田 闖，郝彥鵬 ，馮巖巖，張迎春，李晨雁

(中冀建勘集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050200)

0 引言

隧洞通常會(huì)穿過一些地形較為復(fù)雜的地質(zhì)單元和巖層或斷層構(gòu)造段。該區(qū)域的巖體性質(zhì)十分不明確，實(shí)際情況往往復(fù)雜多變導(dǎo)致在實(shí)際工程施工中產(chǎn)生巖爆等工程災(zāi)害。工程中的巖爆是由于隧洞在實(shí)際開挖過程中導(dǎo)致巖體發(fā)生應(yīng)力重新分布而引發(fā)圍巖能量急劇釋放，從而發(fā)生巖體失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象。

巖爆由于具有不確定性而在工程中難以預(yù)防，但一旦發(fā)生，其后果是非常嚴(yán)重的。同時(shí)突發(fā)性和破壞性也是巖爆的另外兩大特性。由于巖爆所帶來的工程危害不但影響工程進(jìn)度、增加工程成本還會(huì)對(duì)作業(yè)人員的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[1-2]。因此，尋找一種合理可靠的巖爆預(yù)測方法并能準(zhǔn)確預(yù)測實(shí)際工程可能發(fā)生巖爆的概率及其重要。根據(jù)預(yù)測結(jié)果對(duì)發(fā)生巖爆災(zāi)害可能性較高的地方提前防范，不但可以最大可能的避免巖爆災(zāi)害還能降低財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)于指導(dǎo)工程施工具有重要意義。

近幾年，由于巖爆事件多發(fā)，不少研究者都致力于巖爆預(yù)防研究。目前對(duì)于巖爆研究的主要通過理論分析(如強(qiáng)度理論、剛度理論和能量理論)[3-5]、數(shù)值模擬[6-7]和現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測[8-10]等方法來分析和預(yù)測巖爆發(fā)生和災(zāi)害防治措施。眾多前人在巖爆研究方面得出了不少成果，但考慮到巖爆本身特殊的性質(zhì)以及實(shí)際工程對(duì)施工質(zhì)量要求的不斷提升，有必要需要在現(xiàn)有的理論和方法中再作深入的研究。本文在基于前人的研究基礎(chǔ)上提出了新的方法，對(duì)于工程實(shí)際指導(dǎo)和巖爆預(yù)測方法有所幫助。

1 巖爆定義和分類

1.1 巖爆定義

1738年英國報(bào)道一則不同尋常的礦井事故，這引起了學(xué)術(shù)界眾多研究者的注意。事故段巖體發(fā)生突發(fā)性失穩(wěn)破壞，巖塊應(yīng)力得到釋放的瞬間被拋出較遠(yuǎn)的距離，相關(guān)分析人士將其稱之為巖爆破壞。自此，英國成為世界首例報(bào)道有關(guān)巖爆的工程事故，即萊比錫煤礦巖爆[11]。早期學(xué)術(shù)界在關(guān)于巖爆的解釋和定義中也存在較多分歧，認(rèn)為巖爆一定是發(fā)生在脆性巖體中，同時(shí)在巖爆發(fā)生時(shí)產(chǎn)生較大沖擊力并伴隨巖體剝落飛濺等現(xiàn)象。隨著科學(xué)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)的發(fā)展，研究者的思路在隨之拓寬。研究者們根據(jù)現(xiàn)有的工程資料、理論基礎(chǔ)和巖爆災(zāi)害實(shí)例對(duì)巖爆做出了新的定義和解釋。他們認(rèn)為，首先巖爆災(zāi)害不單單只發(fā)生在硬脆性巖體中，對(duì)于巖體較為軟弱的地層也存在發(fā)生巖爆的可能性只是相對(duì)于硬脆性巖體來說發(fā)生的概率較小。其次，發(fā)生巖爆并不是瞬間的，在發(fā)生巖爆前巖體產(chǎn)生靜力破壞，換句話說，巖爆產(chǎn)生存在一個(gè)從靜到動(dòng)的過程。因此巖爆的定義也得到基本明確，即巖爆是由于積聚彈性應(yīng)變勢能的圍巖在受到開挖擾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的巖塊彈射現(xiàn)象，屬于一種特殊的工程地質(zhì)災(zāi)害(圖1)。

