長(zhǎng)大深埋隧道巖爆機(jī)理及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究綜述

四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 德陽(yáng) 618000

20世紀(jì)初期以來(lái),隨著水利水電、鐵路公路等工程向深部發(fā)展,巖爆作為長(zhǎng)大深埋隧道的一大災(zāi)害,直接威脅到施工人員、設(shè)備的安全,極大影響工程進(jìn)度。如錦屏二級(jí)電站施工排水洞2009年11月突發(fā)強(qiáng)烈?guī)r爆災(zāi)害,導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)被摧毀,引發(fā)大規(guī)模巖體坍塌,造成多人遇難。本文結(jié)合當(dāng)前相關(guān)研究,對(duì)巖爆發(fā)生機(jī)理,預(yù)測(cè)及防治措施作詳細(xì)分析和總結(jié),提出存在的問(wèn)題以及未來(lái)研究的方向。

1 巖爆定義

巖爆是巖體具有高地應(yīng)力的一種重要地質(zhì)標(biāo)志。時(shí)至今日,學(xué)術(shù)界對(duì)巖爆定義尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。概括起來(lái),對(duì)其定義有二種觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)則認(rèn)為只有產(chǎn)生彈射、拋擲性破壞者才能稱(chēng)為巖爆；另一種認(rèn)為只要巖體破壞時(shí)有聲響,產(chǎn)生片幫、爆裂剝落甚至彈射現(xiàn)象,有新鮮破裂面即可稱(chēng)為巖爆。

2 分類(lèi)與烈度分級(jí)

目前對(duì)巖爆分類(lèi)還未達(dá)成一致意見(jiàn),對(duì)巖爆烈度分級(jí)問(wèn)題尚有不同的見(jiàn)解。Kidybinski 1981年根據(jù)巖爆發(fā)生時(shí)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)；挪威巖爆權(quán)威人士拉森斯的巖爆烈度分級(jí)方案在國(guó)外很有影響,他根據(jù)巖爆發(fā)生時(shí)的聲響特征、圍巖爆裂破壞特征等將巖爆烈度劃分為0級(jí)－3級(jí)共四級(jí)。譚以安1988年依據(jù)巖爆發(fā)生時(shí)的力學(xué)和聲學(xué)特征、破壞方式及其危害程度將巖爆烈度劃分為弱、中等、強(qiáng)烈、極強(qiáng)四級(jí)；王蘭生1998年在譚以安的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步根據(jù)聲響、運(yùn)動(dòng)、時(shí)效、影響深度、工程危害和破裂性質(zhì)將巖爆烈度劃分為輕微－劇烈四級(jí)。

3 形成機(jī)理

目前巖爆機(jī)理的研究大多數(shù)停留在定性解釋階段,也有不少學(xué)者結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)取得了一些有意義的成果,能對(duì)局部的巖爆現(xiàn)象做比較合理的解釋。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖爆機(jī)理的研究主要從兩方面進(jìn)行,一是從靜力學(xué)理論方面(采用巖爆預(yù)測(cè)判據(jù)的理論依據(jù)),另一是從動(dòng)力學(xué)理論方面。靜力學(xué)理論認(rèn)為：巖爆產(chǎn)生需要具備兩方面的條件：高儲(chǔ)能體的存在,且其應(yīng)力接近巖體強(qiáng)度是巖爆產(chǎn)生的內(nèi)因；某些附加荷載的觸發(fā)是其產(chǎn)生的外因。從能量學(xué)觀點(diǎn)考慮,它是圍巖積聚彈性應(yīng)變能的釋放過(guò)程。從強(qiáng)度理論觀點(diǎn)分析,巖爆實(shí)際上是圍巖在洞壁應(yīng)力作用下的失穩(wěn)破壞。主要有兩種破壞方式—張性破壞與剪性破壞。動(dòng)力學(xué)理論機(jī)制認(rèn)為：巖爆是開(kāi)挖誘發(fā)的一種人為地質(zhì)過(guò)程,不是純自然地質(zhì)現(xiàn)象。巖爆不僅僅是圍巖對(duì)開(kāi)挖引起的應(yīng)力分異結(jié)果的響應(yīng),更可能是對(duì)整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程及其結(jié)果的綜合響應(yīng)。這些理論都具有一定的局限性.巖爆機(jī)理一般可描述為：巖爆是具有大量彈性應(yīng)變能儲(chǔ)備的硬質(zhì)脆性巖體,由于洞室開(kāi)挖,徑向約束卸除,環(huán)向應(yīng)力驟然增加,能量進(jìn)一步集中,在集中應(yīng)力作用下,產(chǎn)生突發(fā)性脹剪脆性破壞,伴隨聲響和震動(dòng)消耗部分彈性應(yīng)變能。

