1、岩爆问题研究专题1. 本工程引水隧洞岩爆问题概述12. 岩爆的特征及分类22.1. 实际隧洞工程中的岩爆特征72.2. 岩爆的分类133. 岩爆的断裂破坏机制183.1. 贾愚如等人提出的岩爆判据203.2. 岩爆的特征及破坏机理203.3. 岩爆判别准则264. 岩爆的防治处理274.1. 改善围岩应力的方法274.2. 改变围岩性质的方法294.3. 加固围岩的方法304.4. 防护、躲避及监测措施335. 处理岩爆问题的工程实例345.1. 中国秦岭隧道345.2. 中国四川省岷江渔子溪一级水电站引水隧洞445.3. 中国天生桥二级（坝索）水电站引水隧洞495.4. 中国四川省太平驿水电2、站引水隧洞565.5. 日本关越隧道605.6. 日本140国道雁坂隧道635.7. 日本大清水隧道665.8. 挪威赫古拉（Heggura）公路隧道665.9. 挪威霍扬阁兰峡湾公路隧道695.10. 挪威西玛水电站大型地下洞室706. 本工程岩爆的处理措施701. 本工程引水隧洞岩爆问题概述锦屏二级水电站位于雅砻江锦屏大河弯处雅砻江干流上。位于川滇菱形断块。出露的岩石主要有：下古生界为碎屑岩类，上古生界和中生界变质的碳酸盐岩、碎屑岩和玄武岩、火山碎屑岩，以及前震旦系变质岩系，古生界碳酸盐岩，峨眉山玄武岩和碎屑岩，中生界碎屑岩、粘土岩。中更新世以来的堆积物主要沿河谷与山麓地带零星分布。从大地3、构造上，锦屏二级水电站位于松潘甘孜地槽褶皱系的东南部，中生代以来经受印支、燕山，特别是喜马拉雅运动，形成一系列迭瓦状逆冲断层、地层倒转、“A”型平卧褶皱和拉伸线理以及沿断层形成的飞来峰构造，构成变形较强烈的地台边缘褶皱带和断裂带；雅江褶皱带是古生代至三迭纪的地槽褶皱带。三迭纪末的印支运动使其褶皱回返，燕山运动影响本区，有花岗岩类侵入。喜山运动强烈隆起并伴有断裂活动。区内的断裂构造发育。工程区地处高地应力区，引水隧洞上覆岩体一般埋深15002000m，最大埋深约为2525m，而岩爆现象则是其最具体的体现。岩爆是影响洞室围岩稳定的主要因素之一，通过现场调研和室内测试，对引水隧洞围岩岩爆的模式、分级4、预测预报、防治措施等开展了深入研究，表明锦屏引水隧洞在开挖过程中将产生岩爆，其强烈程度以轻微中等为主，局部洞段将发生强烈极强岩爆，预测今后(以4#洞线为例)累计发生岩爆的长度约5548m，无岩爆段长度约11119.1m，其中发生轻微量级岩爆长度约3291m，中等量级岩爆长度约1211m，强烈量级岩爆长度约895m，极强量级岩爆长度约151m。通过对辅助洞岩爆现场调研，辅助洞岩爆发育特征与长探洞岩爆特征一致。由于东端辅助洞局部所发生的岩爆强烈程度与长探洞相对应的部位进行对比，辅助洞内所发生岩爆等级要比长探洞严重，且辅助洞的埋深要比长探洞浅了约200m，说明在锦屏工程区岩爆存在着一定的尺寸效应。5、同样地，在与目前东端辅助洞相同高程的引水隧洞，由于其开挖洞径达到13m，发生岩爆时，会表现出更为明显的尺寸效应。在国内外有很多关于岩爆的分析及施工案例，在此对有关岩爆做出一个专题报告，以便更好的处理好锦屏工程的岩爆现象。2. 岩爆的特征及分类岩爆，又称矿山冲击，是在深埋洞室的施工掘进中洞室临空面边缘突然发生类似爆炸的巨响，并有岩石开裂、岩块弹射或崩塌掉块的现象。它是深埋洞室或隧道特有的一种不良地质现象。自1738年首次报导了英国锡矿发生岩爆以来，在世界范围内已有西德、南非、中国、波兰、东德、捷克斯洛伐克、匈牙利、保加利亚、奥地利、意大利、瑞典、挪威、新西兰、美国、法国、加拿大、日本、印度、比利6、时、安哥拉等20多个国家和地区记录有岩爆问题。岩爆最强的可使整个矿坑、隧洞摧毁；同时造成的矿震最大可达3.24.6级以上，烈度达78度，使地面遭受破坏。我国从1949年到1985年5月在32个重要煤矿中，至少发生过1842起煤爆和岩爆。1965年1月至3月，成昆线关村坝隧道（长6107m）昆明端施工时多次发生岩爆，造成人身事故，威胁施工安全。岩爆是极为复杂的动力现象。各国对此现象进行了大量的研究，目前多数停留在假说和试验阶段。我国对岩爆的研究，近年来有所突破。如中国国际工程咨询公司谭以安对天生桥电站引水隧洞的岩爆灾害进行了详细的调查研究，通过对岩爆一般力学特性和破坏断口的电微扫描分析确定，岩爆7、属于张、剪脆性破坏。对岩爆部位探洞详细观测，除了把爆裂面以内的围岩分为塑性带（松动圈）和弹性带外，进一步把松动带细分为劈裂剪切带、劈裂带。经过综合分析，得出这样的结论：岩爆是具有大量弹性应变能储备的硬质脆性岩体，由于开挖洞石和坑道，使地应力分异、围岩应力跃升及能量进一步集中，在围岩应力作用下产生张剪脆性破坏，并伴随声响和震动，而消耗部分弹性应变能的同时，剩余能量转化为动能，使围岩由静态平衡向动态平衡失稳发展，造成岩片（块）脱离母体，获得有效弹射能量，以猛烈向临空方向抛（弹、散）射为特征，是经历“劈裂成板剪断成块块片弹射”渐进过程的动力破坏现象。岩爆是在一定的地质构造、地层岩性、地应力场和由于深8、埋洞室的施工开挖临空条件变化造成瞬间围岩压力集中，改变了围岩周围的应力状态和性质等条件下产生的。