地下工程巖爆研究現(xiàn)狀綜述

李 果，周承京，張 勇，徐 航，高云瑞，張 茹

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065;2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

巖爆是高地應(yīng)力區(qū)地下工程開挖時(shí)巖體中積聚的彈性應(yīng)變能突然釋放而發(fā)生的動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象［1］。低強(qiáng)度的巖爆表現(xiàn)為圍巖剝離，有聲響，有氣浪，危險(xiǎn)性較小;高強(qiáng)度的巖爆表現(xiàn)為圍巖崩落、彈射，產(chǎn)生較大的粉塵和空氣沖擊波，常常還會(huì)使巖體和地表產(chǎn)生震動(dòng)，和小地震相似。從世界范圍來(lái)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(fā)生。世界上最早的一次巖爆于1738年發(fā)生在英國(guó)的錫礦［2］。我國(guó)最早有記錄的礦山巖爆于1933年發(fā)生在撫順勝利煤礦［3］。據(jù)32個(gè)重點(diǎn)煤礦的不完全統(tǒng)計(jì)，1949—1985年，我國(guó)至少曾經(jīng)發(fā)生過(guò)1842起巖爆和煤爆［4］。巖爆地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象直接威脅著施工人員、設(shè)備的安全，影響工程進(jìn)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(jí)電站施工排水洞2009年11月突發(fā)極強(qiáng)巖爆災(zāi)害，導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)被摧毀并引發(fā)大規(guī)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(biāo)段，長(zhǎng)度僅為5km左右，但施工期間曾發(fā)生大小400次巖爆，并造成損機(jī)傷人的嚴(yán)重事故［6］。近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和地面空間的限制，人類活動(dòng)向地下空間深部領(lǐng)域開拓，我國(guó)巖土工程建設(shè)呈現(xiàn)出規(guī)模大、難度高的特點(diǎn)，巖爆發(fā)生的強(qiáng)度和頻率也呈上升趨勢(shì)。因此巖爆的機(jī)理、預(yù)測(cè)與防治研究對(duì)于地下工程的安全和施工進(jìn)度的保障顯得尤為重要。

世界上對(duì)巖爆進(jìn)行有組織的系統(tǒng)研究始于20世紀(jì)50年代，南非、波蘭、加拿大和前蘇聯(lián)等國(guó)在巖爆機(jī)理研究、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和防治手段等方面取得了較大進(jìn)展。1977年，國(guó)際巖石力學(xué)局成立了專門的巖爆研究組，在收集整理各國(guó)有關(guān)巖爆事件的詳細(xì)資料和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，編寫了《1900—1977年巖爆注釋資料》一書。近年來(lái)，幾乎所有的大型巖石力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議都有巖爆研究專題。國(guó)際巖爆與微震活動(dòng)性學(xué)術(shù)研討會(huì)自1982年第1次在南非發(fā)起，先后召開了7次會(huì)議并出版了會(huì)議論文集。2011年7月8—9日，中國(guó)科協(xié)學(xué)術(shù)沙龍“巖爆機(jī)理探索”在北京成功舉行，錢七虎院士在會(huì)上指出，巖爆機(jī)理的研究多停留在定性解釋階段，雖然對(duì)巖爆的預(yù)測(cè)預(yù)警進(jìn)行了大量的探索和研究，但是尚未上升到系統(tǒng)的理論高度。因此巖爆的機(jī)理及其預(yù)測(cè)預(yù)警已經(jīng)成為我國(guó)巖石力學(xué)領(lǐng)域必須解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)難題［7］。

筆者在查閱大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)闡述了目前學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)心的巖爆定義、烈度分級(jí)、影響因素、破壞機(jī)理、理論與經(jīng)驗(yàn)判據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)與支護(hù)手段等，指出了目前巖爆研究中存在的突出問(wèn)題，并建議根據(jù)地下工程設(shè)計(jì)、施工階段的不同，對(duì)巖爆預(yù)測(cè)進(jìn)行階段性劃分并采用規(guī)范性的預(yù)測(cè)步驟和方法，為將來(lái)巖爆理論研究成果納入部門和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范奠定基礎(chǔ)。

