巖 爆

◎ 應急管理部信息研究院 袁陽

2019 年11 月2 日9 時50 分，隨著一陣爆破聲響起，標志著巴玉隧道順利貫通，創造了高原鐵路隧道獨頭掘進7015 米的最高紀錄。負責此工程的中鐵十二局二公司拉林鐵路巴玉隧道項目部先后斬獲了山西省“青年文明號”“工人先鋒號”，股份公司“重點工程項目勞動競賽先進單位”等榮譽。在鐵路信用評價考核中，該項目部始終位列全線前三名，且五次奪得第一名，被拉林鐵路指揮部評為全線唯一一家A+級施工單位。他們的先進事跡先后被中央電視臺、鳳凰視頻、《工人日報》、人民鐵道網等多家新聞媒體報道。湖南衛視《新聞當事人》欄目也曾聚焦拉林鐵路巴玉隧道，推出“中國面壁者·巖爆終結者”專題，報道了中鐵十二局在該項目建設中克服的最大問題——巖爆。圖1 中顯示了巴玉隧道建設過程中發生的巖爆現象。

圖1 巴玉隧道建設過程巖爆現場圖

巖爆是指在高地應力條件下，隧道或巷道等工程開挖過程中，巖石發生爆裂、彈射的現象。巖爆也是深井礦山面臨的主要安全隱患之一。輕微的巖爆僅出現巖片剝落，嚴重的巖爆出現強烈的巖塊彈射，并伴隨巨大的響聲。巖爆可以瞬間突然發生，也可以持續幾天至幾個月。少數情況下，在巖爆來臨前，將碎未碎的巖石會發出“喀喀”的聲音，警告人們迅速撤離。然而，這一警告時間往往只有數秒鐘。由于巖爆的發生具有局部性、突發性、隱蔽性、滯后性、無前兆性、高初速度和高沖擊能等特點，通常會給深部工程巖石開挖工作帶來一定的風險，造成人員傷亡和經濟損失。中國工程院院士錢七虎和中國科學院院士何滿潮曾表示“巖爆是一個世界性的災難現象”“國際巖石力學領域的世界性難題”“其成災機理與預測預報問題已成為巖石力學界必須致力解決的關鍵科學問題和技術難題”。國際著名巖土工程學家Evert Hoek 提出的Hoek-Brown 準則中也曾寫道：“我們沒有見到任何現有數值工具能夠提供解釋或預測巖爆過程的任何可靠的方法。”

由于巖爆現象通常在較為完整的巖體中發生，國際巖爆研究一直沿用經典的連續介質力學理論。采用壓力機對標準巖石試樣進行單軸壓縮實驗（圖2 所示），在施加接近或等于巖石單軸抗壓強度的軸向壓力時，完整脆性巖石就會發生破裂、崩飛的現象。此過程與巖爆過程十分類似。因此，國際巖石力學專家們認為，巖爆現象是由于巖石在地應力場的作用下，內部儲存了彈性應變能。當能量不超過巖石破裂耗能，則不會發生巖爆現象。巖石開挖會造成圍巖應力場的變化，導致巷道環向正壓應力增大，圍巖則可能就會發生巖爆。均勻巖體巖爆機制簡單地說就類似于一個強力壓縮的彈簧突然卸載的情況。因此，根據巖石脆性、完整性、高地應力和巖石單軸抗壓強度，人們提出了包括高地應力、線彈性能、巖石脆性、環向應力在內的各種巖爆預測準則。

圖2 巖石單軸壓縮力學實驗

盡管上述試驗、機理和準則可以較好地解釋巖爆發生的猛烈性和破壞的突然性，但是卻難以解釋巖爆的滯后性。所謂的滯后性指的是，巖爆往往要在開挖卸載或放炮加載結束后，還要經過一段時間才發生。這種滯后性帶來的后果是——人們往往認為巖爆危險早已消失，從而進入作業區工作讓自身和設備暴露在巖爆區域中。

同時，在對這些巖爆區域開挖之前，通常會進行鉆孔得到巖石相關的物理力學性質，而由鉆孔取出來的巖芯，會由于卸荷出現如圖3 所示的巖芯餅化的有趣現象。這種巖芯餅化現象使得人們聯想到了經典材料力學的殘余應力理論。例如， 一個鑄鐵物體冷卻時，內部比外部冷卻慢，而可產生內部的殘余應力。巖體的非均勻冷卻或熱膨脹系數差異， 都會產生被“鎖住”的應力狀態。香港大學教授岳中琦認為巖石內的流體包裹體（內含高壓氣體、流體）可以反映巖石內部這種被“鎖住”的狀態。第一，由于巖體開挖，巖壁徑向受壓增大，巖石壓緊，環向受壓減小，巖石松開。因此，巖石內高壓游離微量氣體，隨時間從其他方向排列的微細損傷裂紋面內，向環向微細損傷裂紋面內轉移和集中，這就造成了巖爆的時間滯后效應。第二，深部完整巖石具有一定量的剛度和強度。它所能夠承受的這種高壓微量氣體隨時間和空間的變化和張性膨脹， 而不發生微觀、細觀或宏觀變形或破壞的能力和強度是有限度的。這就造成了巖爆的突發性和無前兆變形等。

圖3 餅化巖性

總之在深部工程中，巖爆是一種危險但無法回避的現象。在人們對礦產、水利、油氣等資源需求日益增多的未來，會面臨越來越多關于巖爆的挑戰。隨著各種關于巖爆成因假說、力學學科、數值計算方法和監測預警設備的發展，將會對預測、降低和減少巖爆這一國際巖石力學領域的世界性難題有所幫助，為人類的進一步發展和繁榮作出貢獻。