巖爆形成機(jī)理及防治措施研究

郭春恒 陳旭東 李碧涵

西安航天化學(xué)動(dòng)力有限公司 陜西西安 710025

巖爆發(fā)生于山體巖體之中,所以在隧道、地下采礦、水利水電等各方面都有不同程度的影響。由此可見,巖爆災(zāi)害對各類工程建設(shè)造成了巨大的困難,因此對于巖爆的研究一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)[1]。

1 巖爆研究現(xiàn)狀

1.1 巖爆定義

巖爆災(zāi)害是指在巖體中由于應(yīng)力集中、巖石破裂和破碎而引起的大規(guī)模能量釋放和巖石碎片飛濺的災(zāi)害事件[2]。巖爆通常發(fā)生在巖石質(zhì)量較差、巖體有裂隙或節(jié)理、存在高應(yīng)力集中區(qū)域以及受到外部荷載或人為活動(dòng)影響的地質(zhì)環(huán)境中。巖爆災(zāi)害具有突發(fā)性、破壞性和危險(xiǎn)性高的特點(diǎn),可能造成人員傷害、設(shè)施破壞和經(jīng)濟(jì)損失。因此,預(yù)防和控制巖爆災(zāi)害對于保障工程安全和人員生命財(cái)產(chǎn)安全至關(guān)重要。

1.2 巖爆的分類

巖爆類型的劃分國內(nèi)外學(xué)者目前尚未形成統(tǒng)一觀點(diǎn),依據(jù)不同分類標(biāo)準(zhǔn)所劃分出的巖爆類型多有不同,總體上可將其分為應(yīng)力型與應(yīng)力—結(jié)構(gòu)型[3],應(yīng)力型根據(jù)其所受應(yīng)力類型差異可將其進(jìn)一步細(xì)分為張剪剝落型、張減爆裂型、穹狀剪切爆裂型等,而應(yīng)力—結(jié)構(gòu)型可進(jìn)一步劃分為張裂傾倒型、張裂滑移型、彎曲鼓折型等類型。

2 巖爆的影響因素

巖爆的影響因素包括內(nèi)因和外因兩種:內(nèi)因主要有高地應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)及性能、地質(zhì)構(gòu)造等;外因主要有水文地質(zhì)條件、開挖施工因素、應(yīng)力波淺表生改造等。其中高地應(yīng)力條件是巖爆發(fā)生的能量源泉,巖體結(jié)構(gòu)及性能、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等決定了發(fā)生巖爆的能量聚集和釋放能力[4]?？傮w而言,巖爆是多種因素導(dǎo)致的結(jié)果,各影響因素之間既獨(dú)立又相互聯(lián)系,并且對巖爆的影響方式和影響程度也不同。筆者認(rèn)為高儲能、高地應(yīng)力和開挖擾動(dòng)是巖爆發(fā)生的3個(gè)必要條件。

2.1 巖爆的內(nèi)因

2.1.1 高地應(yīng)力

巖體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)是巖爆災(zāi)害的重要控制因素。當(dāng)巖體內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到或超過巖石的強(qiáng)度極限時(shí),巖石會發(fā)生破裂和破碎,導(dǎo)致巖爆的發(fā)生。應(yīng)力的大小和方向會影響巖石破壞的方式和擴(kuò)展的路徑。

2.1.2 巖體結(jié)構(gòu)及性能

不同類型的巖石具有不同的物理和力學(xué)性質(zhì),如硬度、脆性和韌性等。脆性巖石容易發(fā)生破裂和巖爆,而韌性巖石相對穩(wěn)定。此外,巖石的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)也會影響其穩(wěn)定性和易受破壞程度[5]。此外,巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征和裂隙系統(tǒng)對巖爆的發(fā)生具有重要影響。存在密集的裂隙系統(tǒng)會導(dǎo)致應(yīng)力集中和破壞的擴(kuò)展,增加巖爆的危險(xiǎn)性。巖體的結(jié)構(gòu)性變形和斷層活動(dòng)也會改變巖體的穩(wěn)定性,增加巖爆的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 巖爆的外因

