岩爆形成机理及防治措施研究

郭春恒 陈旭东 李碧涵

西安航天化学动力有限公司 陕西西安 710025

岩爆发生于山体岩体之中,所以在隧道、地下采矿、水利水电等各方面都有不同程度的影响。由此可见,岩爆灾害对各类工程建设造成了巨大的困难,因此对于岩爆的研究一直是人们关注的重点[1]。

1 岩爆研究现状

1.1 岩爆定义

岩爆灾害是指在岩体中由于应力集中、岩石破裂和破碎而引起的大规模能量释放和岩石碎片飞溅的灾害事件[2]。岩爆通常发生在岩石质量较差、岩体有裂隙或节理、存在高应力集中区域以及受到外部荷载或人为活动影响的地质环境中。岩爆灾害具有突发性、破坏性和危险性高的特点,可能造成人员伤害、设施破坏和经济损失。因此,预防和控制岩爆灾害对于保障工程安全和人员生命财产安全至关重要。

1.2 岩爆的分类

岩爆类型的划分国内外学者目前尚未形成统一观点,依据不同分类标准所划分出的岩爆类型多有不同,总体上可将其分为应力型与应力—结构型[3],应力型根据其所受应力类型差异可将其进一步细分为张剪剥落型、张减爆裂型、穹状剪切爆裂型等,而应力—结构型可进一步划分为张裂倾倒型、张裂滑移型、弯曲鼓折型等类型。

2 岩爆的影响因素

岩爆的影响因素包括内因和外因两种:内因主要有高地应力、岩体结构及性能、地质构造等;外因主要有水文地质条件、开挖施工因素、应力波浅表生改造等。其中高地应力条件是岩爆发生的能量源泉,岩体结构及性能、地质构造、水文地质条件等决定了发生岩爆的能量聚集和释放能力[4]。总体而言,岩爆是多种因素导致的结果,各影响因素之间既独立又相互联系,并且对岩爆的影响方式和影响程度也不同。笔者认为高储能、高地应力和开挖扰动是岩爆发生的3个必要条件。

2.1 岩爆的内因

2.1.1 高地应力

岩体内部的应力状态是岩爆灾害的重要控制因素。当岩体内的应力达到或超过岩石的强度极限时,岩石会发生破裂和破碎,导致岩爆的发生。应力的大小和方向会影响岩石破坏的方式和扩展的路径。

2.1.2 岩体结构及性能

不同类型的岩石具有不同的物理和力学性质,如硬度、脆性和韧性等。脆性岩石容易发生破裂和岩爆,而韧性岩石相对稳定。此外,岩石的化学成分和结构也会影响其稳定性和易受破坏程度[5]。此外,岩体内部的结构特征和裂隙系统对岩爆的发生具有重要影响。存在密集的裂隙系统会导致应力集中和破坏的扩展,增加岩爆的危险性。岩体的结构性变形和断层活动也会改变岩体的稳定性,增加岩爆的风险。

2.2 岩爆的外因

2.2.1 水文地质条件

水文地质条件是造成岩爆的重要原因之一。地下水的存在会对岩体施加一定的压力。当水压超过岩石的强度极限时,岩石可能会发生破裂和岩爆。特别是在岩层中存在水脉或含水层的情况下,岩石受到的水压力更大,岩爆的风险也就随之增加,地下水位的变化也会对岩爆产生影响,当地下水位上升时,岩体受到的水压力增加,容易导致岩爆的发生。尤其是在季节性地下水位变化较大的地区,岩爆的风险会更高。同时,地下水的化学成分可以对岩石产生腐蚀作用,降低岩石的强度和稳定性,增加岩爆的风险。不同类型的地下水具有不同的化学成分,例如酸性地下水、含盐地下水等,它们与岩石相互作用时会引起溶解、氧化、腐蚀等过程,导致岩石变得脆弱、疏松,发生岩爆。地下水水动力作用对岩体的稳定性也有一定的影响。当地下水流经岩体时,会通过溶解、侵蚀和冲刷等作用使岩石的强度减弱,导致岩爆的风险增加。尤其是在存在较大水流的地下水系统中,岩体的稳定性更容易受到影响。因此,水文地质条件受到地下水压力、饱和度、地下水位变化、地下水化学作用以及水动力作用等因素的控制,不同的地下水环境会对岩石的强度和稳定性产生影响。在进行岩爆防治工作时,对水文地质条件进行详细的调查和评估,并采取相应的工程措施来减少水文地质因素对岩爆的影响是至关重要的。