目前观察到岩爆现象多发生在深埋大于200m地下建筑物中，如云南天生桥引水隧洞埋深200250m（厚层灰白色灰岩）、成昆线官村坝隧道埋深500900m（含燧石结核的硅质灰岩）、日本关越隧道埋深730m（石英闪长岩和角页岩）、日本新清水隧道（长13490m，1965年在施工过程中石英闪长岩发生过9次岩爆，有的持续23个月）埋深最大达1210m、瑞士弗卡隧道（长14713m，主要地层为片麻状花岗岩）埋深最大为1520m。岩层埋深越大，开挖时产生岩爆的强度和频率就越高。有人认为，在埋深超过2500m以下时，9、不采用特殊的施工方法，一般是无法开挖隧道的。岩爆的产生还与地质条件有关。从岩性来看，岩爆多发生在坚硬性脆的岩层中，如花岗岩、石英岩、片麻岩、斑岩、闪长岩、辉绿岩、砂岩、灰岩、硬煤等。这些岩层或为非层状的致密脆硬性岩层，或为产状近似于水平的脆硬性岩层，它们开挖前整体好，不见张开节理，仅见少量的密闭构造节理。洞室开挖后基本干燥，从地质构造上来看，在地应力集中地区（如地质构造线转折与相交部位）表1 国内外岩爆实例统计表实例编号隧 洞 名 称围岩岩性单轴抗压强度（MPa）点荷指数（MPa）岩体初始应力（MPa）围岩最大切应力（MPa）岩 爆 特 征 描 述岩爆类型1天生桥二级引水隧洞角砾状灰岩803.10、625.7*64.3劈裂、轻微弹射，有开缝声响。（弱）2渔子溪一级引水隧洞中细粒花岗闪长岩、闪长岩1707.73045*岩片弹射（中）3成昆铁路官村坝隧道硅质灰岩1205.5弹射岩片拳头大小，射距23m，最大弹射0.50.40.07m（中）4挪威Sima电站地下厂房花岗岩、花岗片麻岩1808.319.5*48.75220.5m岩块抛射20m，击中对壁（强）5挪威Hyanger-Lanefjord隧道片麻岩60至2002.7至93495剥落及弹射（中）6挪威Heggura隧道片麻岩100至2504.5至1125*62.5剥落及弹射（中）7挪威Sewage隧道花岗岩1808.375.4*劈裂、有尖11、锐的爆裂声响（中）8瑞典vietas水电站2.3号发电洞粉砂岩基石英岩803.650*至70125至175劈裂，使咬合完好的层面张开，有开裂声响，无弹射，超挖严重（弱）9瑞典Juktan水电站隧洞花岗岩1808.350*125岩爆及块裂（中）10瑞典Ritsem电站麋梭岩803.612*、20*30至50劈裂,锚固前每月劈裂加深0.5m（弱）11瑞典Forsmark核电站片麻岩130620*50弹射岩片大小约10cm左右，发出巨大声响（中）12苏联拉斯丰恰尔矿霓霞石、磷霞石1808.357岩射及剥落（中）13日本关越隧道石英闪长岩23610.723689最大一次岩爆，从掌子面突出45m3岩块（12、强）14日本新清水隧道待查1838.3弹射岩片0.20.21.22.5m，厚0.051.0m（强）注：实测值，汪泽斌推算值以及洞室轴线与压性构造线相平行时（即洞室轴线与地区最大主应力方向垂直或近于垂直时），往往可能使岩爆加剧。就洞室与导坑断面形式而言，方形、梯形的较拱形、园形的洞室或导坑岩爆更为严重。岩爆控制方法有多种，一旦确定了应力集中区的位置，就应当降低应力，以减少爆裂的危害。在我国，目前常用的控制岩爆的方法有注水、钻孔卸压、锚杆钢丝网喷射混凝土，效果尚好。深埋的长大隧道在勘测设计阶段如何评价和判断岩爆问题，主要是考虑上述的区域构造应力场条件（即当深埋洞室的轴线垂直或近于垂直地区构造应力场13、的最大地应力方向时易发生岩爆）和岩层条件（致密性脆的岩层，节理密闭，特别是在中厚层灰岩中夹有薄层钙质脆硬性岩层时，应予特别注意）从而提出产生岩爆的可能性和必要的控制方法。我国水电工程最早在渔子溪、级及映秀湾水电站隧洞中发生过岩爆，此后在白鹤滩、大岗山、二滩、太平驿水电站，天生桥二级引水隧洞中也出现过岩爆，并在鲁布革水电站、三峡三斗坪坝址、拉西瓦水电站等出现钻孔饼状岩心。这一特异地质现象的出现，引起了人们的关注，并作了记载和报道。然而，直到70年代后期，一些研究者才在分析钻孔饼状岩心力学机制的基础上，初步探讨了岩爆的发生、发展及预测防治。对于岩爆的研究国内外已有不少的论述。从工程实用现点来看，常14、把有爆裂声、有弹射的围岩突然破坏的现象称为岩爆。可以看出岩爆所具有的特征是：（1）从释放的现象看，破坏具有突发性；（2）从围岩应力角度看，包括集中超限破坏转移过程；（3）从能量变化角度看，包括聚集消散过程（能量消散包括围岩破坏做功、弹射、发震），当聚集的能量仅能造成围岩突然破坏而无剩余能量造成弹射、震动（可听音）时，即为无可听音岩爆（几种岩爆定义中的一种）。以下简述国内外部分实际工程中的岩爆特征及岩爆的分类。2.1. 实际隧洞工程中的岩爆特征（1）中国，秦岭隧道线（平导施工）岩性：混合片麻岩、条带状混合片麻岩、眼球状混合花岗岩、花岗伟晶岩岩脉。埋深：2001100m。岩爆特征：岩爆声响既发生在15、掌子面，也发生在正在发生岩爆的岩体处。