地下工程巖爆研究現狀綜述

李 果，周承京，張 勇，徐 航，高云瑞，張 茹

(1.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065;2.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065)

巖爆是高地應力區地下工程開挖時巖體中積聚的彈性應變能突然釋放而發生的動力地質災害現象［1］。低強度的巖爆表現為圍巖剝離，有聲響，有氣浪，危險性較小;高強度的巖爆表現為圍巖崩落、彈射，產生較大的粉塵和空氣沖擊波，常常還會使巖體和地表產生震動，和小地震相似。從世界范圍來看，巖爆在水電、交通、礦山及核廢料地下處置圍巖工程中均有發生。世界上最早的一次巖爆于1738年發生在英國的錫礦［2］。我國最早有記錄的礦山巖爆于1933年發生在撫順勝利煤礦［3］。據32個重點煤礦的不完全統計，1949—1985年，我國至少曾經發生過1842起巖爆和煤爆［4］。巖爆地質災害現象直接威脅著施工人員、設備的安全，影響工程進度，增加工程投資，已成為世界性的地下工程難題之一［5］。例如，錦屏二級電站施工排水洞2009年11月突發極強巖爆災害，導致整個支護系統被摧毀并引發大規模巖體坍塌，造成多人遇難。又如，岷江上的太平驛水電站引水隧道某標段，長度僅為5km左右，但施工期間曾發生大小400次巖爆，并造成損機傷人的嚴重事故［6］。近年來隨著我國經濟的發展和地面空間的限制，人類活動向地下空間深部領域開拓，我國巖土工程建設呈現出規模大、難度高的特點，巖爆發生的強度和頻率也呈上升趨勢。因此巖爆的機理、預測與防治研究對于地下工程的安全和施工進度的保障顯得尤為重要。

世界上對巖爆進行有組織的系統研究始于20世紀50年代，南非、波蘭、加拿大和前蘇聯等國在巖爆機理研究、預測預報和防治手段等方面取得了較大進展。1977年，國際巖石力學局成立了專門的巖爆研究組，在收集整理各國有關巖爆事件的詳細資料和數據的基礎上，編寫了《1900—1977年巖爆注釋資料》一書。近年來，幾乎所有的大型巖石力學學術會議都有巖爆研究專題。國際巖爆與微震活動性學術研討會自1982年第1次在南非發起，先后召開了7次會議并出版了會議論文集。2011年7月8—9日，中國科協學術沙龍“巖爆機理探索”在北京成功舉行，錢七虎院士在會上指出，巖爆機理的研究多停留在定性解釋階段，雖然對巖爆的預測預警進行了大量的探索和研究，但是尚未上升到系統的理論高度。因此巖爆的機理及其預測預警已經成為我國巖石力學領域必須解決的關鍵科學問題和技術難題［7］。

筆者在查閱大量國內外文獻的基礎上，系統闡述了目前學術界和工程界關心的巖爆定義、烈度分級、影響因素、破壞機理、理論與經驗判據及現場預測與支護手段等，指出了目前巖爆研究中存在的突出問題，并建議根據地下工程設計、施工階段的不同，對巖爆預測進行階段性劃分并采用規范性的預測步驟和方法，為將來巖爆理論研究成果納入部門和國家標準或規范奠定基礎。

1 巖爆的定義、類型及烈度分級

1.1 巖爆的定義

地下工程中出現的巖爆現象，由于行業背景的差異有不同的名稱，如巖爆和沖擊地壓，二者既有共同點又有區別。首先，二者的差異主要體現在行業上，水電、交通、隧道等行業稱為巖爆，而煤礦和冶金等行業稱之為沖擊地壓。其次，二者在外部表現和內在機理亦有較大的區別:巖爆是巖體的一種破壞形式，是處于高地應力條件下的穩定巖體在工程開挖或爆破過程中穩定狀態被破壞，進而通過巖體的崩塌、巖石的彈射等一系列活動來釋放巖體中積聚的應變能從而達到新的穩定狀態的一種工程現象;而沖擊地壓則是在一定的高地應力作用下，煤礦井巷或回采工作面周圍的煤巖體由于彈性應變能的瞬時釋放而產生破壞的礦井動力現象，常伴隨有巨大的聲響、煤巖體被拋向采掘空間和氣浪等現象。巖爆只是開掘應力誘發，而沖擊地壓可以是開掘應力誘發，也可以是開掘好一段時間后由采動應力誘發［7］。但目前全國科學技術名詞審定委員會審定公布的巖爆定義中，只強調“地下工程開挖中”和“在地應力高的巖體中開挖洞室”所發生的“巖爆”，而沒有考慮到已經開掘好的巷道在一段時間后(一個月甚至一年)由采動應力或礦震引起的沖擊地壓問題［1］。

