隧洞巖爆形成條件及其預測方法

田 闖，郝彥鵬 ，馮巖巖，張迎春，李晨雁

(中冀建勘集團有限公司，河北 石家莊 050200)

0 引言

隧洞通常會穿過一些地形較為復雜的地質(zhì)單元和巖層或斷層構(gòu)造段。該區(qū)域的巖體性質(zhì)十分不明確，實際情況往往復雜多變導致在實際工程施工中產(chǎn)生巖爆等工程災害。工程中的巖爆是由于隧洞在實際開挖過程中導致巖體發(fā)生應(yīng)力重新分布而引發(fā)圍巖能量急劇釋放，從而發(fā)生巖體失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象。

巖爆由于具有不確定性而在工程中難以預防，但一旦發(fā)生，其后果是非常嚴重的。同時突發(fā)性和破壞性也是巖爆的另外兩大特性。由于巖爆所帶來的工程危害不但影響工程進度、增加工程成本還會對作業(yè)人員的生命財產(chǎn)造成嚴重威脅[1-2]。因此，尋找一種合理可靠的巖爆預測方法并能準確預測實際工程可能發(fā)生巖爆的概率及其重要。根據(jù)預測結(jié)果對發(fā)生巖爆災害可能性較高的地方提前防范，不但可以最大可能的避免巖爆災害還能降低財產(chǎn)損失，對于指導工程施工具有重要意義。

近幾年，由于巖爆事件多發(fā)，不少研究者都致力于巖爆預防研究。目前對于巖爆研究的主要通過理論分析(如強度理論、剛度理論和能量理論)[3-5]、數(shù)值模擬[6-7]和現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測[8-10]等方法來分析和預測巖爆發(fā)生和災害防治措施。眾多前人在巖爆研究方面得出了不少成果，但考慮到巖爆本身特殊的性質(zhì)以及實際工程對施工質(zhì)量要求的不斷提升，有必要需要在現(xiàn)有的理論和方法中再作深入的研究。本文在基于前人的研究基礎(chǔ)上提出了新的方法，對于工程實際指導和巖爆預測方法有所幫助。

1 巖爆定義和分類

1.1 巖爆定義

1738年英國報道一則不同尋常的礦井事故，這引起了學術(shù)界眾多研究者的注意。事故段巖體發(fā)生突發(fā)性失穩(wěn)破壞，巖塊應(yīng)力得到釋放的瞬間被拋出較遠的距離，相關(guān)分析人士將其稱之為巖爆破壞。自此，英國成為世界首例報道有關(guān)巖爆的工程事故，即萊比錫煤礦巖爆[11]。早期學術(shù)界在關(guān)于巖爆的解釋和定義中也存在較多分歧，認為巖爆一定是發(fā)生在脆性巖體中，同時在巖爆發(fā)生時產(chǎn)生較大沖擊力并伴隨巖體剝落飛濺等現(xiàn)象。隨著科學技術(shù)以及計算機的發(fā)展，研究者的思路在隨之拓寬。研究者們根據(jù)現(xiàn)有的工程資料、理論基礎(chǔ)和巖爆災害實例對巖爆做出了新的定義和解釋。他們認為，首先巖爆災害不單單只發(fā)生在硬脆性巖體中，對于巖體較為軟弱的地層也存在發(fā)生巖爆的可能性只是相對于硬脆性巖體來說發(fā)生的概率較小。其次，發(fā)生巖爆并不是瞬間的，在發(fā)生巖爆前巖體產(chǎn)生靜力破壞，換句話說，巖爆產(chǎn)生存在一個從靜到動的過程。因此巖爆的定義也得到基本明確，即巖爆是由于積聚彈性應(yīng)變勢能的圍巖在受到開挖擾動時產(chǎn)生的巖塊彈射現(xiàn)象，屬于一種特殊的工程地質(zhì)災害(圖1)。

