隧道岩爆灾害的研究进展*

张理蒙，夏金选

(1.盾构及掘进技术国家重点试验室，河南 郑州 450001； 2.中铁开发投资集团有限公司，云南 昆明 650118)

0 引言

步入21世纪以来，随着我国经济的高速发展，地球表层资源已难以满足目前的发展需求。人们开始向地球深部寻求所必需的资源，除了常用的能源、矿产外，大量地下空间也逐步成为被开发利用的对象，地下洞室工程也越来越多。同时，诸如水利水电、引水隧道、各类矿山、交通隧道等大量基础建设工程也日渐呈现出长、大、深的特点。

随着埋深增加和地应力增大，围岩地质环境变的更复杂，以岩爆为代表的地质灾害将更加突出。岩爆是在高应力条件下，受开挖或其他扰动诱发的岩体中聚积高弹性应变势能的突然释放，具体表现形式为围岩爆裂、弹射等动力现象[1-2]。这种岩块弹射的现象在煤田或其他矿山中又被称为冲击地压、矿震等。岩爆分布范围较广泛，不仅发生于硬脆性岩体中，在软弱围岩中也存在岩爆风险[3-4]。岩爆具有突发性和极强的破坏性，严重威胁施工人员和设备财产的安全。不仅会造成超挖、初期支护失效、工期延后，还可能诱发地震，甚至摧毁整个隧道或矿坑，造成严重的经济损失。锦屏某岩爆现场如图1所示。

图1 锦屏某岩爆现场

岩爆的认识和研究最早来源于矿业，之后随着基础建设的深部化，目前已经成为水利和交通行业亟待解决的一个难题。1640年德国Altenberg锡矿发生岩爆[6]并导致停工多年，可能是有记录以来最早的岩爆事件，英国莱比锡煤矿、加拿大Falconbridge镍矿、印度Kolar金矿、南非ERPM矿、美国Idaho铅锌银矿、瑞典Vietas水电站引水洞、日本关越隧道、挪威Heggura公路隧道等均有岩爆发生[7-11]。研究发现，有关岩爆的外文论述起始于1932年的《南非矿冶学报》[12]；而岩爆相关的中文论述最早出现在1966年的《科学通报》，文中讨论了煤矿中的冲击地压[13]，直至1975年工程领域才出现了讨论岩爆的文献[14]。在国内，除了煤矿常见的冲击地压外，深井矿山和基建工程也存在岩爆风险，如红透山铜矿、玲珑金矿、渔子溪一级水电站、天生桥二级电站、太平驿水电站、锦屏二级水电站、川藏公路二郎山隧道、秦岭铁路隧道、川藏铁路等[15-21]。

岩爆分类目前在学术界还未达成共识。由于岩爆的孕育所受影响因素较多，包括地应力、地质条件、开挖方式等，其发生机制和表现形式也呈现出多样性。不同学者基于不同观察角度，对岩爆类型进行划分(见表1)：根据岩爆应力释放形式不同，钱七虎院士将岩爆分为应变型和滑移型[22]；冯夏庭院士等根据岩爆发生的时空信息将其分为即时型、迟滞型和间歇型[23-24]；李天斌等根据地质特征和力学分析将岩爆分为应力型和应力结构型[25-26]；Ortlepp等[4]、Kaiser等[27]则根据震源机制进行岩爆分类。从上述分类来看[28]，大多数学者选取应力应变和结构面的影响作为岩爆类型的分类依据，由此也说明受力状态和结构面是岩爆的2个主要控制因素。

表1 岩爆类型划分

1 岩爆研究方法

在地质学中，岩石被定义为一种或几种矿物所组成的集合体。可见，岩石成分和结构在大自然的作用下呈现出不同表象，这给岩爆研究增加了不少难度，也使该研究呈现出多样性。岩爆研究方法如表2所示。

表2 岩爆研究方法

1.1 理论研究与数值模拟

现有岩爆分析理论有能量理论、强度理论、刚度理论、失稳理论、突变理论等[30-35]，这些理论虽然能在一定程度上解释岩爆的发生机制和机理，但依然无法对岩爆动态失稳过程进行彻底说明。除理论研究外，数值模拟也被广泛用于岩爆研究。数值模拟依靠有限元、有限差分、有限容积等技术，如FLAC 2D/3D[36-38]，PFC 2D/3D[39-42]，RFPA[43-44]等软件，模拟不同工况下岩爆的发生和破坏过程。根据数值计算可得到围岩这一动态过程中每个单元的应力、位移和能量变化等情况。同时，该方法在一定程度上还原或拟合了岩爆发生的过程，但如何建立与工程实际相匹配的模型及给出合理的初始条件、边界条件、参数等是目前亟待解决的问题[45]。

