岩爆研究毕业论文

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1、 第35页1 绪论1.1引言我国是一个多山国家，山地和丘陵占国土面积的三分之二，同时又是一个人多地少的国家。为了满足社会与经济发展日益增长的需求，我国在向空中发展的同时，隧道和地下空间的开发也不断地向深部发展。在西部各省区，隧道和地下空间的发展更是国家西部大开发战略的迫切需要，西部交通条件的改善、丰富水利资源的开发与利用、南水北调工程等，这些都不可避免地涉及到隧道和地下空间的开挖和修建以及有关这些地下工程的稳定性和可靠性评价研究。其中，深埋特长隧道工期长、造价高，施工难度大，且多为穿越山岭等地质构造复杂区域，有深埋特长隧道特有的高地应力、硬岩岩爆、围岩大变形、高压涌水等关键问题。随着岩体力学、

2、地下工程、结构工程等多学科的快速发展，国内外学者在卸荷岩体力学、工程岩体破坏机制、深埋岩体热力水的相互作用、非线性科学及其它软科学理论方面虽然已取得了很大的成绩，然而随着交通建设、水电工程建设、能源矿产资源开发和城市地下交通和地下空间的快速发展，隧道和地下空间的开发也不断地向深部发展，埋深增加、跨度和长度增大，能量场逐渐由保守场转为耗散场，地应力、温度和地下水渗透压将进一步增加，岩爆风险将进一步加大，另外，还可能出现塌方、岩溶塌陷、有害气体及瓦斯突出、活断层等地质灾害。这些问题是当前国际岩石力学研究的难点和热点，这些带根本性的问题并未得到很好的解决。况且，深埋隧道围岩破坏是一个复杂的非平衡、非

3、线性的演化过程，由于岩石材料的非均匀性，理论上很难对其构成特征作准确的描述，目前更多的工作停留在应力状态和破坏判据的研究上，对深埋隧道围岩破坏过程的理论研究工作并不多见，国内外虽然通过大量岩石（体）破裂的相关实验对其进行了一定程度的研究，但对深埋隧道围岩破坏的相关机理仍然缺乏深入的认识，许多问题需要进一步深入研究。由此可见，开展对深埋隧道围岩破坏过程及其相关机理的研究非常必要且十分重要。从岩石力学角度讲，大深度开采诱发的一个突出问题就是岩爆，岩爆问题就是脆性围岩的破坏问题，脆性围岩的破坏规模就是岩爆发生概率的表征52，随着深度的增加，岩爆问题日益突出124。自18世纪30年代末英国锡矿岩爆被首

4、次报道以来，世界范围内已有前西德、南非、中国、前苏联、波兰、捷克、匈牙利、保加利亚、奥地利、美国、意大利、瑞典及挪威等国家的岩爆记录最多。近20多年来，我国天生桥水电站引水隧洞、岷江太平驿电站引水隧洞、锦屏水电站勘探平硐、二滩水电站引水隧洞、西康铁路秦岭特长隧道II线平导及川藏公路二郎山隧道等一大批长大隧道工程相继发生突发性严重岩爆，使得隧道施工防不胜防，爆裂破坏所造成的岩块（片）则可以爆裂松脱、爆裂剥离、爆裂弹射或抛掷等不同方式脱离母岩体，直接威胁施工人员、设备和地下工程的安全，严重影响了工程进度125,126。南非金矿的开采深度目前是世界上最大的，平均在2000m以上，本世纪计划开采到45

5、005000m深度。何满潮123（2002）等把国际岩石力学学会定义的硬岩发生软化的深度（一般为500m）作为进入深部工程的界限，并将深部工程分为较深工程（5001000m）、超深工程（10002000m）和极深工程（2000m），深部岩体形成历史久远，留有远古构造运动的痕迹，其中存在有构造应力场或残余构造应力场，二者的叠合累积为高应力，在深部岩体中形成了异常的地应力场。根据南非地应力测定，深度为35005000m时，地应力水平为95135Mpa，在如此高的应力状态下进行工程开挖，作为深部工程岩体主要组成部分之一的铁质或硅质胶结的砂岩类、结晶岩类在浅部状态时基本无变形，处于线弹性工作状态，在深

6、部状态下表现为猛烈的岩爆和片帮破坏，确实面临严峻挑战。1.2国内外岩爆研究现状岩爆是隧道开挖过程中围岩的一种非正常破坏现象，主要表现为大范围的岩体突然破坏，破裂围岩的动力抛掷，并伴有不同程度的爆炸、撕裂声，围岩释放大量能量，使几米至几百米的硐室瞬间破坏，严重的岩爆可将巨石猛烈抛出，甚至一次岩爆就能抛出数以吨计的岩块和岩片，常常造成人员伤亡和设备损失。岩爆不仅使人产生恐惧感，而且直接威胁施工人员和设备的安全，严重的会诱发地震，造成地表建筑物的破坏。所以对岩爆发生的可能性及其危险程度的预测是隧道设计、施工企业在高地应力区岩质隧道建设过程中所必须解决的问题。近十几年来，国内外学者在岩爆预测预防方面做

7、了大量的研究工作，利用强度、刚度、能量、扰动、稳定、断裂、损伤、突变、分形、微重力和声发射等诸多理论和方法对岩爆现象进行了分析，提出了多种岩爆预测方法和判据。强度理论是最早的岩爆发生理论，但存在诸多缺陷，库克在总结南非15年岩爆研究与防治的基础上，提出了能量理论，提出了以解析式表达的开挖能量释放率（即开挖单位体积矿体所释放的能量）。能量理论考虑了岩爆时大量能量释放的现象，但未涉及岩体突然破坏及能量突然释放的条件，冲击倾向理论认为，可通过一种或一组指标衡量介质产生冲击破坏的潜力（即介质的冲击倾向），由于开采方法和地质条件对岩爆的发生影响很大，仅靠对岩石自身性质的测试来判别是否发生岩爆是困难的。岩