高地应力段洞室施工中，在刚开挖的工作面可听到岩体内部沉闷的岩体开裂声，声响大时如炮声。平导掌子面处推进至DyK77+172处，出完碴测量时，掌子面内部便发出沉闷如炮声的岩体内部开裂声；有时发出“喀喀”的声响。这种声音一般在刚开挖后20分钟至6小时可以听到，掌子面发生岩爆的声响可以持续至810小时。掌子面后部岩爆处岩体爆裂声，一般轻微岩爆的声音，较为清脆，可以清晰地听到“啪、啪”的声响；强烈岩爆地段便可听到“澎、澎”，同时夹有“噼、噼”的声响。由于岩爆剧烈程度的不同和岩性的不同，岩爆的爆落体也各有不同。剥落型岩爆岩爆体多为一边薄一边厚，如砍刀状；轻微弹射型岩16、爆多为细长的椭圆片体，该片体中心厚周边薄，片体大小一般由560.5（cm）28016035（cm）不等；强烈抛射型岩爆体，多为四棱块状，块体直径一般为1092cm。岩石矿物晶粒较小的致密混合片麻岩，弹射型岩爆时在爆落体弹射出的同时有一圈岩粉伴随射出；岩石矿物结晶程度较好晶粒较大的花岗伟晶岩，弹射型岩爆时在爆落体弹射出的同时有一圈岩粉伴随射出，同时在爆落岩体基岩表面有被撕裂的矿物晶体薄片，大小如指甲或铜钱；侵入脉体尖端的岩爆往往较为剧烈，岩爆体多为块体。（2）中国，南盘江天生桥二级（坝索）水电站引水隧洞岩性：厚层块状灰岩、白云岩。单轴抗压强度：60100MPa。埋深：130760m。岩体初始应力17、：1=25.8MPa。岩爆特征：隧洞共3条，每条长9.5km。灰岩、白云岩洞段长8km，砂、泥岩洞段长1.5km。洞径9.510.8m，圆形断面，用掘进机和钻爆法两种方法施工。岩爆发生在灰岩、白云岩洞段。其主要特点是：爆裂声微弱，无弹射现象。在施工噪声干扰的情况下，很少听见岩爆声响，偶尔听到噼噼啪啪声，不干脆的劈柴撕裂声。顶板岩爆片自然落下，底板岩爆片仍堆积在原处。岩爆在隧洞横断面上具对称性。在掘进机施工洞段岩爆发生在洞壁的左上方及右下方，钻爆法施工洞段一般出现在洞两侧壁。岩爆多发生在距掌子面410m的洞壁上，少数发生在掌子面上。持续时间24h，以后一般不再发生新的爆裂，仅在少数地方一个月后仍18、见脱块现象。岩爆规模可以分为以下三种类型：a.零星岩爆，面积0.50.522m2，零星分布在洞壁上（仍位于左上方及右下方）；b.大面积岩爆，宽34m，长（指沿洞线方向）1020m；c.连续岩爆，宽23m，长度大于10m，长达100150m，在洞壁左上方及右下方各形成一条长沟；破裂面类型：a.劈裂剥落：劈裂面平行洞壁，岩片厚一般为0.515cm，个别薄如纸片，边缘锋利。掌子面上劈裂面平行掌子面，爆裂最大深度达1.3m（有裂隙面）。b.板状破裂：完整岩体破裂成岩板，岩板呈叠瓦状排列，岩板厚（在钻爆法洞段）520cm，个别厚达3040cm。岩板与洞中心线夹角1820，锐角指向掘进方向。c.块状破裂：19、破裂缝如同板状破裂，破裂面呈雁行排列，与洞中心线夹角3640，锐角指向掘进方向，岩块较厚（在掘进机施工洞段）普通3040cm，还受横向破裂面切割形成岩块。d.磷片状破裂：类似板状破裂，只是岩片小而薄，岩片厚110cm，破裂面与洞中心有两种情况，一种夹角为3640爆裂较深，一种夹角1820爆裂甚浅。溶洞、暗河、大断层中断岩爆范围的延伸，较大的岩爆距溶洞、暗河、大断层的距离为1830m。小规模的零星岩爆可出现在胶结好的断层带上及溶蚀裂隙旁边。（3）中国，四川岷江渔子溪一级水电站引水隧洞隧洞岩性为中粒、中细粒花岗闪长岩及闪长岩，单轴抗压强度为170MPa，埋深250600m，洞壁的切向应力为304520、MPa。岩爆特征为：岩爆主要集中发生在隧洞的拱肩处或右边墙处（山体外缘一侧），裂隙走向与洞线成锐角相交，出现片状弹射。崩落或呈笋皮状的薄片剥落。新开挖的洞体，在24h内顶板岩石的爆裂声最明显，之后逐渐减弱。岩爆一般持续12个月，以后逐渐减少或趋于停止，个别地段在一年后仍有岩爆发生。（4）中国，成昆铁路成昆铁路上的官村坝隧道（震旦系灰岩）、莲地隧道（火成岩、变质岩）、百家岭隧道（灰岩、白云岩）、沙木拉达隧道（砂岩）、窄板沟隧道岩爆特征：岩爆多在隧道施工爆破后一小时内发生，岩爆地点主要在新开挖的工作面及其附近顶板的牛角湾处，发生前常连续发出“噼啪”响声，爆出的岩块成片状弹射或剥离。弹射距离一般2321、m，射出来的岩块多为中间厚、周边薄的菱片。开始拳头大小、速度很快，后渐为蚕豆般碎石四散弹射，最大体积为0.50.40.007m，剥离的岩块体积可达21.30.2m。岩爆发生后有岩粉尾随出现，如烟雾状。（5）挪威，霍扬阁兰峡湾隧道岩性：前寒武系片麻岩。单轴抗压强度：60200MPa。埋深：110m。岩体初始应力：1=34MPa，3=8MPa。岩爆特征：霍杨阁一端200m处开始在拱顶和掌子面上发生剥落和偶然岩爆。从450m至贯通处埋深大的洞段边墙发生剥落和岩爆。当隧道穿过断层带、破碎带和闪长岩透镜体时，剥落发生的位置也有一些变化。（6）挪威，赫古拉公路隧道岩性：片麻岩。单轴抗压强度：67210MP22、a。岩体初始应力：1=24.8MPa，2=9.3MPa，3=6.6MPa。岩爆特征：发生12级岩爆（拉森斯分级），围岩剥落，片落。