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地下工程岩爆及其风险评估综述
作者: snowsw(原创) 上传: yeguiren 来源: 水利工程网 -04-19 00:00
1．  岩爆的数学描述
在分析岩爆发生机制时, 人们注意到, 地下洞室岩爆是岩体由于几何及力的边界条件发生变化导致岩石材料力学性质发生改变, 从而导致岩体突然失稳。这种失稳是一种突变现象, 它具有多个平衡位置、 突跳、 滞后、 发散和不可达等特点。应用现代数学中的突变理论能够对此过程进行较好的描述, 例如初等突变理论中的尖点突变模型[10,11]。
尖点突变模型的标准势函数为[12]:
        ( 1)
式中, 为势函数, 为状态变量, 为控制变量。
令, 能够确定其平衡位置, 如下式。
      ( 2)
方程实根的数目由判别式决定。
根据突变理论, 为稳定的平衡, 为不稳定平衡, 为两者间的转折点。同时, 在状态－控制变量空间中, 曲面Ｍ:  称为平衡曲面, 参数空间曲面B: 称为分叉集, 如图1所示。在平衡曲面的上、 中、 下三叶分别代表可能的三个平衡位置, 其中上下叶为稳定平衡, 中叶为不稳定平衡。

图1 尖点突变模型[12]
用尖点突变模型能够对岩爆现象进行解释。设为表征洞室稳定状态的变量, 为影响洞室稳定性的变量, 在图1中能够观察到不同的路径上洞室的稳定状态发生的变化。
路径始终处于上叶, 在该路径上洞室一直处于稳定的平衡状态。虽然该路径上洞室也有可能进入破坏状态, 但这种破坏是一个连续的过程, 如围岩较软, 其单轴抗压强度较低, 高地应力区的应力值超过了岩石的长期强度, 洞室出现加速蠕变直至破坏的一种流变过程, 而不是突然失稳。路径开始处于稳定平衡的上叶, 当到达上叶与中叶的皱折时, 系统由稳定向非稳定过渡。此时若围岩受到轻微的扰动, 如爆破振动导致控制变量发生微小变化, 路径继续往前时, 洞室的状态不可能进入中叶, 因为中叶是不稳定的亦即不可能达到的状态, 洞室控制变量经过调整, 其状态直接跳跃到下叶, 发生岩爆, 洞室失稳。该路径下洞室的状态的不连续变化称之为突变。
由于岩爆与围岩的储存和释放的能量有关, 因此一般从能量角度对洞室和围岩组成的系统进行定量分析。
文献[10]根据最小位能原理建立圆形洞室的尖点突变模型并定量地研究了岩爆的发生过程, 得出了岩爆发生时系统必须满足的条件。
假设外力作用在圆形洞室外的无限远处, 在围岩应力作用下, 围岩分为弹性区和软化区, 相应的应变能分别为e和s。

                  ( 3)

       ( 4)
总应变能:

( 5)
系统的势能由应变能和外力功组成, 外力作用点在无限远处, 该处位移为零, 故外力势能为零, 。
当势能取极值时, 系统处于平衡位置即, 或
   ( 6)
将( 6) 式变换成( 2) 相同的形式:             ( 7)
             ( 8)
          ( 9)
各符号的意义见文献[10]。
为围岩弹性区广义刚度与软化区广义刚度绝对值之比。
发生岩爆时, 系统处于非稳定平衡状态, 此时, 得。
由( 8) 可知, 若, 则。根据的定义, 发生岩爆时弹性区广义刚度小于软化区广义刚度。广义刚度不但与岩石参数, , 而且与外荷载有关。由于该条件是在发生岩爆的前提下得出的, 故称为围岩发生岩爆的必要条件。 
3．  岩爆的预测预报
以上分析可知, 岩爆的影响因素很多。虽然各判别准则都是建立在室内试验或现场调查的基础上, 但仅凭一两个岩石指标就对岩体岩爆进行准确预测很不现实。因此, 在预测岩爆时有必要全面综合考虑这些因素。
众所周知, 岩体是一种多相不连续介质, 其工程力学行为及变形和破坏机制在主客观两方面的相当程度上都是随机的, 模糊的, 也就是不确定的, 且更由于获取信息与数据等方面限制和不完全, 不充分, 它又是不确知的, 因此经过经典的力学方法对其描述往往不完备[17], 对于岩爆特别如此。冯夏庭教授开创的智能岩石力学在岩爆预测方面独树一帜, 它撇开数学力学对岩体的精确描述, 经过专家经验及工程实例, 建立输出模式到输出模式的非线性映射, 再经过网络推理待识别岩爆发生的可能性及烈度。该方法综合考虑了各方面的因素, 如岩石的性质、 岩体结构、 洞室结构、 开挖和支护方式等等, 是其它方法无法比拟的。采用智能岩石力学方法开发的综合智能系统成功地预测了南非金矿中的一些岩爆事件[16, 17]。
根据对一些岩爆事件的统计, 岩爆一般发生在洞室开挖后几小时到几十小时, 因此洞室开挖过程中的岩爆监测预报对保证施工安全有重要的意义。
从岩爆发生的机制可知, 岩爆发生的过程实际上是围岩应变能释放、 应力重新分布的过程, 能够经过对洞室的微地震事件( 或声发射) 的监测来反映能量释放过程[18,19]。然而现场监测表明, 微地震事件的频度与岩爆事件并不存在对应的关系。文献[20]发现, 地下洞室开挖过程中的微地震事件的位置分布具有分形特征, 其分形维数与能量释放率间存在某种关系。用分形几何对岩爆描述为: 岩爆实际上等效于岩体内破裂的一个分形集聚, 这个破裂的分形集聚所需能量耗散随分形维数的减少而按指数率增加, 即:

如果将其监测结果采用分形几何进行处理, 能够较准确地预报岩爆事件。
5．  结语
现有的研究结果表明, 岩爆的产生过程是一个突变过程, 能够经过尖点突变模型进行解释; 岩爆产生的最主要因素包括岩石性质, 围岩应力状态, 水文与工程地质条件等; 地下工程岩爆预测必须综合考虑各种相关因素。
随着能源地下储存、 核废料深埋处理、 深部矿产资源开采及高地应力地区的隧道建设等大量地下工程建设的发展, 岩爆问题成为人们成为当前岩石力学研究的焦点问题之一。深入分析岩爆发生机理、 条件、 提出岩爆的预测和控制方法对于确保工程安全具有非常重要的意义。

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3、 岩爆  

( 1) 岩爆的产生条件
1)围岩应力条件
判断岩爆发生的应力条件有两种方法:
一是用洞壁的最大环向应力σθ与围岩单轴抗压强度σc之比值作为岩爆产生的应力条件;
一是用天然应力中的最大主应力σ1与岩块单轴抗压强度σc之比进行判断。
1)围岩应力条件
经验公式: σ1／σc大于0.165～0.35的脆性岩体最易发生岩爆。  
2)岩性条件
弹性变形能系数ω: 加载到0.7σc后再卸载至0.05σc时, 卸载释放的弹性变形能与加载吸收的变形能之比的百分数。

当ω＞70％时, 会产生岩爆, ω越大发生岩爆的可能性越大。  
( 2) 影响岩爆的因素
1)地质构造
岩爆大都发生在褶皱构造中。
岩爆与断层、 节理构造密切相关。当掌子面与断裂或节理走向平行时, 容易触发岩爆。
岩体中节理密度和张开度对岩爆有明显的影响。据南非金矿观测表明, 节理间距小于40cm, 且张开的岩体中, 一般不发生岩爆。掌子面岩体中有大量岩脉穿插时, 也将发生岩爆。
2)洞室埋深
随着洞室埋深增加, 岩爆次数增多, 强度也增大。发生岩爆的临界深度H可按下式估算:

( 3) 岩爆形成机理和围岩破坏区分带

岩爆渐进破坏过程示意图
A、 劈裂; B、 剪断; C、 弹射
1)劈裂成板阶段( 岩爆孕育)
垂直洞壁方向受张应力作用而产生平行于最大环向应力的板状劈裂。仅在洞壁表部, 部分板裂岩体脱离母岩而剥落, 而无岩块弹射出现。  
2)剪切成块阶段(岩爆的酝酿)
劈裂岩板向洞内弯曲, 发生张剪复合破坏。处于爆裂弹射的临界状态。  
3)块、 片弹射阶段
劈裂、 剪断岩板, 产生响声和震动。岩块发生弹射, 岩爆形成。
岩爆的渐进性破坏过程很短促。
各阶段在演化的时序和发展的空间部位, 都是由洞壁向围岩深部依次重复更迭发生的。因此, 岩爆引起的围岩破坏区能够分弹射带、 劈裂-剪切带和劈裂带等三带。