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岩爆发生条件的基本分析
作者：张志强 关宝树 翁汉民 隧道技术来源：本站原创 点击数：156 更新时间：2005-6-9
提 要 通过对国内外隧道工程施工中所发生岩爆实例的统计、分析与归纳，得出了判断岩爆发生的基本条件，并以此对目前正在施工中的西康线秦岭隧道II线出口段已发生岩爆区段进行了验证，效果很好。 关键词 岩爆 地应力 隧道开挖
岩爆是岩体中聚集的高弹性应变能，因开挖而产生的一种具有代表性的应力释放现象。岩爆是突发性的，岩体急剧破坏，岩片由岩体表面上突发性地飞出，而且大都发生在隧道掌子面附近及侧壁上，与塌顶和坍方有明显区别。随着我国铁路、公路、水电建设的不断发展，隧道已经向长大、深埋方向发展。近几年来，长度超过10 km以上的隧道工程不断涌现，例如18.4 km的秦岭西康线铁路隧道，12 km的长粱山铁路隧道，10 km左右的太平驿水工隧洞等，这些隧道的埋置深度大多在800～1 000 m以上，有些甚至超过2 000m。此外，由于地质活动的影响，隧道可能穿过高地应力区等，在隧道施工过程中发生岩爆的可能性大为增加。为减小岩爆造成的损失，安全而经济地施工，研究岩爆发生的基本条件是很有必要的。
1 从工程实例看岩爆的发生
表1列出国内外曾经发生岩爆的一些隧道工程的概况，从中对岩爆发生的条件或许可以找出一些可供参考的规律。表1中参数σc表示岩石单轴抗压强度；Is表示点荷载强度；σmin、σmax分别表示地应力的最小值和最大值。 国内外隧道工程发生岩爆的统计 表 1
隧道名称埋深/m断面积/m2 地质条件σc/MPaIs/MPaσmin/MPaσmax/MPa
挪威赫古拉公路隧道 最大70038.6前寒武纪片麻岩100～2504.5～1118.925.0
挪威兰峡湾公路隧道200～1 50050.0片麻岩、花岗片麻岩、片麻闪长岩60～2002.7～9.09.034.0
挪威西玛水电站地下厂房700800花岗岩、花岗片麻岩1808.319.548.8
瑞典维泰斯引水隧洞250——粉砂岩、石英岩803.66.850.0～70.0 瑞典Headrace 隧道30067石英岩2008.82.0～8.028.0
南非金矿1 437～2 404——石英岩198～2309.037.0～60.065.0 美国Galena金矿1 200 ——石英岩1757.752.052.0
南非Hoist地下洞室1 450130石英岩198～2309.039.044.3 挪威Eikesdal公路隧道80036片麻岩(坚硬)2008.821.230.6 日本关越公路隧道750～1 05085石英闪长岩、页岩23610.716.289.0
瑞典捷克坦水工隧洞400——花岗岩1808.350.0125.0 挪威Sewage隧道1307花岗岩1808.33.535.0
日本新清水隧道1 000——石英闪长岩1838.027.089.0 中国关村坝铁路隧道1 000——硅质灰岩1205.526.035.0
中国渔子溪引水隧洞地下厂房200～650——中粒和中细粒花岗闪长岩707.711.530.0～45.0
花岗岩1607.011.530.0～45.0
中国天生桥引水隧洞40072～92灰岩、白云岩、砂岩1155.7415.131.2
中国锦屏水电地质探洞559～5758～9中粗晶大理岩、花斑状大理岩105～1604.6～7.015.125.6
中国二滩工程770——正长岩、玄武岩160～1707.0～7.4520.830.0～35.0
中国太平峰水工隧洞＞30072～92花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩190～2008.510.230.7
前苏联X矿山1 740——磷霞岩1807.937.0～57.050.5 前苏联基洛夫矿＞700——花岗岩2008.819.050.5 美国CAD A矿2 400——石英岩1908.366.064.4 美国CAD B矿1 900——石英岩1908.352.053.8 美国CAD C矿1 200——石英岩1898.331.639.1 美国加利纳矿1700——石英岩1807.945.749.6
通过对已发生岩爆的地下工程的施工调查，可初步归纳出以下几点： (1) 从开挖的坑壁，岩块迅速飞出。严重时，整个掌子面瞬间压坏； (2) 在世界各地的深矿山中经常发生；
(3) 在非常深的矿山中，也有衬砌瞬间发生破坏的情况。此时，多是由于附近的矿山开挖所致；
(4) 在700 m以上埋深的情况发生的居多，200 m左右也有发生的实例; (5) 视岩质情况发生的方式不同。例如，日本清水岭下的4座隧道，关越隧道在页岩中就没有发生，而在石英闪长岩中则发生多次; (6) 有涌水时不发生;
(7) 与地层的方向、节理、夹层等强烈相关，例如在顺层情况下发生较多; (8) 爆落块的大小各式各样，但多是扁平的;
(9) 掌子面的岩爆多。掌子面打锚杆后，可防止岩爆；
(10) 在同等地质条件下，采用掘进机（TBM）施工的隧道发生少，而采用矿山法施工的发生多。
2 从一些国家的规定和研究成果看岩爆的发生
