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岩爆发生条件的基本分析
作者：张志强 关宝树 翁汉民 隧道技术来源：本站原创 点击数：156 更新时间：2005-6-9
提 要 通过对国内外隧道工程施工中所发生岩爆实例的统计、分析与归纳，得出了判断岩爆发生的基本条件，并以此对目前正在施工中的西康线秦岭隧道II线出口段已发生岩爆区段进行了验证，效果很好。 关键词 岩爆 地应力 隧道开挖
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10 km以上的隧道工程不断涌现，例如18.4 km的秦岭西康线铁路隧道，12 km的长粱山铁路隧道，10 km左右的太平驿水工隧洞等，这些隧道的埋置深度大多在800～1 000 m以上，有些甚至超过2 000m。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σc表示岩石单轴抗压强度；Is表示点荷载强度；σmin、σmax分别表示地应力的最小值和最大值。 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/m2 地质条件σc/MPaIs/MPaσmin/MPaσmax/MPa
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200～1 50050.0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Headrace 隧道30067石英岩2008.82.0～8.028.0
南非金矿1 437～2 404——石英岩198～2309.037.0～60.065.0 美国Galena金矿1 200 ——石英岩1757.752.052.0
南非Hoist地下洞室1 450130石英岩198～2309.039.044.3 挪威Eikesdal公路隧道80036片麻岩(坚硬)2008.821.230.6 日本关越公路隧道750～1 05085石英闪长岩、页岩23610.716.289.0
瑞典捷克坦水工隧洞400——花岗岩1808.350.0125.0 挪威Sewage隧道1307花岗岩1808.33.535.0
日本新清水隧道1 000——石英闪长岩1838.027.089.0 中国关村坝铁路隧道1 000——硅质灰岩1205.526.035.0
中国渔子溪引水隧洞地下厂房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1 740——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2 400——石英岩1908.366.064.4 美国CAD B矿1 900——石英岩1908.352.053.8 美国CAD C矿1 200——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700 m以上埋深的情况发生的居多，200 m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“SIA198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σc ＞100 MPa，内摩擦角φ＞40°，粘结力C＞2.0 MPa。 挪威学者Bardon提出如下判据
σc /σmax=5～2.5 σt /σmax =0.33～0.16 轻微岩爆 σc /σmax ＜2.5 σt /σmax = 0.16 强烈岩爆 式中，σmax 为最大地应力；σt为切向应力。