6.3 岩爆影响因素及预测判据

6.3.1 岩爆影响因素分析

岩爆发生机理较为复杂，一般根据工程经验将影响岩爆发生的主要因素分为岩体强度、岩体结构产状、岩体应力状态、变形特性、地质环境构造、浅表生改造强度、地下工程布置和施工工艺等。

（1）地层岩性。岩石作为岩爆发生的载体，岩爆的发生与岩石的力学性质密不可分，岩石的力学性质主要体现在储存弹性应变能的能力方面，岩体弹性模量、抗压强度和抗剪强度等指标越大越有利于能量积聚，当地层岩体中积聚了大量弹性应变能时，就为岩爆的发生提供了能量支撑，一旦岩体受到外界扰动，弹性应变能会立即释放，发生岩爆，满足上述力学性质岩石其应力-应变曲线近似看作直线，弹脆性能明显。而对于应力-应变曲线为非线性的岩石，由于外力作用时，岩石将能量转化为本身的塑性变形，无法积蓄足够多的弹性应变能，也就不能为岩爆提供能量支撑，故在这类岩体中极少发生岩爆。

结合上述分析，同时借鉴张志强、关宝树等对岩爆数据的统计发现，岩爆主要发生在弹脆性、坚硬岩体中，详见表6.1。

岩爆发生具有突发性，与岩石的脆性破坏特性一致，当岩体达到某一强度极限时就会突然断裂，用脆性度衡量岩石的脆性指数，表6.2是岩石脆性指数与岩爆的关系。

图6.7 岩爆次数与深度的关系

（2）地应力对岩爆的影响。

1）埋深对岩爆的影响。埋深对岩体力学的性质影响很大，直接决定着岩体的破坏形式。浅埋岩体属于常规力学范畴，通过经典的力学理论即可解决，其破坏的控制性因素是脆性能。而深部岩体的力学特性研究尚不清楚，认为其破坏控制因素是侧向应力。岩爆发生频率与埋深的关系非常明显，埋深越深，岩爆次数越多，并且二者线性关系较为明显，如图6.7所示。

根据地应力统计资料发现，岩体一点处的上覆岩体重量γh与该点处的天然应力垂直分量近似相等。我国已发生岩爆的地下工程埋深均在150m以上，可以近似认为此埋深条件下地应力以垂直应力为主，且等于水平应力的2倍，由此得到岩爆产生的临界深度为

式中：μ为岩石泊松比；γ为岩石重度，kN/m3；Rc为岩石抗压强度，kPa。

W.Ackermann通过对大量隧道工程研究发现可以利用岩体最大主应力、上覆岩体厚度以及岩石抗压强度三者之间存在的关系来进行岩爆预测，并将具体预测方法绘制成列线图，如图6.8所示，进一步表明岩爆与埋深具有直接关系。在图6.8中，抗压强度一般取实测值，如果缺乏抗压强度实测值，也可通过经验公式计算：

图6.8 隧道稳定性预测的列线图

式中：σcm为岩体抗压强度，MPa；γ为岩石重度，kN/m3；Q为巴顿围岩分类指标值。

2）构造应力对岩爆的影响。随着精密测量技术的不断发展，对地下岩体中各点的应力大小和方向进行精确计算成为可能，在对世界多地深埋地应力场研究的过程中发现，在1km的埋深范围内水平构造应力σH比垂直构造应力σV高出数倍，侧压力系数随着深度的增加逐渐趋于定值。为了充分反映构造应力，1981年Hoek和Brown对世界不同地质区域进行了大量的原位应力测试，为便于实际应用，将研究成果绘制成图6.9和图6.10。

图6.9 全球垂直地应力数据图

图6.10 水平应力与垂直应力的比值与埋深的关系图

3）围岩类型与岩爆的关系。巴顿教授很早就认识到围岩的类型与岩爆具有一定关系，因此，在其提出的围岩质量分类Q值的计算中，重点考虑了高地应力条件下SRF与岩石强度比值之间的关系，具有重要的意义。W.Ackermann建立了影响隧道稳定的多种因素与围岩岩体质量Q之间的关系式，并绘制出Q值与稳定因素σθ/σcm之间的关系图，见图6.11。