圖1 隧洞巖爆災(zāi)害 圖2 隧洞巖爆劃分

1.2 巖爆分類

巖爆具有不確定性、多變性和復(fù)雜性，同時(shí)還具有多種類特點(diǎn)。參考前人的研究，國內(nèi)外的研究者對(duì)于巖爆類型的劃分中沒有統(tǒng)一的說法。Kaiser等人依據(jù)震源機(jī)制將巖爆類型分為應(yīng)變型、巖柱爆裂型和斷層滑動(dòng)型三類。錢七虎等人依據(jù)巖爆應(yīng)力釋放形式的不同將巖爆類型劃分為應(yīng)變型和斷層滑移型。馮夏庭等人根據(jù)巖爆發(fā)生的時(shí)間不同將巖爆類型劃分為瞬時(shí)型和滯后型。吳文平等人又根據(jù)控制圍巖發(fā)生破壞的因素將其劃分為應(yīng)變型和結(jié)構(gòu)面型?，F(xiàn)有的巖爆分類依據(jù)較多，分類方法不統(tǒng)一主要還是在于巖爆類型、發(fā)生巖爆的區(qū)域、發(fā)生機(jī)制和表現(xiàn)形式不同。無論是從科學(xué)研究還是學(xué)科發(fā)展，由于標(biāo)準(zhǔn)不同必將滯后巖爆研究的推進(jìn)。每個(gè)國家都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)于巖爆來說，發(fā)生機(jī)制和影響因素才是關(guān)鍵。鑒于此，應(yīng)該首先考慮巖體結(jié)構(gòu)面是否起主要作用，如若在巖爆中起主要作用則可將巖爆類型分為結(jié)構(gòu)面型和應(yīng)變型；然后分析巖爆發(fā)生的位置，根據(jù)巖爆位置的不同將應(yīng)變型巖爆再次細(xì)分為圍巖應(yīng)變型和巖柱應(yīng)變型兩種(圖2)。

2 巖爆形成條件和巖爆發(fā)展過程

根據(jù)學(xué)術(shù)界對(duì)巖爆的定義不難理解巖爆的形成條件，即巖性、應(yīng)力和外部因素。首先對(duì)于巖性來說，有可能是質(zhì)地堅(jiān)硬、發(fā)育完整的脆性巖體，但也有可能是軟性巖體。質(zhì)地堅(jiān)硬、發(fā)育完整的脆性巖體由于積聚大量的應(yīng)變勢能，能產(chǎn)生較高的初始應(yīng)力導(dǎo)致在實(shí)際巖爆災(zāi)害中脆性巖體發(fā)生巖爆的可能性要高于軟巖。相反，軟巖積聚的應(yīng)變勢能較小，初始地應(yīng)力很低，在應(yīng)力得到突然釋放時(shí)不會(huì)產(chǎn)生大的破壞，這是由巖體本身所具有的力學(xué)特性所決定的。因此，在實(shí)際工程中，要盡力避免在高應(yīng)力的完整硬性巖體中進(jìn)行不合理的開挖。其次，高構(gòu)造應(yīng)力的巖體也是導(dǎo)致發(fā)生巖爆的主要因素。高地應(yīng)力主要取決于工程實(shí)況，如工程開挖深度，開挖深度越大應(yīng)力就越高。因此在工程開工前要做好充分調(diào)研和測繪，設(shè)置合理開挖深度和開挖路徑。最后，對(duì)于巖爆來說，外部擾動(dòng)因素也是主要的誘發(fā)原因之一。通常情況下，巖體處于靜力平衡狀態(tài)，合理的開挖過程即使是高應(yīng)力的脆性巖體也能維持一定相對(duì)平衡，但一旦受到外部干擾，如地震、短時(shí)間的強(qiáng)降雨都會(huì)誘發(fā)巖爆。

巖爆的發(fā)生不是突然的，存在一定的過程。參考前人的研究，譚以安[12]等人將巖爆的產(chǎn)生過程劃分三個(gè)階段，即劈裂成板、剪斷成塊和塊石彈射；張鵬等[13]將巖爆看作能量釋放，認(rèn)為巖爆過程大致可分為能量積聚、破裂發(fā)展和爆裂階段。關(guān)于巖爆發(fā)展的研究也會(huì)因研究者的分析立腳點(diǎn)不同而有所差異，但這不影響關(guān)于巖爆的研究，畢竟巖爆的預(yù)測和預(yù)防才是關(guān)鍵。

3 巖爆預(yù)測方法

在對(duì)巖爆的定義、類別、形成條件和發(fā)展有了一定認(rèn)識(shí)后，才能根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用情況找到合理的巖爆預(yù)測方法。這里根據(jù)總結(jié)前人的研究成果，在前人的基礎(chǔ)上嘗試應(yīng)用層次分析法探究出一種新的巖爆預(yù)測評(píng)估方法。具體方法和分析如下。