8、爆失稳理论是在近代关于岩石介质变形、破裂机理研究基础上发展起来的关于岩爆发生的理论，该理论认为岩爆是从非稳定平衡状态迅速移到新稳定平衡态的动力失稳过程。失稳理论包含了以前各种岩爆发生理论的合理部分127。 但是，岩爆是一种极为复杂的动力失稳现象，与其影响因素之间存在着极其复杂的非线性关系，这些预测方法和判据往往受人为因素影响较大，存在片面性和难以实现多指标判别等不足，在一些假设和判据中仅考虑个别影响因素，会产生片面性和局限性，而考虑所有因素又会使问题复杂化。另外，岩土工程中的有关因素，其本身通常只具有相对的准确度，它们与岩爆的关系往往不能以简单的是与否进行评价。建立一种能够考虑多种因素，实现多

9、指标判别的预测方法是非常必要的，非线性的人工神经网络方法正适合解决此类非线性问题，它不要求岩爆与各影响因素间有明确的函数关系，只需要选取必要的、容易确定的影响岩爆的主要因素，进行正确的学习和预测，采用人工神经网络方法预测岩爆是一条有效的研究途径，关键在于选取必要的、容易确定的影响岩爆的主要因素，进行正确的预测128。2深埋隧道岩爆的含义和分类2.1岩爆的含义2.1.1岩爆现象的认识岩爆是岩体具有高地应力的一种重要地质标志，一般在隧道开挖后来不及作初期支护或初期支护加固强度不够的情况下所发生的围岩失稳现象，一般二次衬砌完成后，较少再有岩爆现象发生。学术界从多方面对岩爆的进行定义，概括起来，岩爆的

10、概念包括有以下几种观点：(1)伴随有地震发生并以突然或猛烈发生方式对地下开挖的破坏1；(2)只要岩体破坏时有声响，产生片帮、爆裂剥落甚至弹射等现象，有新鲜破裂面即可称为岩爆2；(3)认为只有产生弹射、抛掷性破坏才能称为岩爆，而将无动力弹射现象的破裂归属于静态下的脆性破坏2。 岩爆是开挖诱发的、开挖空间周围岩体的突然破坏，并伴随着受压岩石应变能的突然释放。岩爆往往是以岩片弹出、大量岩石坍塌或矿震的形式表现出来的动力现象，并造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡。对于岩爆的定义，各国学者均给出了不同的解释并冠以不同的名词，包括岩爆、煤爆、冲击地压、岩石突出、矿震、煤和瓦斯突出等，但它们都包含

11、一个共同的特点，即围岩体的不可控制的突然破坏和高应变能的突然释放。岩爆一词在我国多用于金属矿山、隧道和水电洞室的硬岩中，而在煤炭矿山则多称为冲击地压。2.1.2岩爆的定义广义岩爆作为一种多出现在完整硬岩中的隧道施工地质灾害，包括围岩的动力破坏（dynamic failure）和静力破坏（static failure），片剥（spall or slab）是静力破坏的基本形式；狭义的岩爆（rock burst）只包括围岩的动力破坏，岩爆通常的破坏模式有岩石弹射、岩石冒落和岩石突出，见图5-1、5-2和5-3所示按破坏程度可分为低程度破坏、中等程度破坏和严重程度破坏，见图5-4、5-5和5-6所示1

12、32。岩爆作为高地应力区的地下工程在开挖过程中或开挖完毕后，围岩因开挖卸荷发生脆性破坏而导致储存于岩体中的弹性应变能突然释放且产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。它直接威胁人员、设备安全，影响工程进度，已成为世界性的地下工程难题之一。随着开采深度的增加，尤其是超过600m1000m时，岩爆灾害发生的频率和严重程度会显著增加，尤其是花岗岩、石英岩、一些片麻岩，和非常致密、呈玻璃状的火成岩等。岩爆发生有两个基本条件：一是岩体处在能使其变形和破裂的高地应力场的作用之下；二是岩体本身要坚硬、完整且强度高，能储存高的弹性能。岩体在变形破坏过程中由于变形和破裂所消耗掉部分弹性能后，

13、剩余能量转化为动能，并以岩体弹射或突然飞崩的形式释放，形成岩爆130。可以看出，人们对岩爆的定义有多种说法，尚无一致认识，大多侧重于产生岩爆的特征进行描述。总体可以认为，岩爆的定义应包含岩爆的原因，可以将岩爆定义为:岩爆是地下工程开挖过程中，围岩在高地应力条件下，因开挖卸荷导致岩体内储存的弹性应变能大于因克服岩体产生新的裂隙而消耗的应变能，使岩块脱离母体甚至产生弹射抛掷现象的一种动力失稳的地质灾害。2.2岩爆的分类2.2.1岩爆类型分类岩爆分类是岩爆预测和防治的基本依据之一。目前，学术界对岩爆划分方案各有侧重，差异较大，尚未达成共识。有的研究侧重于从岩爆特征进行划分，例如有汪泽斌根据国内外34

14、个地下工程岩爆特征，将岩爆划分为破裂松脱型、爆裂弹射型、爆炸抛突型、冲击地压型、远围岩地震型和断裂地震型六大类3；武警水电指挥部对岩爆分类有两种标准：一是按破裂程度将岩爆分为破裂松弛型和爆脱型两大类，二是按规模将岩爆划分为零星岩爆(发生岩爆段长（0.5I0m）、成片岩爆(发生岩爆段长（1020m）和连续岩爆（发生岩爆段长20m）三大类4；王兰生教授等将岩爆类型划分为爆裂松脱型、爆裂剥落型、爆裂弹射型和抛掷型四大类5；郭志也根据岩爆岩体破坏方式，将岩爆划分为爆裂弹射型、片状剥落型和洞壁跨塌型三大类6。而有的侧重于从岩爆的应力作用方式进行分类，例如谭以安2和左文智、张齐桂7从形成岩爆的应力作用方式

