◎ 應(yīng)急管理部信息研究院 袁陽

2019 年11 月2 日9 時(shí)50 分，隨著一陣爆破聲響起，標(biāo)志著巴玉隧道順利貫通，創(chuàng)造了高原鐵路隧道獨(dú)頭掘進(jìn)7015 米的最高紀(jì)錄。負(fù)責(zé)此工程的中鐵十二局二公司拉林鐵路巴玉隧道項(xiàng)目部先后斬獲了山西省“青年文明號(hào)”“工人先鋒號(hào)”，股份公司“重點(diǎn)工程項(xiàng)目勞動(dòng)競賽先進(jìn)單位”等榮譽(yù)。在鐵路信用評(píng)價(jià)考核中，該項(xiàng)目部始終位列全線前三名，且五次奪得第一名，被拉林鐵路指揮部評(píng)為全線唯一一家A+級(jí)施工單位。他們的先進(jìn)事跡先后被中央電視臺(tái)、鳳凰視頻、《工人日?qǐng)?bào)》、人民鐵道網(wǎng)等多家新聞媒體報(bào)道。湖南衛(wèi)視《新聞當(dāng)事人》欄目也曾聚焦拉林鐵路巴玉隧道，推出“中國面壁者·巖爆終結(jié)者”專題，報(bào)道了中鐵十二局在該項(xiàng)目建設(shè)中克服的最大問題——巖爆。圖1 中顯示了巴玉隧道建設(shè)過程中發(fā)生的巖爆現(xiàn)象。

圖1 巴玉隧道建設(shè)過程巖爆現(xiàn)場圖

巖爆是指在高地應(yīng)力條件下，隧道或巷道等工程開挖過程中，巖石發(fā)生爆裂、彈射的現(xiàn)象。巖爆也是深井礦山面臨的主要安全隱患之一。輕微的巖爆僅出現(xiàn)巖片剝落，嚴(yán)重的巖爆出現(xiàn)強(qiáng)烈的巖塊彈射，并伴隨巨大的響聲。巖爆可以瞬間突然發(fā)生，也可以持續(xù)幾天至幾個(gè)月。少數(shù)情況下，在巖爆來臨前，將碎未碎的巖石會(huì)發(fā)出“喀喀”的聲音，警告人們迅速撤離。然而，這一警告時(shí)間往往只有數(shù)秒鐘。由于巖爆的發(fā)生具有局部性、突發(fā)性、隱蔽性、滯后性、無前兆性、高初速度和高沖擊能等特點(diǎn)，通常會(huì)給深部工程巖石開挖工作帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。中國工程院院士錢七虎和中國科學(xué)院院士何滿潮曾表示“巖爆是一個(gè)世界性的災(zāi)難現(xiàn)象”“國際巖石力學(xué)領(lǐng)域的世界性難題”“其成災(zāi)機(jī)理與預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)問題已成為巖石力學(xué)界必須致力解決的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)難題”。國際著名巖土工程學(xué)家Evert Hoek 提出的Hoek-Brown 準(zhǔn)則中也曾寫道：“我們沒有見到任何現(xiàn)有數(shù)值工具能夠提供解釋或預(yù)測(cè)巖爆過程的任何可靠的方法?！?/p>

由于巖爆現(xiàn)象通常在較為完整的巖體中發(fā)生，國際巖爆研究一直沿用經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論。采用壓力機(jī)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)（圖2 所示），在施加接近或等于巖石單軸抗壓強(qiáng)度的軸向壓力時(shí)，完整脆性巖石就會(huì)發(fā)生破裂、崩飛的現(xiàn)象。此過程與巖爆過程十分類似。因此，國際巖石力學(xué)專家們認(rèn)為，巖爆現(xiàn)象是由于巖石在地應(yīng)力場的作用下，內(nèi)部儲(chǔ)存了彈性應(yīng)變能。當(dāng)能量不超過巖石破裂耗能，則不會(huì)發(fā)生巖爆現(xiàn)象。巖石開挖會(huì)造成圍巖應(yīng)力場的變化，導(dǎo)致巷道環(huán)向正壓應(yīng)力增大，圍巖則可能就會(huì)發(fā)生巖爆。均勻巖體巖爆機(jī)制簡單地說就類似于一個(gè)強(qiáng)力壓縮的彈簧突然卸載的情況。因此，根據(jù)巖石脆性、完整性、高地應(yīng)力和巖石單軸抗壓強(qiáng)度，人們提出了包括高地應(yīng)力、線彈性能、巖石脆性、環(huán)向應(yīng)力在內(nèi)的各種巖爆預(yù)測(cè)準(zhǔn)則。