4 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究

巖爆的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是盡量確定巖爆發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、烈度等信息,為后續(xù)針對(duì)性的防治提供支撐。這些工作必須建立在扎實(shí)的工程地質(zhì)調(diào)查、場(chǎng)地地應(yīng)力測(cè)量以及巖體力學(xué)特性研究基礎(chǔ)之上。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已從強(qiáng)度、剛度、能量、穩(wěn)定、斷裂、損傷、分形和突變等方面嘗試對(duì)巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,提出各種假設(shè)和判據(jù)。具體來(lái)看,目前比較直觀的方法是從根據(jù)一些特殊地質(zhì)現(xiàn)象,如鉆孔巖芯餅裂現(xiàn)象進(jìn)行宏觀預(yù)測(cè)。這些現(xiàn)象多預(yù)示著該區(qū)巖體具有較高的地應(yīng)力,可以幫助判斷巖爆是否會(huì)發(fā)生。此外以靜力學(xué)分析為基礎(chǔ)的巖爆預(yù)測(cè)類(lèi)方法最為常見(jiàn)。比如巖爆傾向性指數(shù)(Wet)判據(jù)法將巖石中積聚應(yīng)變能的能力是巖爆發(fā)生的內(nèi)部主導(dǎo)因素。再如應(yīng)力強(qiáng)度比(σθ/Rb)判據(jù)法,將洞壁切向應(yīng)力σθ和巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rb之比值作為巖爆判據(jù)。另外,侯發(fā)亮(1981)提出了巖爆臨界深度預(yù)測(cè)法,認(rèn)為巖爆雖然多發(fā)生在水平構(gòu)造應(yīng)力較大的地區(qū),但如果洞室埋深較大,即使沒(méi)有構(gòu)造應(yīng)力,由于上覆巖體效應(yīng),洞室也可能會(huì)發(fā)生巖爆。徐則明、黃潤(rùn)秋(2004)還提出了巖石脆性指數(shù)預(yù)測(cè)來(lái)預(yù)測(cè)巖爆。隨著原位探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步,開(kāi)始逐步出現(xiàn)聲發(fā)射、電磁輻射等監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)等手段用于巖爆預(yù)測(cè)。無(wú)論是室內(nèi)試驗(yàn),還是現(xiàn)場(chǎng)初步監(jiān)測(cè)結(jié)果都表明：聲發(fā)射信號(hào)的急劇增加往往都超前于巖體(石)的變形破壞。根據(jù)這一特點(diǎn),可以將巖體聲發(fā)射技術(shù)推廣應(yīng)用到巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中去。目前,該方法尚處于試驗(yàn)階段。

總體來(lái)看,巖爆預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)問(wèn)題極為復(fù)雜,目前還沒(méi)有形成一整套成熟的理論和方法。

5 結(jié)語(yǔ)

巖爆雖然令人生畏、成因復(fù)雜,但其背后存在必然的內(nèi)在規(guī)律。只要加強(qiáng)機(jī)理深入研究,密切開(kāi)展監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào),是可將其危害降到最小的。當(dāng)前雖對(duì)巖爆現(xiàn)象展開(kāi)了較為全面研究,在工程實(shí)踐應(yīng)用中凸顯突了相應(yīng)價(jià)值。但整體而言,認(rèn)識(shí)還不夠深入,對(duì)成因機(jī)理的理解和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的成功率還不夠令人滿意。鑒于此,對(duì)未來(lái)研究提出以下兩點(diǎn)淺見(jiàn)：

(1)應(yīng)加強(qiáng)深部巖體力學(xué)行為的系統(tǒng)理論研究,探索微震、地音活動(dòng)等與巖爆活動(dòng)的內(nèi)在聯(lián)系。

(2)應(yīng)在材料科學(xué)、非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真、信息采集與檢測(cè)等領(lǐng)域開(kāi)展聯(lián)合攻關(guān),加強(qiáng)新型監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備的開(kāi)發(fā),研制出能全面反映巖爆影響因素和巖爆烈度特征指標(biāo)的儀器,提高預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。