15、出发，将岩爆类型划分为水平应力型、垂直应力型、混合应力型三大类和若干亚类。徐林生将岩爆类型划分为自重应力型、构造应力型、变异应力型和综合应力型四大类和八个亚类8。但是我们可以认为，岩爆分类最终是为岩爆防治方案提供依据，根据岩爆的特征进行分类更容易与防治方案对应，因此更倾向依据岩爆特征进行分类，不论分成几大类，关键是需要与防治方案设计能够很好地对应。2.2.2岩爆烈度的分级 至今为止，对岩爆烈度划分做过研究工作的国外学者有苏H.M佩图霍夫(1972)、苏H.M屠尔昌宁诺夫(1979)、挪威拉森斯(1974)、德国G布霍依诺(1981)等等。德国学者G布霍依诺1981年根据岩爆发生时对工程的危害程

16、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(B.F.Russeness)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03四级。我国谭以安博士依据岩爆危害程度及其几何形态征、发生时的力学和声学特征、破坏方式及破坏过程、破坏程度将岩爆烈度划分为弱、中等、强烈、极强四级9；交通部第一公路设计院、铁道部第二勘测设计院则在谭以安博士划分方式基础上将围岩条件和应力条件(/比值)引入后将岩爆烈度划分为微弱、中等、剧烈三级；王兰生教授依据岩爆危害程度及其发生时的声响特征、运动持征、爆裂岩块形态特征、断口特征、岩爆发生部位、岩爆时效特征、影响深度及/比值)比值等

17、，将岩爆烈度划分为轻微、中等、强烈、剧烈四级5；王兰生教授的划分依据考虑了岩爆特征及岩石特性及环境应力条件等，划分依据比较充分，但是/比值与岩爆烈度的对应关系在不同区域需要进行适当修正。3岩爆的发生机制、特点、影响因素3.1岩爆的发生机制由于岩爆的严重破坏性，已引起人们的高度重视。陶振宇等1进行了岩爆的物理过程、形成条件和判别准则的研究；谭以安2从岩体结构效应分析了岩爆特征；李悼芬等3分析高水平地应力对岩石工程的影响；为了建立岩爆的力学模型，潘一山等4，5，6提出了岩爆的稳定性动力准则、岩爆的突变理论模型;周瑞忠等7，8，9，10探讨了岩爆的断裂力学机理，建立了岩爆的损伤断裂模型。这些研究都是

18、把岩爆问题作为在无限介质中的孔洞问题来分析、讨论洞室围岩的整体稳定性，或是基于岩爆的形成是由于高地应力区的地下洞室工程在开挖过程中(或开挖完毕后)发生应力调整而形成的二次应力场作用于围岩，使裂纹发生、扩展、连接以致失稳扩展，从而导致围岩发生宏观脆性断裂的结果基础上的。以上研究为揭示岩爆机理奠定了基础。由于隧道通过地层岩性的不同，高地应力在深埋硬岩隧道引发的灾害主要为岩爆，岩爆作为一种机理十分复杂及其影响因素的千变万化的自然灾害，由于其复杂性，给传统的岩爆分析和施工设计带来了极大的困难。但岩爆作为一种围岩失稳破坏现象，尽管其发生过程短暂，但仍然经历了孕育、发生和发展这一岩石破裂所具有的共同特征，

19、研究岩爆的发生过程将为岩爆预测、预报理论提供依据。岩爆研究从提出至今尽管经历的时间不长，但是在国内外岩石力学界也引起了广泛的关注，在坚硬岩体中，卸荷将引起临空面附近岩石内部应力重新分布、造成局部应力集中效应，并且在卸荷回弹变形过程中，还会因差异回弹而在岩体中形成一个被约束的残余应力体系。岩爆是高地应力的产物，其机理一般描述为11，12，13：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。同时，剩余能量转化的动能使围岩急剧向动态失稳发展，造成岩片(块)脱离母体，

20、获得有效弹射，猛然向临空方向抛(弹)射的特征，经历了快速“劈裂一剪折一弹射”渐进破坏过程的动力破坏现象。因此岩体内储备有足够的弹性应变能和引起破坏的应力集中部位是岩爆发生的两个主要条件。对岩爆作用机理的理论研究，最常用的理论依据有14：（1）强度理论观点:岩爆是重分布应力达到岩石强度时而产生的破坏。用格里菲斯理论解释，岩爆为拉伸破坏;用摩尔一库仑准则解释，岩爆为剪应力作用产生的剪切破坏。陈宗基教授提出的扩容理论也可作为解释岩爆发生机制的一种理论。（2）能量理论观点:从能量的观点来看，岩爆的形成过程是岩体中的能量从储存到释放直至最终使岩体破坏而脱离母岩的过程。因此，岩爆是否发生及其表现形式主要取

21、决于岩体中是否储存了足够的能量，是否具有释放能量的条件及能量释放的方式等。岩石在破坏前积聚的变形能We与破坏后消耗的塑性变形能Wp之比Wet是衡量岩石是否在破坏时产生冲击以及冲击程度的重要指标，岩爆倾向指数Wet是波兰A奇代宾斯基于六十年代最先提出的。(3)刚度理论观点:岩石的刚度是变数，在强度极限以前的刚度（Km）为正值，超过强度极限以后为负值（Ks），如果Km| Ks|则试样便发生突然而强烈的破坏，提出了刚度冲击性指标（）：=，当1时有冲击的危险存在。刚度理论在六十年代中期由库克和霍杰姆提出。3.2岩爆发生的主要特征3.2.1岩爆的特点根据已经发生岩爆的地下工程经验可知，发生的岩爆的主要特

22、点可以归纳为以下七点126：（1）围岩坚硬、质脆，岩爆岩石单轴抗压强度大于50 MPa；（2）岩爆活动既不发生在非常完整的岩体中，也不发生在节理很发育的II、III类围岩中，主要发生在IV、V类围岩中，具有明显的岩体结构效应；（3）岩爆洞段岩体表面较为干燥，有地下水存在或断裂部位不发生岩爆；（4）掘进过程中，掌子面至3倍洞径范围内岩爆活动一般较为频繁，且多发生在断面周边不圆顺处及壁面凹凸不平处等洞室周壁应力易集中部位。距掌子面3倍洞径之外的范围，岩爆则逐渐减少；（5）岩爆洞段的埋深可大可小，埋深不是判定岩爆发生与否的重要依据。例如，秦岭隧道埋深77m就有两次岩爆发生；（6）岩爆发生的时间迟早不

