孙刚1，卢桂海2（河南省水利勘测有限公司河南郑州450003）
【摘要】文章从高地应力区地下工程岩爆的特征、烈度分级及形成机制着手，系统阐述了岩爆对围岩稳定性的影响，以及岩爆的安全防护与防治工程措施。
【关键词】高地应力；岩爆；烈度
DistrictHeightsstressstudyofgeologicaldisastersinrockburstSunGang,LuGui-hai(HenanProvinceWaterSurveyCo.,Ltd.ZhengzhouHenan450003)
【Abstract】Thearticlefromthehighcrustalstressarearockburstcharacteristic,theintensitygraduation,formsthemechanismandtheforecastmethodbegins,thesystemelaboratedtherockbursttotheadjacentformationstableinfluence,aswellasrockburstsafeprotectionandpreventingandcontrollingprojectmeasure.
【Keywords】Heightsstress；Rockburst；Intensity
近年来，随着国民经济的快速发展，“长、大、深、群”的公路、铁路隧道等地下工程所占比重日益增多，而它们所处的地质条件往往易于形成高地应力现象，并经常引发岩爆等严重的相关施工地质灾害问题。地下工程在施工过程中经常出现岩爆、煤瓦斯突出、涌水、边墙膨胀、底部鼓起、坍塌等严重安全问题，这些问题都与高地应力有关。所以高地应力与岩爆对地下工程围岩稳定性的影响问题，已成为世界性的地下工程难题之一，引起世界岩土力学和工程界的广泛重视。本文系统阐述了岩爆的基本特征、安全防护以及防治工程，以期对类似工程建设有一定参考作用。
1.高地应力区岩爆的基本特征
岩爆自1738年在英国锡矿坑道中首次发现以来，已成为地下工程普遍关注的一种地质灾害，公认它是坚硬岩石在高地应力条件下产生的突发性的破裂。从工程实践角度考虑，岩爆的界定应便于区别于围岩的其它类型的变形与破裂，如拱顶的坍落、冒落，边墙内鼓、滑落，底板隆起以及大变形等塑性流动变形等。岩爆以其突发性的破裂（爆裂）和特有的破裂形式区别于后者。
无论是洞室开挖过程中的岩爆现象或是室内的岩石力学试验研究，均显示岩爆就其破裂机制而言，是一种岩石自身弹性应变能释放造成的破裂或爆裂，爆裂造成的岩块，以爆裂松动、爆裂脱落、爆裂弹射和爆裂抛掷等方式脱离母体。其方式，初速度和规模的大小与围岩地应力的量级、爆裂时的破裂机制及释放能量的大小和波及的深度有关。
发生岩爆时的主要特征可以归纳为以下7点:
(1)围岩坚硬、质脆，岩爆岩石单轴抗压强度Rb大于50MPa。
(2)岩爆活动既不发生在非常完整的岩体中，也不发生在节理较发育的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唯一重要依据。例如，秦岭巷道埋深77m就有2次岩爆发生。
(6)岩爆发生的时间迟早不一，有的开挖爆破稍后随即就会发生，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。
2.岩爆的烈度
岩爆烈度分级主要考虑以下原则：
（1）岩爆烈度分级应能反映岩爆发生时的几何、物理及力学特性；!
（2）分级明确，级数适当，易于使用；
（3）分级判据明确，判据信息便于取得；
（4）与工程危害程度紧密结合。
国内外不少岩爆研究专家对不同地区的岩爆进行了烈度分级，由于分级的原则和依据不同，各类分级差异较大。如挪威Russenes1974年对Kobbtlv电站巷洞的岩爆分级，依据围岩松弛和变形破坏程度以及有无声响等因素划分为4级，实际只有3级，因为0级是无岩爆；国内谭以安博士［1］主要依据岩爆的声学特征、几何特征及力学特征三方面，并考虑岩爆破坏方式及后果把岩爆烈度分为4级［2］；武警水电指挥部天生桥二级水电站岩爆课题组在谭以安分级的基础上，简化声学特征，增加定量因素，对天生桥二级电站引水巷洞的岩爆烈度进行了4级分级；王兰生教授等1998年将二郎山巷道的岩爆烈度分为4级，主要依据岩爆声学特征、几何特征、破坏方式、岩石变形破裂发展阶段等因素［3］。各烈度分级方案对比如表1。
3.岩爆的形成机制
国内外学者有很多关于岩爆形成机制的论述，概括起来主要有能量学观点，岩石的强度理论，断裂与损伤力学理论和弹性波理论等。
从能量学观点考虑，岩爆过程是围岩积聚弹性应变能的释放过程，这是目前公认的看法。
从强度理论考虑，岩爆实际上是围岩在洞壁应力作用下的失稳破坏。杨淑清等开展的天生桥二级水电站引水巷洞相似材料岩爆机制物理模拟试验认为，岩爆具有劈裂破坏和剪切破坏二种机制，并且它们是两种应力水平的产物（杨淑清等，1993）。谭以安则认为岩爆是一渐进破坏过程，其形成过程可分为“劈裂成板→剪断成块→块片弹射”三个阶段（谭以安，1989）。
