高地应力地区岩体工程岩爆预测研究状况2009级水利水电工程专业第五组指导教师：伍迪（西昌学院工程技术学院，四川西昌 615013）摘要从高地应力的含义、岩爆及其主要特征、岩爆烈度分级及其预测方法、岩爆安全防护与防治工程措施等方面着手，较为系统地阐述了国内外高地应力与岩爆有关问题的研究现状。

【关键词】高地应力岩爆研究现状High stress area rock engineering rock burst prediction researchsituation[ Abstract ]From the meaning of high geostress, and its main features, rock burst of rock classification and its prediction method, the intensity of the safety protection and prevention of rock burst from the aspects such as engineering measures, and comparatively systematically expounds the high ground stress at home and abroad and the present situation of the study of rock problems.【 key words 】: High geostress Rock burst Research status1高地应力的含义国内外对高地应力的含义迄今还未达成统一的认识。

例如，工程实践中大多将大于20 MPa的硬质岩体内的初始应力称为高地应力；法国隧协、日本应用地质协会和前苏联顿巴斯矿区等部门在勘察、设计阶段则采用岩石单轴抗压强度(Rb)和最大主应(δ)的比值Rb 。

(即岩石强度应力比)来划分地应力高低级别(表1)，这样划分和评价的实质是可以反映岩体承受压应力的相对能力。

表1 国外部分国家地应力分级方案地应力级别高地应力 中等地应力 低地应力岩石强度应力比（Rb/δ） <2 2～4 >4我国陶振宇教授(1983)对高地应力给出了一个定性的规定：所谓高地应力是指其初始应力状态，特别是它们的水平初始应力量，大大地超过其上覆岩层的岩体重量。

这一定性规定强调了水平地应力的作用。

天津大学薛玺成等(1987)建议用下式来划分地应力量级：011/n I I =式中 1I — — 实测地应力的主应力之和；1I — — 相应测点的自重应力主应力之和； n — — 比值。

显然，表2中薛玺成等人的地应力分级方案在表2 地应力分级方案(薛玺成等。

1987)地应力级别 一般地应力 较高地应力 高地应力n l ～ 1．51．5～2 >2 说明n=1时为纯重力应力场在应力场中30％ ～5o ％是造应力产生的，其余为重力场应力 50％ 以上的地应力值是由构造应力产生的物理概念上与陶振宇教授的高地应力定性规定并无本质区别。

姚宝魁、张承娟(1985)认为，陶振宇等人的分级、评价方法没有考虑岩体的变形和稳定条件，因而在工程建设实践中没有实用值；他们认为，应从工程岩体的变形破坏特性出发，来考虑地应力对不同岩体的影响程度，建议以下式作为判断高地应力的标准：1015~02d σ≥（..）R实际上，上式继承了Barton 等人(1974)Q 系统分类指标的物理概念。

我国建设部、国家技术监督局1994年联合发布的《岩土工程勘察规范》(GB50021—94)附录2中也采用岩石强度应力比(Rb ／z ．)来划分高地应力级别，这是迄今为止可以参照的我国最具权威性的规范标准，它规定：Rb ／z ．=4～ 7为高地应力，Rb ／z <4为极高地应力。

显见，我国的这一规定中高地应力的含义与表1中的国外部分国家地应力分级方案有很大出入，这反映出不同国家对高地应力的定义是很悬殊的。

实际上，我们认为，高地应力是一个相对的概念，并且它与岩体所经受的应力历史和岩体强度、岩石弹性模量等诸多因素有关。

中科院孙广忠教授(1993)就曾指出：强烈构造作用地区，地应力与岩体强度有关；轻缓构造作用地区，岩体内储存的地应力大小与岩石弹性模量直接有关，即弹性模量大的岩体内地应力高、弹性模量小的岩体内地应力低。

孙广忠教授还提出了高地应力地区的6大地质判断标志(表3)，表3中同时还列出了低地应力地区的一些地质判断标志，以便对比分析。

表3 高、低地应力地区的地质标志高地应力地区的地质标志低地应力地区的地质标志1围岩产生岩爆、剥离现象 2围岩收敛变形大3软弱夹层挤出4钻孔出现饼状岩芯5开挖无渗水现象6开挖过程有瓦斯突出1围岩松动、塌方、掉块2围岩渗水3岩体节理中有夹泥4岩脉内岩块松动，强风化5断层或节理中有次生矿物晶族、孔洞等2 岩爆问题及研究现状2．1 岩爆及其主要特征岩爆是高地应力条件下隧道开挖后来不及作初期支护或初期支护加固强度不够的情况下所发生的围岩失稳现象，一般二次衬砌完成后，较少再有岩爆现象发生。

岩爆就其破坏机制而言，是一种开挖卸荷条件下高地应力区地下洞室岩体自身积蓄的大量弹性应变能突然猛烈释放所造成的拉张脆性或张、剪脆性并存的急剧破裂或爆裂破坏灾害现象。

爆裂破坏所造成的岩块(片)则可以爆裂松脱、爆裂剥离、爆裂弹射或抛掷等不同方式脱离母岩体，进而直接威胁施工人员、设备的安全，增大超挖和落石的处理，增加支护工程量，直接影响工程进度和造价。