1.2 室内试验

岩石试样的室内试验也是用于岩爆研究的常用方法。根据不同试验对象，室内试验又可分为岩石力学试验[46-50]和物理模拟试验[51-52]。两者均通过仪器设备监测岩爆发生前后的应力、应变、能量等变化规律，从而探索岩爆的影响因素、形成机制和演化规律。区别在于，岩石力学试验是利用岩石试样测试获得岩石力学参数及岩石破坏过程，而物理模拟试验则基于相似理论，通过缩尺模型的加载或卸载来模拟岩爆发生的过程。与数值模拟类似，室内试验也无法还原工程实际情况，如无法精确还原现场受力情况、对于开孔较大的模型忽略了强度-尺寸效应等，这些不足使试验结果与实际情况会存在一定程度的偏差。因此，岩样室内试验目前仅用于岩爆定性研究。

1.3 现场监测

除以上可在室内完成的研究外，岩爆现场监测也是目前岩爆研究的主要途径。岩爆现场监测手段有微震、声发射、电磁辐射、钻孔摄像、应力扰动等监测。其中微震监测可利用布设于洞壁的传感器感知破裂产生的弹性波信号，从而分析获得破裂位置、时间、能量等震源参数，由此来评估岩爆发生的风险[53-55]。在锦屏二级水电站深埋引水隧道群建设中引入了微震监测系统(见图2)进行岩爆监测，并在TBM开挖隧洞的岩爆预测方面得到了较好的应用[56-57]；通过对比TBM和钻爆法两种开挖方式的微震记录，发现其微震特性及岩爆风险有明显差异[58-60]；在新建川藏铁路巴玉隧道、引汉济渭秦岭隧洞等工程应用了微震监测技术进行岩爆预报并取得了较好的监测结果[61-65]。与微震监测原理类似，当岩石受力裂隙扩展或产生破坏且能量不足以被微震记录时，其产生的弹性波依然可以被声发射设备捕捉到。两者最大不同在于声发射的频率较高且释放能量较小。声发射监测技术(见图3)被用于秦岭终南山特长公路隧道的岩爆研究，其监测结果表明岩爆发生时围岩有明显的声发射现象[66]；通过对高黎贡山隧道声发射数据的分析，研究发现岩爆倾向性与发生规律特征[45]。同时，声发射也被用于室内测试不同岩石的破裂机制及前兆研究。通过对花岗岩三轴压缩试验声发射监测结果的分析，发现了岩石裂隙破裂演化成核的新规律[67]；而片麻岩的三轴循环荷载试验表明，声发射信号参量在时间域和空间域的分布上均具有分形特征[68]。岩体在受力变形或断裂过程中除了释放弹性波外，还会向外辐射电磁能[69-71]。因此，电磁辐射也可成为岩爆前兆的判定依据，但该方法常用于矿山，特别是在煤矿中有广泛应用[72-74]。

图2 微震监测系统组成

图3 岩体声发射监测仪

2 岩爆微震监测

理论研究、数值模拟和室内试验主要针对岩爆机理进行研究，探索岩爆孕育和发生的整个过程，而现场监测主要通过不同手段了解围岩变化，结合岩爆发生规律推断岩爆风险等级。在多种现场监测手段中，微震为应用最为广泛同时研究成果相对较多的方法。

谭双等[75]在对巴基斯坦深埋引水隧洞的研究中发现，累积能量与微震事件数的关系并不明显，早期微震事件少但累积能量增长快，而后期微震事件多但累积能量增长缓慢(见图4)。微震释放能量主要取决于地应力和岩体条件，应力集中程度越大、围岩越坚硬、越完整，围岩储能越高，破坏时的能量释放也越大。因此，早期TBM的开挖扰动已经导致塌方区域释放了大量能量，岩体结构劣化使能量储存能力下降，后期塌方区域围岩被揭露，拱顶围岩塌落，能量释放缓慢且产生较多小能量事件。尽管本文主要研究塌方的孕育规律，但此结果依然是岩爆引发的，微震事件与累积能量的演化规律依然适用于岩爆研究。

