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1、第五章 岩爆隧道岩爆隧道是指施工过程中有岩爆现象发生的隧道。在高应力坚硬的岩体内开挖坑道时，常常会有岩片从开挖壁面突然弹射出来，把这种现象称为岩爆。岩爆会破坏已建成的隧道结构和机械设备，直接威胁施工人员的生命安全。岩爆现象在矿山出现较早。例如加拿大的一些深埋硬岩矿山经常发生岩爆，对矿山的安全与生产构成很大威胁，因此，加拿大Laurentian大学的岩石力学研究中心对岩爆巷道的支护设计进行了为期五年的专题研究1。根据岩爆产生的机理，试验出了有效设防措施，并编制了加拿大岩爆支护手册。20世纪50年代美国纽约的引水隧洞施工时曾发生岩片弹射现象。60年代挪威赫古拉公路隧道和瑞典的维斯塔引水隧洞也曾发生
2、过岩爆；成昆铁路线上的关村坝隧道是我国隧道建设中发生岩爆较早的隧道；之后，在二郎山隧道、穿越秦岭的数座隧道施工中也都不同程度的发生过岩爆。岩爆对隧道工程的最大威胁源于岩爆的突发性。目前，关于隧道岩爆的形成机理还在研究之中，对隧道岩爆的认识有待进一步深化。本章通过分析几座隧道的岩爆现象，归纳隧道岩爆的特点，探讨隧道岩爆机理、讨论岩爆隧道设计理论和施工方法，最后介绍岩爆隧道工程实例二郎山隧道，借以说明隧道岩爆的具体工程防范措施。第一节 隧道岩爆特点与形成机理岩爆是岩体受到开挖影响和扰动后发生猛烈破坏的一种工程现象，是岩体本身力学性质（内在因素）和外界影响因素（诱发因素）某种组合的结果。为了研究影响
3、岩爆发生的各种因素，首先需要了解在国内外岩爆隧道内观察到的现象。一、隧道岩爆现象就空间形态和施工过程而言，水工隧洞与交通隧道几近相同。20世纪60年代掘进的挪威赫古拉公路隧道和瑞典的维斯塔引水隧洞是发生隧道岩爆的典型代表，在两工程中，岩爆以小块岩石弹射为主，大多数弹射岩块很小；岩爆发生时测得的隧道周边切向应力远小于岩石单轴抗压强度，开始弹射时的周边应力为岩石单轴抗压强度的37%；发生岩爆的隧洞轴线与测量的原岩最大主应力方向垂直或成大角度相交；岩爆发生部位相对于隧洞中心轴对称；岩爆前可听到脆性岩石的破裂声，最强烈岩爆发出的声音如200kg隧洞掘进爆破。国内的川藏公路二郎山隧道在施工中出现了较为严
4、重的岩爆现象2，3。为了掌握岩爆与地应力规律，用钻孔应力解除法和岩石声发射（AE）Kaiser效应对地应力进行了现场测试，最大主应力为353MPa。二郎山隧道的岩爆特点是：（1）发生岩爆的围岩属、类围岩；（2）岩爆多发生在掌子面及距其13倍洞径范围内；（3）岩爆既发生在围岩表面，也发生在围岩内部；（4）岩爆形式有劈裂和剪切两种；（5）岩爆爆坑多呈锅底形，坑边沿多为阶梯形；（6）断层带两侧的硬岩中容易发生岩爆；（7）干燥无水区段容易发生岩爆；（8）相邻洞室的开挖对主洞岩爆似无影响等。西康铁路秦岭隧道在施工中也出现了严重的岩爆现象4，5。秦岭隧道号线的岩爆特点有：（1）受构造应力影响，岩爆先发生在
5、右侧壁，然后到拱肩、拱顶，最后发展到左侧壁；（2）岩爆多发生在断层带两侧完整的上下两盘；（3）岩爆主要发生在质地坚硬、强度较高、干燥无水的混合片麻岩中；（4）发生在距掌子面9100米范围内的岩爆较为频繁剧烈；（5）强烈岩爆的爆坑多呈A字形，一般岩爆的爆坑多呈锅底形等。综合大量资料，可以发现隧道岩爆的发生有如下规律：（1）岩爆岩石一般是岩浆岩或变质岩，沉积类岩石较少发生岩爆。含有硅质（特别是石英）或其他坚硬矿物的岩石发生岩爆较多。岩浆岩和变质岩的强度和弹性模量一般比沉积岩高，它们的岩爆倾向性也普遍比沉积岩高，具有岩爆倾向性是岩石发生岩爆的首要内在条件。（2）含水率高的岩石较少发生岩爆。饱和状态岩