23、一，有的开挖爆破稍后就会发生，有的则要滞后若干时日或一个多月才会发生；（7）岩爆随时间的延续有向深部累进性发展的特征，因而岩爆地段应及时采取合理有效的喷锚初期支护措施，否则后患无穷。3.2.2岩爆发生时的物理力学特征现有的岩爆特征及其物理过程研究表明了岩爆的物理力学特征主要有：（1）岩爆多发生在高地应力区，尤其是高水平地应力区。（2）岩爆的形成主要是应力调整的结果。在高地应力区的地下工程开挖中引起应力集中和应力释放，应力集中系数与洞室横断面几何形状有关，应力释放不会立即完成，有可能持续很长时间。（3）岩爆的形成与岩体结构有关，既不发生在很完整的岩体段，也不发生在节理发育的破碎段，而是发生在节理

24、不多也不少的岩体段。（4）岩爆的形成有一个发展过程，即岩爆虽然在地下工程开挖时可立即发生，但也常常延迟发生，有的连续一年或好几年而时断时续地发生。（5）岩爆发生部位与地下洞室形状有关。一般在洞室转弯处的弯道内侧或洞室断面的角脚处，易发生岩爆。若以水平地应力为主，则洞室的顶底板易发生岩爆;若以垂直地应力为主，则隧洞两侧墙易发生岩爆。（6）岩爆破裂面与主应力方向平行。（7）岩爆的强烈程度和表现形式不同，有的仅发生膨胀和剥离现象，有的大块岩片坠落，有的则表现为岩片碎块弹射出去。3.3岩爆发生的影响因素国内外的研究结果表明，产生岩爆的原因很多，其影响因素有岩性、隧道初始应力状态、埋深、地表地形、开挖断

25、面形式及开挖方式等，但在诸多因素中，地层的岩性条件和地应力的大小是产生岩爆与否的两个决定性因素。岩爆是岩体内积聚的弹性应变能的突然释放。岩体中储存的能量，通常是以弹性变形的形式储存于围岩内的高应力集中区内，弹性变形越大，储备的能量就越多，因而岩体内某些地区就形成了高储能体。高储能体必须具备两个条件：一是岩体能储聚较大的弹性应变能；二是岩体内应力高度集中。岩体内储能越多，应力集中程度越高，岩爆越容易发生，因此本文从以下几个方面分析各种因素对岩爆发生的影响：（1）地应力地应力是影响岩爆的关键因素，岩爆是发生在高地应力地区的地质灾害。在高地应力环境下岩体中会储存较多的弹性应变能，这是岩爆发生的基本条

26、件。对于判定高地应力的标准，由于不同学科与不同工程对高地应力问题的表现和理解不同，判别标准也不同。以地应力的绝对大小划分，国内岩体工程界一般以初始地应力达到2030 MPa时即可认为岩体处于高地应力状态。采用单轴抗压强度()和最大初始应力()的比值来划分地应力的级别：=47为高地应力；4时为极高地应力。在高地应力地区开挖地下工程时，岩体的初始应力状态受到扰动，引起应力重分布，形成应力集中，从而可能引起岩爆的发生。洞室开挖后的应力状态也是影响岩爆的重要因素，的值常被作为评判岩爆的标准5。可以认为的值高于0.3时会有岩爆发生，0.2035时即发生了中等岩爆，由此可见=035可作为弱岩爆和中等岩爆的

27、分界点，即：02，无岩爆；0.20.3，可能发生岩爆；0.3 0.35，弱岩爆；0.3507，强岩爆。（2）岩性从储聚弹性应变能的能力分析，弹性岩体在受力变形时，常能储聚较多的弹性应变能，大部分高强度块状脆性岩体属于这一类。弹塑性岩体在受力变形时，也能储聚一定的弹性应变能，但储能的能力次于弹性岩体，一些层状沉积物属于这一类。储聚弹性应变能的能力最差的是塑性岩体，在受力变形时，由于变形全为塑性变形，没有储聚弹性应变能的能力。因此在前两类岩体中修建地下工程时有发生岩爆的可能。可见，岩石力学性质对天然应力的影响是十分明显的。耶格曾提出天然应力与岩石抗压强度成正比的概念3。从工程实例中可以知道，发生岩

28、爆的工程中岩性多为花岗岩、闪长岩，岩石的抗压强度大多超过了110MPa，为高强度岩体；但是60MPa的坚硬岩石中也可能发生岩爆。当岩石的脆性程度也是影响岩爆的因素之一。关于岩石的脆性程度，可用抗压强度()与抗拉强度()之比进行说明，称为脆性度。有研究表明5,40时无岩爆，26.7 40时为弱岩爆，14.526.7时中等岩爆，0.55时岩体为较完整岩体是岩爆发生的有利条件。一些有裂隙发育的岩体也可能发生较大规模的岩爆。岩体中存在有各种不连续面，力学试验表明，优势裂隙面和最大主应力的夹角𝛃会显著影响岩体的储能能力。当𝛃=时，岩体的弹性变形最小，即弹性应变能积累最少，

29、积累和释放能量的能力最差，因此，不容易发生岩爆，而是沿节理面发生剪切破坏。当𝛃时，𝛃值越小，岩体储存的能量较多，岩爆最容易发生，且岩爆程度强烈，当𝛃=时常发生较弱的岩爆。当𝛃时，由于应力与优势裂隙面近乎垂直，这使岩体微裂隙趋于闭合，稳定性增强，一部分能量被结构面本身的永久变形所消耗，存储的弹性能量相对较少，即使产生岩爆，强度也不会高。（4）埋深与地形由于埋深与地应力关系密切，埋深也是影响岩爆的因素之一。通常，埋深越大，地应力就越高，越有利于岩爆的产生。岩体天然应力的垂直分量，一般认为等于该点的上覆岩层的重量𝛄h。有

