岩爆形成条件、预测预报和防治

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dσ3/ (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室，因此圆形硐室发生岩爆的烈度和概率都要低于非圆形硐室。可见开挖硐室的轮廓形状、尺寸与岩爆的发生有密切关系。

7、爆破、地震等诱发因素

爆破、地震是触发岩爆的一个重要外因。一旦遇有爆破或地震，由此产生的巨大弹性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，使得处于临界状态的岩体受到扰动而发生突然失稳破坏，使岩爆发生更严重。据不完全统计有20%左右的岩爆是由爆破或地震等因素所引起的。

二、岩爆的预测预报

1、根据特殊的地质现象进行宏观预测。这些特殊的地质现象诸如:钻孔岩芯饼裂现象;现场大剪试验或表面应力解除时,岩体四周被解除后,底部会自动断裂,甚至会被弹起,并伴有断裂声等;应力- 应变全过程曲线异常等。这些现象多预示着该区岩体具有较高的地应力,可以帮助判断岩爆是否会发生。

2、声发射现场监测预报。根据李强(1994) 和Langstaff(1977)资料,无论是室内试验,还是现场初步监测结果,结果都表明:声发射信号急剧增加都超前岩体(石)的变形破坏,根据这一特点,可以将岩体声发射技术推广应用到岩爆监测预报中去。

3、判据现场测定预测法。国内外学者多将有限元计算的开挖断面切向应力和岩石单轴抗压强度之比值作为岩爆判据.

4、电磁辐射监测预报法。该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烈，软化后无电磁辐射这一原理，采用特制的仪器，现场监测岩体变形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，来预报岩爆。这一方法首先由俄罗斯学者提出，我国王来贵等人也在开展具体应用研究工作，目前该方法主要应用在煤爆监测预报领域。

5、地质超前预测法。岩爆的发生不仅取决与地应力条件，还与岩性及其分布特征、岩体结构、断裂和地下水状况及其他扰动因素有关，岩爆往往发生在硬脆性夹层侧。

6、微重力法。微重力法是采用物探的方法对岩爆进行预测，其理论基础是脆性岩石的“扩容”现象，即岩石在应力的作用下，力学参数会发生明显的变化，当其应变超过其临界值时，岩石的体积会突然增大，此时岩石的微重力异常变化是由正到负，岩爆发生前，处于临爆状态度岩石出现负重力异常极值，所以可以用微重力量测值作为岩爆发生的准则。当重力异常长时间处于正常水平上，则岩爆不可能发生。

7、樊建平提出了用岩石单轴饱和抗压强度()与最大主应力()的比值作为评价岩爆发生的条件进行预测，当=3～6 时就会发生岩爆，小于3可能发生严重岩爆。

8、分形理论。谢和平、李玉生运用分形几何学的方法，用分形的数目与半径的关系考察微震事件的位置分布，发现微震时间具有集聚分形结构。岩爆发生前，微震活动的积聚程度明显增加，并相应地出现在一个主岩爆临近发生时。分形理论更多的是从现象学的角度对岩爆发生给予定性描述，在定量说明岩爆发生原因和破坏过程方面尚有大量工作要做。

三、岩爆防治措施

1、钻孔卸压。就是在有能量积累的岩体上钻一系列孔,造成吸收岩体变形的一定空间,使集中的应力向深处转移,这种“釜底抽薪”的办法,有效地防止了岩爆破裂片向巷内喷出。然而,要发挥钻孔卸压的作用还必须保证适时投入和一次到

位,也就是说钻孔距应力集中核心的距离,以不会诱发岩爆为最佳钻孔长度,波兰

学者认为3.4倍的层厚,我国学者有的认为6-9米或3.5-4米。

2、超前爆破应力解除。在掌子面钻爆的同时,将部分周边孔和辅助孔加深至1. 5～2. 0倍孔深, 孔底装1/2支炸药, 与开挖爆破同步起爆, 针对下一循环开挖起到预先爆破松动的作用, 起到了一定的消除岩爆效果。

3、机械胀壳式预应力锚杆抑制岩爆。初喷混凝土后, 周边随机安装胀壳式预应力锚杆, 尤其是拱肩部位, 利用胀壳式锚杆的迅速锚固作用抑制岩爆, 中等岩爆区效果明显, 按照设计系统支护( 锚网喷)全部实施, 基本能有效抑制岩爆

发生。

4、通过加强钢筋网配置抵抗岩爆。采用φ22钢筋交错连接锚杆, 形成加强钢筋网, 同时在前期施工的大部分岩爆较强洞段均采用了型钢拱架跟随掌子面

支撑抵抗岩爆。

5、岩层注水法防治岩爆。此法的基础是岩石因含水量的增加而软化这一特点，如果从岩石力学性质方面来看，岩层注水后，岩石的强度降低，弹性模量下降，泊松比增大，其内部粘结力减少，从而导致岩石的力学性质发生改变。

6、光面爆破开挖技术。采用光面爆破，减少周边孔径，使用φ22 mm 小药卷和瞬发雷管，降低同段起爆药量，尽量消除隧道内爆破作业诱发岩爆的因素，并使开挖掌子面周边基本圆顺，减少隧道壁上岩体表面聚能结构的数目，尤其要避免出现棱角状突起或凹面，以防止产生新的局部应力和能量的聚集；同时对隧道壁中已经松动的岩块基石进行清除，减少岩爆岩块的数量。

7、改变围岩力学性质在施工过程中, 可采取对掌子面附近隧洞岩壁喷水或钻孔注水来促进围岩软化, 即可消除灰尘, 又可缓释围岩应力。注水后, 使裂纹

尖端能量降低, 并使裂纹传播的可能性减小; 裂纹传播速度的降低, 使裂纹周围的势能转化为地震能的效率降低, 从而减小剧烈爆裂的危险性。因此, 在爆破、通风、出渣后, 洞壁和掌子面洒水3~5遍, 每遍间隔5～10min, 使掌子面及其附近的围岩湿润。

8、减少岩体暴露时间在施工作业过程中, 应及时支护, 以尽量减少岩体暴露时间, 可防治或减小岩爆发生。

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