圖1 隧洞巖爆災害 圖2 隧洞巖爆劃分

1.2 巖爆分類

巖爆具有不確定性、多變性和復雜性，同時還具有多種類特點。參考前人的研究，國內(nèi)外的研究者對于巖爆類型的劃分中沒有統(tǒng)一的說法。Kaiser等人依據(jù)震源機制將巖爆類型分為應(yīng)變型、巖柱爆裂型和斷層滑動型三類。錢七虎等人依據(jù)巖爆應(yīng)力釋放形式的不同將巖爆類型劃分為應(yīng)變型和斷層滑移型。馮夏庭等人根據(jù)巖爆發(fā)生的時間不同將巖爆類型劃分為瞬時型和滯后型。吳文平等人又根據(jù)控制圍巖發(fā)生破壞的因素將其劃分為應(yīng)變型和結(jié)構(gòu)面型?，F(xiàn)有的巖爆分類依據(jù)較多，分類方法不統(tǒng)一主要還是在于巖爆類型、發(fā)生巖爆的區(qū)域、發(fā)生機制和表現(xiàn)形式不同。無論是從科學研究還是學科發(fā)展，由于標準不同必將滯后巖爆研究的推進。每個國家都有相應(yīng)的標準，但對于巖爆來說，發(fā)生機制和影響因素才是關(guān)鍵。鑒于此，應(yīng)該首先考慮巖體結(jié)構(gòu)面是否起主要作用，如若在巖爆中起主要作用則可將巖爆類型分為結(jié)構(gòu)面型和應(yīng)變型；然后分析巖爆發(fā)生的位置，根據(jù)巖爆位置的不同將應(yīng)變型巖爆再次細分為圍巖應(yīng)變型和巖柱應(yīng)變型兩種(圖2)。

2 巖爆形成條件和巖爆發(fā)展過程

根據(jù)學術(shù)界對巖爆的定義不難理解巖爆的形成條件，即巖性、應(yīng)力和外部因素。首先對于巖性來說，有可能是質(zhì)地堅硬、發(fā)育完整的脆性巖體，但也有可能是軟性巖體。質(zhì)地堅硬、發(fā)育完整的脆性巖體由于積聚大量的應(yīng)變勢能，能產(chǎn)生較高的初始應(yīng)力導致在實際巖爆災害中脆性巖體發(fā)生巖爆的可能性要高于軟巖。相反，軟巖積聚的應(yīng)變勢能較小，初始地應(yīng)力很低，在應(yīng)力得到突然釋放時不會產(chǎn)生大的破壞，這是由巖體本身所具有的力學特性所決定的。因此，在實際工程中，要盡力避免在高應(yīng)力的完整硬性巖體中進行不合理的開挖。其次，高構(gòu)造應(yīng)力的巖體也是導致發(fā)生巖爆的主要因素。高地應(yīng)力主要取決于工程實況，如工程開挖深度，開挖深度越大應(yīng)力就越高。因此在工程開工前要做好充分調(diào)研和測繪，設(shè)置合理開挖深度和開挖路徑。最后，對于巖爆來說，外部擾動因素也是主要的誘發(fā)原因之一。通常情況下，巖體處于靜力平衡狀態(tài)，合理的開挖過程即使是高應(yīng)力的脆性巖體也能維持一定相對平衡，但一旦受到外部干擾，如地震、短時間的強降雨都會誘發(fā)巖爆。

巖爆的發(fā)生不是突然的，存在一定的過程。參考前人的研究，譚以安[12]等人將巖爆的產(chǎn)生過程劃分三個階段，即劈裂成板、剪斷成塊和塊石彈射；張鵬等[13]將巖爆看作能量釋放，認為巖爆過程大致可分為能量積聚、破裂發(fā)展和爆裂階段。關(guān)于巖爆發(fā)展的研究也會因研究者的分析立腳點不同而有所差異，但這不影響關(guān)于巖爆的研究，畢竟巖爆的預測和預防才是關(guān)鍵。

3 巖爆預測方法

在對巖爆的定義、類別、形成條件和發(fā)展有了一定認識后，才能根據(jù)工程實際應(yīng)用情況找到合理的巖爆預測方法。這里根據(jù)總結(jié)前人的研究成果，在前人的基礎(chǔ)上嘗試應(yīng)用層次分析法探究出一種新的巖爆預測評估方法。具體方法和分析如下。