2.2.1 水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件是造成巖爆的重要原因之一。地下水的存在會對巖體施加一定的壓力。當(dāng)水壓超過巖石的強(qiáng)度極限時(shí),巖石可能會發(fā)生破裂和巖爆。特別是在巖層中存在水脈或含水層的情況下,巖石受到的水壓力更大,巖爆的風(fēng)險(xiǎn)也就隨之增加,地下水位的變化也會對巖爆產(chǎn)生影響,當(dāng)?shù)叵滤簧仙龝r(shí),巖體受到的水壓力增加,容易導(dǎo)致巖爆的發(fā)生。尤其是在季節(jié)性地下水位變化較大的地區(qū),巖爆的風(fēng)險(xiǎn)會更高。同時(shí),地下水的化學(xué)成分可以對巖石產(chǎn)生腐蝕作用,降低巖石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,增加巖爆的風(fēng)險(xiǎn)。不同類型的地下水具有不同的化學(xué)成分,例如酸性地下水、含鹽地下水等,它們與巖石相互作用時(shí)會引起溶解、氧化、腐蝕等過程,導(dǎo)致巖石變得脆弱、疏松,發(fā)生巖爆。地下水水動(dòng)力作用對巖體的穩(wěn)定性也有一定的影響。當(dāng)?shù)叵滤鹘?jīng)巖體時(shí),會通過溶解、侵蝕和沖刷等作用使巖石的強(qiáng)度減弱,導(dǎo)致巖爆的風(fēng)險(xiǎn)增加。尤其是在存在較大水流的地下水系統(tǒng)中,巖體的穩(wěn)定性更容易受到影響。因此,水文地質(zhì)條件受到地下水壓力、飽和度、地下水位變化、地下水化學(xué)作用以及水動(dòng)力作用等因素的控制,不同的地下水環(huán)境會對巖石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在進(jìn)行巖爆防治工作時(shí),對水文地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查和評估,并采取相應(yīng)的工程措施來減少水文地質(zhì)因素對巖爆的影響是至關(guān)重要的。

2.2.2 開挖施工因素

在進(jìn)行地下開挖或挖掘作業(yè)時(shí),施工活動(dòng)會對周圍巖體產(chǎn)生影響,導(dǎo)致巖爆的發(fā)生。開挖過程中,巖石周圍的應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生變化,施工活動(dòng)削弱了巖石的支撐力,使巖體承受的應(yīng)力重新分布。如果巖體原先存在的應(yīng)力集中區(qū)域沒有得到妥善處理,施工活動(dòng)可能導(dǎo)致應(yīng)力超過巖石的強(qiáng)度極限,從而引發(fā)巖爆。此外,在地下開挖作業(yè)中,常常需要進(jìn)行鉆孔和爆破來破壞和移除巖石,鉆孔和爆破活動(dòng)會引起劇烈的沖擊波和震動(dòng),對周圍的巖體施加巨大的力量。如果巖石存在裂隙、節(jié)理或弱面,這些力量可能導(dǎo)致巖體破裂和巖爆的發(fā)生。在地下開挖作業(yè)中,過度開挖或無序施工可能會破壞巖體的穩(wěn)定性,造成巖石的塌方和巖爆,過度開挖使巖體受到過大的應(yīng)力,無序施工導(dǎo)致巖石的結(jié)構(gòu)破壞和支撐失效,這些都可能誘發(fā)巖爆,為減少巖爆的風(fēng)險(xiǎn),需要在開挖施工過程中采取適當(dāng)?shù)拇胧?。這包括合理的工程設(shè)計(jì)和施工方案,采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施,合理控制開挖的速度和深度,以及進(jìn)行巖體監(jiān)測和及時(shí)預(yù)警。對于特別危險(xiǎn)的地質(zhì)條件,可能需要采取更加復(fù)雜和精細(xì)的防護(hù)措施,如預(yù)養(yǎng)護(hù)、巖體加固等。

