長大深埋隧道巖爆機理及預測預報研究綜述

四川建筑職業技術學院 四川 德陽 618000

20世紀初期以來,隨著水利水電、鐵路公路等工程向深部發展,巖爆作為長大深埋隧道的一大災害,直接威脅到施工人員、設備的安全,極大影響工程進度。如錦屏二級電站施工排水洞2009年11月突發強烈巖爆災害,導致整個支護系統被摧毀,引發大規模巖體坍塌,造成多人遇難。本文結合當前相關研究,對巖爆發生機理,預測及防治措施作詳細分析和總結,提出存在的問題以及未來研究的方向。

1 巖爆定義

巖爆是巖體具有高地應力的一種重要地質標志。時至今日,學術界對巖爆定義尚未形成統一認識。概括起來,對其定義有二種觀點：一種觀點則認為只有產生彈射、拋擲性破壞者才能稱為巖爆；另一種認為只要巖體破壞時有聲響,產生片幫、爆裂剝落甚至彈射現象,有新鮮破裂面即可稱為巖爆。

2 分類與烈度分級

目前對巖爆分類還未達成一致意見,對巖爆烈度分級問題尚有不同的見解。Kidybinski 1981年根據巖爆發生時對工程的危害程度,將巖爆烈度劃分為輕微損害、中等損害、嚴重損害三級；挪威巖爆權威人士拉森斯的巖爆烈度分級方案在國外很有影響,他根據巖爆發生時的聲響特征、圍巖爆裂破壞特征等將巖爆烈度劃分為0級－3級共四級。譚以安1988年依據巖爆發生時的力學和聲學特征、破壞方式及其危害程度將巖爆烈度劃分為弱、中等、強烈、極強四級；王蘭生1998年在譚以安的基礎上,進一步根據聲響、運動、時效、影響深度、工程危害和破裂性質將巖爆烈度劃分為輕微－劇烈四級。

3 形成機理

目前巖爆機理的研究大多數停留在定性解釋階段,也有不少學者結合室內實驗和現場實驗取得了一些有意義的成果,能對局部的巖爆現象做比較合理的解釋。國內外學者對巖爆機理的研究主要從兩方面進行,一是從靜力學理論方面(采用巖爆預測判據的理論依據),另一是從動力學理論方面。靜力學理論認為：巖爆產生需要具備兩方面的條件：高儲能體的存在,且其應力接近巖體強度是巖爆產生的內因；某些附加荷載的觸發是其產生的外因。從能量學觀點考慮,它是圍巖積聚彈性應變能的釋放過程。從強度理論觀點分析,巖爆實際上是圍巖在洞壁應力作用下的失穩破壞。主要有兩種破壞方式—張性破壞與剪性破壞。動力學理論機制認為：巖爆是開挖誘發的一種人為地質過程,不是純自然地質現象。巖爆不僅僅是圍巖對開挖引起的應力分異結果的響應,更可能是對整個開挖過程及其結果的綜合響應。這些理論都具有一定的局限性.巖爆機理一般可描述為：巖爆是具有大量彈性應變能儲備的硬質脆性巖體,由于洞室開挖,徑向約束卸除,環向應力驟然增加,能量進一步集中,在集中應力作用下,產生突發性脹剪脆性破壞,伴隨聲響和震動消耗部分彈性應變能。

4 預測預報研究

巖爆的預測預報是盡量確定巖爆發生的時間、地點、烈度等信息,為后續針對性的防治提供支撐。這些工作必須建立在扎實的工程地質調查、場地地應力測量以及巖體力學特性研究基礎之上。國內外學者已從強度、剛度、能量、穩定、斷裂、損傷、分形和突變等方面嘗試對巖爆進行預測分析,提出各種假設和判據。具體來看,目前比較直觀的方法是從根據一些特殊地質現象,如鉆孔巖芯餅裂現象進行宏觀預測。這些現象多預示著該區巖體具有較高的地應力,可以幫助判斷巖爆是否會發生。此外以靜力學分析為基礎的巖爆預測類方法最為常見。比如巖爆傾向性指數(Wet)判據法將巖石中積聚應變能的能力是巖爆發生的內部主導因素。再如應力強度比(σθ/Rb)判據法,將洞壁切向應力σθ和巖石單軸抗壓強度Rb之比值作為巖爆判據。另外,侯發亮(1981)提出了巖爆臨界深度預測法,認為巖爆雖然多發生在水平構造應力較大的地區,但如果洞室埋深較大,即使沒有構造應力,由于上覆巖體效應,洞室也可能會發生巖爆。徐則明、黃潤秋(2004)還提出了巖石脆性指數預測來預測巖爆。隨著原位探測技術的進步,開始逐步出現聲發射、電磁輻射等監測預報等手段用于巖爆預測。無論是室內試驗,還是現場初步監測結果都表明：聲發射信號的急劇增加往往都超前于巖體(石)的變形破壞。根據這一特點,可以將巖體聲發射技術推廣應用到巖爆監測預報中去。目前,該方法尚處于試驗階段。

總體來看,巖爆預測預報問題極為復雜,目前還沒有形成一整套成熟的理論和方法。

5 結語

巖爆雖然令人生畏、成因復雜,但其背后存在必然的內在規律。只要加強機理深入研究,密切開展監測和預報,是可將其危害降到最小的。當前雖對巖爆現象展開了較為全面研究,在工程實踐應用中凸顯突了相應價值。但整體而言,認識還不夠深入,對成因機理的理解和預測預報的成功率還不夠令人滿意。鑒于此,對未來研究提出以下兩點淺見：

(1)應加強深部巖體力學行為的系統理論研究,探索微震、地音活動等與巖爆活動的內在聯系。

(2)應在材料科學、非連續介質力學、計算機仿真、信息采集與檢測等領域開展聯合攻關,加強新型監測預警設備的開發,研制出能全面反映巖爆影響因素和巖爆烈度特征指標的儀器,提高預測預報準確性。