长大深埋隧道岩爆机理及预测预报研究综述

四川建筑职业技术学院 四川 德阳 618000

20世纪初期以来,随着水利水电、铁路公路等工程向深部发展,岩爆作为长大深埋隧道的一大灾害,直接威胁到施工人员、设备的安全,极大影响工程进度。如锦屏二级电站施工排水洞2009年11月突发强烈岩爆灾害,导致整个支护系统被摧毁,引发大规模岩体坍塌,造成多人遇难。本文结合当前相关研究,对岩爆发生机理,预测及防治措施作详细分析和总结,提出存在的问题以及未来研究的方向。

1 岩爆定义

岩爆是岩体具有高地应力的一种重要地质标志。时至今日,学术界对岩爆定义尚未形成统一认识。概括起来,对其定义有二种观点：一种观点则认为只有产生弹射、抛掷性破坏者才能称为岩爆；另一种认为只要岩体破坏时有声响,产生片帮、爆裂剥落甚至弹射现象,有新鲜破裂面即可称为岩爆。

2 分类与烈度分级

目前对岩爆分类还未达成一致意见,对岩爆烈度分级问题尚有不同的见解。Kidybinski 1981年根据岩爆发生时对工程的危害程度,将岩爆烈度划分为轻微损害、中等损害、严重损害三级；挪威岩爆权威人士拉森斯的岩爆烈度分级方案在国外很有影响,他根据岩爆发生时的声响特征、围岩爆裂破坏特征等将岩爆烈度划分为0级－3级共四级。谭以安1988年依据岩爆发生时的力学和声学特征、破坏方式及其危害程度将岩爆烈度划分为弱、中等、强烈、极强四级；王兰生1998年在谭以安的基础上,进一步根据声响、运动、时效、影响深度、工程危害和破裂性质将岩爆烈度划分为轻微－剧烈四级。

3 形成机理

目前岩爆机理的研究大多数停留在定性解释阶段,也有不少学者结合室内实验和现场实验取得了一些有意义的成果,能对局部的岩爆现象做比较合理的解释。国内外学者对岩爆机理的研究主要从两方面进行,一是从静力学理论方面(采用岩爆预测判据的理论依据),另一是从动力学理论方面。静力学理论认为：岩爆产生需要具备两方面的条件：高储能体的存在,且其应力接近岩体强度是岩爆产生的内因；某些附加荷载的触发是其产生的外因。从能量学观点考虑,它是围岩积聚弹性应变能的释放过程。从强度理论观点分析,岩爆实际上是围岩在洞壁应力作用下的失稳破坏。主要有两种破坏方式—张性破坏与剪性破坏。动力学理论机制认为：岩爆是开挖诱发的一种人为地质过程,不是纯自然地质现象。岩爆不仅仅是围岩对开挖引起的应力分异结果的响应,更可能是对整个开挖过程及其结果的综合响应。这些理论都具有一定的局限性.岩爆机理一般可描述为：岩爆是具有大量弹性应变能储备的硬质脆性岩体,由于洞室开挖,径向约束卸除,环向应力骤然增加,能量进一步集中,在集中应力作用下,产生突发性胀剪脆性破坏,伴随声响和震动消耗部分弹性应变能。

4 预测预报研究

岩爆的预测预报是尽量确定岩爆发生的时间、地点、烈度等信息,为后续针对性的防治提供支撑。这些工作必须建立在扎实的工程地质调查、场地地应力测量以及岩体力学特性研究基础之上。国内外学者已从强度、刚度、能量、稳定、断裂、损伤、分形和突变等方面尝试对岩爆进行预测分析,提出各种假设和判据。具体来看,目前比较直观的方法是从根据一些特殊地质现象,如钻孔岩芯饼裂现象进行宏观预测。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。此外以静力学分析为基础的岩爆预测类方法最为常见。比如岩爆倾向性指数(Wet)判据法将岩石中积聚应变能的能力是岩爆发生的内部主导因素。再如应力强度比(σθ/Rb)判据法,将洞壁切向应力σθ和岩石单轴抗压强度Rb之比值作为岩爆判据。另外,侯发亮(1981)提出了岩爆临界深度预测法,认为岩爆虽然多发生在水平构造应力较大的地区,但如果洞室埋深较大,即使没有构造应力,由于上覆岩体效应,洞室也可能会发生岩爆。徐则明、黄润秋(2004)还提出了岩石脆性指数预测来预测岩爆。随着原位探测技术的进步,开始逐步出现声发射、电磁辐射等监测预报等手段用于岩爆预测。无论是室内试验,还是现场初步监测结果都表明：声发射信号的急剧增加往往都超前于岩体(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。目前,该方法尚处于试验阶段。

总体来看,岩爆预测预报问题极为复杂,目前还没有形成一整套成熟的理论和方法。

5 结语

岩爆虽然令人生畏、成因复杂,但其背后存在必然的内在规律。只要加强机理深入研究,密切开展监测和预报,是可将其危害降到最小的。当前虽对岩爆现象展开了较为全面研究,在工程实践应用中凸显突了相应价值。但整体而言,认识还不够深入,对成因机理的理解和预测预报的成功率还不够令人满意。鉴于此,对未来研究提出以下两点浅见：

(1)应加强深部岩体力学行为的系统理论研究,探索微震、地音活动等与岩爆活动的内在联系。

(2)应在材料科学、非连续介质力学、计算机仿真、信息采集与检测等领域开展联合攻关,加强新型监测预警设备的开发,研制出能全面反映岩爆影响因素和岩爆烈度特征指标的仪器,提高预测预报准确性。