1.2 巖爆的類型

對于巖爆類型的劃分，目前學術界尚未達成共識。根據巖爆發生機理可分為應變型巖爆、構造型巖爆、應變和構造混合型巖爆［8］;若根據巖體類別可分為均勻巖體巖爆和非均勻巖體巖爆。下面列舉眾多學者提出的其他分類方式:張悼元等［9］按巖爆發生部位及所釋放的能量大小，將巖爆分為三大類型:一是洞室圍巖表部巖石突然破裂引起的巖爆，二是礦柱或大范圍圍巖突然破壞引起的巖爆，三是斷層錯動引起的巖爆;左文智等［10］從巖爆形成的內在因素出發，將巖爆類型劃分為水平構造應力型、垂直壓力型和綜合型三大類;武警水電指揮部天生橋二級水電站巖爆課題組對巖爆有兩種分類標準:一是按破裂程度將巖爆分為破裂松弛型和爆脫型二大類，二是按規模將巖爆分為零星巖爆(長度0.5～10m)、成片巖爆(長度10～20m)和連續巖爆(長度大于20m)三大類;郭志［11］根據巖爆巖體破壞方式，將巖爆劃分為爆裂彈射型、片狀剝落型和洞壁垮塌型三大類。迄今為止，在國內譚以安［12］的巖爆類型劃分方案影響最大，他首先根據巖爆巖體高地應力成因和最大主應力方向，將巖爆類型劃分為水平應力型、垂直應力型和混合應力型三大類，然后依據具體應力條件和巖爆特點，再將巖爆劃分為六個亞類。

1.3 巖爆的烈度分級

巖爆烈度是指巖爆破壞程度，巖爆破壞主要是指地下洞室、礦山坑道遭受巖爆時巖體或礦體本身產生的直接破壞，以及因此而誘發的工程區或礦區、地面建筑物等的間接破壞。

對于巖爆烈度分級問題，目前國內外尚有不同的見解，主要依據與巖爆有關的單項或少數幾項指標來劃分。實際上，巖爆的烈度分級所要考慮的因素遠不止一種，而現階段的分級方式往往不能從多方面進行考慮，這也是造成烈度分級不能達成共識的原因。不過，現在的趨勢是更加側重于實際的表觀現象，也就是根據巖爆發生時巖體的破壞表現程度來分級［8，12］，這樣更方便現場施工人員對巖爆進行直觀的判斷。如德國布霍依諾根據巖爆對工程的危害程度，將巖爆烈度劃分為輕微損害、中等損害、嚴重損害三級;挪威拉森斯根據巖爆發生時的聲響特征、圍巖爆裂破特征等將巖爆烈度劃分為0、1、2、3共四級;譚以安依據巖爆危害程度及其發生時的力學和聲學特征、破壞方式將巖爆烈度劃分為弱、中、強、極強四級;張鏡劍［13］根據錦屏一級和錦屏二級兩座水電站的實際數據，提出了巖爆五因素綜合判據;劉章軍等［14］以模糊概率理論為基礎，將巖爆烈度劃分為無巖爆、弱巖爆、中等巖爆和強巖爆四級;王吉亮等［15］基于距離判別分析方法對巖爆等級進行判定，將巖爆等級也分為無巖爆、弱巖爆、中等巖爆和強巖爆四級。

