岩爆发生条件的基本分析张志强关宝树翁汉民(提要 , 得出了判断岩爆发生的基本条件 , I I 线出口段已发生岩 , . 2 U 458. 1Basic Analysis of Rock Bursti ng Occurrence Cond itionZhang Zh iqiang Guan B ao shu W en H anm ing(D ep t . of U nderground and Geo technical Engineering , Southw est J iao tong U niversity , Chengdu 610031, Ch inaAbstract B ased on the statistics , analysis and inducti on of the cases of rock bu rsting occu r 2rence in tunneling engineering at hom e and ab road , the basic conditi on s fo r deter m in ing the po ssib ility of rock bu rsting occu rrence are p ropo sed in th is p aper . Fu rther m o re , the basic con 2diti on s are tested and verified th rough analysing the rock bu rsting occu rrence regi on in the II line of the Q in ling T unnel and reach ing a better resu lt . Keywords rock bu rsting ; in itial stress ; tunnel excavati on岩爆是岩体中聚集的高弹性应变能 , 因开挖而产生的一种具有代表性的应力释放现象。

岩爆是突发性的 , 岩体急剧破坏 , 岩片由岩体表面上突发性地飞出 , 而且大都发生在隧道掌子面附近及侧壁上 , 与塌顶和坍方有明显区别。

随着我国铁路、公路、水电建设的不断发展 , 隧道已经向长大、深埋方向发展。

近几年来 , 长度超过 10km 以上的隧道工程不断涌现 , 例如 18. 4km 的秦岭西康线铁路隧道 , 12km 的长粱山铁路隧道 , 10km 左右的太平驿水工隧洞等 , 这些隧道的埋置深度大多在800~1000m 以上 , 有些甚至超过 2000m 。

此外 , 由于地质活动的影响 , 隧道可能穿过高地应力区等 , 在隧道施工过程中发生岩爆的可能性大为增加。

为减小岩爆造成的损失 , 安全而经济地施工 , 研究岩爆发生的基本条件是很有必要的。

1从工程实例看岩爆的发生表 1列出国内外曾经发生岩爆的一些隧道工程的概况 , 从中对岩爆发生的条件或许可以找出一些可供参考的规律。

表 1中参数Ρc 表示岩石单轴抗压强度 ; I s 表示点荷载强度; Ρm in 、Ρm ax 分别表示地应力的最小值和最大值。

收修改稿日期 :1998203216张志强男 1968年出生博士后西南交大地下工程与岩土工程系邮编 :610031第 20卷第 4期铁道学报V o l . 20 N o. 4国内外隧道工程发生岩爆的统计表 1隧道名称埋深 m 断面积 m 2地质条件Ρc M Pa I s M Pa Ρm in M Pa Ρm ax M Pa 挪威赫古拉公路隧道最大 70038. 6前寒武纪片麻岩 100~2504. 5~1118. 925. 0挪威兰峡湾公路隧道 200~150050. 0片麻岩、花岗片麻岩、片麻闪长岩 60~2002. 7~9. 09. 034. 0挪威西玛水电站地下厂房 700800花岗岩、花岗片麻岩 1808. 319. 548. 8瑞典维泰斯引水隧洞 250——粉砂岩、石英岩 803. 66. 850. 0~70. 0瑞典 H eadrace 隧道 30067石英岩 2008. 8. . 028. 0南非金矿 1437~2404——石英岩 198~2300060. 065. 0美国 Galena 金矿 1200—— 1757. 7.52. 0南非 Ho ist 地下洞室 1450130~230. 39. 044. 3挪威 E ikesdal 公路隧道 80036( 8. 821. 230. 6日本关越公路隧道 750~10508523610. 716. 289. 0瑞典捷克坦水工隧洞1808. 350. 0125. 0挪威 Se w age 130花岗岩 1808. 33. 535. 0 000—石英闪长岩 1838. 027. 089. 0 1000——硅质灰岩 1205. 526. 035. 0 200~650——中粒和中细粒花岗闪长岩 707. 711. 530. 0~45. 0花岗岩 1607. 011. 530. 0~45. 0中国天生桥引水隧洞40072~92灰岩、白云岩、砂岩 1155. 7415. 131. 2中国锦屏水电地质探洞559~5758~9中粗晶大理岩、花斑状大理岩 105~1604. 6~7. 015. 125. 6中国二滩工程 770——正长岩、玄武岩 160~1707. 0~7. 4520. 830. 0~35. 0中国太平峰水工隧洞 >30072~92花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩 190~2008. 510. 230. 7前苏联 X 矿山1740——磷霞岩 1807. 937. 0~57. 050. 5前苏联基洛夫矿 >700——花岗岩 2008. 819. 050. 5美国 CAD A 矿 2400——石英岩 1908. 366. 064. 4美国 CAD B 矿1900——石英岩 1908. 352. 053. 8美国 CAD C 矿 1200——石英岩 1898. 331. 639. 1美国加利纳矿 1700——石英岩 1807. 945. 749. 6通过对已发生岩爆的地下工程的施工调查 , 可初步归纳出以下几点 :(1 从开挖的坑壁 , 岩块迅速飞出。