30、人总结了世界范围内的资料得出，随深度的增多呈线性关系增加，大概相当于按平均重度为27 KN 计算出来的重力𝛄h。而水平应力与垂直应力的比值k的变化范围基本上介于下述不等式的范围：100H+0.3k1500H+0.5 （2）式中 H 实测应力的深度，m。从我国国内的一些发生岩爆的工程来看，埋深一般大于150 m。对于以重力作用为主，=𝛄h，水平应力与垂直应力的比值小于0.5的地区，岩爆的产生有一定的临界深度4：=0.318(1-)/(3-4) (3)式中：𝞵 岩石泊松比；𝛄 岩石重度，KN；岩石抗压强度，KPa。水平应力和垂直应力都

31、随深度线性增大，但二者变化的梯度是不同的，在岩体中存在有一个临界深度，在临界深度以上，水平应力大于垂直应力，是最大主应力，超过临界深度后，垂直应力就会大于水平应力成为最大主应力。测量地区不同，临界深度也不同。最大主应力的方向会影响到岩爆发生的部位。当水平应力为最大主应力时，地下洞室的顶拱和底板会出现较大的应力集中，发生岩爆，而当垂直应力为最大主应力时，地下洞室的边拱则会容易发生岩爆。地形对岩体的初始应力状态有着显著的影响。对于斜坡地形，最大主应力平行于坡面方向，而近于斜坡表面的垂直方向上应力则几乎为零，和的差值很大。在斜坡上的局部上凸部位，应力值急剧减小，而在斜坡下凹地方则应力增大。在山谷的尖

32、槽底下，会出现很大的应力集中现象。因此在坡脚和河谷地区，即使埋深不大，由于会出现较大的应力集中现象，也有出现岩爆的可能。（5）人为开挖产生岩爆灾害的重要条件之一就是围岩体内存在有局部应力集中。应力集中不仅与岩体的初始地应力有关，而且与洞室的形状、施工方法等工程因素有关。人为开挖是岩爆发生的外因。圆形洞室的周边部位应力集中程度相对不大，而非圆形洞室周边部位的应力集中程度不一。以侧压力系数=l为例，考虑围岩为弹性岩体，经计算可以看到，圆形洞室的应力集中系数c(c=，其中为切向应力，为垂直初始应力)为2，而椭圆形洞室的长轴与洞室的交点以及矩形洞室的四角的应力集中系数相对很高，且洞室越扁平或狭长，应力

33、集中系数越高，岩爆也就越容易发生。此外，平行洞室间厚度较小的岩柱，隧洞从两头开挖接近贯通的部位，洞线转弯处等也都会产生较大的应力集中，易于岩爆的发生。综上所述，由于影响岩爆的因素较多，迄今为止人们对其形成机理的认识还没有统一。但是可以看出学者们对岩爆的机理研究从力学特性方面来看可以分为静力学机理和动力学机理。从岩爆破坏形势上来看分为剪切破坏和张拉破坏。通过对大量学者的研究成果进行综合分析看出引起岩爆最根本的因素是岩石的强度及地应力量级和开挖等外荷载的扰动，因此岩爆的机理可以概括为处在一定应力环境中的硬脆性岩石，在外力扰动下使得围岩中积聚的应变能大于克服岩体破坏吸收的能量后使岩石以张拉或剪切破坏

34、或张剪复合破坏的形式脱离母岩的一种动力破坏。岩爆的预测应该根据岩爆的机理主要从岩石的特性及地应力大小及能量转移三个主要方面进行分析。4岩爆的预测方法（判据）目前，已有许多岩爆理论研究，其中主要的包括强度理论、能量理论、冲击倾向理论、刚度理论和失稳理论。我国自新中国成立以来的半个世纪，唐春安、潘岳、徐曾和、费鸿禄、潘一山、傅鹤林和李玉等学者对突变理论在岩爆中的应用和发展，做出许多贡献6。此外，我国岩石力学工作者还运用分叉理论、耗散结构理论、混沌理论等研究了岩石变形的局部化问题以及岩石力学系统的稳定性问题，推动了我国岩爆及其岩石失稳理论的发展。谢和平7则利用分形几何学的方法研究了岩爆发生的机制及其

35、预测预报的手段。谭以安8提出了岩爆预测的模糊数学综合评判方法。除理论研究以外，唐春安等研究开发出具有中国自主版权的岩石破裂过程分析RFPA 数值计算工具，并开发了ESG 微震监测系统，配置了可视化RFPA-View 软件，为岩爆等岩石破裂过程失稳研究提供了新的研究手段。葛德治和卢基锋9应用不连续变形分析法(DDA)进行岩爆行为之不连续数值模拟，对于脆性岩体隧道开挖，能合理地模拟围岩破裂及岩块飞出行为。近期，在岩爆预测方面，杨莹春和诸静10提出了可拓评判法；X. T. Feng 和L. N. Wang11提出了人工神经网络方法；姜 彤等12提出了灰色系统最优归类模型的应用；冯夏庭和赵洪波13提出

36、了岩爆分类的支持向量机方法；宫凤强和李夕兵14提出了距离判别分析(distance discriminant analysis)方法的应用。这些方法给岩爆预测提供了新的思路和途径。在理论和施工现场探测相结合基础上，国内外学者提出了多种岩爆判据和岩爆分级，而且总结出较好的预测预报方法和防治措施。自1738 年世界采矿业首次报道岩爆发生在英国南史塔福煤田的莱比锡煤矿起，岩爆研究工作就一直未停止过15。但是，由于岩爆现象的复杂性，岩爆问题至今仍是岩石力学世界性难题之一。为了判断洞室或隧洞(隧道)在何种情况下发生岩爆以及若可能发生岩爆时其严重程度如何，国内外学者提出了许多岩爆判据和岩爆分级。4.1E.

