地下工程岩爆及其风险评估综述(1)程力学毕业(2)

3．  与岩爆事件相关的几个因素

岩爆的发生与很多因素有关，一般分为以岩性为主的内因条件和以围岩应力、结构及施工荷载为主的外因条件。

3.1 岩性因素

岩爆是由于围岩储存的弹性应变能大于岩石破碎所消耗的能量，引发岩石碎片从岩壁突然飞崩出来。因此，发生岩爆的围岩必然有较高的储存弹性应变能的能力。一般来讲，坚硬、完整的岩体，其储存应变能的能力高，发生岩爆的倾向性也高。

判断岩石发生岩爆的倾向性大小可以通过多种指标测试，目前较常用的指标有岩石的脆性系数，弹性变形能指数，岩石冲击能指标。

人们很早就注意到岩爆与岩石脆性有很大的关系，岩石的脆性越大，岩爆的倾向越高。现代细观力学通过室内试验及现场采样的断口扫描电镜分析^[1，2]，也证明了这种关系。文献[2]研究发现，岩爆是一渐进破坏过程：劈裂成板剪断成块片、块弹射，在这个过程中，最基本的现象就是岩体脆性断裂破坏。从这个意义上讲，可以认为岩爆与岩石的脆性破裂有关。

岩石的破裂是岩石内部微裂纹产生、发展的宏观结果。脆性破裂是指岩石破裂之前末出现任何明显永久变形的破裂形态。由于岩石结构的复杂性（非均质、不连续），因此宏观破裂之前的岩石形态决不是纯弹性的，故脆性破裂概念指的是那种在很小(与弹性应变相比)的非弹性应变之后发生的破坏。岩石的单轴和三轴压缩试验均可以看出，脆性大的岩石峰值后很快发生宏观破坏，相对来讲破坏消耗的能量较少。

由岩爆的破坏过程可知，岩石的脆性破坏是岩爆发生的必不可少的先决条件之一，因此岩爆倾向性指数在很大程度上取决于岩石的脆性。

岩石的脆性系数用下式表示：

文献[14] 建议根据下式计算岩石的脆性系数，并划分岩石的岩爆倾向：

式中为调节参数，一般取0.1，、分别为岩石单轴抗压、抗拉强度（）， 、分别为单轴压缩条件下峰值前后的应变。

无岩爆；轻微岩爆；严重岩爆。

弹性变形能系数是通过岩石单轴压缩试验得出的结果。当轴向荷载时，卸载，求出卸载过程中试样所释放的弹性变形能及岩石发生塑性变形和微破坏所消耗的能量，如图2。两者的比值称为弹性变形能指数。根据kwasnieski m 1994年研究结果^[15]，越大，发生岩爆的强度越高。以下是根据煤岩试验得出的指标：

当时，无岩爆;

当时，弱到中等程度岩爆；

当时，强岩爆。

图2 岩石的加载卸载曲线^[15]

    岩石的冲击能指标是指岩石在单轴压缩的应力应变全过程曲线中，以应力峰值为界的左右部分曲线与应变坐标所围成的面积，亦即岩石加载过程中所吸收的能量与破坏过程中所消耗的能量，，如图3

图3 应力应变全过程曲线

冲击能指标旨在建立岩石在破裂过程中释放的能量与消耗能量的关系，当时，认为该岩石有发生岩爆的倾向。实际上，该指标仅对坚硬的岩石才有意义，如前所述，中包含岩石发生塑性变形和微破坏所消耗的能量，而不是峰值后区岩石破裂所释放的能量。对坚硬岩石才几乎等于岩石中储存的弹性应变能。因此，该指标在预测岩石的岩爆倾向时较弹性变形能系数方法偏保守。文献[9]建议在中减去岩石加载过程中所消耗的能量，即取卸载曲线下的面积代替加载曲线下的面积，见图3，用该方法确定的冲击能指标的更能反应岩石的岩爆倾向。

除了上述三种关系外，有些学者还提出其它方法确定岩石的岩爆倾向，如松弛试验法，能量比及动态法等等，并建立了相应的判别准则，这些方法在一定程度上预测岩石岩爆的倾向。

3.2 岩爆发生的应力条件

在有岩爆倾向的岩体中进行地下工程施工时，高的地应力使岩体聚集较高的应变能，在满足一定的条件时导致岩爆的发生。根据国内一些工程统计，地应力场中最大主应力与单轴抗压强度满足以下关系时有可能发生岩爆^[14]：

地下工程施工过程中，开挖卸载使围岩应力重新分布，和按一定的比例同步上升，洞壁上，岩爆在和上升的过程中发生^[6]。此时控制洞室稳定的主导因素为洞室的切向应力，据文献[4]的研究结果，切向应力与岩石单轴抗压强度间满足以下关系时有可能发生岩爆：

3.3 工程地质与水文地质因素

由于围岩是一个复杂的结构体，其结构面对地下工程的稳定性将产生严重的影响。就岩爆而言，岩体的结构及结构上的各相异性对岩爆起控制作用，表现为不同结构面的岩体其储能和释放能量的差异很大，文献[3]称之为岩体的“岩爆的结构效应”。当主节理与最大主应力夹角为时，储存与释放的能量较小，常产生剪切破坏，而不产生岩爆；时，储能能力越强，产生剧烈岩爆；或大于时，由于能量被结构面本身的永久变形所消耗，储存下来的弹性能量较少，即使产生岩爆，强度不高。

岩爆的发生与围岩的水文地质情况也有关。相同岩性及构造的围岩，干燥的围岩较存在裂隙水的围岩更容易发生岩爆。这是因为结构面中的裂隙水使岩石的破裂强度降低，其储存与释放能量的能力比围岩处于干燥环境下的能力低。

另外，岩爆还与地下空间的剖面形状，施工顺序，支护方式及爆破、地震有关，这些因素表现为影响围岩的应力分布，或是当围岩处于临界平衡时，动力扰动使围岩失稳。

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