6、石强度低于干燥岩石强度（包括抗压和抗剪强度），含水率高岩体在次生应力作用下，应变能还未来得及积聚就已经发生了破坏，因此含水率高岩石不易发生岩爆。（3）岩爆发生在高原岩应力条件下的脆性岩石中。在高原岩应力条件下，构造和开挖次生应力叠加容易超过脆性岩体强度而产生岩爆。（4）在同一岩爆隧道，岩爆发生的频率和强度均随隧道埋深的增加而提高。对于多数受岩爆危害的隧道，岩爆发生的频率随开挖深度的加大而升高（5）高强度岩爆一般发生在背斜轴部以及断层和弹性模量有突然变化的地质夹层（坚硬岩墙或软弱岩层）附近。背斜轴部一般是高应力区，若开挖作业处在背斜轴部则容易发生岩爆。在断层和岩体弹性模量突变的夹层附近施工时，开
7、挖次生应力将导致断层或刚度突变面剪切应力加大，发生剪切或断层滑移型岩爆。（6）岩爆发生前，掌子面推进时常会出现岩粉颗粒变大和岩粉量增多、岩石表面有玻璃光泽、钻孔时发生非塌孔原因的卡钻等现象。岩爆前出现的岩粉变粗、岩粉量增多、卡钻和玻璃表面等现象都是开挖次生应力增大和导致岩体发生微型破坏的结果，是开挖次生高应力状态的表现。（7）隧道岩爆最常发生的时段是爆破后24h；爆破震动产生的瞬间动应力与岩爆处岩石本来承受的较高应力叠加，超过了岩体强度导致岩体瞬间破坏，因此开挖爆破是岩爆的直接诱因之一；（8）与自然地震的余震类似，在强烈岩爆后短时期内一般还会发生一到几次强度较小的岩爆。二、隧道岩爆特点隧道岩爆
8、的特点可以从发生无明显征兆、围岩类型、空间位置、时间区段、含水状态和形式规模等方面考察，可概括如下：（1）岩爆具有突发性。在岩爆未发生前，并无明显的征兆。在通常认为不会掉落石块的地方，突然发生爆裂声响，石块有时应声落下，有时并不落下。（2）岩爆只发生在高应力脆性围岩中。坚硬的脆性围岩和高地应力（与围岩强度相当的地应力）是岩爆发生的必要条件、基本条件。（3）岩爆主要发生在隧道侧壁切（环）向应力较大部位。岩爆发生的地点多在新开挖的工作面附近，个别也有距新开挖工作面比较远，常见岩爆部位侧壁与拱腰。这是隧道岩爆的空间特点。（3）岩爆主要发生在围岩应力的剧烈调整期。岩爆在开挖后陆续出现，多在爆破后的24
9、小时，24小时内最为明显，延续时间一般12个月。这是隧道岩爆的时间特点。（4）岩爆围岩通常完整极少含水。地层含水意味着围岩内有裂隙，裂隙便为应力释放提供了空间，所以，含水量高的围岩极少发生岩爆，反之发生岩爆的围岩则极少含水。（5）岩爆坑多呈“锅底形”。岩爆时围岩破坏的规模，小者几厘米，大者可多达几十吨。工程中危害最大的是弹射而出的石块。这些弹出的石块多为中间厚，周边薄，不规则的岩片。岩片脱落后在隧道壁面上通常会留下“锅底形”痕迹。三、隧道岩爆机理岩爆机理的研究旨在揭示其发生的内在规律，确定岩爆发生的原因、条件和危害。20世纪80年代以前，人们在进行岩爆机理研究中，借鉴传统力学有关材料强度的概念
10、提出了强度理论；在分析岩石力学室内实验采用不同刚度试验机时岩石试件破坏的强烈程度不同这一现象的基础上建立了刚度理论；基于能量守恒定律提出了能量理论。1强度理论强度理论认为：岩体承受的应力大于其强度时，也就是/1时，岩体破坏并引发岩爆。近代强度理论的表达式有多种，对于各向同性岩石材料，最有代表性的是Hoek和Brown于1980年提出的经验性强度准则：1C=3C+（m3C+1.0）12 （5-1）式中 1最大主应力，MPa； 3最小主应力，MPa； c完整岩石材料的单轴抗压强度，MPa； m常数，取决于岩石性质和承受破坏应力前岩石已破坏的程度。 就强度理论本身而言，当满足上述条件时只表明岩石将发