37、 Hoek 方法Hoek等总结了南非采矿巷道围岩破坏的观测结果，提出对岩爆分级的判别式：0.34（少量片帮，级）0.42（严重片帮，级） 0.56（需重型支护，级） （1）0.7（严重岩爆，级）=式中：为隧洞断面最大切向应力， 为岩石单轴抗压强度。4.2 Turchaninov 方法（T方法）Turchaninov 根据科拉岛希宾地块的矿井建设经验，提出了岩爆活动性由洞室切向应力和轴向应力之和与岩石单轴抗压强度之比确定：（+）/0.3 （无岩爆）0.3（+）/0.5 （可能有岩爆）0.50.8 （有严重岩爆）（2）4.3 Kidybinski 方法：弹性能量(应变能)指数 判据(主要根据煤的试

38、验) 为弹性应变能与耗损应变能之比，即= （3）式中：， 分别为试块的弹性应变能和耗损应变能，均由试块加、卸载应力应变曲线中的面积求出。 判据如下：5.0 （强烈岩爆）=2.04.9 （中等岩爆）2.0 （无岩爆）（4）能量理论的基本观点可总结为:围岩系统在其力学平衡遭到破坏时，如果岩体所释放的能量大于岩体破坏所消耗的各种能量，即认为产生岩爆。能量理论在一定程度上反映了岩爆的实质，评判依据简单，作为定性预测起到了一定的积极作用，但是能量理论考虑到在岩石的破坏过程中还伴随着有其它的能量释放(如声能、热能等)，因此用此观点得出的结论往往放大了岩爆的烈度。另外采用的评判依据是室内岩石单轴加卸载试验得

39、到，因岩石为各向异性，试验数据的离散性很大，往往不易得到理想的卸载曲线，加上岩石处在三向应力环境中，采用单轴试验与实际工作条件存在一定的差异，因此也注定了其应用的局限性。4.4 Russense 判据Russense 岩爆判别法是根据洞室的最大切向应力与岩石点荷载强度的关系，建立了岩爆烈度关系图。把点荷载强度换算成岩石的单轴抗压强度，并根据岩爆烈度关系图判别是否有无岩爆发生。其判别关系如下：/0.20 （无岩爆）0.20/0.30 （弱岩爆）0.30/14.5无岩爆发生，也无声发射现象类14.55.5低岩爆活动，有轻微声发射现象类5.52.5中等岩爆活动，有较强声发射现象类2.5高岩爆活动，有

40、很强的爆裂声注：为最大主应力。4.9对岩爆判据和岩爆分级的商榷国内外众多岩爆研究成果和大量岩爆实际资料和试验数据表明：发生岩爆，除了岩体应力(地应力或初始应力)必须大于岩石单轴抗压强度的某一百分数之外，岩石还应该是脆性的、坚硬和完整的或比较完整的，同时岩石的弹性应变能需要比岩石破坏耗损应变能大很多。反之，不会发生岩爆。分析以上有代表性的判据可看出：谷明成16提出的岩爆判据满足上述发生岩爆需要具备的诸项条件。但是，其0.3是根据秦岭隧道围岩片麻岩强度高的具体情况所得到的，其发生岩爆的条件偏高。陶振宇提出的/14.5就发生岩爆，是很例外少有的情况，是偏低的，已被我国工程实例证实19。但是，大多数判

41、据都是以洞室围岩的环向应力和径向应力来表达的，在使用有限元软件进行分析时需要进行坐标变换，因此十分不便5。陶振宇提出了基于最大主应力的判据，是其优点。根据国内外大量岩爆统计资料表明：最大主应力(0.150.20)，则极易发生岩爆3。为克服上述两判据判别发生岩爆的条件偏高和偏低，把两判据结合起来，去掉两者不足之处，形成修改后的谷陶岩爆判据和岩爆分级如下。修改后的谷陶岩爆判据为0.15 (力学要求) 15 (脆性要求) 0.55 (完整性要求) (9)2.0 (储能要求)修改后建议的岩爆分级如表2所示。 表2 修改后建议的岩爆分级表Table 2 Suggested rockburst class

42、ification after revision岩爆分级判别式说 明类0.40高岩爆活动，有很强的爆裂声近年来，随着人工智能和非线性学科的发展，有限元计算、模糊综合评判、人工神经网络等近现代方法也逐渐应用于岩爆预测预报工作中，如谢和平的分形预测法，冯夏庭(2002)等人提出了岩爆预测的支持向量机，徐则民、黄润秋53(2003)从应力波传播角度研究了岩爆与爆破的关系，认为P波和居于支配地位的Rayleigh波对围岩具有显著的扰动作用，孙海涛（2005）等人提出了基于非线性混沌理论的岩爆预测方法分析。梁志勇52(2005)采用平行杆模型模拟地下深埋洞室脆性围岩，推导出了不同应力条件下岩体损伤的表达

43、式，再利用损伤变量来表征岩爆发生概率，从而实现岩爆预测，这些基于岩爆理论和岩爆破坏机制而提出的各种理论预测方法，目前都不成熟，在实际工程应用中还存在困难。4.9.1判据的适用范围但遗憾的是，现有的应力判据均只涉及到影响岩爆的某个（或几个）因素，由于岩爆的产生受多种因素影响，其形成与发生跟岩石破坏的全过程有着密切关系，而目前有关岩爆的应力判据并未考虑这一点，存在很大的缺陷51：几乎所有的应力判据都假设太多，且有些判据摒弃了许多与岩爆有关的重要因素。瑞典地质学家Heim关于水平分量的假设也存在一定的局限性。虽然有些应力判据用实测的手段去获得三个主应力，但是这样所得的结果与真实值还是有误差的，因为实

44、测手段本身就不够完善，以现有的应力测量技术，只能在岩体的扰动条件下测试岩体内一点的应力，不具有代表性，并且这种扰动所引起的误差，难以精确估算，因为这种扰动本身就使岩体中的地应力带来集聚和释放的特性，而这种特性的影响目前国内外很少进行专门研究，另外，虽然利用反分析法去求测地应力有一定的可行性，但由于是等效均匀应力场的方案，故所求得的结果与岩体的真实应力状态并不相同。几乎所有的应力判据均含有人为因素，即含有一个或几个经验数，该经验数含有的偶然性就导致了预测误差。4.9.2预测的优缺点在岩爆机制研究方面，缺乏针对现场岩爆特征的地质力学模式，因此，岩爆的预测防治往往针对性不强，预测不够准确。在岩爆预测

