突然地脆性破坏，而从自由面剥落、弹出或抛射的一种现象。

岩爆的类型可以从多个角度描述，根据岩爆特征，考虑岩爆危害方式、危害程度及其防治对策等因素，可分为：片状剥落型、爆裂弹射型，爆炸抛射型、洞壁垮塌型。

还可将岩爆分为：（1）应变型：指地下洞室周边坚硬岩体产生应力集中，在脆性岩石中发生激烈的破坏，是最一般的岩爆现象；（2）屈服型：指在有相互平行裂隙的地下洞室中，洞室壁的岩石屈服，发生突然破坏，常常是由爆破振动所诱发的；（3）岩块突出型：是因为被裂隙和节理等分离的岩块突然突出的现象，也是因爆破或地震等而诱发的。

从发生规模的大小，岩爆基本上可飞为三类：（1）小规模的：是指在壁面附近浅层部分（厚度小于25cm）破坏，破坏区域仍然是弹性的；（2）中等规模的：指形成厚度0.25~0.75m环状松弛区域的破坏，但空洞本身仍然是稳定的；（3）大规模的：指超过0.75m以上厚度的岩体显著突出，很大的岩块弹射出来，这种情况采用一般的支护是不能防止的。

根据岩爆发生的剧烈程度，目前国内外大多以岩爆烈度将岩爆划分为轻微、中等、强烈、剧烈4级（见表1）。

二、引发岩爆的因素地下洞室施工中，引发岩爆的内在因素主要有围岩性质、地应力、地形地貌、活断层和地震等。

（1）围岩性质岩爆主要发生于坚硬脆性岩石中，岩石强度高，节理裂隙少，围岩完整性好，这些条件都有利于岩石积蓄弹性应变能。

如瑞士的ＳＬＡ198号岩体分类标准中，第一类中有岩爆，对应的指标：单轴抗压强度>100ＭＰａ，内摩擦角>40°，粘聚力>2ＭＰａ。

（2）地应力高地应力对岩爆的影响主要表现在：大埋深带来的岩体自重应力再加上地质构造运动而产生的极高构造应力，使得围岩的初始应力状态具有很高的量值，势必会给地下洞室的坚硬围岩带来岩爆问题。

岩体的自重应力和埋深是成正比的，当覆盖层达到一定深度时就可能出现岩爆。

实际上，岩爆并非仅发生在隧道所处的最大埋深位置，而可以发生在任意埋置深度的隧道中，这就让我们很自然地想到自重应力并非总是地壳应力场中的最大主应力。

随着地下岩体不同点原位应力大小与方向的精密测量技术的发展，揭示出：由于地质构造运动，至少在1000ｍ深度以内原位水平应力σＨ是垂直应力σｖ的数倍。

（3）地形地貌地形地貌是发生岩爆的一个重要因素。

地下洞室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(平行洞室轴线方向表现为坡脚和最大覆盖深度处，垂直洞室轴线表现为坡脚)也较易发生岩爆：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，洞室周边产生的应力进一步集中，同时在变坡地带还受到偏压，这样，对于脆性坚硬岩石就易于发生岩爆。

（4）断层及地震区域性大断裂(断层)，尤其是活动断裂(断层)，本身就反映了区域处于构造活动时期。

一般而言,在大的活动断层地带，其区域构造应力会有较高的量级。

另外，在隧道开挖接近断层带时，断层附近本身为一应力集中带，使断层附近的应力释放后叠加在隧道围岩之上，从而使岩爆频繁、严重。

地震对岩爆的影响主要表现为地震波对洞室周边产生一个动力响应，加剧了隧道围岩应力的释放，使岩爆发生更严重。

而引发岩爆的外在因素主要有施工方式、方法及开挖质量控制等方面，采用掘进机（TBM）等机械开挖方式、采取“短进尺、弱爆破”，采取光面爆破、预裂爆破，严格控制炮眼利用率、提高残孔率等都可以减少岩爆发生的概率。

三、岩爆发生的判据根据前述引发岩爆的主要因素，在地下洞室施工前，可根据勘测地质成果及工程经验拟定岩爆可能发生的判据。

从一些国家的规定和研究成果看岩爆发生的判据大同小异，这对在地下洞室勘测设计阶段，根据揭示的地质条件来判断岩爆的发生与否是有参考价值的，起码有一个基本判断依据。

一些国家和相关研究成果提出的标准和建议见表2。

表2相关岩爆判据表表中：σc——岩石单轴抗压强度；σmax——最大地应力；I s——岩石点荷载强度；σt——坑道周边切向应力；σL——岩石抗压强度。

实际上这些符号的意义是相关的，例如洞室周边切向应力（σt）通常是地应力值的2倍，即：σt ＝2σmax。

而I s与σc，σc与σL都是有关的，因此，在评价岩爆发生程度时，主要采用岩石强度和最大地应力这两个指标。

根据上述岩爆发生的判据结合经验观察，可总结出如下一些岩爆发生的基本条件：（1）岩石单轴抗压强度：σc>80MPa（至少>60）岩爆基本上是在坚硬的硬岩中发生的。

（2）岩质和岩性：坚硬、脆性岩石脆性是指，岩石达到峰值强度后，急剧断裂，可用岩石的脆性指数表示。

岩石的脆性指数是岩石峰值强度的总变形与永久变形之比，比值越大，脆性越高。

表2岩石脆性指数与岩爆的关系（3）岩体结构：完整或基本完整因为完整和比较完整的岩体，积聚有很大的弹性应变能量，这是发生岩爆的必要条件之一。

（4）地应力场的应力值：σmax和σmin地应力值是表示岩体内积聚的弹性应变能的具体指标。

一般来说，地应力在岩体中是三维存在的，但为简单计，在一般情况下可用地应力的最大值表示，即最大地应力值越大，积聚的弹性应变能越大，当岩石弹性应变能的积聚量达到岩石岩爆临界弹性能时，就将发生岩爆。