11、生破裂或破坏，但并未指出在什么条件下会发生猛烈破坏（即岩爆）。应该说，强度理论只给出了岩爆的必要条件，因此研究岩爆仅讨论岩石破坏条件远不够，必须探讨岩石发生岩爆的其他附加条件。2能量理论20世纪60年代中期，库克等人提出了能量理论。他们指出：岩爆是由于岩体围岩系统在其力学平衡状态破坏时，系统释放的能量大于岩体本身破坏所消耗的能量而引起的。这种理论较好地解释了地震和岩石抛出等动力现象。同一时期，Dunk House给出了岩爆的能量平衡方程式，对释放和消耗的能量结构进行了分析。随后，佩图霍夫也对库克等人的理论进行了补充和完善。Wafnow提出了无摩擦剩余能量理论。70年代由G Brauner等提出
12、了能量率理论，即：（dERdt）+dEEdtdEDdt （5-2）式中 围岩能量释放有效系数； 矿体能量释放有效系数； ER围岩所储存的能量，MJ； EE矿体储存的能量，MJ； ED消耗于矿体和围岩交界处矿体破坏阻力的能量，MJ。能量理论从能量角度解释了岩爆的破坏机理，但它并未说明平衡状态的性质和破坏条件。3岩爆倾向理论岩爆的发生依赖于岩石本身的性质、地下洞室的形状和不利的地质结构特征等几个因素的组合。岩石本身的力学性质是发生岩爆的内因条件。用一个或一组与岩石本身性质有关的指标衡量矿岩的岩爆倾向强弱，这类理论就是所谓的岩爆倾向理论。表征岩石岩爆倾向的指标很多，其中主要有以下几种：（1）弹性能量
13、指标（Singh称其为岩爆倾向指数，即Burst Proneness index），通过对岩石试块进行单轴压缩加载和卸载实验确定。该指标这样确定：在实验室对岩样进行单轴压缩实验，取应力为岩石强度的8090时记录的应力应变曲线，用图形积分法求出弹性变形能量储能与塑性变形耗能之比，即为弹性变形能量指数WET。WET的计算草图如下图所示：图5-1 WET计算图WET的计算表达式：WET=EeEp=ptf1（）d0tf（）d-pef1（）d （5-3）式中：Ec弹性应变能，MJ；Ep塑性应变能，MJ；c弹性应变；p塑性应变；t总应变；f（）加载时的-曲线函数；f（p）卸载时的-曲线函数。确定应力等于岩
14、石强度的8090有两种方法：一种是先对同组试样的部分试块进行抗压实验，求出该组岩石的抗压强度平均值，从而确定8090岩石强度时的应力；另一种方法是对岩石试块进行多次加载和卸载实验，直至试块破坏，每次均进行WET计算，取其最大值（一般进行35次加卸载实验）。Kidybinski 针对煤试块实验结果给出岩爆倾向性分类标准是：WET5.0 有强岩爆倾向WET=2.04.99 有弱岩爆倾向WET2.0 无岩爆倾向Singh根据加拿大萨德伯里地区硬岩试样实验结果，建议岩爆倾向性分类标准是：WET15 有强岩爆倾向WET=1015 有中等岩爆倾向WET10 有弱岩爆倾向许多研究结果表明，WET有随岩石强度
15、提高而增大的趋势。（2）岩爆有效能量的释放率。用普通柔性试验机进行岩样压缩实验时，岩样的猛烈破坏模拟了矿山岩爆时岩体在高应力作用下发生的动态破坏。岩爆的破坏作用主要受岩体达到峰值强度发生破坏后释放出的能量大小的控制。最早提出岩爆有效能量释放的是波兰的Motyczka（1973年），他将岩爆有效能量释放率定义为岩样在单轴抗压试验破坏时岩石碎片抛出的动能Et与试块储存的最大弹性应变能Es之比，即=EtEs100% （5-4）式中：Et抛出碎片动能，MJ；Et=i=1n12miv0i2 （5-5）n抛出碎片个数；mi第i个碎片的质量，kg；V0i第i个碎片弹射的初速度m/s；Es岩石试块破坏前储存的最大弹性应变能，MJ。Es=C22G