3.1 層次分析法簡介

層次分析法(FAHP)及計(jì)算過程層次分析法(AHP)是20世紀(jì)70年代美國運(yùn)籌學(xué)T.L.Saaty教授提出的一種定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法。簡單來說就是層次分析法和模糊評(píng)價(jià)法的結(jié)合,層次分析法是一種計(jì)算權(quán)重的方法,而模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種對(duì)問題進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)的方法該方法對(duì)于量化評(píng)價(jià)指標(biāo),選擇最優(yōu)方案提供了依據(jù),并在實(shí)際生活和工作中得到了廣泛的應(yīng)用。將層次分析法運(yùn)用到隧道巖爆分析中來，可以對(duì)隧洞巖爆影響因素及其判段依據(jù)進(jìn)行分類評(píng)價(jià)。主要思路：構(gòu)建巖爆影響因素層次結(jié)構(gòu)，計(jì)算各因素的相對(duì)權(quán)重；計(jì)算各因素的隸屬度；最后，基于影響因素權(quán)重及隸屬度的計(jì)算結(jié)果，采用PC模型來實(shí)現(xiàn)對(duì)隧洞巖爆等級(jí)劃分并對(duì)巖爆發(fā)生的可能性做出評(píng)判。

3.2 具體分析方法步驟

建立巖爆評(píng)估等級(jí)層次結(jié)構(gòu)。如表1，將隧洞巖爆主要因素劃分為巖性、應(yīng)力和巖體結(jié)構(gòu)因素，構(gòu)建巖爆等級(jí)評(píng)估的層次結(jié)構(gòu)。

表1 巖爆等級(jí)評(píng)估層次

表2 相對(duì)重要性判斷準(zhǔn)則

備注:表中i、j分別代表巖爆影響因素

表3 重要性標(biāo)度取值

相對(duì)權(quán)重求解。以評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表2)為基礎(chǔ)，對(duì)比表1中各影響因素間的相對(duì)重要性并構(gòu)建出判斷矩陣。求解出判斷矩陣的最大特征值和特征向量，利用計(jì)算得到的最大特征值檢驗(yàn)其一致性，具體檢驗(yàn)公式如下：

(1)

式中：CR為檢驗(yàn)參數(shù)，λmax為求得的最大特征值；n為構(gòu)造矩陣的參數(shù)個(gè)數(shù)；R為重要性標(biāo)度指標(biāo)，不同的重要性標(biāo)度指標(biāo)取值不同，具體情況下的重要性標(biāo)度指標(biāo)取值見表3所示。

值得注意的是，若檢驗(yàn)出的CR值小于0.1說明構(gòu)造該矩陣滿足一致性檢驗(yàn)條件；相反，若檢驗(yàn)出的CR值大于0.1說明該構(gòu)造矩陣不滿足一致性檢驗(yàn)條件。不滿足一致性檢驗(yàn)條件時(shí)表明巖爆各影響因素之間的相對(duì)重要性不相同，此時(shí)則需要對(duì)影響因素進(jìn)行調(diào)整直至CR值小于0.1。

當(dāng)檢驗(yàn)結(jié)果滿足一致性檢驗(yàn)后就需要對(duì)最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量進(jìn)行歸一化處理，此時(shí)得到的歸一化值作為巖爆等級(jí)層次之間相應(yīng)影響因素的相對(duì)權(quán)重值。

隸屬度求解。考慮巖爆影響因素較多

而難以利用明確的數(shù)學(xué)理論計(jì)算方法來對(duì)其隸屬度進(jìn)行求解，這里采用經(jīng)驗(yàn)法來彌補(bǔ)。通過行業(yè)類專家和資深技術(shù)人員的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)定量評(píng)價(jià)。

隧道巖爆等級(jí)劃分。利用PC模型根據(jù)已得到的巖爆影響因素相對(duì)權(quán)重和隸屬度進(jìn)行巖爆等級(jí)劃分，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)如表4。

表4 巖爆等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)語

本文在現(xiàn)有的巖爆理論和研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)巖爆的定義、巖爆分類和發(fā)展進(jìn)行了概述，并在前人的研究基礎(chǔ)上提出了基于層次分析法的隧道巖爆預(yù)測評(píng)估方法。巖爆是由于積聚彈性應(yīng)變勢能的圍巖在受到開挖擾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的巖塊彈射現(xiàn)象，屬于一種特殊的工程地質(zhì)災(zāi)害。因此，建議在實(shí)際工程中，要盡力避免在高應(yīng)力的完整硬性巖體中進(jìn)行不合理的開挖。同時(shí)在工程開工前還要做好充分調(diào)研和測繪，設(shè)置合理開挖深度和開挖路徑，并且在施工過程也應(yīng)加強(qiáng)預(yù)防，提高警惕性，切實(shí)保證安全施工。