从断裂和损伤力学理论分析岩爆，强调岩体中早先的裂隙、微裂纹及原子、分子尺度上的空穴、点缺陷及位错等损伤。处在压缩应力场中的脆性材料，在开挖边界上突然卸载，卸载波迅速从开挖边界传播至岩体深部，引起初始损伤的扩展演化。若岩体中由于弹性压缩所贮存的势能足够大，则位于卸荷波前缘的剪切微裂纹，将因动力扩展而导致岩体破坏诱发了岩爆。
4.岩爆对围岩稳定性的影响
国内外不少岩爆研究专家对不同地区的岩爆进行了烈度分级，由于分级的原则和依据不同，各类分级差异较大。
目前，我国虽然没有统一的岩爆烈度分级方案，但各个分级方案差别不大，主要把岩爆烈度分为4级:Ⅰ级，轻微岩爆:围岩变形、拉裂、剥落或片帮，有微弱声响，无弹射现象，为岩爆初期现象；Ⅱ级，中等岩爆:围岩变形破裂，有相当数量的岩片弹射、松脱和突然性破坏，并伴有清脆的爆裂声，多产生在洞室局部周边围岩，也称表面型岩爆；III级，强烈岩爆:围岩强烈爆裂，突然被弹射抛出或涌入巷洞，并伴有强烈的爆裂声和轰响、气喷、暴风等现象，具延续性，迅速向围岩深部扩展；Ⅳ级——剧烈岩爆:顶板和侧壁围岩发生严重的岩片弹射，甚至巨石抛射，其声响犹如炮弹爆炸，底板隆起，洞室周边变形严重，可引起洞室垮塌，甚至产生新断裂或诱发地震，严重者摧毁整个地下工程，并危及地面建筑。
各级别岩爆对围岩稳定性的影响程度如下，Ⅰ级：影响甚微，适当的安全措施就可使施工正常进行;Ⅱ级：有一定影响，应及时采取挂网喷锚支护措施，否则岩爆有向深部发展的可能;III级：有较大影响，应及时挂网喷描支护;Ⅳ级：严重影响甚至摧毁工程，必须采取相应的特殊措施加以防治。
5.岩爆安全防护与防治工程
5.1岩爆的安全防护。
岩爆的安全防护措施主要有以下几点:
(1)施工机械需增设防护顶棚;
(2)对施工人员要加强安全教育;
(3)循环作业时间中须安排适当的待避时间。
5.2岩爆防治工程措施。
为了预防岩爆发生，工程选址时就首先应当尽量避开易发生岩爆的高地应力集中地区;实在难以避开时，也应尽量使洞轴线与最大主应力σ1方向平行布置，以减小应力集中系数，防止岩爆或尽可能降低岩爆烈度级别。目前，地下工程具体施工过程中的岩爆防治措施主要有以下3大类：
(1)改变围岩物理力学性能。
如在掌子面和洞壁喷撒水，一定程度上可以降低表层围岩的强度(煤炭科学研究院，1985)。采用超前钻孔向岩体高压均匀注水，可以通过以下3个方面的作用来防治岩爆:一是可以提前释放弹性应变能并将最大切向应力向围岩深部转移;二是高压注水的楔劈作用可以软化、降低岩体的强度;三是高压注水可产生新的张裂隙并使原有裂隙继续扩展，从而可降低岩体储存弹性应变能的能力。
(2)改善围岩应力条件。
根据挪威赫古拉公路巷道和我国318国道二郎山巷道等工程施工实践经验，岩爆地段宜短进尺掘进，减小药量，特别要控制好光爆效果，以减少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。强烈岩爆地段必要时也可以采用上下台阶法开挖，以降低岩爆破坏程度，但在施工中应尽量减少爆破振动触发连锁性岩爆的可能性;可以采用超前钻孔、松动爆破等方法，使岩体应力降低，能量在开挖前释放。
(3)采取合理的支护。
局部支护策略:局部支护是减少采场和井巷矿震和岩爆效应的最重要策略，一般采用的支护形式有普通锚喷支护、钢纤维喷锚支护、柔性钢支架支护、以及锚喷网+柔性钢支架联合支护等;事实已经证明合理的充填可以有效的减少岩爆损伤，最合理的充填率应该在60%～70%。区域支护策略:在深井矿山设置区域支护来减少岩爆的频率，区域支护是通过支护的刚度和强度来减少采空区的闭合率、工作面的应力和采矿诱发的矿震，以增加采空区的稳定性;通过设置稳定矿柱，使采矿过程中工作面前端的应力和采场闭合减少，使能量释放率在可接受的范围。
6.结论
岩爆是高地应力区一种特殊的地质灾害现象，在地下工程施工过程中，特别是那些埋深大、跨度大的工程中，要进行岩爆的预测，做好安全措施，合理安排防治工程。目前国内外还没有一整套成熟的理论和方法，但随着地下建筑物的日渐增多，人类科技的进步，相信在不久的将来，岩爆预测和防治会日臻完善。
参考文献
［1］谭以安.岩爆烈度分级问题［J］.地质论评.1992，38（5）:439-443
［2］邹成杰.天生桥二级水电站引水发电隧洞岩爆烈度与分级的研究［J］.红水河.1996，15（3）:46-48
［3］王兰生，徐林生，李天斌等.深埋长隧道高地应力与围岩稳定问题（二郎山科研报告）.1998
［4］肖树芳，杨淑碧.岩石力学［M］.北京:地质出版社.1986:5-11
［5］杨淑清.隧洞岩爆机制物理模型试验研究［J］.武汉水利电力大学学报，1993，26(2):160-166
［6］谭以安.岩爆形成机理研究［J］.水文地质工程地质.1989，1:34-38，54
［文章编号］1006-7619（2009）11-03-981
［作者简介］孙刚（1976.12-），男，河南南阳，毕业于中国地质大学（武汉），主要从事工程地质勘察工作。