（7）挪威，Sewage隧道岩性：花岗岩。洞壁应力：75.4MPa。岩爆特征：围岩发生劈裂。在岩爆最强烈处，连续劈裂发出噼噼啪啪的爆裂声。（8）瑞典，Ritsem厂房交通洞岩性：糜棱岩。埋深：130m。初始应力：v=1220MPa,H=10MPa。岩爆特征：洞顶突然连续松脱。洞壁产生垂直的平行岩板。每月加深0.5m，直至锚固。（8）苏联，阿尔帕塞凡隧洞最大埋深：1230m。岩爆特征：岩爆和气喷。岩石被抛到离工作面150m远处，形成大空洞，个别容积近2500m3。最大23、的空洞尺寸超过设计轮廓线25m。（9）日本，关越隧道岩性：石英闪长岩。单轴抗压强度：236MPa。埋深：7301050m。岩爆特征：在10.9km隧道中有1.1km为岩爆危险区，岩爆有以下特点：1.岩爆在石英闪长岩中频频发生，而在角页岩内几乎不发生，第一次岩爆大约45m2的岩块从掌子面突出，爆裂深度达4m。岩爆特别集中，从汤泽洞口44204580m、47254845m、51805240m区间内。2.岩爆与地下水密切相关，在无漏水的北工区经常发生岩爆，而在涌水多的南工区，没有发生明显的岩爆。3.岩爆在掌子面记录到的次数是1417次，侧壁只有16次。侧壁岩爆发生在掌子面后方510m左右的位置。4.24、掌子面的岩爆多发生在左侧。5.岩爆在刚爆破后激烈，随后平静，有少数活化现象。6.碴块放置一段时间，会变成碎片。（10）日本，新清水隧洞岩爆特征：岩爆发生在边墙及掌子面，岩片飞散。岩片0.20.21.22.5m厚0.051.0m，开挖期剧烈，持续23月。（11）格兰萨索公路隧道岩性：泥灰岩、石英岩。埋深：2001200m。岩爆特征：在里程4085m处，随着掌子面的推进，观察到如下几种现象：岩体中的渗透水逐渐减少：RQD值逐渐减少到零；掌子面不稳定，其表现形式为大块石岩板发出爆裂声，并同时射出大量的岩石碎块。破坏是沿节理发生的，而不是沿层面（具有不同程度的螺旋线面）、交叉层面以及显然稳定的岩层发生25、。在左隧道里程4240m处（此处覆盖层厚1220m），出现了断层密集交错的、特殊的地质构造特征；在几个爆破循环之后，大约过了15分钟，隧道的右壁突然发生岩爆，喷射出大量的岩块。由于右侧壁发生岩爆，并向洞内喷入了大量的岩块，因此，造成拱顶岩石松动、掉落，并一直扩展到左侧起拱线，其塌落体积达几百m3。在掌子面附近几米宽的范围内岩爆最为严重，并沿右侧壁扩展，致使用钢筋和喷射混凝土支护的40m长的一段右侧壁完全倒塌。2.2. 岩爆的分类为了保持围岩的稳定，保证地下洞室施工开挖的顺利进行，预防发生岩爆对机器设备和施工人员造成伤害，有目的地对影响围岩稳定的岩爆进行分类是十分有意义的事情。岩爆的特征可以从多26、个角度去描述它，因而可以从多方面进行分类或分级。比如，根据一次岩爆所释放出的能量的大小，可以象划分地震级那样将其分级。又比如根据一次岩爆弹射岩片的大小和体积多少可以分级。已见的岩爆分类方法有以下几种：（1）按变量系数分类法应用岩体力学知识，提出了应力释放的岩爆变量系数，从而评价围岩的稳定性。岩爆变量系数表达式如下： （2-1）式中 KW岩爆变量系数（MPa）； max应力场最大主应力（MPa）； P侧应力系数（水平应力垂直应力）； E弹性模量（MPa）； 主应力水平夹角。按变量系数KW进行分类：当KW0.30.6为围岩稳定性差，预测可能发生中等岩爆当KW0.6， 为围岩稳定性很差，预测可能发生27、强烈岩爆（2）按岩爆活动性分类法挪威的罗申斯（Russenes）将岩爆的活动性分为四级，其具体分级如表2所示。表2 岩爆分级表岩爆等级描 述无无岩爆，无岩石应力引起的不稳定问题，岩石中无声音轻微低的岩爆活动性，有使岩石松弛与开裂的趋势，岩石中略有声音中等中等的岩爆活动性，岩石大量成片或松弛，有随时间发生周界变形的趋势，岩石中有强烈的开裂声强烈高度的岩爆活动性，开挖后边顶拱上即有严重掉块，底拱上成片状破裂或拱起，洞壁有严重的破碎和变形，响声如枪声（3）按岩爆特征分类法（一）根据上述公式和分级，结合我国的一些大中型水电工程所发生的岩爆特征，提出岩爆分类，如表3所示。表3 岩爆分类表岩爆类型特 征松28、动脱落围岩呈块、板、片状爆裂，声响微弱，偶然可以听见噼噼啪啪响声、无弹射现象。在顶板岩爆块自由坠下，在底板岩爆块堆积原处爆裂弹射型岩片弹射及岩粉喷射，爆裂声响如枪声。弹射的岩片最大不超过0.3m3，有拳头大小者和粉末烟雾者，弹射岩片可伤人，对机械、隧洞无大的影响爆炸冲击型巨石冲击，声响巨大，岩块体积达数立方米至数十立方米。岩块冲击抛射距离达一、二十米，岩块对机械、支护有损害，但其震动不会造成太大的损害围岩深部地震型由于地下洞室的开挖靠近断层、岩脉，从而引起断层、岩脉聚积能量孕震，在围岩深部产生地震（4）按岩爆特征分类法（二）我国的汪泽斌从工程实践的观点出发，提出主要根据感官感觉到的岩爆特征，着29、眼于危害方式，危害程度，防治对策等因素进行分类的方法。这样分类的优点在于不受有否详细的仪器测试资料的限制。