3.1 層次分析法簡介

層次分析法(FAHP)及計算過程層次分析法(AHP)是20世紀70年代美國運籌學T.L.Saaty教授提出的一種定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法。簡單來說就是層次分析法和模糊評價法的結(jié)合,層次分析法是一種計算權(quán)重的方法,而模糊綜合評價法是一種對問題進行綜合性評價的方法該方法對于量化評價指標,選擇最優(yōu)方案提供了依據(jù),并在實際生活和工作中得到了廣泛的應(yīng)用。將層次分析法運用到隧道巖爆分析中來，可以對隧洞巖爆影響因素及其判段依據(jù)進行分類評價。主要思路：構(gòu)建巖爆影響因素層次結(jié)構(gòu)，計算各因素的相對權(quán)重；計算各因素的隸屬度；最后，基于影響因素權(quán)重及隸屬度的計算結(jié)果，采用PC模型來實現(xiàn)對隧洞巖爆等級劃分并對巖爆發(fā)生的可能性做出評判。

3.2 具體分析方法步驟

建立巖爆評估等級層次結(jié)構(gòu)。如表1，將隧洞巖爆主要因素劃分為巖性、應(yīng)力和巖體結(jié)構(gòu)因素，構(gòu)建巖爆等級評估的層次結(jié)構(gòu)。

表1 巖爆等級評估層次

表2 相對重要性判斷準則

備注:表中i、j分別代表巖爆影響因素

表3 重要性標度取值

相對權(quán)重求解。以評價標準(表2)為基礎(chǔ)，對比表1中各影響因素間的相對重要性并構(gòu)建出判斷矩陣。求解出判斷矩陣的最大特征值和特征向量，利用計算得到的最大特征值檢驗其一致性，具體檢驗公式如下：

(1)

式中：CR為檢驗參數(shù)，λmax為求得的最大特征值；n為構(gòu)造矩陣的參數(shù)個數(shù)；R為重要性標度指標，不同的重要性標度指標取值不同，具體情況下的重要性標度指標取值見表3所示。

值得注意的是，若檢驗出的CR值小于0.1說明構(gòu)造該矩陣滿足一致性檢驗條件；相反，若檢驗出的CR值大于0.1說明該構(gòu)造矩陣不滿足一致性檢驗條件。不滿足一致性檢驗條件時表明巖爆各影響因素之間的相對重要性不相同，此時則需要對影響因素進行調(diào)整直至CR值小于0.1。

當檢驗結(jié)果滿足一致性檢驗后就需要對最大特征值對應(yīng)的特征向量進行歸一化處理，此時得到的歸一化值作為巖爆等級層次之間相應(yīng)影響因素的相對權(quán)重值。

隸屬度求解?？紤]巖爆影響因素較多

而難以利用明確的數(shù)學理論計算方法來對其隸屬度進行求解，這里采用經(jīng)驗法來彌補。通過行業(yè)類專家和資深技術(shù)人員的實際工程經(jīng)驗實現(xiàn)定量評價。

隧道巖爆等級劃分。利用PC模型根據(jù)已得到的巖爆影響因素相對權(quán)重和隸屬度進行巖爆等級劃分，具體劃分標準如表4。

表4 巖爆等級劃分標準

4 結(jié)語

本文在現(xiàn)有的巖爆理論和研究成果的基礎(chǔ)上，對巖爆的定義、巖爆分類和發(fā)展進行了概述，并在前人的研究基礎(chǔ)上提出了基于層次分析法的隧道巖爆預測評估方法。巖爆是由于積聚彈性應(yīng)變勢能的圍巖在受到開挖擾動時產(chǎn)生的巖塊彈射現(xiàn)象，屬于一種特殊的工程地質(zhì)災害。因此，建議在實際工程中，要盡力避免在高應(yīng)力的完整硬性巖體中進行不合理的開挖。同時在工程開工前還要做好充分調(diào)研和測繪，設(shè)置合理開挖深度和開挖路徑，并且在施工過程也應(yīng)加強預防，提高警惕性，切實保證安全施工。