1 巖爆的定義、類型及烈度分級(jí)

1.1 巖爆的定義

地下工程中出現(xiàn)的巖爆現(xiàn)象，由于行業(yè)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(diǎn)又有區(qū)別。首先，二者的差異主要體現(xiàn)在行業(yè)上，水電、交通、隧道等行業(yè)稱為巖爆，而煤礦和冶金等行業(yè)稱之為沖擊地壓。其次，二者在外部表現(xiàn)和內(nèi)在機(jī)理亦有較大的區(qū)別:巖爆是巖體的一種破壞形式，是處于高地應(yīng)力條件下的穩(wěn)定巖體在工程開挖或爆破過(guò)程中穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，進(jìn)而通過(guò)巖體的崩塌、巖石的彈射等一系列活動(dòng)來(lái)釋放巖體中積聚的應(yīng)變能從而達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的一種工程現(xiàn)象;而沖擊地壓則是在一定的高地應(yīng)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(yīng)變能的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生破壞的礦井動(dòng)力現(xiàn)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(xiàn)象。巖爆只是開掘應(yīng)力誘發(fā)，而沖擊地壓可以是開掘應(yīng)力誘發(fā)，也可以是開掘好一段時(shí)間后由采動(dòng)應(yīng)力誘發(fā)［7］。但目前全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定公布的巖爆定義中，只強(qiáng)調(diào)“地下工程開挖中”和“在地應(yīng)力高的巖體中開挖洞室”所發(fā)生的“巖爆”，而沒(méi)有考慮到已經(jīng)開掘好的巷道在一段時(shí)間后(一個(gè)月甚至一年)由采動(dòng)應(yīng)力或礦震引起的沖擊地壓?jiǎn)栴}［1］。

1.2 巖爆的類型

對(duì)于巖爆類型的劃分，目前學(xué)術(shù)界尚未達(dá)成共識(shí)。根據(jù)巖爆發(fā)生機(jī)理可分為應(yīng)變型巖爆、構(gòu)造型巖爆、應(yīng)變和構(gòu)造混合型巖爆［8］;若根據(jù)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(xué)者提出的其他分類方式:張悼元等［9］按巖爆發(fā)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(cuò)動(dòng)引起的巖爆;左文智等［10］從巖爆形成的內(nèi)在因素出發(fā)，將巖爆類型劃分為水平構(gòu)造應(yīng)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(jí)水電站巖爆課題組對(duì)巖爆有兩種分類標(biāo)準(zhǔn):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(guī)模將巖爆分為零星巖爆(長(zhǎng)度0.5～10m)、成片巖爆(長(zhǎng)度10～20m)和連續(xù)巖爆(長(zhǎng)度大于20m)三大類;郭志［11］根據(jù)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(guó)內(nèi)譚以安［12］的巖爆類型劃分方案影響最大，他首先根據(jù)巖爆巖體高地應(yīng)力成因和最大主應(yīng)力方向，將巖爆類型劃分為水平應(yīng)力型、垂直應(yīng)力型和混合應(yīng)力型三大類，然后依據(jù)具體應(yīng)力條件和巖爆特點(diǎn)，再將巖爆劃分為六個(gè)亞類。

1.3 巖爆的烈度分級(jí)

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(shí)巖體或礦體本身產(chǎn)生的直接破壞，以及因此而誘發(fā)的工程區(qū)或礦區(qū)、地面建筑物等的間接破壞。