这种分类还有一个考虑就是试图用各种模式来描述岩爆的特征及发生机理。该分类法分为：破裂松脱型，爆裂弹射型，爆炸抛实型，冲击地压型，远围岩地震型，断裂地震型六种型式。1）破裂松脱型围岩成块、板、鳞片状爆裂，爆裂声响微弱，偶然可听见劈劈啪啪响声，弹射距离很小，在顶板岩爆块主要是坠落，在底板岩爆板堆积在原处。典型代表如：南盘江天生桥二级（坝索）水电站引水隧洞。隧洞共3条，每条长9.5km。灰岩、白云岩洞段长8km，砂、泥岩洞段长1.5km。洞径9.510.8m，圆形断面，用掘进机和钻爆法两种方法施30、工。岩爆发生在灰岩、白云岩洞段，其主要特点是：a.爆裂声微弱，弹射很小，在施工噪声干扰情况下，很少听见岩爆声响，偶而听见劈劈啪啪声、不干脆的劈柴撕裂声、冰层开裂声，顶板岩爆片自然落下，部分地段有弹射现象，底板岩爆片仍堆积在原处。b.岩爆在隧洞横断面上具对称性。掘进机施工洞段岩爆发生洞壁上方及右下方（面对掌子面）两爆裂坑中心连线倾角6790，钻爆法施工洞段部分洞段的两侧壁，部分在右顶部。c.岩爆多数发生在距掌子面410m的洞壁上，少数发生在掌子面上，岩爆活跃期为半小时至数小时，持续时间24小时，以后一般不再发生新的爆裂，仅少数地方一个月后仍见脱块现象。d.岩爆破裂可分以下三种类型：A：零星岩爆：31、面积0.50.522m2，零星分布在洞壁上（仍位于左上方及右下方）。B：大面积岩爆，宽34m，指沿洞线方向长1020m。C：连续岩爆宽23m，长度大于10m，长达100150m，在洞壁左上方以右下各形成一条长沟。沿洞线方向的延续性为溶断、断层等地质体中断。e.岩爆破裂坑的深度主要受围岩应力和强度控制，在厚层块状、整体状白云洞段，岩石单轴抗压强度达100120MPa。岩体初始应力虽达31MPa，爆裂坑深度仅为0.50.8m。而在角砾状灰岩洞段，由于角砾状灰岩中有方解石细脉穿插，岩体初始应力25MPa，岩爆坑深度却达1.52.0m，当薄层中厚层泥质条带灰岩（含碳岩）层面平行洞壁最大切应力时，岩爆深32、度亦很大，达12m。f.距大溶洞、暗河、断层带1830m范围内无大岩爆产生，但小规模零星岩爆可以出现在胶结好的断层带上及溶蚀裂隙旁边。瑞典Vietas水电站2、3号发电洞。两条隧洞中岩爆的特征皆为劈裂，有平啪声，开裂声。劈裂面大多数平行掌子面。在2号隧洞中岩爆发生在前寒武系基底岩中，劈裂面平行于横交洞线的陡倾（6085）层面（母岩层面清晰，但未曾破裂）。3号隧洞为寒武系水平粉砂岩，岩爆产生两组破裂面，一组沿层面，层面充填石英、方解石、绿泥石，开挖时这些层面张开，在洞顶超挖，形成平顶。另一组破裂面平行掌子面，垂直或陡倾，倾向东，间距1560cm，偶然可见间距小于5cm。2）爆裂弹射型其岩爆特征是33、：岩片弹射及岩粉喷射，爆裂声响如枪声，弹射岩片最大不超过1/3m3，有510cm直径者，拳头大小者，粉末烟雾者。危害主要为弹射岩片伤人，于机械、隧道无多大影响。典型代表如：渔子溪一级电站引水隧洞出现片状弹射、崩落或呈笋皮状的薄片剥落；新开挖的洞体，在24小时内顶板岩石的爆裂声最明显，之后逐渐减弱；岩爆一般持续12个月，以后逐渐减少或趋于停止，岩石表面逐渐变潮。个别地段在一年以后仍有岩爆发生。成昆铁路上的官村坝隧道、莲地隧道、沙本拉达隧道、窄板沟隧道、百家岭隧道。岩爆多在隧道施工后一小时内发生，岩爆地点主要在新开挖的工作面及其附近顶板的尖角处，发生前常连续发出“霹啪”响声。爆出的岩块成片状弹射或34、剥离。弹射距离一般23m，射击出来的岩块，多为中间厚，周边薄的菱片。开始拳头大小，速度很快，后渐为蚕豆般碎石四散弹射，最大体积为0.50.40.007m，剥离的岩块体积可达21.30.2m，岩爆发生后有岩粉尾随出现，如烟雾状，发生岩爆后的洞壁岩面一般光滑平整。属于这种类型还有挪威的Hyanger-Lanefjord隧道、Heggura公路隧道、污水隧道、瑞典Juktan抽水蓄能电站隧洞、Forsmark核电站隧洞、苏联的拉斯丰恰尔矿、基洛夫矿等。3）爆炸抛实型巨石抛射，声响如炮弹，抛石体积数立方米，至数十立方米。抛射距离数米至一、二十米，抛石对机械、支撑有损害，但震动不造成大的损害，如：挪威S35、ima地下电站，洞壁呈蛋壳状劈裂，有严重的弹射现象，一次220.5m岩块抛射20m，击中对壁。又如日本关越隧道一次大岩爆，从掌子面抛出45m3岩块，爆裂深度达4m，在岩爆特别集中的340m洞段，发生岩爆1433次，（其中掌子面1417次，侧壁16次）。再如日本的新清水隧道，岩爆发生在边墙及掌子面，岩片飞散，岩片0.20.21.22.5m，厚0.051.0m，开挖期剧烈，持续23月。冲击地压型、远围岩地震型、断裂地震型多发生在煤矿施工过程之中，在此不再多叙。3. 岩爆的断裂破坏机制岩爆的原因是具高蓄能特性的硬脆性岩体中，积蓄的应变能突然释放，发生的过程却是岩体的断裂破坏。断裂力学是研究材料特别是36、金属材料脆断破坏的一门新学科，目前已逐渐引用于岩石力学领域，研究岩体的破坏现象。断裂力学有三种基本的断裂破坏模型，即型（张开型）裂纹，型（剪切型）裂纹及型（撕断型）裂纹。