岩 爆

◎ 应急管理部信息研究院 袁阳

2019 年11 月2 日9 时50 分，随着一阵爆破声响起，标志着巴玉隧道顺利贯通，创造了高原铁路隧道独头掘进7015 米的最高纪录。负责此工程的中铁十二局二公司拉林铁路巴玉隧道项目部先后斩获了山西省“青年文明号”“工人先锋号”，股份公司“重点工程项目劳动竞赛先进单位”等荣誉。在铁路信用评价考核中，该项目部始终位列全线前三名，且五次夺得第一名，被拉林铁路指挥部评为全线唯一一家A+级施工单位。他们的先进事迹先后被中央电视台、凤凰视频、《工人日报》、人民铁道网等多家新闻媒体报道。湖南卫视《新闻当事人》栏目也曾聚焦拉林铁路巴玉隧道，推出“中国面壁者·岩爆终结者”专题，报道了中铁十二局在该项目建设中克服的最大问题——岩爆。图1 中显示了巴玉隧道建设过程中发生的岩爆现象。

图1 巴玉隧道建设过程岩爆现场图

岩爆是指在高地应力条件下，隧道或巷道等工程开挖过程中，岩石发生爆裂、弹射的现象。岩爆也是深井矿山面临的主要安全隐患之一。轻微的岩爆仅出现岩片剥落，严重的岩爆出现强烈的岩块弹射，并伴随巨大的响声。岩爆可以瞬间突然发生，也可以持续几天至几个月。少数情况下，在岩爆来临前，将碎未碎的岩石会发出“喀喀”的声音，警告人们迅速撤离。然而，这一警告时间往往只有数秒钟。由于岩爆的发生具有局部性、突发性、隐蔽性、滞后性、无前兆性、高初速度和高冲击能等特点，通常会给深部工程岩石开挖工作带来一定的风险，造成人员伤亡和经济损失。中国工程院院士钱七虎和中国科学院院士何满潮曾表示“岩爆是一个世界性的灾难现象”“国际岩石力学领域的世界性难题”“其成灾机理与预测预报问题已成为岩石力学界必须致力解决的关键科学问题和技术难题”。国际著名岩土工程学家Evert Hoek 提出的Hoek-Brown 准则中也曾写道：“我们没有见到任何现有数值工具能够提供解释或预测岩爆过程的任何可靠的方法。”

由于岩爆现象通常在较为完整的岩体中发生，国际岩爆研究一直沿用经典的连续介质力学理论。采用压力机对标准岩石试样进行单轴压缩实验（图2 所示），在施加接近或等于岩石单轴抗压强度的轴向压力时，完整脆性岩石就会发生破裂、崩飞的现象。此过程与岩爆过程十分类似。因此，国际岩石力学专家们认为，岩爆现象是由于岩石在地应力场的作用下，内部储存了弹性应变能。当能量不超过岩石破裂耗能，则不会发生岩爆现象。岩石开挖会造成围岩应力场的变化，导致巷道环向正压应力增大，围岩则可能就会发生岩爆。均匀岩体岩爆机制简单地说就类似于一个强力压缩的弹簧突然卸载的情况。因此，根据岩石脆性、完整性、高地应力和岩石单轴抗压强度，人们提出了包括高地应力、线弹性能、岩石脆性、环向应力在内的各种岩爆预测准则。

图2 岩石单轴压缩力学实验

尽管上述试验、机理和准则可以较好地解释岩爆发生的猛烈性和破坏的突然性，但是却难以解释岩爆的滞后性。所谓的滞后性指的是，岩爆往往要在开挖卸载或放炮加载结束后，还要经过一段时间才发生。这种滞后性带来的后果是——人们往往认为岩爆危险早已消失，从而进入作业区工作让自身和设备暴露在岩爆区域中。

同时，在对这些岩爆区域开挖之前，通常会进行钻孔得到岩石相关的物理力学性质，而由钻孔取出来的岩芯，会由于卸荷出现如图3 所示的岩芯饼化的有趣现象。这种岩芯饼化现象使得人们联想到了经典材料力学的残余应力理论。例如， 一个铸铁物体冷却时，内部比外部冷却慢，而可产生内部的残余应力。岩体的非均匀冷却或热膨胀系数差异， 都会产生被“锁住”的应力状态。香港大学教授岳中琦认为岩石内的流体包裹体（内含高压气体、流体）可以反映岩石内部这种被“锁住”的状态。第一，由于岩体开挖，岩壁径向受压增大，岩石压紧，环向受压减小，岩石松开。因此，岩石内高压游离微量气体，随时间从其他方向排列的微细损伤裂纹面内，向环向微细损伤裂纹面内转移和集中，这就造成了岩爆的时间滞后效应。第二，深部完整岩石具有一定量的刚度和强度。它所能够承受的这种高压微量气体随时间和空间的变化和张性膨胀， 而不发生微观、细观或宏观变形或破坏的能力和强度是有限度的。这就造成了岩爆的突发性和无前兆变形等。

图3 饼化岩性

总之在深部工程中，岩爆是一种危险但无法回避的现象。在人们对矿产、水利、油气等资源需求日益增多的未来，会面临越来越多关于岩爆的挑战。随着各种关于岩爆成因假说、力学学科、数值计算方法和监测预警设备的发展，将会对预测、降低和减少岩爆这一国际岩石力学领域的世界性难题有所帮助，为人类的进一步发展和繁荣作出贡献。