图6.11 岩爆、岩体质量Q和σθ/σcm三者之间的关系图

4）围岩强度尺寸效应。岩石力学界早已通过试验证明了岩石强度与其尺寸的关系，鉴于室内隧洞模型单轴抗压强度试验与现场隧洞尺寸存在差异，现场隧洞尺寸难以精确控制，不能将室内的试验结论应用到实际工程中。洞室开挖后，洞壁附近应力随着开挖断面尺寸的增大而增大，很显然洞壁强度就随着开挖断面尺寸的增大而减小，由此提出Hoek-Brown尺寸效应方程来解决室内试验成果无法应用到实际工程当中的问题，具体表达式为

式中：σCRM为岩体等效强度，MPa；σc50为直径50mm的标准岩芯试件单轴抗压强度，MPa。

（3）地形地貌对岩爆的影响。地形地貌对岩爆的产生也具有重要作用，地形地貌直接与岩体质量、抗风化能力以及坚硬程度有关，如果隧洞位于壮年期的地形条件下，岩体内部可以积聚大量弹性应变能，有利于岩爆发生。

（4）结构面及地震对岩爆的影响。岩爆一般发生在完整的岩体中，结构面岩体中积蓄的弹性应变能容易使结构面产生移动，降低能量储备。地震以地震波的形式作用于隧洞周边，促使隧洞围岩的应力尽快释放，提高了岩爆的发生烈度。

6.3.2 岩爆预测判据

表6.3是国内外专家根据对岩爆的研究而形成的一系列岩爆等级判据，其中岩石单轴抗压强度σc和最大主应力σmax是两个不可缺少的指标。

（1）应力判据。

1）Russenes判据。1974年，挪威岩爆专家Russenes将有限元法和Kirsch方程σt=3σ1-σ3应用到围岩最大切向应力σt的计算中，该方法一经提出就引起了国内外学者的关注。该方法利用σt及其点荷载强度Is值判定岩爆等级，具体见表6.4。

2）Turchaninov判据。苏联专家Turchaninov立足矿井开采经验提出岩爆判别方法，该方法认为地下洞室沿着洞轴线方向的应力σL与洞壁切向应力σθ的和与单轴抗压强度σc的比值决定着岩爆发生等级，具体划分见表6.5。

3）Hoek判据。Hoek等在总结南非某矿业围岩失稳资料的基础上，提出采用表6.6的岩爆评价方法。

（2）能量判据。波兰专家Kidybinski通过室内试验对岩石进行加载和卸载，具体方法是将岩石试件施加荷载至单轴抗压强度的70%～80%，接着再将荷载卸载到单轴抗压强度的5%，此时将卸载过程中释放的弹性应变能φSP与耗损的弹性应变能φST的比值定义为弹性能量指数Wet，计算方法如图6.12所示。根据弹性能量指数的大小判断岩爆的等级，见表6.7。

图6.12 弹性能量指数的曲线

（3）岩芯判据。岩爆经常发生在坚硬致密的岩体中，说明岩爆的活动情况与岩石抗压强度和抗拉强度有关，岩芯判据提出当σt/σc≥Ks成立时，岩爆可能发生，具体判定标准见表6.8。

（4）临界深度判据。20世纪90年代，我国学者侯发亮首次提出采用临近深度预测隧洞岩爆情况，认为岩爆并非只发生在水平构造应力大的地方，对于没有水平构造应力但是垂直应力足够大的情况下也会发生岩爆，进而证明了岩爆存在临界深度的结论。侯发亮依据弹性力学理论，对仅受垂直应力作用下的岩爆情况做了系统研究，得到岩爆发生时的临界埋深Hcr的计算公式：

式中：μ为岩石泊松比；γ为岩石重度，N/m3。

（5）其他判据。随着人们对岩爆的不断认识，基于所遇到的实际工程，结合经验对岩爆的判据也进行了修正，但是仍然依据上述主要判据，如王元汉综合判据、陶振宇判据、谷明成通过对秦岭隧道的研究提出的判据（简称谷明成判据）以及徐林生和王兰生根据二郎山公路隧道提出了改进的“σθ/σc判据”等，判据内容见表6.9～表6.12，其他判据方法不再一一赘述。