2 巖爆的影響因素

巖爆的影響因素包括內因和外因兩種:內因主要有高地應力、巖體結構及性能、地質構造等;外因主要有水文地質條件、開挖施工因素、應力波淺表生改造等。其中高地應力條件是巖爆發生的能量源泉，巖體結構及性能、地質構造、水文地質條件等決定了發生巖爆的能量聚集和釋放能力。總體而言，巖爆是多種因素導致的結果，各影響因素之間既獨立又相互聯系，并且對巖爆的影響方式和影響程度也不同。筆者認為高儲能、高地應力和開挖擾動是巖爆發生的3個必要條件。

2.1 巖爆的內因

a.高地應力。巖爆的發生與地應力的集聚有著密切的關系。通常具有較高地應力的巖石其彈性模量也較高，因此在高地應力區，巖石具有較大的彈性應變能，易發生巖爆。另外，高應力區的巖石具有一種明顯的脆碎特征，而巖爆恰恰是巖石的脆性破壞過程［16］。高地應力區隧道等地下工程洞室開挖后，其周邊圍巖二次應力場中產生的切向應力σθ和徑向應力σr的分異作用則是導致巖爆發生的重要原因［17］。

b.巖體結構及性能。巖體結構及其性能條件是巖爆發生與否的物質基礎。完整或比較完整的巖體積聚了很大的彈性應變能量，是發生巖爆的必要條件之一［18］。發生巖爆的巖石通常為高彈性儲能的硬脆性巖漿巖、灰巖、白云巖、砂巖等沉積巖以及混合花崗巖、花崗片麻巖、石英巖、大理巖等變質巖。通過對深埋隧道巖爆的研究發現，發生巖爆的圍巖通常硬度高，節理裂隙少，完整性好，這些都有利于巖石彈性應變能的積蓄［19］。

c.地質構造。有些巖爆的發生與地質條件密切相關，這些巖爆總體上可以劃分為以下三種類型:第一種主要發生在最大主應力接近水平方向的高地應力區和地殼中構造應力較為集中的部位(如褶皺翼部等)。因為在水平構造應力的長期作用下，巖體內儲存了足以導致巖爆的彈性應變能。第二種是由于斷層錯動所引起，當開挖靠近斷層，特別是從斷層底下通過時，工程開挖使作用于斷層面上的正應力減小，從而使斷層面的摩擦阻力降低，引起斷層局部突然重新活動，進而形成巖爆。這類巖爆一般多發生在構造活動區埋深較大的地下工程中，破壞性很大。第三類巖爆主要發生在距離斷層構造(帶)一定距離范圍的局部構造應力增高區洞段。它是由于斷層構造活動導致局部巖體發生松弛現象，從而造成局部應力向斷裂構造(帶)兩側一定范圍的圍巖中轉移，從而造成了引發該類巖爆活動的局部構造應力增高區［20］。

2.2 巖爆的外因

a.水文地質條件。在易發生巖爆的洞段，巖體一般比較完整，巖體嵌合較為緊密，圍巖表面較干燥，地下水不發育。通常在有地下水活動的濕潤地段，圍巖中的地應力可以更好地釋放或者向圍巖深部轉移，故不易發生巖爆［19］。

b.開挖施工因素。洞室開挖造成圍巖應力重分布，使得徑向應力減小，洞壁切向應力增大。圍巖二次應力集中是圍巖儲聚能量增加的直接原因。開挖的深度，斷面的大小、形狀等都會對巖爆的發生幾率和強度產生較大的影響。隨著埋深的不斷增加，巖爆的數量、頻度及強度也逐漸增加;地下工程橫斷面形狀一般為圓形和直墻圓拱形，在相同環境下直墻圓拱形洞室的應力集中現象較圓形洞室更加明顯，故相比于直墻圓拱形洞室，圓形洞室發生巖爆的幾率和烈度都較小。

c.應力波。應力波到達洞室附近時可能產生拉應力，使巖體出現平行于洞室表面的裂紋，左宇軍等［21］通過動態版RFPA2D數值模擬軟件再現了此種層裂過程;動態應力波在遇到斷層時多次反射并發生半波損失，反射的應力波相互疊加，使圍壓、摩擦阻力減小，使原有裂紋串通、介質松動、接觸面變平，容易發生巖爆［22］。