严重时 , 整个掌子面瞬间压坏 ;(2 在世界各地的深矿山中经常发生 ;(3 在非常深的矿山中 , 也有衬砌瞬间发生破坏的情况。

此时 , 多是由于附近的矿山开挖所致 ;(4 在 700m 以上埋深的情况发生的居多 , 200m 左右也有发生的实例 ;(5 视岩质情况发生的方式不同。

例如 , 日本清水岭下的 4座隧道 , 关越隧道在页岩中就没有发生 , 而在石英闪长岩中则发生多次 ;(6 有涌水时不发生 ;(7 与地层的方向、节理、夹层等强烈相关 , 例如在顺层情况下发生较多 ;(8 爆落块的大小各式各样 , 但多是扁平的 ;(9 掌子面的岩爆多。

掌子面打锚杆后 , 可防止岩爆 ;(10 在同等地质条件下 , 采用掘进机 (TBM 施工的隧道发生少 , 而采用矿山法施工的发生多。

2从一些国家的规定和研究成果看岩爆的发生在隧道勘测、设计阶段 , 根据揭示的地质条件 , 应该对岩爆的发生与否有一个基本判断。

因此 , 一些国家对此曾提出相应的基准 , 一些研究成果也提出若干建议。

这些规定和建议可以作为判定岩爆发生的大致基准。

瑞士在“ S I A 198号岩体分级标准” 中规定第 1类岩体有岩爆 , 其基本条件是 :单轴抗压强度Ρc >100M Pa , 内摩擦角Υ>40°, 粘结力 C >2. 0M Pa 。

挪威学者 B ardon 提出如下判据Ρc Ρm ax =5~2. 5Ρt Ρm ax =0. 33~0. 16轻微岩爆Ρc Ρm ax <2. 5Ρt Ρm ax =0. 16强烈岩爆式中, Ρm ax 为最大地应力; Ρt 为切向应力。

我国“工程岩体分级标准” 中规定 :件是Ρc Ρm ax <4; 高应力条件是Ρax =R u ssenes t 1Ρ3和点荷载强度 I s 进行岩爆强度的分级。

图 1岩爆为隧道中最大切向应力Ρt 和岩石点荷载强度 I s 的函数如图 13根据表 1中的基本数据和各国的工程实践 , 可以归纳岩爆发生的基本条件如下 :(1 岩石单轴抗压强度:Ρc >80M Pa (至少 >60M Pa表 1实例中的岩石单轴抗压强度至少在 60~80M Pa 以上 , 多数超过 100M Pa , 这说明在岩石单轴抗压强度小于 60~80M Pa 的岩石中发生岩爆的可能性是不大的 ; 也就是说 , 岩爆基本上是在坚硬的硬岩岩体中发生。

(2 岩质和岩性 :坚硬 , 脆性在列举的工程实例中 , 岩爆多数发生在石英岩、花岗岩、正长岩、闪长岩、花岗闪长岩、大理岩、花斑状大理岩、片麻岩等岩体中。

这些岩体的共同力学特性是脆性的 , 即达到峰值强度后 , 岩石急剧断裂 , 这可用岩石的脆性度表示。

岩石的脆性指数是岩石峰值强度前的总变形与永久变形之比 , 并且比值越大 , 脆性越高。

表 2是按岩石脆性指数划分的岩爆发生强度的基准。

岩石脆性指数与岩爆强度的关系表 2岩石脆性指数 0~4. 03. 5~5. 55. 0~7. 8>7岩爆发生强度无弱中等严重(3 岩体结构 :完整或基本完整在列举的工程实例中 , 岩体结构大都是完整的和比较完整的。

因为 , 完整和比较完整的岩体 , 积聚有很大的弹性应变能量。

这是发生岩爆的必要条件之一。

(4 地应力场的应力值:Ρm ax 和Ρm in地应力值是表示岩体内积聚的弹性应变能的具体指标。

一般说 , 地应力在岩体中是以三维形式存在的。

但为简单计 , 在一般情况下可用地应力中的最大值表示。

即最大地应力值越大 , 积聚的弹性应变能越大 , 当岩石峰值强度前的弹性应变能的积聚量达到岩石岩爆临界弹性能时 , 就将发生岩爆。

因此 , 可用下述指标判定岩爆发生的强度。

Ρm ax >0. 25Ρc 严重岩爆Ρm ax =0. 15~0. 25Ρc 中等岩爆Ρm ax <0. 15Ρc 轻微或不发生工程实例中的Ρm ax Ρc 比值 , 大多数在 0. 15~0. 4之间 , 发生岩爆频率达到 21次 , 占整体发生率的 80. 8%。

在 0. 15以下发生岩爆频率只有 1次 , 仅仅占整体发生率的 3. 8%; 在 0. 2~2m ax Ρc 比值出现的频率分布0. 3之间出现的频率最高 , 达到 12次 , 占整体发生率的 46. 2%。

由此可见 , 确定出发生岩爆的最小临界值Ρm ax Ρc =0. 15是比较恰当的。