发生岩爆时的主要特征可以归纳为以下7点：(1)围岩坚硬、质脆，岩爆岩石单轴抗压强度Rb大于50 MPa。

(2)岩爆活动既不发生在非常完整的岩体中，也不发生在节理很发育的Ⅱ、Ⅲ类围岩中，主要发生在Ⅳ、V类围岩中，具有明显的岩体结构效应。

(3)岩爆洞段岩体表面较为干燥，有地下水存在或断裂部位不发生岩爆。

(4)掘进过程中，掌子面至3倍洞径范围内岩爆活动一般较为频繁，且多发生在断面周边不园顺处及壁面凹凸不平处等洞室周壁应力易集中部位。

距掌子面3倍洞径之外的范围，岩爆则逐渐减少。

(5)岩爆洞段的埋深可大可小，埋深不是判定岩爆发生与否的重要依据。

例如，秦岭隧道埋深77 m 就有2次岩爆发生。

(6)岩爆发生的时间迟早不一，有的开挖爆破稍后随即就会发生，有的则要滞后若干时日或一个多月才会发生。

(7)岩爆随时间的延续有向深部累进性发展的特征，因而岩爆地段应及时采取合理有效的喷锚初期支护措施，否则后患无穷。

2．2 岩爆烈度分级及其预测方法：工程实践中为便于实际操作，国内外学者大多将岩爆烈度划分为轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆3级，并主要采用洞壁围岩切向应力与其单轴抗压强度Rb之比值zo／Rb作为岩爆判据。

zo／Rb≤0．3，一般不会发生岩爆；O．3<zo／Rb<0．7，会发生轻微岩爆；O．7<~zo／Rb<0．9，会发生中等岩爆；zo／Rb≥0．9，会发生强烈岩爆。

高地应力区岩爆洞段施工过程中的预测预报研究工作非常重要。

目前受诸多条件的限制，国内外对岩爆预测预报的主要方法主要有以下几种：(1)利用某些特殊地质现象进行的宏观超前预报法这些特殊的地质现象诸如：钻孔岩芯饼裂现象；探洞现场大剪试验或表面应力解除时，岩体四周被解除后，底部会自动断裂甚至会被弹起；岩石应力— — 应变全过程试验曲线异常等等。

这些现象均预示着其岩体具有较高的地应力，可以帮助我们判断岩爆是否会发生。

例如，日本Kan —Etsu 公路隧道在施工过程中，超前水平钻孔中所发现的岩芯饼裂区就与开挖后的岩爆区完全一致，这为及时采取预防提供了依据。

3 岩爆的主要影响因素岩爆的产生有外部和内部两方面的原因。

其外因在于: 岩爆通常发生在高地应力的地下岩体中。

由于在岩体中开挖洞室, 改变了岩体赋存的空间环境, 引起了洞室周围的岩体应力重新分布和应力集中。

其内因在于: 岩爆一般发生在硬岩中, 其岩石矿物结构致密度、坚硬度较高。

岩体在变形破坏过程中所储存的弹性变形能不仅能满足岩体变形和破裂所消耗的能量, 还有足够的剩余能量转换为动能, 使逐渐被剥离的岩块弹射出去, 而形成岩爆。

针对影响岩爆的一些主要因素, 人们提出了不同的准则, 它们大致可分为3 类。

3、1 岩爆的产生与洞室围岩应力有关(1) Ru ssenes 岩爆判别法Ru ssenes 曾提出了一个岩爆分级表, 根据洞室的最大切向应力θσ与岩石点载荷强度S I , 建立了岩爆烈度关系图。

把S I 换算成岩石单轴抗压强度θσ, 并根据Russenes 图可得(2) Tu rchan inov 岩爆判别法 Tu rchan inov 根据科拉半岛希宾地块的矿井建设经验, 提出了岩爆活动性由洞室切向应力θσ和轴向应力D σ 之和与C σ之比值确定:(3) Hoek 岩爆判别法Hoek 等总结了南非采矿巷道围岩破坏的观测结果, 提出了对岩爆分级的判别式为(4) 岩爆判别的综合形式根据上述Ru ssenes, Tu rchan inov, Hoek 等人的经验判据, 为在下面进行综合评判中考虑/c θσσ影响, 我们提出关于/c θσσ的岩爆判据的综合形式如下:(4) 岩爆判别的综合形式根据上述Ru ssenes, Tu rchan inov, Hoek 等人的经验判据, 为在下面进行综合评判中考虑/c θσσc 影响, 我们提出关于/c θσσc 的岩爆判据的综合形式如下:3、2 岩爆的产生与岩性的关系岩爆的发生与否及其烈度大小与岩性有关, 例如岩石抗压强度与抗拉强度、弹性模量与泊松比、节理分布等。

通常发生岩爆的岩石是致密的, 影响岩爆的最主要岩性是单轴抗压强度和单轴抗拉强度。

在陆家佑提出的岩爆判据中, 当/c θσσ满足下式时将产生岩爆:/c θσσS ≥K3. 3 岩爆的产生与能量有关60 年代中期, Cook 等人总结了南非的岩爆研究工作后指出, 若随着采掘范围的扩大,岩体2围岩系统在其力学平衡破坏时所释放的能量大于所消耗的各种能量即产生岩爆。

70年代将布霍依诺等提出的能量理论作为判断岩爆发生的能量判据。

在80 年代, Kidyb in sk i 提出了弹性能量指数W et[ 7 ] , 它是弹性岩石试件在受力变形过程中, 达到峰值强度以前积累的弹性应变能与卸载所得的耗损应变能之比: et sp st W =Φ/Φ式中: sp Φ、st Φ由如图2 所示的加、卸载应力2应变曲线下包围的面积求得。

弹性能量指数也称为冲击倾向指数。

其值越大, 破坏时释放的能量也越多。

因此它能较好地反映岩爆的存在及其烈度。

图2 弹性能量指数的测定曲线60 年代中期, Cook 等人总结了南非的岩爆研究工作后指出, 若随着采掘范围的扩大,岩体2围岩系统在其力学平衡破坏时所释放的能量大于所消耗的各种能量即产生岩爆。