2.2.3 淺表生改造

淺表生改造作用可以改變巖體的表層性質(zhì),使巖爆更加劇烈。巖體在各類風(fēng)化作用和侵蝕作用的影響下,巖體應(yīng)力不斷發(fā)生變化,造成巖體垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力差,從而導(dǎo)致巖爆的發(fā)生。

3 巖爆發(fā)生機(jī)理

國內(nèi)外眾多學(xué)者對巖爆機(jī)理進(jìn)行了深入研究,認(rèn)為其發(fā)生主要由巖性條件、地應(yīng)力條件、外部因素三方面條件引起。巖爆多發(fā)生在堅(jiān)硬、完整、干燥的脆性巖體中,這類巖體在外力作用下易于發(fā)生破碎。并且,巖體需要儲存足夠大的彈性應(yīng)變能才會發(fā)生巖爆,這不僅需要巖體具有較大的儲能能力,還需要巖體處于具有足夠能量來源的地區(qū),即高地應(yīng)力區(qū)。對于一些質(zhì)地較軟或巖石內(nèi)部累積的應(yīng)變能較小的巖體,發(fā)生巖爆的概率則相對較小。

此外,巖體內(nèi)能量積聚也是巖爆發(fā)生的重要原因,在施工前巖體處于應(yīng)力平衡狀態(tài),巖體因圍巖作用具有大量彈性應(yīng)變能,隨著施工的進(jìn)行,巖體徑向應(yīng)力解除,產(chǎn)生能量差,能量向局部聚集使得巖爆易于發(fā)生。

4 巖爆防治措施

巖爆具有較強(qiáng)的破壞性,巖爆的發(fā)生會影響施工的進(jìn)行以及對施工人員的人身安全造成威脅,因此如何科學(xué)有效地避免巖爆的發(fā)生是至關(guān)重要的。巖爆的防治通常需要從設(shè)計(jì)和施工兩個(gè)角度充分考慮,本次研究主要介紹改善圍巖性質(zhì)、施工方案對比、分步開挖、安全防護(hù)措施等巖爆防治措施。

4.1 改善圍巖性質(zhì)

通過改善圍巖性質(zhì)可以顯著降低巖爆發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),常采用表面噴水、改變爆破裝藥量、改變洞室開挖面形狀等方法對圍巖性質(zhì)進(jìn)行改善。表面噴水的方式可以降低巖體強(qiáng)度,增加巖體塑性,降低巖體發(fā)生巖爆風(fēng)險(xiǎn)。減少爆破裝藥量減輕爆破對巖體的破壞程度,降低巖爆發(fā)生的規(guī)模及頻率。將洞室開挖面形狀提前改造為巖爆后圍巖穩(wěn)定的洞室形狀,從而降低巖爆的強(qiáng)度。

4.2 方案對比

在針對不同類型區(qū)域施工的過程中,應(yīng)充分考慮施工區(qū)域特點(diǎn),設(shè)計(jì)不同的施工方案。鉆爆法能夠增大圍巖的破碎程度,加深圍巖的破碎區(qū)域,促使圍巖中儲存的應(yīng)變能向深部遷移,有利于降低巖爆風(fēng)險(xiǎn)。TBM開挖對圍巖的破壞程度較小,應(yīng)變能釋放速率更小。通過微震監(jiān)測數(shù)據(jù)和巖爆實(shí)例分析,對比鉆爆法和TBM兩種開挖方法的差異,發(fā)現(xiàn)在高地應(yīng)力條件下,如果選用了不適當(dāng)?shù)拈_挖方法會大大增加施工難度,增加巖爆發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 分部開挖

采用不同開挖進(jìn)尺短尺度、多循環(huán)開挖方式或分部開挖,并增加支護(hù),施工后及時(shí)打孔注水釋放部分壓力可有效降低巖爆發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

4.4 安全防護(hù)措施

在隧道施工前應(yīng)對可能發(fā)生的災(zāi)害做好風(fēng)險(xiǎn)評估工作,針對有可能發(fā)生巖爆的施工段,針對性地制定巖爆防護(hù)措施,提前制定應(yīng)對方案。設(shè)置專職人員監(jiān)控隧道圍巖狀況,巖爆發(fā)生時(shí)加強(qiáng)人員以及設(shè)備管理,確保安全,降低事故發(fā)生的概率。