因此，可用下述指标判定岩爆发生的强度：σmax>0.25σc：严重岩爆；σmax=0.15~0.25σc：中等岩爆；σmax<0.15σc：轻微或不发生岩爆。

工程实例中的σmax/σc比值，多数在0.1~0.4之间，在0.2~0.3之间出现的频率较高。

岩爆的发生与σmax/σmin的比值有关，从工程实例看，都发生在比值大于1.5的情况下，这也可以作为岩爆发生的一个判据。

（5）岩爆的发生与洞室轮廓的平整度有关在同等地质条件下，采用掘进机（TBM）等机械开挖方式，可能不发生岩爆，而采用钻爆法施工的隧道则可能发生岩爆。

这是因为钻爆法在洞室轮廓上造成的超欠挖会造成应力的局部集中。

因此，控制超欠挖也是控制岩爆发生的重要措施。

四、岩爆的防治通过大量的工程实践及经验的积累，目前已有许多行之有效的防治岩爆的措施，归纳起来有主动和被动两方面的措施，包括改善围岩应力条件以及改变围岩性质的措施、完善施工方法的措施、采取加固围岩措施、采取防护措施等等。

1、改善围岩应力条件从强度理论角度看，岩爆是一种破坏，伴随着破坏释放能量而造成震动、抛投、坍落、堵塞等灾害，因此如果能使围岩应力小于围岩强度就不会发生岩爆。

要达到这个目的，可以从设计与施工角度采用下述几种办法：（1）在选择隧道及其它地下结构物位置时，应布置使其长轴方向与最大主应力方向平行，这样做可以减少洞室周边围岩的切向应力。

（2）在设计时选择合理的开挖断面形状，以改善围岩应力状态。

（3）在施工过程中，爆破开挖采用短进尺、多循环，也可以改善围岩应力状态，这一点已被大量的实践所证实。

（4）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。

为达到此目的，可以打超前钻孔、切槽或在超前钻孔中进行松动爆破，这种防治方法也称为超应力解除法。

2、改变围岩性质在我国煤炭部门，广泛使用对煤层预注水法以改变煤的变形及强度特性，即注水软化的方法。

3、完善施工方法（1）有条件时采用掘进机（TBM）等机械开挖方式，发生岩爆的概率就要小得多。

（2）高地应力区地下洞室施工过程中，采取“短进尺、弱爆破”，可以降低岩爆的发生频率。

（3）钻爆开挖过程中采取光面爆破、预裂爆破，严格控制炮眼利用率、提高残孔率等都可以减少岩爆发生的概率。

4、采取围岩加固措施地下洞室开挖后，及时进行支护，也能有效减少岩爆。

（1）喷砼及喷钢纤维砼地下洞室开挖后，及时对洞室周边及掌子面喷砼或喷钢纤维砼，能减弱甚至消除岩爆。

另外，岩面被覆盖后，若岩爆继续发展，也可以从喷层的开裂、剥落观察出来。

（2）系统锚杆其作用主要是防止洞室周边及掌子面岩体壁裂、剥落、岩块塌落。

膨胀锚杆，一种用来对掌子面进行加固的锚杆，锚杆长度一般为两倍的爆破进尺深度。

在一个循环的爆破之后，仍有一部分锚杆存留在岩体中对掌子面起着加固作用。

膨胀锚杆施作过程中，掌子面岩体中应力被较多数量的锚杆孔部分地解除了，所形成的应力松弛尽管较小，但对于可能发生岩爆围岩体的应力解除是有效的。

（3）钢丝网、钢支撑在某些特殊情况下，如岩爆发生频繁且较剧烈，通常采用钢丝网或钢支撑配合喷锚支护对围岩进行加固。

5、采取防护措施避免岩爆威胁施工人员、设备的安全的最后手段是积极进行防护，主要是躲避及遮挡防护及清除浮石二种。

岩爆一般在爆破后1h左右比较激烈，以后则逐渐趋于缓和，多数发生在1~2倍洞室直径范围以内，所以躲避也是一种行之有效的方法；对无法移动的设备，则应进行必要的遮挡防护。

岩爆现象是在埋藏深度大和地应力比较高的地下洞室开挖过程中经常会遇到的工程地质问题之一。

岩爆不是岩质破坏或破损的体现，而是岩体内积聚的弹性应变能的突然释放，是岩体应力超过极限、具有爆裂和弹射岩石的现象。

通过以上对岩爆发生因素的分析和归纳，并总结了岩爆可能发生的判据，可对岩爆的发生进行预测；通过预测，可有针对性的采取一些措施来减弱、减少岩爆，或采取一些措施进行防护，以将地下洞室施工过程中岩爆的危害降到最低程度，而减少损失并保证工程顺利进行。