d.淺表生改造。淺表生改造可以改變巖體的初始應力，從而影響巖爆的烈度。巖體在地質作用和物理化學風化侵蝕作用下，垂直應力和水平應力不斷發生變化，造成巖體垂直應力降低，而水平應力不斷增大，并最終導致水平應力遠大于垂直應力。洞室開挖后，在巖體發生卸荷回彈的變形過程中，如果巖體的強度和完整程度都很高，則其儲存的彈性應變能是相當大的，在這種地區進行地下工程施工，如果發生巖爆，則巖爆的烈度將明顯高于淺表生改造前的巖爆烈度［18］。

3 巖爆(沖擊地壓)的破壞機理

3.1 巖爆

世界上眾多科研機構對巖爆機理進行了深入研究，并提出了諸多巖爆形成的力學機制，主要有劈裂破壞、剪切破壞、彎曲內鼓。不同的破裂機制不僅與圍巖應力狀態有關，而且與巖體性能、結構構造、開挖條件等諸多因素有關［17］。①劈裂破壞型。劈裂破壞屬脆性斷裂，常發生在厚層狀地層分布地區。巖爆發生前沒有明顯的裂紋，但是在高地應力條件下，巖石內部存在的微裂隙將在應力集中效應下失穩、擴展、相互貫通，并最終發展為與最大主應力呈小角度相交的宏觀劈裂面，且破裂面常與洞口邊界平行。這種類型的巖爆一般發生在最小主應力與最大主應力比值較小的情況。②彎曲內鼓型。區域最大主應力與巖層層面或解離面垂直時易發生此類巖爆破壞形式。當區域最大主應力與地下工程拱頂垂直時，彎曲內鼓型巖爆主要出現在兩幫，表現為兩幫巖石向掘進靜空的彎曲鼓折;當區域最大主應力與地下工程拱頂平行時，在地下工程的頂部出現類似的彎曲內鼓型巖爆。③剪切破壞型。當巖石應力達到峰值強度時，將出現與洞口邊界斜交、呈對數螺旋形的破裂面。

3.2 沖擊地壓

煤炭開采過程中的沖擊地壓形成機理可分為三大類:①開挖過程中的井巷或工作面周圍巖體，由于彈性應變能的瞬時釋放而產生劇烈破壞的動力現象，此類型與地下工程中的巖爆機理相同。②已開挖的處于穩定狀態的井巷或工作面周圍巖體，由采動應力或頂板大面積破斷或礦震誘發而突然產生劇烈破壞的動力現象，經常是煤柱或巷道圍巖大面積的沖擊突出。③井巷或工作面周圍巖體，由于周圍斷層、構造或結構面的黏滑錯動誘發產生突然劇烈破壞的動力現象［1］。無論是何種類型的沖擊地壓，均可由齊慶新等［23－25］提出的“三因素”機理解釋:第1個因素是沖擊傾向性，即煤或巖石固有的沖擊破壞的性質和能力，是其內在性質;第2個因素是結構因素，即煤巖體的結構性質，如煤層中的“軟層”結構或“三硬”結構，或煤層變薄帶、斷層、褶皺等地質構造，此因素不可量化;第3個因素是應力因素，是沖擊地壓發生的核心必要條件，是外在因素，可量化可實測，具體而言就是原巖應力和采動應力之和，與采動行為密切相關。

4 巖爆的預測方法

國內外學者根據多種巖爆理論和學說對巖爆的發生進行預測，從強度、剛度、能量、穩定、斷裂、損傷等方面對巖爆現象進行分析，提出各種假設和判據，如Russenes判據、陶振宇判據、Rb/σ1判據等，并采用各種理論和科學方法對巖爆烈度等級進行預測，如數值分析方法［26］、模糊數學理論［27］、灰色理論［28］、人工神經網絡［29－30］、支持向量機［31］、可拓學［32］、集對分析法［33］、距離判別法［34］、數據挖掘方法 AdaBoost［35］、AE 時間序列［36］、屬性數學理論［37］以及模型試驗法等。由于諸多文獻對上述理論都有較詳細的闡述，故筆者僅對近年來國內的最新預測方法進行簡單介紹。

