郭銳 李偉 周志廣

1 概述

巖爆是高地應力條件下，隧道等地下工程洞室開挖過程中，因開挖卸荷引起洞室周邊圍巖產生強烈的應力分異作用，儲存于硬脆性圍巖中的彈性應變能突然釋放且產生爆裂脫落、剝離、彈射甚至拋擲性等破壞現象的一種常見動力失穩(wěn)施工地質災害。它直接威脅施工人員、設備的安全，影響工程進度。

隨著人類活動向地下空間的延伸，在高地應力區(qū)修建的水電站地下廠房、隧洞等地下工程越來越多，其埋深也越來越大，隨之而來的巖爆現象也越來越突出，據不完全統(tǒng)計，從1949年～1985年，在我國32個重要煤礦中，至少曾經發(fā)生1842起煤爆和巖爆，在一些嚴重的巖爆發(fā)生區(qū)，曾有數以噸計的巖塊、巖片和巖板拋出。在水電工程中巖爆也頻繁發(fā)生，如二灘、映秀灣、漁子溪、太平驛、錦屏、天生橋二級等水電站的地下工程在修建過程中都發(fā)生過不同程度的巖爆。根據文獻檢索，目前世界上大約有18個國家和地區(qū)已有大型巖爆發(fā)生，所以巖爆已經成為全球性的地質災害。

正因為如此，在地下工程中，巖爆一直受到人們的關注。然而，自1738年在英國發(fā)生人類有文字記載以來的第一次巖爆距今已經200多年了，可巖爆的理論研究是從20世紀20年代～30年代才開展起來的，雖然歷經幾代學者的努力，巖爆的理論研究有了一定程度的發(fā)展，但由于巖體自身的復雜性，很難用數學方法來準確推斷和預測巖爆的發(fā)生，所以人們對巖爆的理論研究仍然處于探索階段，還有待進一步深入。到目前，國內外學者們就巖爆發(fā)生的一個或幾個條件，提出了側重于某一方面的巖爆理論，這些理論有:能量理論、剛度理論、強度理論、分形維數理論、微重力理論、綜合理論、失穩(wěn)理論等。

基于巖爆在地下工程中的嚴重性和危險性，本文簡單地介紹了這些理論，并且加以分析和探討，以便于為地下工程實踐中的巖爆預測、預防提供一個理論依據。

2 巖爆理論的綜述

2.1 能量理論

人們普遍認識到巖體中應變能的集中在巖爆的發(fā)生中起著舉足輕重的作用。但是，直到1965年，才由庫侖等人經過一系列的巖爆試驗研究，提出了基于試驗結果的能量理論。由于這個理論沒有考慮巖爆的時間因素和空間因素，所以并不完善，后來又經過一些學者的修正，提出了如下巖爆的能量判據:

其中，EN為能量指標，等于巖體中所集中的彈性應變能ENe與發(fā)生塑性變形所消耗的能量ENp之比，依據這個指標，對巖爆的發(fā)生可作如下判斷:

1)當 EN ＜2.0時，不易發(fā)生巖爆;2)當2.0＜EN ＜5.0時，中等可能發(fā)生巖爆;3)當EN＞5.0時，最有可能發(fā)生巖爆。

2.2 強度理論

霍克認為一種被稱為巖石強度指數的指標可以作為地下開挖面的失穩(wěn)判據。這個指標就是RSi，它是最大主應力值與單軸壓縮強度比值的3倍，即RSi=3σ1/Sc。依據這個指標有如下判據:當 RSi＜0.2 時，發(fā)生巖爆可能性低;當 RSi=0.2～0.4 時，發(fā)生巖爆可能性中等;當RSi=0.4～0.6時，發(fā)生巖爆可能性高;當RSi=0.6～0.8 時，發(fā)生巖爆可能性很高;當 RSi=0.8～1.0 時，發(fā)生巖爆可能性極高;當RSi＞1.0時，發(fā)生巖爆。

由此可以看出，能量理論以巖石的單軸抗壓強度為度量標準，從圍巖的靜力平衡條件出發(fā)，將各種強度準則作為巖爆的判據，這種理論沒有明確的機理作為依據，只是根據單軸試驗現象得出依據，不能準確解釋巖塊(片)的彈射機理。然而巖爆的發(fā)生不僅取決于圍巖的強度，事實上，地下圍巖是處于一個復雜的應力體系中，不可能只受單軸力，其破壞方式也是十分復雜的。許多地下工程的圍巖達到破裂狀態(tài)，并沒有進入極限狀態(tài)，雖然圍巖中的微裂隙已進入不穩(wěn)定狀態(tài)，但圍巖的整體此時是穩(wěn)定的，只是這種局部范圍的不穩(wěn)定狀態(tài)可能導致巖爆。因此，為了更好地對巖石巖爆發(fā)生的可能性作出判斷，必須在此基礎上綜合考慮各方面的因素加以修正。

2.3 剛度理論

剛度理論的產生源于剛性壓力機，此理論由布萊克將其發(fā)展和完善，他認為礦體的剛度大于圍巖的剛度是產生沖擊地壓的必要條件。但是由于這種理論主要用于解釋煤礦沖擊地壓和礦柱巖爆問題，所以使用并不廣泛。我國阜新礦院認為巖爆取決于巖石加載過程的剛度與應力達到峰值以后卸載過程的剛度比值，并提出以剛度為參數的沖擊性指標:

其中，Km為應力應變全過程曲線上加載過程的剛度;為應力應變全過程曲線上達到峰值后的剛度。

當FCF＜1時，就有巖爆發(fā)生的可能。

2.4 分形維數理論

自從分形幾何理論發(fā)現以來，其在各個領域都得到了充分的應用與發(fā)展，那么，巖爆理論工作者也不例外，他們試圖將分形理論應用于巖爆理論中以其揭示巖爆的發(fā)生機理，他們把巖石的破裂過程看成裂縫尖端微裂紋損傷發(fā)展的過程，由于微裂紋的分布特征是分數維，故可將微裂紋損傷演化過程理解成分數維的變化過程，通過AE法探測相應于損傷微地震源的分布進行分數維分析，當分數維隨時間顯著減少時，即可能發(fā)生巖爆。

分形幾何理論在巖爆理論中的引用，勢必打破巖爆理論研究的傳統(tǒng)思維使巖爆理論的研究進入一個新的時代，同時，巖石破裂裂紋的分維數可能會成為判定巖爆發(fā)生的新參數。但是，由于分形理論本身的不完善性以及巖石裂紋的復雜性，我們很難去確定巖石裂紋的分維數。因此，要想分形理論在巖爆理論中得到更大發(fā)展仍需要各位學者們的努力。

2.5 其他理論

除了以上介紹的幾種巖爆理論以外，還有許多理論如沖擊傾向性理論、微重力理論、失穩(wěn)理論以及綜合理論等來表達巖爆的發(fā)生機理。沖擊傾向性理論是根據實驗室實測巖體的物理力學性質指標為依據，對巖爆的發(fā)生進行預測;綜合理論是我國煤炭部門提出的，它認為只有同時滿足強度理論、沖擊傾向理論、能量理論才能產生沖擊地壓，才能發(fā)生巖爆;微重力理論實際上是用物探的方法對巖爆進行預測，其理論基礎是脆性巖石的“擴容”現象，即巖石在應力的作用下，力學參數會發(fā)生明顯的變化，當其應變超過其臨界值時，巖石的體積會突然增大;失穩(wěn)理論是將圍巖看成一個力學系統(tǒng)，將巖爆當作圍巖組成的力學系統(tǒng)的動力失穩(wěn)過程，即巖爆的發(fā)生是圍巖組成的變形系統(tǒng)由不穩(wěn)定平衡狀態(tài)變成新的穩(wěn)定狀態(tài)的過程。

3 結語

由前人的理論與試驗研究可知，巖爆是在具有一定的彈性應變能存儲條件的硬脆性巖體中開挖隧洞時，由于地應力分異，圍巖應力躍升，使得巖體內原生裂隙發(fā)生張拉破壞發(fā)展為宏觀裂紋，并且其作用應力隨之急劇調整升高，積蓄能量進一步集中，使內部破壞加速擴展，成為宏觀破壞(剪、張脆性破壞)，而使巖片分離母巖，并同時獲得彈射引發(fā)力，使巖片向臨空方向彈射，在母巖體內則產生震動。它經歷了內部原生裂隙啟裂并穩(wěn)定擴展→(應力升高)非穩(wěn)定擴展(新舊裂紋急劇擴展)→宏觀破壞和彈射、震動的“時序漸進破壞過程”，也即是經歷了穩(wěn)定破壞→加速破壞→動力彈射、震動過程。由此可以看出，巖爆的發(fā)生受多種因素的制約，不僅受巖石的巖性、地應力、地下洞室的開挖方式、洞室的開挖形狀等影響，同時還受巖爆發(fā)生的時間和空間因素影響。

由上述可知，目前已有的巖爆機理理論無非是從巖石的彈性應變能的積累上、強度上或裂縫的擴展上著手，總而言之，就是考慮了巖爆發(fā)生條件中的一種或幾種，并沒有綜合考慮影響巖爆的各種因素。由中國煤炭部提出的一種考慮了強度理論、沖擊傾向理論、能量理論的綜合理論，這種理論看起來似乎綜合了幾個因素，其實嚴格來講，它只不過把這三種理論簡單的疊加起來了，并沒考慮其內在聯系。不過，這畢竟是一種嘗試，與其他理論相比還有一定的進步意義。隨著分形幾何的發(fā)展，其作為一種新的理論已經應用于巖爆的機理研究中，不過目前來看，還不成熟，有待進一步的發(fā)展。

因為我們研究巖爆的發(fā)生機理的目的就是為巖爆的預測與預報提供理論依據，為了在巖爆發(fā)生之前，有足夠的時間來對人員和設備進行疏散、撤離，我們必須考慮巖爆的時空效應，另外，巖爆的發(fā)生、發(fā)展也不是一蹴而就，是有一定過程的。當然，我們在進行理論研究的同時，還必須充分地發(fā)展巖爆的觀測手段和試驗手段。隨著人類的發(fā)展，地上空間已經不足以人們利用，勢必要向地下空間發(fā)展，那么巖爆現象也就越來越突出，我相信在不久的將來，巖爆的理論和試驗研究將更加蓬勃發(fā)展。

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