對(duì)于巖爆烈度分級(jí)問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外尚有不同的見解，主要依據(jù)與巖爆有關(guān)的單項(xiàng)或少數(shù)幾項(xiàng)指標(biāo)來(lái)劃分。實(shí)際上，巖爆的烈度分級(jí)所要考慮的因素遠(yuǎn)不止一種，而現(xiàn)階段的分級(jí)方式往往不能從多方面進(jìn)行考慮，這也是造成烈度分級(jí)不能達(dá)成共識(shí)的原因。不過(guò)，現(xiàn)在的趨勢(shì)是更加側(cè)重于實(shí)際的表觀現(xiàn)象，也就是根據(jù)巖爆發(fā)生時(shí)巖體的破壞表現(xiàn)程度來(lái)分級(jí)［8，12］，這樣更方便現(xiàn)場(chǎng)施工人員對(duì)巖爆進(jìn)行直觀的判斷。如德國(guó)布霍依諾根據(jù)巖爆對(duì)工程的危害程度，將巖爆烈度劃分為輕微損害、中等損害、嚴(yán)重?fù)p害三級(jí);挪威拉森斯根據(jù)巖爆發(fā)生時(shí)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(jí);譚以安依據(jù)巖爆危害程度及其發(fā)生時(shí)的力學(xué)和聲學(xué)特征、破壞方式將巖爆烈度劃分為弱、中、強(qiáng)、極強(qiáng)四級(jí);張鏡劍［13］根據(jù)錦屏一級(jí)和錦屏二級(jí)兩座水電站的實(shí)際數(shù)據(jù)，提出了巖爆五因素綜合判據(jù);劉章軍等［14］以模糊概率理論為基礎(chǔ)，將巖爆烈度劃分為無(wú)巖爆、弱巖爆、中等巖爆和強(qiáng)巖爆四級(jí);王吉亮等［15］基于距離判別分析方法對(duì)巖爆等級(jí)進(jìn)行判定，將巖爆等級(jí)也分為無(wú)巖爆、弱巖爆、中等巖爆和強(qiáng)巖爆四級(jí)。

2 巖爆的影響因素

巖爆的影響因素包括內(nèi)因和外因兩種:內(nèi)因主要有高地應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)及性能、地質(zhì)構(gòu)造等;外因主要有水文地質(zhì)條件、開挖施工因素、應(yīng)力波淺表生改造等。其中高地應(yīng)力條件是巖爆發(fā)生的能量源泉，巖體結(jié)構(gòu)及性能、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等決定了發(fā)生巖爆的能量聚集和釋放能力?？傮w而言，巖爆是多種因素導(dǎo)致的結(jié)果，各影響因素之間既獨(dú)立又相互聯(lián)系，并且對(duì)巖爆的影響方式和影響程度也不同。筆者認(rèn)為高儲(chǔ)能、高地應(yīng)力和開挖擾動(dòng)是巖爆發(fā)生的3個(gè)必要條件。

2.1 巖爆的內(nèi)因

a.高地應(yīng)力。巖爆的發(fā)生與地應(yīng)力的集聚有著密切的關(guān)系。通常具有較高地應(yīng)力的巖石其彈性模量也較高，因此在高地應(yīng)力區(qū)，巖石具有較大的彈性應(yīng)變能，易發(fā)生巖爆。另外，高應(yīng)力區(qū)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(guò)程［16］。高地應(yīng)力區(qū)隧道等地下工程洞室開挖后，其周邊圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)中產(chǎn)生的切向應(yīng)力σθ和徑向應(yīng)力σr的分異作用則是導(dǎo)致巖爆發(fā)生的重要原因［17］。

b.巖體結(jié)構(gòu)及性能。巖體結(jié)構(gòu)及其性能條件是巖爆發(fā)生與否的物質(zhì)基礎(chǔ)。完整或比較完整的巖體積聚了很大的彈性應(yīng)變能量，是發(fā)生巖爆的必要條件之一［18］。發(fā)生巖爆的巖石通常為高彈性儲(chǔ)能的硬脆性巖漿巖、灰?guī)r、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(zhì)巖。通過(guò)對(duì)深埋隧道巖爆的研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生巖爆的圍巖通常硬度高，節(jié)理裂隙少，完整性好，這些都有利于巖石彈性應(yīng)變能的積蓄［19］。