图4 微震事件与累积能量随时间的变化

赵周能等[59]对比了不同开挖方式下隧洞的微震特征和岩爆风险。目前，岩体开挖方式主要有钻爆法和TBM法两种方式，由于不同开挖方式的破岩机理不同，在岩体微震特性中也存在明显差异。从微震事件的统计结果看(见图5)，钻爆法开挖段事件的震级主要集中在-3～0，并且事件数在-2.5震级附近出现峰值；TBM开挖段事件的震级主要集中在-2～0.5，并且事件数在-1震级附近出现峰值。两者对比发现，TBM开挖产生的事件震级明显高于钻爆法，从事件数量来看钻爆法的微震数量要明显多于TBM开挖段。从微震事件的视体积来看(见图6)，钻爆法开挖段事件视体积半径主要集中在2～6m，而TBM开挖段事件的视体积半径主要集中在 4～9m。 因此，TBM法开挖导致的事件震级及震源的破裂尺度均大于钻爆法。就施工工艺而言，TBM开挖对岩体的损伤小，围岩有较高的完整性，承载能力强，可储存较多能量，使岩体破裂时释放的能量较多；而钻爆法对围岩损伤大，会降低围岩储能极限，所以岩体破裂释放能量较少，引发微震的震级和破裂尺度较小。研究中还发现，高等级岩爆孕育过程中常伴有低等级岩爆，如中等岩爆发生前会有轻微岩爆，强烈岩爆孕育中会伴有中等和(或)轻微岩爆。这一特征对于岩爆的预测也有指导作用，一旦微震监测到某区域在短时间内不断有微震事件发生，则该区域发生岩爆的概率会增加，施工风险将增大。

图5 事件震级分布

图6 事件视体积分布

马天辉等[57]以锦屏二期引水隧洞为研究对象，通过微震监测发现岩爆时间、空间、强度等分布存在明显的规律性，而微震活动对岩爆事件普遍具有时间优先性和空间一致性，因此，微震监测可为岩爆的预测提供依据。在研究中，总结了微震事件密度云图(见图7)、微震事件震级与频度的关系、微震事件震级、能量集中度等微震监测指标规律，结合地震学3S原理提出了4个岩爆判据。在现场监测中，基于上述判据成功预测了发生于2011年2月21日的强岩爆。微震系统提前3d对岩爆进行了预警并完善了相关支护方案，因此，此次岩爆未造成人员伤亡和设备损失。

图7 微震事件密度云图

以上案例表明，微震监测已成功用于岩爆规律和预测的研究。此外，该方法也被用于岩爆机理和孕育过程等的监测。通过岩爆微震监测，现场工作人员可了解围岩的实时状况，据此进行的岩爆风险预测对于现场施工起着有效的指导作用。

3 岩爆分级与判据

3.1 岩爆分级

岩爆等级用于描述岩爆的强烈程度与破坏规模，根据不同学者或规范标准分为不同级别[76](见表3)。目前，认可度较为广泛的岩爆分级是基于GB 50287—2016《水力发电工程地质勘察规范》，根据岩爆破坏深度，被划分为4个级别：爆坑<0.5m为轻微岩爆，0.5～1m为中等岩爆，1～3m为强烈岩爆，>3m为极强岩爆。岩爆等级越高对应的破坏性越大。轻微岩爆的危害较低，易造成小型机械设备的局部损坏，但对工序影响较小，经过局部排险、支护后可恢复正常施工；中等岩爆易造成小型设备损坏或大型设备的局部损坏，对工序影响稍大，经过8～12h 的清渣、排险、支护后可正常施工；强烈岩爆危害进一步增大，易造成施工台架破坏、大型机械设备损坏等，也会造成TBM刀盘、刀盘内油缸、锚杆钻机等破坏，对工序产生较大影响，经过12～24h的维修、清渣、排险、支护等工作后方可恢复施工；极强岩爆的破坏性最大，易造成大型施工设备被埋或被毁，甚至可造成TBM损毁，需经过几天甚至几个月的清理和修复才能恢复生产。