而岩爆反映了岩体中的裂纹参数、岩体的应力状态及岩体本身的断裂强度（断裂韧性）之间的关系。当决定于岩体中裂纹尺寸参数及应力状态的应力强度因子大于或等于岩体的断裂韧性时，便产生快速的断裂破坏或不稳定扩张，产生岩爆。与岩体的抗拉、抗压及抗剪强度一样，岩体的断裂韧性亦是岩体所固有的一种强度指标，因此称做断裂强度，且不同的裂纹型式其值是不相同的。产生岩爆的硬脆性岩体，具有整体块状的完整结构，但其中却存在数目众多呈随机分布的微裂隙及隐微裂37、隙。洞室开挖改变了围岩的初始应力状态，在围岩特别是洞壁部位产生显著的应力集中，不但在一定的范围内可能产生拉应力，而且在靠近洞壁的部位剪应力亦最大。这就为岩爆提供了必要的应力条件，决定着围岩的断裂破坏。由于岩体中微裂隙的随机性及洞壁应力的复杂性，岩爆往往不是单一型裂纹的断裂破坏，通常为型及型裂纹的复合问题，在这种情况下，从工程角度来看可以采用下述断裂准则，即：KKKIC （2-2）这里K及K分别为复杂受力条件下断裂扩张型裂纹及型裂纹的应力强度因子，KIC为岩体型裂纹的断裂韧性（强度）。洞室开挖后，围岩的岩爆既可以随时发生，亦可以延续发生，这不但决定于围岩的受力状态，而且还与岩体的应力腐蚀特性有关38、。应力腐蚀是岩体裂隙在介质中稳定扩张的特性，地下洞室中常具地下水，对岩体断裂破坏起应力腐蚀介质的作用。在一般情况下介质对断裂破坏的应力腐蚀存在图中所示的关系。岩爆是高应力硬脆岩体中常见的一种岩石破坏现象。地下洞室岩爆常以片状剥落的形式出现，形成葱皮状结构。产生岩爆需要一定的应力条件及岩体结构和性质条件。通常多为完整的整体块状结构及厚层状结构，岩石硬脆，单轴抗压强度在1500kg/cm2以上，声波速度大于6000m/s，且只有当岩体初始应力场的最大主应力与岩块的单轴抗压强度之比值大于0.150.2的高应力条件下才可能发生。洞室的轴向布置即与初始应力场的最大主应力的关系及洞室的断面形状亦是显著地影39、响着岩爆，洞轴与最大主应力垂直且洞室具非平滑轮廓时容易产生岩爆，因为这时洞壁围岩的应力集中最严重，洞壁的超欠挖亦恶化了围岩的应力集中程度，使岩爆更容易发生。从宏观现象上来看岩爆的本质是弹性应变能的大量突然释放，但其发生机制是岩体的断裂破坏。岩体中存在数目众多的呈随机分布的微裂隙，为岩体的断裂破坏提供了必要的裂纹条件，这里裂纹受到复杂应力状态的作用及应力腐蚀，从而使岩爆具延时及延续发生的特点。3.1. 贾愚如等人提出的岩爆判据我国贾愚如、范正绮等人通过对国内大型水电工程岩爆的实测计算以及对国内外大量资料统计分析后认为：高地应力不是岩爆发生的唯一条件，岩爆的发生尚与围岩储存弹性应变能力以及围岩变形40、速度等因素有关，其破坏为脆性断裂。并在此基础上提出了一个简明的岩爆判据，可为水工地下洞室的设计和施工提供预测岩爆的依据。以下所述是该研究论文的主要内容。3.2. 岩爆的特征及破坏机理通过对岩爆的观察和分析，不难看出岩爆具有如下的特征。这些特征从不同的角度揭示出围岩动力失稳的力学原因，对认识、研究岩爆机制大有帮助。（1）围岩应力与单轴抗压强度的比值，在较低的情况下就可能出现岩爆。现摘录几个实测数据列在表4中。表4 发生岩爆时（或1）/c的比值地点工 程 名 称岩石种类切向应力（或1）（MPa）单轴抗压强度c（MPa）（或1）/c中国天生桥引水隧洞二滩水电站3号洞渔子溪引水洞瀑布沟水电站太平驿水电41、站白云质灰岩正长岩花岗闪长岩闪长花岗岩花岗岩30.090.0(3045)*21.7*31.3*88.7220.0170.0123.0165.00.300.410.170.270.180.19苏联拉斯丰恰尔矿基洛夫矿霓霞石磷霞石霓霞石磷霞石6311751110180.0170.00.350.650.300.65美国爱达荷州CAD矿（A）爱达荷州CAD矿（B）石英岩石英岩66.0*52.0*190.0190.00.350.27瑞典维斯塔轮水洞石英岩40180.00.221）为实测围岩最大切向应力2）*为实测坝址区最大地应力1（2）岩爆多发生在新鲜、完整及坚硬的岩石中，在爆裂面上，一般肉眼观察不到明42、显的裂隙。所谓完整岩体是指裂隙间距相对较大、宏观上没有贯通的岩体。岩块的破裂不是沿裂隙面发生，而是岩石内部裂纹扩展的结果。根据国内外34个曾发生过岩爆的工程统计，发生在完整、坚硬的岩浆岩中约占总数的70，在新鲜坚硬的变质岩及沉积岩中的约占30。其单轴抗压强度一般均在60MPa以上。如天生桥二级引水隧洞2号支洞，发生岩爆的洞段为：02300500（c100MPa，岩石完整系数0.90）；06450880（c80MPa，岩石完整系数0.75）；09200936（c80MPa，岩石完整系数0.90）。上述特征反映了岩爆发生的岩性条件。新鲜完整及坚硬的岩石近似于弹性体，其应力应变关系曲线近于直线。只有43、这样，岩石才能积聚大量的弹性应变能，使断裂面的岩块获得足以弹射的动能。如果存在着明显的裂隙、节理以及受力后产生较大的塑性变形，则外力功将过多的被耗散，失稳的岩块就不可能获得足够的动能。