c.地質(zhì)構(gòu)造。有些巖爆的發(fā)生與地質(zhì)條件密切相關(guān)，這些巖爆總體上可以劃分為以下三種類型:第一種主要發(fā)生在最大主應(yīng)力接近水平方向的高地應(yīng)力區(qū)和地殼中構(gòu)造應(yīng)力較為集中的部位(如褶皺翼部等)。因?yàn)樵谒綐?gòu)造應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，巖體內(nèi)儲(chǔ)存了足以導(dǎo)致巖爆的彈性應(yīng)變能。第二種是由于斷層錯(cuò)動(dòng)所引起，當(dāng)開挖靠近斷層，特別是從斷層底下通過(guò)時(shí)，工程開挖使作用于斷層面上的正應(yīng)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(dòng)，進(jìn)而形成巖爆。這類巖爆一般多發(fā)生在構(gòu)造活動(dòng)區(qū)埋深較大的地下工程中，破壞性很大。第三類巖爆主要發(fā)生在距離斷層構(gòu)造(帶)一定距離范圍的局部構(gòu)造應(yīng)力增高區(qū)洞段。它是由于斷層構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致局部巖體發(fā)生松弛現(xiàn)象，從而造成局部應(yīng)力向斷裂構(gòu)造(帶)兩側(cè)一定范圍的圍巖中轉(zhuǎn)移，從而造成了引發(fā)該類巖爆活動(dòng)的局部構(gòu)造應(yīng)力增高區(qū)［20］。

2.2 巖爆的外因

a.水文地質(zhì)條件。在易發(fā)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(fā)育。通常在有地下水活動(dòng)的濕潤(rùn)地段，圍巖中的地應(yīng)力可以更好地釋放或者向圍巖深部轉(zhuǎn)移，故不易發(fā)生巖爆［19］。

b.開挖施工因素。洞室開挖造成圍巖應(yīng)力重分布，使得徑向應(yīng)力減小，洞壁切向應(yīng)力增大。圍巖二次應(yīng)力集中是圍巖儲(chǔ)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(huì)對(duì)巖爆的發(fā)生幾率和強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響。隨著埋深的不斷增加，巖爆的數(shù)量、頻度及強(qiáng)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(huán)境下直墻圓拱形洞室的應(yīng)力集中現(xiàn)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(fā)生巖爆的幾率和烈度都較小。

c.應(yīng)力波。應(yīng)力波到達(dá)洞室附近時(shí)可能產(chǎn)生拉應(yīng)力，使巖體出現(xiàn)平行于洞室表面的裂紋，左宇軍等［21］通過(guò)動(dòng)態(tài)版RFPA2D數(shù)值模擬軟件再現(xiàn)了此種層裂過(guò)程;動(dòng)態(tài)應(yīng)力波在遇到斷層時(shí)多次反射并發(fā)生半波損失，反射的應(yīng)力波相互疊加，使圍壓、摩擦阻力減小，使原有裂紋串通、介質(zhì)松動(dòng)、接觸面變平，容易發(fā)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(yīng)力，從而影響巖爆的烈度。巖體在地質(zhì)作用和物理化學(xué)風(fēng)化侵蝕作用下，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力不斷發(fā)生變化，造成巖體垂直應(yīng)力降低，而水平應(yīng)力不斷增大，并最終導(dǎo)致水平應(yīng)力遠(yuǎn)大于垂直應(yīng)力。洞室開挖后，在巖體發(fā)生卸荷回彈的變形過(guò)程中，如果巖體的強(qiáng)度和完整程度都很高，則其儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能是相當(dāng)大的，在這種地區(qū)進(jìn)行地下工程施工，如果發(fā)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(jī)理