2.2.2 开挖施工因素

在进行地下开挖或挖掘作业时,施工活动会对周围岩体产生影响,导致岩爆的发生。开挖过程中,岩石周围的应力状态会发生变化,施工活动削弱了岩石的支撑力,使岩体承受的应力重新分布。如果岩体原先存在的应力集中区域没有得到妥善处理,施工活动可能导致应力超过岩石的强度极限,从而引发岩爆。此外,在地下开挖作业中,常常需要进行钻孔和爆破来破坏和移除岩石,钻孔和爆破活动会引起剧烈的冲击波和震动,对周围的岩体施加巨大的力量。如果岩石存在裂隙、节理或弱面,这些力量可能导致岩体破裂和岩爆的发生。在地下开挖作业中,过度开挖或无序施工可能会破坏岩体的稳定性,造成岩石的塌方和岩爆,过度开挖使岩体受到过大的应力,无序施工导致岩石的结构破坏和支撑失效,这些都可能诱发岩爆,为减少岩爆的风险,需要在开挖施工过程中采取适当的措施。这包括合理的工程设计和施工方案,采取适当的支护措施,合理控制开挖的速度和深度,以及进行岩体监测和及时预警。对于特别危险的地质条件,可能需要采取更加复杂和精细的防护措施,如预养护、岩体加固等。

2.2.3 浅表生改造

浅表生改造作用可以改变岩体的表层性质,使岩爆更加剧烈。岩体在各类风化作用和侵蚀作用的影响下,岩体应力不断发生变化,造成岩体垂直应力与水平应力差,从而导致岩爆的发生。

3 岩爆发生机理

国内外众多学者对岩爆机理进行了深入研究,认为其发生主要由岩性条件、地应力条件、外部因素三方面条件引起。岩爆多发生在坚硬、完整、干燥的脆性岩体中,这类岩体在外力作用下易于发生破碎。并且,岩体需要储存足够大的弹性应变能才会发生岩爆,这不仅需要岩体具有较大的储能能力,还需要岩体处于具有足够能量来源的地区,即高地应力区。对于一些质地较软或岩石内部累积的应变能较小的岩体,发生岩爆的概率则相对较小。

此外,岩体内能量积聚也是岩爆发生的重要原因,在施工前岩体处于应力平衡状态,岩体因围岩作用具有大量弹性应变能,随着施工的进行,岩体径向应力解除,产生能量差,能量向局部聚集使得岩爆易于发生。

4 岩爆防治措施

岩爆具有较强的破坏性,岩爆的发生会影响施工的进行以及对施工人员的人身安全造成威胁,因此如何科学有效地避免岩爆的发生是至关重要的。岩爆的防治通常需要从设计和施工两个角度充分考虑,本次研究主要介绍改善围岩性质、施工方案对比、分步开挖、安全防护措施等岩爆防治措施。

4.1 改善围岩性质

通过改善围岩性质可以显著降低岩爆发生的风险,常采用表面喷水、改变爆破装药量、改变洞室开挖面形状等方法对围岩性质进行改善。表面喷水的方式可以降低岩体强度,增加岩体塑性,降低岩体发生岩爆风险。减少爆破装药量减轻爆破对岩体的破坏程度,降低岩爆发生的规模及频率。将洞室开挖面形状提前改造为岩爆后围岩稳定的洞室形状,从而降低岩爆的强度。

4.2 方案对比

在针对不同类型区域施工的过程中,应充分考虑施工区域特点,设计不同的施工方案。钻爆法能够增大围岩的破碎程度,加深围岩的破碎区域,促使围岩中储存的应变能向深部迁移,有利于降低岩爆风险。TBM开挖对围岩的破坏程度较小,应变能释放速率更小。通过微震监测数据和岩爆实例分析,对比钻爆法和TBM两种开挖方法的差异,发现在高地应力条件下,如果选用了不适当的开挖方法会大大增加施工难度,增加岩爆发生的风险。

4.3 分部开挖

采用不同开挖进尺短尺度、多循环开挖方式或分部开挖,并增加支护,施工后及时打孔注水释放部分压力可有效降低岩爆发生风险。

4.4 安全防护措施

在隧道施工前应对可能发生的灾害做好风险评估工作,针对有可能发生岩爆的施工段,针对性地制定岩爆防护措施,提前制定应对方案。设置专职人员监控隧道围岩状况,岩爆发生时加强人员以及设备管理,确保安全,降低事故发生的概率。

5 存在问题

岩爆研究对于工程领域而言仍是一个重要的研究领域,当前对于岩爆研究在基础理论研究和应用研究方面都取得了一定的成果,但仍存在以下一些问题需要研究解决。

(1)数据获取和监测:岩爆灾害是一种复杂的地质过程,需要大量的实时数据来理解和预测。然而,获取这些数据并进行准确监测仍然是一个挑战。例如,岩石内部的应力和应变状态通常很难直接测量,而且在岩爆发生时往往很难获取准确的数据。