圖2 巖石單軸壓縮力學(xué)實(shí)驗(yàn)

盡管上述試驗(yàn)、機(jī)理和準(zhǔn)則可以較好地解釋巖爆發(fā)生的猛烈性和破壞的突然性，但是卻難以解釋巖爆的滯后性。所謂的滯后性指的是，巖爆往往要在開挖卸載或放炮加載結(jié)束后，還要經(jīng)過一段時(shí)間才發(fā)生。這種滯后性帶來的后果是——人們往往認(rèn)為巖爆危險(xiǎn)早已消失，從而進(jìn)入作業(yè)區(qū)工作讓自身和設(shè)備暴露在巖爆區(qū)域中。

同時(shí)，在對(duì)這些巖爆區(qū)域開挖之前，通常會(huì)進(jìn)行鉆孔得到巖石相關(guān)的物理力學(xué)性質(zhì)，而由鉆孔取出來的巖芯，會(huì)由于卸荷出現(xiàn)如圖3 所示的巖芯餅化的有趣現(xiàn)象。這種巖芯餅化現(xiàn)象使得人們聯(lián)想到了經(jīng)典材料力學(xué)的殘余應(yīng)力理論。例如， 一個(gè)鑄鐵物體冷卻時(shí)，內(nèi)部比外部冷卻慢，而可產(chǎn)生內(nèi)部的殘余應(yīng)力。巖體的非均勻冷卻或熱膨脹系數(shù)差異， 都會(huì)產(chǎn)生被“鎖住”的應(yīng)力狀態(tài)。香港大學(xué)教授岳中琦認(rèn)為巖石內(nèi)的流體包裹體（內(nèi)含高壓氣體、流體）可以反映巖石內(nèi)部這種被“鎖住”的狀態(tài)。第一，由于巖體開挖，巖壁徑向受壓增大，巖石壓緊，環(huán)向受壓減小，巖石松開。因此，巖石內(nèi)高壓游離微量氣體，隨時(shí)間從其他方向排列的微細(xì)損傷裂紋面內(nèi)，向環(huán)向微細(xì)損傷裂紋面內(nèi)轉(zhuǎn)移和集中，這就造成了巖爆的時(shí)間滯后效應(yīng)。第二，深部完整巖石具有一定量的剛度和強(qiáng)度。它所能夠承受的這種高壓微量氣體隨時(shí)間和空間的變化和張性膨脹， 而不發(fā)生微觀、細(xì)觀或宏觀變形或破壞的能力和強(qiáng)度是有限度的。這就造成了巖爆的突發(fā)性和無前兆變形等。

圖3 餅化巖性

總之在深部工程中，巖爆是一種危險(xiǎn)但無法回避的現(xiàn)象。在人們對(duì)礦產(chǎn)、水利、油氣等資源需求日益增多的未來，會(huì)面臨越來越多關(guān)于巖爆的挑戰(zhàn)。隨著各種關(guān)于巖爆成因假說、力學(xué)學(xué)科、數(shù)值計(jì)算方法和監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備的發(fā)展，將會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)、降低和減少巖爆這一國際巖石力學(xué)領(lǐng)域的世界性難題有所幫助，為人類的進(jìn)一步發(fā)展和繁榮作出貢獻(xiàn)。