3.1 巖爆

世界上眾多科研機(jī)構(gòu)對(duì)巖爆機(jī)理進(jìn)行了深入研究，并提出了諸多巖爆形成的力學(xué)機(jī)制，主要有劈裂破壞、剪切破壞、彎曲內(nèi)鼓。不同的破裂機(jī)制不僅與圍巖應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，而且與巖體性能、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、開挖條件等諸多因素有關(guān)［17］。①劈裂破壞型。劈裂破壞屬脆性斷裂，常發(fā)生在厚層狀地層分布地區(qū)。巖爆發(fā)生前沒(méi)有明顯的裂紋，但是在高地應(yīng)力條件下，巖石內(nèi)部存在的微裂隙將在應(yīng)力集中效應(yīng)下失穩(wěn)、擴(kuò)展、相互貫通，并最終發(fā)展為與最大主應(yīng)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(fā)生在最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力比值較小的情況。②彎曲內(nèi)鼓型。區(qū)域最大主應(yīng)力與巖層層面或解離面垂直時(shí)易發(fā)生此類巖爆破壞形式。當(dāng)區(qū)域最大主應(yīng)力與地下工程拱頂垂直時(shí)，彎曲內(nèi)鼓型巖爆主要出現(xiàn)在兩幫，表現(xiàn)為兩幫巖石向掘進(jìn)靜空的彎曲鼓折;當(dāng)區(qū)域最大主應(yīng)力與地下工程拱頂平行時(shí)，在地下工程的頂部出現(xiàn)類似的彎曲內(nèi)鼓型巖爆。③剪切破壞型。當(dāng)巖石應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，將出現(xiàn)與洞口邊界斜交、呈對(duì)數(shù)螺旋形的破裂面。

3.2 沖擊地壓

煤炭開采過(guò)程中的沖擊地壓形成機(jī)理可分為三大類:①開挖過(guò)程中的井巷或工作面周圍巖體，由于彈性應(yīng)變能的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象，此類型與地下工程中的巖爆機(jī)理相同。②已開挖的處于穩(wěn)定狀態(tài)的井巷或工作面周圍巖體，由采動(dòng)應(yīng)力或頂板大面積破斷或礦震誘發(fā)而突然產(chǎn)生劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象，經(jīng)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(gòu)造或結(jié)構(gòu)面的黏滑錯(cuò)動(dòng)誘發(fā)產(chǎn)生突然劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象［1］。無(wú)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(jī)理解釋:第1個(gè)因素是沖擊傾向性，即煤或巖石固有的沖擊破壞的性質(zhì)和能力，是其內(nèi)在性質(zhì);第2個(gè)因素是結(jié)構(gòu)因素，即煤巖體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，如煤層中的“軟層”結(jié)構(gòu)或“三硬”結(jié)構(gòu)，或煤層變薄帶、斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造，此因素不可量化;第3個(gè)因素是應(yīng)力因素，是沖擊地壓發(fā)生的核心必要條件，是外在因素，可量化可實(shí)測(cè)，具體而言就是原巖應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力之和，與采動(dòng)行為密切相關(guān)。

4 巖爆的預(yù)測(cè)方法

國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)多種巖爆理論和學(xué)說(shuō)對(duì)巖爆的發(fā)生進(jìn)行預(yù)測(cè)，從強(qiáng)度、剛度、能量、穩(wěn)定、斷裂、損傷等方面對(duì)巖爆現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出各種假設(shè)和判據(jù)，如Russenes判據(jù)、陶振宇判據(jù)、Rb/σ1判據(jù)等，并采用各種理論和科學(xué)方法對(duì)巖爆烈度等級(jí)進(jìn)行預(yù)測(cè)，如數(shù)值分析方法［26］、模糊數(shù)學(xué)理論［27］、灰色理論［28］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［29－30］、支持向量機(jī)［31］、可拓學(xué)［32］、集對(duì)分析法［33］、距離判別法［34］、數(shù)據(jù)挖掘方法 AdaBoost［35］、AE 時(shí)間序列［36］、屬性數(shù)學(xué)理論［37］以及模型試驗(yàn)法等。由于諸多文獻(xiàn)對(duì)上述理論都有較詳細(xì)的闡述，故筆者僅對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)的最新預(yù)測(cè)方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