(2)研究方法和模型:岩爆灾害的研究方法和模型仍然在不断发展和改进中。目前存在多种模型和方法,但仍然没有一个统一的理论框架可以涵盖所有类型的岩爆灾害。此外,一些现有的方法可能存在局限性,无法准确预测复杂的岩爆过程。

(3)岩爆机理的理解:岩爆的机理非常复杂,涉及岩石的断裂、应力释放、能量积累和传播等多个因素。目前对于岩爆机理的理解还不够全面和深入,特别是在微观尺度上的机理仍然存在许多未知。

(4)预测和预警的准确性:准确预测和及时发出岩爆预警对于灾害防治至关重要。然而,当前通过声音、时间、空间范围和钻屑等预测和预警系统仍然存在一定的误差和局限性。对于复杂的岩爆过程,准确预测其发生的时间、规模和影响范围仍然是一个难题。

(5)防治技术和措施:岩爆灾害的防治需要采取一系列技术和措施,包括岩体加固、监测预警、安全疏散等。然而,当前的防治技术和手段仍然存在一些限制和挑战。一些现有的技术可能在应对复杂的岩爆场景时效果不佳,需要针对不同岩爆发生场景进一步改进和创新。

6 现今社会减灾对策思考

地质灾害需要特定的条件才会产生,因此在信息化智能化的今天,我们可以通过与现有先进科学技术相结合的手段对其进行防治,从而降低地质灾害发生的频率。

6.1 建立地质灾害数据库

随着现代大数据技术的发展,我们应将灾害防治与计算机、互联网、云计算等先进技术相结合,提高预测精度,减少人民群众财产损失。数据库的建立在地质灾害防控中有着较高的实用价值,通过分析不同地质背景下灾害发生的频率与规模从而实现对不同地区灾害发生情况的预测。数据库中应以宏观监测、相位位移、绝对位移等数据作为统计重点,在对监测区域建立之后,确定科学的监测点,实现对监测区域的全面监测,完成数据采集工作,之后借助智能信息分析系统对采集的数据进行处理。将人工智能引入地质灾害的防治不但提高了防治的等级而且降低了人员伤亡的风险,采用新型的设备与技术,加大对防治技术的投入,建立科学的灾害防治系统,是预防灾害发生的重要手段。

6.2 建立智能监测预警系统

监测预警系统是地质灾害预测性工作中不可缺少的一个环节,尤其对于一些灾害频发的地区,预警系统的完善可以有效降低工程中风险与人员伤亡。监测预警系统与灾害数据库可以相互配合,通过数据库的收集与测算,设立一套对应的灾害响应参数,当达到一定的阈值便会触发预警系统工作,及时预警,提示施工人员或现场住户及时撤离,将损失降到最低。值得注意的是在设立灾害相关参数时,应考虑不同地区地质特征的不同进行“因地制宜”的调整,争取做到“一地一策”。具体实施过程可以通过编程手段完成。

6.3 加强安全教育

在信息化高度发展的今天,我们应该充分利用网络、自媒体等用户量较大的平台积极发布灾害预防措施,应当适度加强灾害频发地区人员的安全教育。周围人民应具备一定的自救意识,通过规范施工过程中人员的操作流程来尽量避免生命财产损失。

结语

岩爆的防治是一个复杂的过程,需要施工人员在施工工程中,应对不同施工环境认真观察和分析研究,认识到不同施工环境中岩爆特征和发生规律,选取合适的预防和防治措施降低岩爆发生所造成的损失。本次研究根据现有岩爆研究成果系统总结了岩爆研究现状、影响因素、发生机理及防治措施。此外,针对现有岩爆研究中存在的问题,对岩爆数据获取和监测、研究方法和模型、岩爆机理的理解、预测和预警的准确性以及防治技术和措施等方面存在的问题进行了总结。

(1)岩爆灾害是一种复杂的地质过程,需要大量的实时数据来理解和预测。然而,当前获取这些数据并进行准确监测仍存在困难。此外,岩爆灾害的研究方法和模型仍然在不断发展和改进中。目前存在多种模型和方法,但均是针对某一地区提出,并没有形成统一的理论框架。并且,一些现有的方法可能存在局限性,无法准确预测复杂的岩爆过程。

(2)岩爆发生的机理非常复杂,涉及岩石的断裂、应力释放、能量积累和传播等多方面因素。目前对于岩爆机理的理解还不够全面和深入,特别是在微观尺度上的机理仍然需要进一步研究。

(3)准确预测岩爆对于岩爆防治至关重要。然而,当前针对施工过程中岩爆的预测和预警系统仍然存在一定的误差和局限性。对于复杂的岩爆过程,准确预测其发生的时间、规模和影响范围仍然是一个难题。因此,针对岩爆灾害的防治一些现有的技术可能在应对复杂的岩爆场景时效果不佳,需要针对不同岩爆发生场景进一步改进和创新。