表3 岩爆烈度分级

3.2 岩爆判据

结合理论研究和现场监测，国内外学者提出了多种岩爆判据及岩爆预测方法。从工程或生产进程来看，岩爆预测预报可分为设计和施工2个阶段进行。

1)在勘察设计阶段，岩爆预测需根据工程地质勘察资料，特别是实测的应力场和对应的岩石参数，利用不同判据得出各区间段可能发生岩爆的级别。目前，可用的判据有Hoek判据[83]、Thrchaninov判据、Kidybinski判据[84]、Russenses判据[78]、秦岭隧道判据[18]、二郎山公路隧道判据[82]、侯发亮临界埋深度判据[85]和陶振宇判据[86]等。上述判据大多与最大切向应力和岩石的单轴抗压强度有关，部分会涉及弹性能量指数。根据大量岩爆资料和试验数据的研究表明，岩爆的发生除了地应力需达到某一水平外，岩石还需具有完整性及较大的应变能。

2)在施工阶段，除了参考设计预测外，还需根据现场实测对设计预测结果进行修正。通常山岭隧道在设计阶段的地应力测试及岩石试样测试的采样通常相隔几公里或十几公里，地质的复杂性并不能保证单个参数可适用于长距离的隧道设计；同时，地应力场的扰动或开挖卸荷影响也会引发地应力的变化。因此，在施工区域应及时采用应力解除法对围岩进行应力测试及岩石抗压强度测试，以得到符合实际的岩爆预测结果。此外，利用上文所述的微震等现场监测技术可进一步对岩爆前兆进行实时监测，从而提高岩爆预测的准确率。

4 岩爆防控

鉴于岩爆具有较强的破坏性，甚至会严重威胁施工人员人身安全与财产安全，如何避免或降低岩爆强度及采取合理的防护措施将有助于施工安全的提升。与岩爆预测类似，岩爆防控也可分为设计和施工2个阶段。

1)在勘察设计阶段，首先要有合理的选址，尽量避免穿越易发生岩爆的高地应力集中区域。其次，隧道轴线要尽量与最大主应力方向平行，以减小应力集中系数。同时，还要考虑开挖断面形状和结构面等其他因素的影响，达到防止岩爆发生或降低岩爆等级的目的。

2)在施工阶段，岩爆防治可通过改善围岩物理力学性能、应力条件，加固围岩及降低掘进速度等共同协作。如超前应力释放孔[87]、超前应力释放爆破、掌子面洒水、降低日进尺或TBM掘进速度[88]等，通过提前释放应力、软化围岩和较小围岩扰动等方式主动降低岩爆风险，如喷、锚、网、支架等一种或联合应用，则通过加固围岩的方式被动化降低岩爆破坏程度。在这些支护方式中，钢拱架-钢筋排联合支护、钢管片等具有较强的刚性，同时在施工方面也有支护的及时性，对于即时性岩爆具有较好的防护作用。

5 结语

本文根据已有岩爆研究成果系统总结了岩爆研究方法、分级及判据。此外，还着重介绍了微震监测系统在岩爆监测中的应用，同时也对岩爆防控措施进行了概述。

1)岩爆的孕育和发生是一个复杂过程，虽然学者们已从不同角度对岩爆进行了理论研究和室内试验，但这些成果大都基于某些特定条件，并不能完全与工程现场相同。随着科学技术的发展，未来的试验条件或某些假设会突破当下限制，使试验更接近于岩爆现场。

2)随着现场监测方法的丰富，特别是微震监测系统的引入，使施工现场的岩爆预测有了跨越式发展，使岩爆预测成为可能。虽然现在可实现岩爆的定性预测，但这一预测结果还未满足工程需求，如何对岩爆进行定量预测，特别是时间上的预测将是研究人员未来努力的方向。为达到这一目标，除利用微震的时间、空间、强度分布外，学者们开始考虑其他影响因素，包括硐室断面设计、施工状态、围岩类型等。

3)岩爆分级目前大都遵循《水利水电工程地质勘察规范》，但岩爆判据依旧百家争鸣。如何拓宽岩爆判据的适用性或提出统一的岩爆判据将是留给学者们的一道难题。随着新材料和新支护理念的引入，岩爆防治手段也日渐丰富。目前已实现了单一支护手段到联合支护手段的发展，未来随着动态设计和现场监测的完善，动态防护也将成为未来的发展方向。