a.基于分形插值模型的巖爆預(yù)測(cè)。該方法選取影響巖爆評(píng)價(jià)的3個(gè)主要因素，根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)和隨機(jī)內(nèi)插方法得到若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣本，采用最大似然分類原則確定每個(gè)巖爆預(yù)測(cè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)分維數(shù)，利用加權(quán)求和法計(jì)算樣本的綜合評(píng)價(jià)值，并基于樣本綜合評(píng)價(jià)值與經(jīng)驗(yàn)等級(jí)的關(guān)系建立分形插值評(píng)價(jià)模型，該模型可以把多維指標(biāo)綜合成一維指標(biāo)，解決了單項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)結(jié)果不相容的問(wèn)題［38］。

b.基于灰色關(guān)聯(lián)分析的巖爆預(yù)測(cè)。該方法采用灰色系統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)分析理論，選取影響巖爆的一些主要因素(最大主應(yīng)力、單軸抗壓強(qiáng)度、點(diǎn)荷載強(qiáng)度、完整性系數(shù)和彈性能指數(shù))進(jìn)行巖爆預(yù)測(cè)分析。應(yīng)用該方法對(duì)錦屏二級(jí)水電站輔助洞進(jìn)行巖爆預(yù)測(cè)，所得結(jié)果與實(shí)際工程情況基本一致，說(shuō)明了基于灰色關(guān)聯(lián)分析的巖爆預(yù)測(cè)方法的合理性［39］。

c.基于遺傳算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的巖爆預(yù)測(cè)。該方法通過(guò)對(duì)巖爆實(shí)例的深入研究，從網(wǎng)絡(luò)算法的特點(diǎn)出發(fā)，提出通過(guò)遺傳算法來(lái)優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重，優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)算法解決了BP算法學(xué)習(xí)效率低、容易陷入局部極小點(diǎn)等問(wèn)題，同時(shí)也提高了網(wǎng)絡(luò)算法的預(yù)測(cè)精度，是一種非常有效的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重優(yōu)化方法［40］。

d.基于人工魚群投影尋蹤算法的巖爆預(yù)測(cè)。該方法針對(duì)傳統(tǒng)巖爆預(yù)測(cè)分析方法存在的問(wèn)題，建立相應(yīng)的巖爆預(yù)測(cè)分析模型，選取15個(gè)工程實(shí)例作為訓(xùn)練樣本，選取3個(gè)工程實(shí)例作為預(yù)測(cè)樣本，以σθ/σc、σc/σt及 Wet這 3 個(gè)指標(biāo)作為影響巖爆發(fā)生的主要參數(shù)(σθ為巖石最大切向應(yīng)力、σc為巖石抗壓強(qiáng)度、σt為巖石抗拉強(qiáng)度、Wet為彈性能量指數(shù))，進(jìn)行地下洞室的巖爆預(yù)測(cè)實(shí)例檢驗(yàn)［38，41］。

e.基于蟻群聚類算法的巖爆預(yù)測(cè)。由于巖爆影響因素眾多且關(guān)系復(fù)雜，而巖爆預(yù)測(cè)的聚類問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的模糊隨機(jī)優(yōu)化問(wèn)題，為了更好地解決這類問(wèn)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(lǐng)域，提出一種巖爆預(yù)測(cè)的新方法。該方法在分析巖爆實(shí)例資料的基礎(chǔ)上，采用蟻群聚類算法，以工程類比的思想判斷巖爆的發(fā)生狀態(tài)［42］。