a.基于分形插值模型的巖爆預測。該方法選取影響巖爆評價的3個主要因素，根據分類標準和隨機內插方法得到若干個標準樣本，采用最大似然分類原則確定每個巖爆預測指標的評價分維數，利用加權求和法計算樣本的綜合評價值，并基于樣本綜合評價值與經驗等級的關系建立分形插值評價模型，該模型可以把多維指標綜合成一維指標，解決了單項評估指標結果不相容的問題［38］。

b.基于灰色關聯分析的巖爆預測。該方法采用灰色系統的灰色關聯分析理論，選取影響巖爆的一些主要因素(最大主應力、單軸抗壓強度、點荷載強度、完整性系數和彈性能指數)進行巖爆預測分析。應用該方法對錦屏二級水電站輔助洞進行巖爆預測，所得結果與實際工程情況基本一致，說明了基于灰色關聯分析的巖爆預測方法的合理性［39］。

c.基于遺傳算法和BP神經網絡的巖爆預測。該方法通過對巖爆實例的深入研究，從網絡算法的特點出發，提出通過遺傳算法來優化神經網絡的權重，優化后的網絡算法解決了BP算法學習效率低、容易陷入局部極小點等問題，同時也提高了網絡算法的預測精度，是一種非常有效的神經網絡權重優化方法［40］。

d.基于人工魚群投影尋蹤算法的巖爆預測。該方法針對傳統巖爆預測分析方法存在的問題，建立相應的巖爆預測分析模型，選取15個工程實例作為訓練樣本，選取3個工程實例作為預測樣本，以σθ/σc、σc/σt及 Wet這 3 個指標作為影響巖爆發生的主要參數(σθ為巖石最大切向應力、σc為巖石抗壓強度、σt為巖石抗拉強度、Wet為彈性能量指數)，進行地下洞室的巖爆預測實例檢驗［38，41］。

e.基于蟻群聚類算法的巖爆預測。由于巖爆影響因素眾多且關系復雜，而巖爆預測的聚類問題是一個復雜的模糊隨機優化問題，為了更好地解決這類問題，把最近提出的蟻群聚類算法等仿生聚類算法引入巖爆研究領域，提出一種巖爆預測的新方法。該方法在分析巖爆實例資料的基礎上，采用蟻群聚類算法，以工程類比的思想判斷巖爆的發生狀態［42］。

f.基于Bayes判別分析方法的巖爆預測。在巖爆距離判別分析模型的基礎上，結合地下工程巖爆的特點和Bayes判別分析理論，提出了地下工程巖爆發生及烈度分級預測的Bayes判別分析方法。綜合分析影響巖爆的主要因素，選取 σθ、σc、σt和 Wet作為判別因子建立巖爆預測的Bayes判別分析模型，并利用回代估計法對誤判概率進行估計。利用國內外一些重大深部地下工程實例作為學習樣本進行訓練建模，經過訓練后的模型回判估計的誤判率為零［43］。

g.基于地震波的巖爆預測。該方法的基本原理為巖爆釋放的地震能的均方根與地震發生前巖體的應變狀態成比例［44］。若準巖體抗壓強度σm＞80mPa，有可能發生巖爆［45］。采用式(1)計算準巖體抗壓強度σm:

式中:σc為巖石抗壓強度;vpm為現場巖體縱波速度;vpd為巖體試件縱波速度。

5 巖爆的現場預測手段與防治措施

5.1 現場預測手段

現場預測手段主要包括:①微震法，又稱為亞聲頻探測法或聲發射法。根據試驗和現場研究，巖體(石)變形破壞之前聲發射信號會急劇增大，因此可以將聲發射技術用于巖爆的現場預測。②鉆屑法，在巖體中鉆取孔洞，通過觀測單位深度孔洞的碎屑排屑量及鉆孔中的各種動力現象了解巖體的應力狀態，從而達到巖爆預測的目的［46］。根據經驗，如果鉆屑量達到正常值的2倍以上，就有巖爆發生的危險。③微重力法。在巖爆發生之前，微重力會出現負值，并持續增大到一個負極值，此時可能發生巖爆;反之，若微重力值長時間保持一個正常值就表明不會發生巖爆［46］。④水分法。水分法主要用于煤礦沖擊地壓的監測，鉆孔取樣測定巖體中含水量的變化，當煤層中的含水量大于3%時，認為無巖爆危險［47］。⑤開挖誘發隧道圍巖變形的紅外熱像試驗法。該方法采用相似材料模擬試驗方法，借助紅外熱像儀等紅外設備，對開挖過程中深埋隧道圍巖變形破壞情況進行紅外熱像分析，將圍巖表面熱輻射溫度的快速升高引起的紅外異常作為巖爆發生的前期征兆。除此之外還有多種預測方法，如地震波預測法、光彈法、流變法、以電磁原理為基礎的地球物理預報方法等［47］。

5.2 現場防治措施

可通過以下措施防治巖爆并減小圍巖的過度變形:①超前鉆孔解除應力。它能有效減輕圍巖的應力集中程度并使應力集中向圍巖深部進行轉移，同時使圍巖積聚的彈性應變能提前耗散，有效地降低了圍巖發生巖爆的風險性［48］。②采取合理開挖方式。地下洞室分步開挖可以根據先前開挖發生巖爆的情況對下一步的開挖提供參考，以便采取相應的加固措施，預防巖爆發生［49］。③鉆孔注水。爆破之后，應及時對施工隧道的巖爆易發地段噴水或者鉆孔注水，以降低爆破裂紋的尖端能量并減緩裂紋的傳播速度，從而避免強烈的巖爆［50］。④加固與支護。一旦發生巖爆，應立即停止施工并開展監測工作，并在巖爆發生地點采取有效的支護措施。對周邊圍巖進行加固可改善1～2倍洞徑巖體的應力狀態［50］，具體可采用混凝土或鋼纖維噴混凝土、鋼筋網噴混凝土、周邊錨桿、格柵鋼架、中空預應力注漿錨桿、水漲式錨桿、納米仿鋼纖維混凝土等方法進行加固。

6 結語及展望

根據地下工程巖爆研究成果，系統總結了巖爆的定義、類型、烈度分級、影響因素、破壞機理、預測與防治方法。由于巖體特征的復雜性和巖爆影響因素的多樣性，準確地預測巖爆的時空分布難度較大。目前巖爆研究中仍然存在許多問題，如巖爆機理不甚清楚，各種巖爆判據對工程的適用性有待探討，巖爆現場監測手段單一等。建議將巖爆的預測劃分為以下3個階段:①巖爆傾向性預測。在該階段開展宏觀地質調查并輔以地應力測量和巖石力學性質研究，此研究在工程可行性研究、初步設計階段完成。具體實現手段為:工程現場從鉆孔餅芯現象、初始地應力巴頓經驗判據判斷巖爆傾向性，室內試驗通過巖樣脆性度指標、彈性應變能指標、能量沖擊性能指標等判斷巖爆傾向性。②巖爆趨勢預測。通過巖體地質力學狀態分析，對較大區域未來一段時間內巖爆的發生趨勢和強烈程度做近似判斷和趨勢分析。具體實現手段為:通過三維數值建模，進行初始地應力場反演，模擬現場地質條件和開挖步驟，根據圍巖二次應力、應變和能量等計算結果，應用各種巖爆理論和經驗判據大致確定巖爆高發區域和范圍，進行巖爆趨勢預測。此研究在工程初設、前期施工階段完成。③巖爆現場監測。利用各種檢測儀器進行工作面日常預報，必要時建立地下工程整體開挖區域的微震監測系統，預測巖爆發生時間和地點等信息，及時采取適當防護措施，保證地下結構、施工設備和人員的安全。此研究在工程施工期完成，具體監測手段為聲發射法、電磁輻射法、氣體測定法、微重力法、鉆屑法等，并結合圍巖應力和變形等常規監測數據對監測斷面附近區域的巖爆進行綜合分析和預報。

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