5 存在問題

巖爆研究對于工程領(lǐng)域而言仍是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域,當(dāng)前對于巖爆研究在基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用研究方面都取得了一定的成果,但仍存在以下一些問題需要研究解決。

(1)數(shù)據(jù)獲取和監(jiān)測:巖爆災(zāi)害是一種復(fù)雜的地質(zhì)過程,需要大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來理解和預(yù)測。然而,獲取這些數(shù)據(jù)并進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。例如,巖石內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)通常很難直接測量,而且在巖爆發(fā)生時(shí)往往很難獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

(2)研究方法和模型:巖爆災(zāi)害的研究方法和模型仍然在不斷發(fā)展和改進(jìn)中。目前存在多種模型和方法,但仍然沒有一個(gè)統(tǒng)一的理論框架可以涵蓋所有類型的巖爆災(zāi)害。此外,一些現(xiàn)有的方法可能存在局限性,無法準(zhǔn)確預(yù)測復(fù)雜的巖爆過程。

(3)巖爆機(jī)理的理解:巖爆的機(jī)理非常復(fù)雜,涉及巖石的斷裂、應(yīng)力釋放、能量積累和傳播等多個(gè)因素。目前對于巖爆機(jī)理的理解還不夠全面和深入,特別是在微觀尺度上的機(jī)理仍然存在許多未知。

(4)預(yù)測和預(yù)警的準(zhǔn)確性:準(zhǔn)確預(yù)測和及時(shí)發(fā)出巖爆預(yù)警對于災(zāi)害防治至關(guān)重要。然而,當(dāng)前通過聲音、時(shí)間、空間范圍和鉆屑等預(yù)測和預(yù)警系統(tǒng)仍然存在一定的誤差和局限性。對于復(fù)雜的巖爆過程,準(zhǔn)確預(yù)測其發(fā)生的時(shí)間、規(guī)模和影響范圍仍然是一個(gè)難題。

(5)防治技術(shù)和措施:巖爆災(zāi)害的防治需要采取一系列技術(shù)和措施,包括巖體加固、監(jiān)測預(yù)警、安全疏散等。然而,當(dāng)前的防治技術(shù)和手段仍然存在一些限制和挑戰(zhàn)。一些現(xiàn)有的技術(shù)可能在應(yīng)對復(fù)雜的巖爆場景時(shí)效果不佳,需要針對不同巖爆發(fā)生場景進(jìn)一步改進(jìn)和創(chuàng)新。

6 現(xiàn)今社會減災(zāi)對策思考

地質(zhì)災(zāi)害需要特定的條件才會產(chǎn)生,因此在信息化智能化的今天,我們可以通過與現(xiàn)有先進(jìn)科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的手段對其進(jìn)行防治,從而降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻率。

6.1 建立地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫

隨著現(xiàn)代大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展,我們應(yīng)將災(zāi)害防治與計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合,提高預(yù)測精度,減少人民群眾財(cái)產(chǎn)損失。數(shù)據(jù)庫的建立在地質(zhì)災(zāi)害防控中有著較高的實(shí)用價(jià)值,通過分析不同地質(zhì)背景下災(zāi)害發(fā)生的頻率與規(guī)模從而實(shí)現(xiàn)對不同地區(qū)災(zāi)害發(fā)生情況的預(yù)測。數(shù)據(jù)庫中應(yīng)以宏觀監(jiān)測、相位位移、絕對位移等數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計(jì)重點(diǎn),在對監(jiān)測區(qū)域建立之后,確定科學(xué)的監(jiān)測點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的全面監(jiān)測,完成數(shù)據(jù)采集工作,之后借助智能信息分析系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。將人工智能引入地質(zhì)災(zāi)害的防治不但提高了防治的等級而且降低了人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn),采用新型的設(shè)備與技術(shù),加大對防治技術(shù)的投入,建立科學(xué)的災(zāi)害防治系統(tǒng),是預(yù)防災(zāi)害發(fā)生的重要手段。