f.基于Bayes判別分析方法的巖爆預(yù)測(cè)。在巖爆距離判別分析模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合地下工程巖爆的特點(diǎn)和Bayes判別分析理論，提出了地下工程巖爆發(fā)生及烈度分級(jí)預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)的Bayes判別分析模型，并利用回代估計(jì)法對(duì)誤判概率進(jìn)行估計(jì)。利用國(guó)內(nèi)外一些重大深部地下工程實(shí)例作為學(xué)習(xí)樣本進(jìn)行訓(xùn)練建模，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的模型回判估計(jì)的誤判率為零［43］。

g.基于地震波的巖爆預(yù)測(cè)。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(fā)生前巖體的應(yīng)變狀態(tài)成比例［44］。若準(zhǔn)巖體抗壓強(qiáng)度σm＞80mPa，有可能發(fā)生巖爆［45］。采用式(1)計(jì)算準(zhǔn)巖體抗壓強(qiáng)度σm:

式中:σc為巖石抗壓強(qiáng)度;vpm為現(xiàn)場(chǎng)巖體縱波速度;vpd為巖體試件縱波速度。

5 巖爆的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)手段與防治措施

5.1 現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)手段

現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)手段主要包括:①微震法，又稱為亞聲頻探測(cè)法或聲發(fā)射法。根據(jù)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)研究，巖體(石)變形破壞之前聲發(fā)射信號(hào)會(huì)急劇增大，因此可以將聲發(fā)射技術(shù)用于巖爆的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)。②鉆屑法，在巖體中鉆取孔洞，通過(guò)觀測(cè)單位深度孔洞的碎屑排屑量及鉆孔中的各種動(dòng)力現(xiàn)象了解巖體的應(yīng)力狀態(tài)，從而達(dá)到巖爆預(yù)測(cè)的目的［46］。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果鉆屑量達(dá)到正常值的2倍以上，就有巖爆發(fā)生的危險(xiǎn)。③微重力法。在巖爆發(fā)生之前，微重力會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，并持續(xù)增大到一個(gè)負(fù)極值，此時(shí)可能發(fā)生巖爆;反之，若微重力值長(zhǎng)時(shí)間保持一個(gè)正常值就表明不會(huì)發(fā)生巖爆［46］。④水分法。水分法主要用于煤礦沖擊地壓的監(jiān)測(cè)，鉆孔取樣測(cè)定巖體中含水量的變化，當(dāng)煤層中的含水量大于3%時(shí)，認(rèn)為無(wú)巖爆危險(xiǎn)［47］。⑤開挖誘發(fā)隧道圍巖變形的紅外熱像試驗(yàn)法。該方法采用相似材料模擬試驗(yàn)方法，借助紅外熱像儀等紅外設(shè)備，對(duì)開挖過(guò)程中深埋隧道圍巖變形破壞情況進(jìn)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(fā)生的前期征兆。除此之外還有多種預(yù)測(cè)方法，如地震波預(yù)測(cè)法、光彈法、流變法、以電磁原理為基礎(chǔ)的地球物理預(yù)報(bào)方法等［47］。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)防治措施