在隧道勘测、设计阶段，根据揭示的地质条件，应该对岩爆的发生与否有一个基本判断。因此，一些国家对此曾提出相应的基准，一些研究成果也提出若干建议。这些规定和建议可以作为判定岩爆发生的大致基准。
瑞士在“SIA198号岩体分级标准”中规定第1 类岩体有岩爆，其基本条件是：单轴抗压强度σc ＞100 MPa，内摩擦角φ＞40°，粘结力C＞2.0 MPa。 挪威学者Bardon提出如下判据
σc /σmax=5～2.5 σt /σmax =0.33～0.16 轻微岩爆 σc /σmax ＜2.5 σt /σmax = 0.16 强烈岩爆 式中，σmax 为最大地应力；σt为切向应力。
我国“工程岩体分级标准”中规定：在极高应力和高应力条件下，可发生岩爆的极高应力条件是σc /σmax＜4；高应力条件是σc /σmax= 4～7。
Russenes建议根据著名的Kirch方程σt =3σ1 -σ3 和点荷载强度Is进行岩爆强度的分级。如图1 所示。
图1 岩爆为隧道中最大切向应力 σt和岩石点荷载强度Is的函数 3 岩爆发生的基本条件
根据表1中的基本数据和各国的工程实践,可以归纳岩爆发生的基本条件如下:
(1) 岩石单轴抗压强度:σc＞80 MPa(至少>60 MPa)
表1实例中的岩石单轴抗压强度至少在60～80 MPa以上，多数超过100 MPa，这说明在岩石单轴抗压强度小于60～80MPa的岩石中发生岩爆的可能性是不大的；也就是说，岩爆基本上是在坚硬的硬岩岩体中发生。 (2) 岩质和岩性：坚硬，脆性
在列举的工程实例中,岩爆多数发生在石英岩、花岗岩、正长岩、闪长岩、花岗闪长岩、大理岩、花斑状大理岩、片麻岩等岩体中。这些岩体的共同力学特性是脆性的，即达到峰值强度后，岩石急剧断裂，这可用岩石的脆性度表示。岩石的脆性指数是岩石峰值强度前的总变形与永久变形之比，并且比值越大，脆性越高。表2是按岩石脆性指数划分的岩爆发生强度的基准。 岩石脆性指数与岩爆强度的关系 表2
岩石脆性指数0～4.03.5～5.55.0～7.8＞7 岩爆发生强度无 弱中等严重
(3) 岩体结构：完整或基本完整
在列举的工程实例中，岩体结构大都是完整的和比较完整的。因为，完整和比较完整的岩体，积聚有很大的弹性应变能量。这是发生岩爆的必要条件之一。 (4) 地应力场的应力值：σmax和σmin
地应力值是表示岩体内积聚的弹性应变能的具体指标。一般说，地应力在岩体中是以三维形式存在的。但为简单计，在一般情况下可用地应力中的最大值表示。即最大地应力值越大，积聚的弹性应变能越大，当岩石峰值强度前的弹性应变能的积聚量达到岩石岩爆临界弹性能时，就将发生岩爆。因此，可用下述指标判定岩爆发生的强度。
σmax＞0.25σc 严重岩爆
σmax=0.15～0.25σc 中等岩爆 σmax＜0.15σc 轻微或不发生
图2 发生岩爆工程实例中σmax /σc比值出现的频率分布 工程实例中的σmax
/σc比值，大多数在0.15～0.4之间，发生岩爆频率达到21次，占整体发生率的80.8%。在0.15以下发生岩爆频率只有1次，仅仅占整体发生
率的3.8%；在0.2～0.3之间出现的频率最高，达到12次，占整体发生率的46.2%。由此可见，确定出发生岩爆的最小临界值σmax/σc=0.15是比较恰当的。上述工程实例的统计结果见图2。
岩爆的发生与σmax /σmin
的比值有关，从工程实例看，多数是发生在比值大于1.35的情况下，发生频率达到19次，占整体发生频率近70%。因此也可以将σmax /σmin＞1.35 作为岩爆发生的一个判据。 (5) 岩爆的发生与坑道轮廓的平整度有关
例如在上述地质条件下，采用掘进机施工的隧道，就可能不发生岩爆，而采用钻爆法施工的隧道就会发生岩爆。这是因为钻爆法在坑道轮廓上造成的超欠挖所致，而超欠挖会造成围岩局部高度应力集中，并导致岩爆发生。
隧道内表面的凹凸不平，对岩爆的发生也具有一定的影响。因此，控制超欠挖也是控制岩爆发生的重要措施。 4 应用实例
根据本文分析提出的岩爆发生基本条件，对目前正在施工的西康线秦岭隧道出口段Ⅱ线平导所发生岩爆的区段进行了验证。西康线秦岭隧道分为Ⅰ线、Ⅱ线，其中Ⅱ线采用钻爆法施工，Ⅰ线将采用掘进机(TBM)施工。表3
给出秦岭隧道Ⅱ线发生岩爆区段的地质状况。需要指出的是，在隧道开挖前这一地段(里程为DK77+735～+854)被认为是“不发生岩爆”的，因为按照Barton判据发生岩爆需满足最小值σmax/σc≥0.2的临界条件。结合本文提出的岩爆发生基本条件，进行重新考察，可得到σmax/σc=0.15～0.152≥0.15，它满足本文提出岩爆发生的临界最小值条件，这种情况与该地段现场发生的“轻度”岩爆很好地吻合。
秦岭隧道Ⅱ线岩爆发生区段地质状况 表3
里程埋深/m岩质、岩性、种类围岩类别、结构完整性 力学参数、地应力水平/MPa DK77+735～+854570～620坚硬、脆性、片麻岩VI类、完整性好σc=145，σmax=21.7～22.2
收修改稿日期：1998-03-16 张志强 男 1968年出生 博士后 西南交大地下工程与岩土工程系 邮编：610031
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