（3）岩爆一般发生在洞室开挖后数小时或数天内，也有持续一至几个月后逐渐减弱或停止的。一般而言，比较剧烈的岩爆多发生在开挖后数小时内。洞室开挖后，围岩应力有一个调整的过程，其时间的长短与岩石的结构等因素有关，一般在很短时间内就可完成。对持续数月才能减弱或终止的现象有不同的解释：有人指出这是岩体变形的时间效应所致。然而；发生岩爆的岩体近似于弹性体，这种岩石在短时间内（几个月到一年）的蠕变量是有限的；从下面的蠕变试验成44、果中将可以看出这一点。综上所述，发生岩爆的岩体虽然在宏观上是完整的，但在微观上其内部存在着许多随机分布的微裂隙，或用常规手段无法发现的非常小的不均匀粒子，当围岩受力后其中处于最不利方向的裂隙端部，将会产生极高的集中拉应力，这个应力足以克服分子引力造成的内聚力，使裂隙端部产生新的拉伸破裂。一般情况下，岩体的宏观破裂并非是单个裂纹扩展形成的，而且单个裂纹的扩展方向与宏观方向也不一致。只有当微裂隙破裂和相邻裂隙相互连通起来，逐步形成裂隙带后，才有可能从微观破裂发展成为宏观破坏。而宏观破坏的形态，可能是剪切或张性破裂，这取决于岩石的结构和裂隙开展的方向等多种因素。由此可以得出，岩爆破坏的进程可以分为三45、个阶段：低应力状态下的微裂纹扩展微裂隙相互贯通，形成宏观破坏岩体中贮存的弹性应变能转化为动能，使破裂的岩块以不同的速度弹射出去，即为岩爆。（4）室内试验成果围岩应力是导致岩爆发生的外部条件，但不是充分条件。因为岩石的结构和构造不同，变形特性也不相同，所以在相同应力条件下，围岩发生岩爆与否，尚取决于岩体的变形特性，这可以用岩石弹性能量指数（WET）表示。当对岩石试件加载时，外力所作的功（W）等于： （2-3）所谓弹性能量指数是指加载到0.700.80c时，再卸载到0.05c，这时卸载释放出的弹性应变能（E2）与耗散的应变能（E1）之比，用WET表示，则有： （2-4）弹性能量指数的大小，可反映岩46、石具有爆裂倾向的程度。这里，我们用天生桥水电站等地的11种岩石进行测试，其结果列于表5。从表5可以看出：天生桥、二滩、太平驿及瀑布沟水电站实测WET值，分别为6.6，7.3，9.0和5.0，其值大于或等于5.0，且应力比值/c0.30，所以它们在不同程度上都发生了岩爆。而李家峡、龙羊峡和鲁布革水电站实测WET值，分别为5.7、7.4和7.8，也都大于5.0，然而应力比值却小于0.30（龙羊峡实测最大地应力19.4MPa，李家峡15.5MPa，鲁布革117MPa。如果将1换算成，再与c相比，其比值均小于0.30），却不曾发生岩爆。这表明，WET值只反映了岩性条件，即是说岩体只具有发生岩爆的内在因47、素是不够的，同时必需满足应力条件，即围岩应力要达到临界值，才可能出现岩爆；反之亦然。 表5 若干工程弹性变形能指数测定成果工程名称岩 性抗压强度c(MPa)抗拉强度t(MPa)弹性模量E(104MPa)s/t/c试件数量备 注天生桥引水隧洞白云质灰岩88.73.75.60.876.60.04239发生岩爆二滩水电站3号支洞正长岩220.07.45.90.937.30.03445发生岩爆龙羊峡水电站花岗岩178.05.76.70.957.40.03212未发生岩爆鲁布革水电站灰岩150.05.46.60.967.80.0365未发生岩爆龙门水库粘土质砂岩52.03.71.00.741.30.0748、06未发生岩爆黄石市大理岩99.74.85.30.883.80.0489未发生岩爆渔子溪引水洞花岗闪长岩170.0发生岩爆太平驿水电站闪长岩165.09.47.20.949.00.0576发生岩爆瀑布沟水电站花岗岩123.06.10.855.06发生岩爆李家峡水电站黑云母角闪斜长片岩115.010.00.985.7未发生岩爆3.3. 岩爆判别准则岩爆是由围岩应力状态、岩体强度、变形特性、岩体赋存环境、洞室布置和开挖方法等多种因素综合影响的结果。我们通常说的岩爆是岩体具有高地应力的一种表现形式，这是说高地应力是岩爆发生的一个外部主导因素，而内因则取决于岩体的变形特性等。如果外力不超过一定的临界值49、或者岩石具有产生大量塑性变形的能力，那么岩石就不会发生脆性破坏，而是在产生静态的弹性变形之后，以塑性破坏的形式出现。根据内外大量的实测成果及统计分析，建议对新鲜、完整及坚硬的围岩，采用下列判别式预测岩爆。 (2-5)式中系数根据围岩切向应力和洞轴线方向应力之比而定。即：轴系数如果围岩裂隙发育、岩体破碎、强度较低时，其破坏机制有所改变，这时结构面起控制作用，局部围岩可能沿裂隙、节理或其它软弱面发生剪切或劈裂，其破坏形态为坍落、滑移或其它非弹射形式的破坏。如碧口水电站为千枚岩，单轴抗压强度12MPa，围岩最大切向应力（计算值）8.4MPa，两者之比为0.70，远大于0.30，但其破坏形态为冒顶、坍50、方和边墙内鼓，并无岩爆发生。从分析研究中得出的主要结论：（1）岩爆是岩体具有高地应力的一种表现形式。但高地应力不是岩爆发生的唯一条件，尚与围岩储存弹性应变能力等因素有关。（2）水工地下洞室发生岩爆时，围岩应力与单轴抗压强度之比约为13。