可通過(guò)以下措施防治巖爆并減小圍巖的過(guò)度變形:①超前鉆孔解除應(yīng)力。它能有效減輕圍巖的應(yīng)力集中程度并使應(yīng)力集中向圍巖深部進(jìn)行轉(zhuǎn)移，同時(shí)使圍巖積聚的彈性應(yīng)變能提前耗散，有效地降低了圍巖發(fā)生巖爆的風(fēng)險(xiǎn)性［48］。②采取合理開挖方式。地下洞室分步開挖可以根據(jù)先前開挖發(fā)生巖爆的情況對(duì)下一步的開挖提供參考，以便采取相應(yīng)的加固措施，預(yù)防巖爆發(fā)生［49］。③鉆孔注水。爆破之后，應(yīng)及時(shí)對(duì)施工隧道的巖爆易發(fā)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(qiáng)烈的巖爆［50］。④加固與支護(hù)。一旦發(fā)生巖爆，應(yīng)立即停止施工并開展監(jiān)測(cè)工作，并在巖爆發(fā)生地點(diǎn)采取有效的支護(hù)措施。對(duì)周邊圍巖進(jìn)行加固可改善1～2倍洞徑巖體的應(yīng)力狀態(tài)［50］，具體可采用混凝土或鋼纖維噴混凝土、鋼筋網(wǎng)噴混凝土、周邊錨桿、格柵鋼架、中空預(yù)應(yīng)力注漿錨桿、水漲式錨桿、納米仿鋼纖維混凝土等方法進(jìn)行加固。

6 結(jié)語(yǔ)及展望

根據(jù)地下工程巖爆研究成果，系統(tǒng)總結(jié)了巖爆的定義、類型、烈度分級(jí)、影響因素、破壞機(jī)理、預(yù)測(cè)與防治方法。由于巖體特征的復(fù)雜性和巖爆影響因素的多樣性，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)巖爆的時(shí)空分布難度較大。目前巖爆研究中仍然存在許多問(wèn)題，如巖爆機(jī)理不甚清楚，各種巖爆判據(jù)對(duì)工程的適用性有待探討，巖爆現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段單一等。建議將巖爆的預(yù)測(cè)劃分為以下3個(gè)階段:①巖爆傾向性預(yù)測(cè)。在該階段開展宏觀地質(zhì)調(diào)查并輔以地應(yīng)力測(cè)量和巖石力學(xué)性質(zhì)研究，此研究在工程可行性研究、初步設(shè)計(jì)階段完成。具體實(shí)現(xiàn)手段為:工程現(xiàn)場(chǎng)從鉆孔餅芯現(xiàn)象、初始地應(yīng)力巴頓經(jīng)驗(yàn)判據(jù)判斷巖爆傾向性，室內(nèi)試驗(yàn)通過(guò)巖樣脆性度指標(biāo)、彈性應(yīng)變能指標(biāo)、能量沖擊性能指標(biāo)等判斷巖爆傾向性。②巖爆趨勢(shì)預(yù)測(cè)。通過(guò)巖體地質(zhì)力學(xué)狀態(tài)分析，對(duì)較大區(qū)域未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)巖爆的發(fā)生趨勢(shì)和強(qiáng)烈程度做近似判斷和趨勢(shì)分析。具體實(shí)現(xiàn)手段為:通過(guò)三維數(shù)值建模，進(jìn)行初始地應(yīng)力場(chǎng)反演，模擬現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和開挖步驟，根據(jù)圍巖二次應(yīng)力、應(yīng)變和能量等計(jì)算結(jié)果，應(yīng)用各種巖爆理論和經(jīng)驗(yàn)判據(jù)大致確定巖爆高發(fā)區(qū)域和范圍，進(jìn)行巖爆趨勢(shì)預(yù)測(cè)。此研究在工程初設(shè)、前期施工階段完成。③巖爆現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。利用各種檢測(cè)儀器進(jìn)行工作面日常預(yù)報(bào)，必要時(shí)建立地下工程整體開挖區(qū)域的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，預(yù)測(cè)巖爆發(fā)生時(shí)間和地點(diǎn)等信息，及時(shí)采取適當(dāng)防護(hù)措施，保證地下結(jié)構(gòu)、施工設(shè)備和人員的安全。此研究在工程施工期完成，具體監(jiān)測(cè)手段為聲發(fā)射法、電磁輻射法、氣體測(cè)定法、微重力法、鉆屑法等，并結(jié)合圍巖應(yīng)力和變形等常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)斷面附近區(qū)域的巖爆進(jìn)行綜合分析和預(yù)報(bào)。

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