6.2 建立智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測性工作中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié),尤其對于一些災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū),預(yù)警系統(tǒng)的完善可以有效降低工程中風(fēng)險(xiǎn)與人員傷亡。監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)與災(zāi)害數(shù)據(jù)庫可以相互配合,通過數(shù)據(jù)庫的收集與測算,設(shè)立一套對應(yīng)的災(zāi)害響應(yīng)參數(shù),當(dāng)達(dá)到一定的閾值便會觸發(fā)預(yù)警系統(tǒng)工作,及時(shí)預(yù)警,提示施工人員或現(xiàn)場住戶及時(shí)撤離,將損失降到最低。值得注意的是在設(shè)立災(zāi)害相關(guān)參數(shù)時(shí),應(yīng)考慮不同地區(qū)地質(zhì)特征的不同進(jìn)行“因地制宜”的調(diào)整,爭取做到“一地一策”。具體實(shí)施過程可以通過編程手段完成。

6.3 加強(qiáng)安全教育

在信息化高度發(fā)展的今天,我們應(yīng)該充分利用網(wǎng)絡(luò)、自媒體等用戶量較大的平臺積極發(fā)布災(zāi)害預(yù)防措施,應(yīng)當(dāng)適度加強(qiáng)災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)人員的安全教育。周圍人民應(yīng)具備一定的自救意識,通過規(guī)范施工過程中人員的操作流程來盡量避免生命財(cái)產(chǎn)損失。

結(jié)語

巖爆的防治是一個(gè)復(fù)雜的過程,需要施工人員在施工工程中,應(yīng)對不同施工環(huán)境認(rèn)真觀察和分析研究,認(rèn)識到不同施工環(huán)境中巖爆特征和發(fā)生規(guī)律,選取合適的預(yù)防和防治措施降低巖爆發(fā)生所造成的損失。本次研究根據(jù)現(xiàn)有巖爆研究成果系統(tǒng)總結(jié)了巖爆研究現(xiàn)狀、影響因素、發(fā)生機(jī)理及防治措施。此外,針對現(xiàn)有巖爆研究中存在的問題,對巖爆數(shù)據(jù)獲取和監(jiān)測、研究方法和模型、巖爆機(jī)理的理解、預(yù)測和預(yù)警的準(zhǔn)確性以及防治技術(shù)和措施等方面存在的問題進(jìn)行了總結(jié)。

(1)巖爆災(zāi)害是一種復(fù)雜的地質(zhì)過程,需要大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來理解和預(yù)測。然而,當(dāng)前獲取這些數(shù)據(jù)并進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測仍存在困難。此外,巖爆災(zāi)害的研究方法和模型仍然在不斷發(fā)展和改進(jìn)中。目前存在多種模型和方法,但均是針對某一地區(qū)提出,并沒有形成統(tǒng)一的理論框架。并且,一些現(xiàn)有的方法可能存在局限性,無法準(zhǔn)確預(yù)測復(fù)雜的巖爆過程。

(2)巖爆發(fā)生的機(jī)理非常復(fù)雜,涉及巖石的斷裂、應(yīng)力釋放、能量積累和傳播等多方面因素。目前對于巖爆機(jī)理的理解還不夠全面和深入,特別是在微觀尺度上的機(jī)理仍然需要進(jìn)一步研究。

(3)準(zhǔn)確預(yù)測巖爆對于巖爆防治至關(guān)重要。然而,當(dāng)前針對施工過程中巖爆的預(yù)測和預(yù)警系統(tǒng)仍然存在一定的誤差和局限性。對于復(fù)雜的巖爆過程,準(zhǔn)確預(yù)測其發(fā)生的時(shí)間、規(guī)模和影響范圍仍然是一個(gè)難題。因此,針對巖爆災(zāi)害的防治一些現(xiàn)有的技術(shù)可能在應(yīng)對復(fù)雜的巖爆場景時(shí)效果不佳,需要針對不同巖爆發(fā)生場景進(jìn)一步改進(jìn)和創(chuàng)新。