45、方面，没有充分考虑岩体结构特别是显微结构对岩爆的影响;在实际的工程应用中，更没有将其作为评判因子之一来综合预测岩爆发生的烈度级别;在现有的研究中大多是对沉积岩、变质岩、及侵入岩，而对流纹岩这类溢出岩与岩爆的关系研究很少。5岩爆防治目前基于岩爆理论和岩爆破坏机制而提出的各种理论预测方法, 在工程应用中尚存在困难。而在生产实践中, 对岩爆又常要求一些具体的、切实可行的现场预测预报方法、指标和解决岩爆的防治对策, 因此, 对此问题的研究, 具有重大的实用价值。5.1设计阶段首先，在隧道线路选择中，应该尽量避开易发生岩爆的高地应力集中地区。其次，当难以避开高地应力集中地区时，要尽量使隧道轴线与最大主应

46、力方向平行布置，以减小应力集中系数，防止发生岩爆或能够降低岩爆级别。再次，隧道断面选择尽可能用圆形，不可能时可用城门洞形(即上圆下方形)，使隧道断面有利于减少应力集中。5.2施工阶段目前，我国隧道、地下洞室在施工过程岩爆防治措施主要有以下几方面：(1) 改善围岩物理力学性能。在掌子面(开挖面)和洞壁经常喷撒冷水，可在一定程度上降低表层围岩强度。根据王贤能研究，对于煤等非坚硬岩体，采用超前钻孔高压均匀注水，可以通过三方面作用来防治岩爆：一是可以释放应变能，并将最大切向应力向深部转移；二是高压注水的楔劈作用可以软化、降低岩体强度；三是高压注水产生了新的张裂隙，并使原有裂隙继续扩展，从而降低了岩体储

47、存应变能的能力。对于具有高地应力的坚硬岩体来说，岩体内裂隙由于受到注水的润滑作用又能触发引起“地震”，结果往往起不到应有的软化围岩作用。钻孔注水的有效性在坚硬岩体中的高地应区是值得讨论的。在此高地应力区，注水后其封闭应力可能以岩爆的方式释放(印度Kolar半岛 Krishna金矿)。(2) 改善围岩应力条件。根据国内外工程实践经验，岩爆洞段尽量采用钻爆法施工，短进尺掘进；减小药量，控制光面爆破效果，以减小围岩表层应力集中现象。轻微、中等岩爆段尽可能采用全断面一次开挖成型的施工方法，以减少对围岩的扰动。强烈以上的烈度岩爆地段，必要时也可采用分部开挖的方法，以降低岩爆的破坏程度，但在施工中应尽量减

48、少爆破振动触发岩爆的可能性；采取超前钻孔应力解除、松动爆破或振动爆破等方法，使岩体应力降低，能量在开挖前释放。目前，不少学者推荐用分部开挖的方式减少岩爆的发生，但根据数值分析结果(结合天生桥二级水电站隧洞工程)，增加开挖的次数并不有利，多一次开挖就多一次遇到岩爆的机会，甚至会发生剪切破坏岩爆。这是值得商榷的。(3) 加固围岩。对不同烈度的岩爆采用不同的加固处理措施。对于低岩爆，可实施全断面光面爆破开挖；爆破、通风、找顶后，洞壁、掌子面撒水3 遍，每遍相隔510 min，使开挖岩面充分湿润，撒水喷头水柱不小于10 m；打洞壁环向应力释放孔；设置挂网喷射混凝土初期支护。对于中等岩爆，除实施全断面光

49、面爆破开挖外，必要时可作3050 m 超前导洞，导洞直径可不大于5 m，作为岩爆超前预报和释放地应力；同样在爆破、通风、找顶后，洞壁、掌子面撒水3遍和打洞壁环向应力释放孔；挂网喷射混凝土初期支护；设置径向系统锚杆。对于强烈以上烈度岩爆段，多采取加深加密系统锚杆，并加垫板；挂整体网；进行3次三循环喷混凝土；格栅钢架支撑等措施。这里值得商榷的是施做锚杆的合适时机：根据天生桥二级水电站长隧道的施工经验，在严重岩爆区(II 号洞3+1833+200 处，岩爆体积约200 m3)匆忙打锚杆，反而促成塌方，只有用反铲打掉危石，待岩爆高峰过后，再进行喷锚，回填混凝土，并重新开挖。5.3采用TBM 施工时岩爆

50、的防治当隧道长度与直径之比大于600 时，采用TBM进行隧道施工是经济的。这已被国内外工程实践所证明。目前，在长大隧道施工的TBM 主要是开敞式和双护盾式2 种TBM。以下扼要介绍TBM 施工时岩爆的防治。（1）开敞式TBM 施工时(我国陕西省秦岭铁路隧道)岩爆的防治3对轻微岩爆的处理办法为钻浅孔喷水释放应力，再进行锚网喷支护。对中等岩爆的处理办法为除了喷水、钻孔释放一部分应力外，还必须及时进行锚、网、喷、格棚或槽钢架支护，控制落石。同时现场确定是否架设全圆钢拱架支护。对强烈岩爆的处理办法为架设全圆钢拱架，再铺以格栅或槽钢拱架，及时用混凝土回填塌穴。使用TBM 上部外角为6的超前钻，预打补偿和

51、超前锚杆，使岩体原始地应力释放，以便减缓开挖后的围岩应力，使之不发生岩爆或削弱岩爆。利用TBM 后部的手动喷头，紧跟掘进进行喷混凝土支护，及时施作锚杆以阻止顶板的进一步破坏，防止剧烈的岩块弹射。由于掌子面上岩爆的发生频率往往高于洞壁，岩爆的突发性使靠近掌子面的人员安全受到威胁，特别是对TBM 进行换刀作业人员。因此，在岩爆段换刀时，应迅速退机，使刀盘与掌子面保持一定距离，并用冷水喷洒或喷射混凝土后再进行作业。在TBM 以及后续的配套设备上安装铁甲，构成一个防石棚，避免岩爆石块塌落伤人，砸毁机构设备。岩爆有时并不是在开挖后立即发生，发生时间一般在2个月内。因此，TBM 施工过程中有必要组织专门人

52、员进行安全常规检查，以确保过往车辆及人员安全。 (2) 双护盾式TBM 施工时岩爆的防治双护盾式TBM 掘进后，对围岩表面喷水湿化围岩；采用超前钻孔，并在钻孔中灌水，增加岩石湿度，释放地应力；采用重型管片支护。若有条件，可增加声发射法监测岩爆源，进而确定隧道岩爆可能发生的部位，及时进行相应的加固。采用双护盾TBM 进行隧道施工，在管片和护盾的保护下，中、低强度岩爆对施工人员和设备的威胁不大。6岩爆的预测得预报目前国内外常用的方法有钻屑法、地球物理法、位移测试法、水分法、温度变化法和统计方法等 13 。对在实际工程中较为常用的方法阐述如下:( 1) 钻屑法或岩芯饼化率法:这两种方法都是通过围岩钻

53、孔进行。对于强度很高的岩石, 在高地应力作用下使岩芯发生饼化,可根据某一厚度以下岩饼数量的相对大小来进行判断。而在钻孔过程中, 还可获得诸如爆裂声、摩擦声和卡钻现象等具有辅助判断作用的动力响应信息。( 2) 地震波预测法： 结合超前地质预报工作, 利用单道地震仪对掌子面及前方岩体进行监测。如沿水平线每隔1 m 逐点测试岩石弹性波速度, 采用准强度概念, 以如下计算公式推测发生岩爆的可能性: =式中, 为准岩体抗压强度( MPa) ; 为岩石单轴抗压强度( MPa) ; 为现场岩体纵波速度( m/ s) ; 为岩体试件纵波速度( m/ s) 。当准岩体抗压强度 80 MPa 时, 即有可能发生岩

54、爆。岩爆是储存在岩体中的应变能突然释放的一种表现形式, 故岩爆实际是开挖所诱发的地震, 可采用开挖过程中的岩爆地震数据来预测未来开挖过程中发生的岩爆,建立岩爆事故次数、大小、分布与地震转移的场量关系, 从而预报大中型岩爆的时空位置及数量大小。( 3) 声发射( A E ) 法: 声波发射A E 法即Acoustic- Emission 方法。此方法源于岩石临近破坏前有声发射这一实验观测结果, 它是对岩爆孕育过程最直接的监测方法, 也是最直接的预报方法。此方法的基本参数是能率E和大事件数频度N,它们在一定程度上反映出岩体内部的破裂程度和应力增长速度。岩爆的产生需要积蓄能量, 而能量的积蓄就意味着

55、有一个暂时的声发射平静期, 因此, A E 活动的暂时平静, 是岩爆发生的前兆。由于此方法可望在现场对岩爆进行直接的定量定位预报, 是一种具有很大发展前景的直接预报方法。AE量测的有关参数主要有: A E 事件数: 表示山鸣发生频度的指标, 实际量测时, 以AE 的振幅从超过某一设定的振幅值( 界限值) 的瞬间, 再到界限值以下作为一事件, 通常以所测定时间内的累积数, 作为A E 事件总数;响声下降计数: 表示山鸣大小的指标, 实际量测时, 在一个事件中超过界限值作为振幅数检出, 通常也以所测定时间内的累积数, 作为响声下降计数;A E 最大振幅值: 表示山鸣声大小的指标之一, 相对于用响声

56、下降计数表示, 用数值表示最大振幅值。实际量测时, 以所选定的测定时间内的AE最大振幅值用gal的单位检出。7工程实例7.1地应力的分布规律780m深度处隧道围岩附近初始地应力。岩性主要为紫红色厚至巨厚层细砂岩粉砂岩，局部夹薄层泥岩，近水平层状。表6.1地应力测量结果埋深（m）最大主应力（大小、方位角、倾角）中间主应力（大小、方位角、倾角）最小主应力（大小、方位角、倾角） 78024.1, 、14.1、11.6、7.2隧道围岩地应力状况分析通过对地下780m处隧洞附近岩石的声发射凯塞效应地应力测试结果的分析，我们对隧洞围岩的地应力分布状况有了一个初步的认识，下面从几个方面简单分析和总结一下隧道

57、工程区的地应力情况。7.2.1地下780m深度处隧道洞壁围岩的应力值计算出地下780m深度处隧道某点附近地应力三个主应力的大小依次为：24.1MPa，14.1MPa，11.6MPa，它们与水平面间的夹角分别为，。（正负需要有规定）以自重应力为主，最大主应力与自重应力有一定的夹角，而中间主应力和最小主应力也不水平。假设在地下780m深度处开挖两条相互垂直的隧道，它们的洞轴线的方位分别为和方向，为评价这两条隧道开挖时是否有岩爆现象发生，须进一步计算拟开挖隧道洞壁围岩中最大、最小水平正应力的大小、方向以及垂直洞轴线平面内围岩的最大、最小初始应力等。1、洞壁围岩中最大、最小水平正应力值 表示表示一点处

58、任意平面上的法向应力，分别表示该平面法向与轴之间夹角的余弦值。岩体内任意方向的正应力分量可表示为：=+2+2+2 （71）利用式（71），要计算水平最大正应力、水平最小正应力，需知道水平正应力与各坐标轴之间夹角的方向余弦值，即，设𝜑为与任一竖直面法向间的夹角，则当𝛗时，=+2=+2；当𝛗时，=+2=+2；即，=+2求函数的一次导数=+2=1.5+3.6=3.9当00.9827937时，0当0.98279372.553580时，0；当时，0当5.6951826时，0当5.69518266.2831852时，0于是，当𝛗=0时，=12.8MPa 当𝛗=0.9827937时，=15.31538MPa当𝛗=2.553580时，=11.78462MPa当𝛗=4.1243863时，=15.31538MPa当𝛗=5.69