这是岩体在低应力状态下的脆性断裂。（3）岩爆多发生在新鲜、完整及坚硬的岩石中，这是岩性条件。但如果围岩裂隙发育，强度较低，则其破坏机制有所改变，一般是坍方和内鼓，无岩爆发生。（4）在综合考虑岩石应力、应变状态的基础上提出的岩爆判据，较单一的应力判据更为完善。据此可以预测洞室是否会发生岩爆，以便使我们能够采取相应对策，防止或减缓岩爆对人身和机械设备所造成的危害。451、. 岩爆的防治处理世界各国在与岩爆作斗争中，总结了许多防治方法，归纳起来有：改善围岩应力、改变围岩性质、加固围岩、改善施工方法及防护等几种方法。4.1. 改善围岩应力的方法从强度理论角度看，岩爆是一种破坏，伴随着破坏释放能量而造成震动、抛突、坍落、堵塞等灾害，因此如果能使围岩应力小于围岩强度就不会发生岩爆，要达此目的有以下几种方法：（1）慎重确定地下洞室穿行方位在设计阶段，选定地下洞室穿过方位时，根据区域性构造地质所提供的资料，尽可能回避处于活跃期的褶断带，不要使洞室的施工造成大的、老的构造复活或形成所构造的诱发因素。这就可避免承受复杂而巨大的地质应力的破坏作用，也包括施工中的岩爆袭击。这需要52、作过细的工程地质工作。（2）在布置地下工程时，应尽量使长轴方向与最大主应力平行，这样可以减小洞壁围岩的切向应力。（3）在开挖爆破时，采用短进尺，多循环亦可以改善围岩应力状态。（4）选择合适的洞形，以改善围岩应力状态。（5）改变导坑段面形状在开挖过程中，改变导坑断面形状，将通常采用的梯形面改为弧形拱顶。这不仅减小了围岩压力，更重要的是有利于岩层隐藏的弹性势能从急变缓地释放，也改善了临时支护受力状态。适当提高拱顶开挖高度，一般提高0.3m，有利于衬砌混凝土施工时时临时支护的拆换和模板的安装。（6）断顶法这是门头沟煤矿长期摸索出来的一种治理冲击地压的方法。断顶法的施工要点和主要目的是：在待采煤体隔离53、煤柱一侧的老采空区内，对大面积悬空顶板进行人工强制局部崩落，形成宽略6m，深为68m的一条沟，用以人工调配顶板应力分布，减小待采煤体开采后的应力集中，削弱空区顶板与待采区顶板岩层的力学联系，防止冲击地压。（7）回填法回填法在南非金矿中用得较多，在采空区回填废碴，回填有两个优点：第一，减少矿坑跨度，减少最终收敛量及每一次回采矿中的诱发位移，第二，围岩压密回填物质必然做功，围岩可以释放能量。（8）解除应力法人为地解除应力的方法是颇为主动的方法。该方法是在预计可能发生岩爆的洞段内，通过人工进行垂直于掌子面的超深钻孔施爆工作，造成掌子面内相当深度的地方成为一个破碎带，以减轻掌子面上的压力，从而使岩爆的54、烈度和影响范围得以降低，即使在具足够大的高应力区内产生突发性的较大岩爆，也会因破碎带的缓冲效应，使其危害程度大为减小，从而保证施工人员的安全，这种人工解除应力的方法还可以产生增大掌子面破裂带宽度的效应，以及产生把高应力峰值从掌子面移动到实体岩石的效应，以及产生把高应力峰值从掌子面移动到实体岩石的效应。实施该方法的问题主要是应力解除孔的钻进深度、时间间隔以及装药量等，均需视实际情况而定，一般似应确保在掌子面前方至少有几米厚的破碎岩石缓冲带存在。通过多次实践证明，实施应力解除的结果，不仅可以用于减少一般岩爆的影响，而且还可用于哪些为数不多的严重岩爆中，由此而使因岩爆引起的伤亡人数和延误的施工时间显55、著减少并在心理上给予施工人员极大的安慰。另外，在进行人工应力解除爆破的同时偶尔发生的轻微岩爆，防止了发生突发性岩爆条件的形成和猛烈岩爆的发生，这一点对不可避免的岩爆发生来讲，是控制岩爆发生的重要手段。对于人工应力解除措施未能防止岩爆发生的情况，可能与岩石的残痕以及哪些由于自然原因或人工原因应力已被解除的地方有关。采用仪器了解应力解除爆炸破裂的效应，从而给出掌子面前方破碎带扩大的范围以及岩石破碎的程度，有利于有关的各种变量组合达到最大效应。应力解除法的应用经实践检验证明，不仅原理正确，而且也能够实际应用，是防治岩爆的有利措施之一，其存在问题有待在实践中摸索改进。4.2. 改变围岩性质的方法（1）56、钻孔压力注水法应用钻孔水力劈裂法向孔内进行高压注水，造成岩体产生裂缝，达到缓减应力集中、减弱岩爆的目的，也是一种经常采用的措施。在我国煤炭部门，广泛使用对煤层预注水法以改变煤的变形及强度特性。煤试样浸泡水以后动态破坏时间增加，能量释放率显著下降。煤层压力注水一般有两种方式，一是煤层开采前进行压力预注水，使煤体湿润，减缓和消除煤的冲击能力，这是一种积极主动的区域性防治措施。第二种是对工作面前方局部应力集中带进行高压注水，以减缓应力集中，解除冲击危险。是一种局部解危措施。（2）表面喷水法爆破后立即向工作面及附近洞壁岩体喷洒高压水，以降低岩体的强度，增强塑性，减弱岩体的脆性，降低岩爆的剧烈程度；同时57、可以起到降温除尘的作用。也可利用炮孔和锚杆孔向岩体深处注水，以取得更佳效果。（3）改善施工方法将深孔爆破改为浅孔爆破，减少一次装药量，拉大不同部位炮眼的雷管段位间隔，从而延长爆破时间，减轻爆破对围岩的影响，减小爆破动应力场的叠加，降低岩爆频率和强度。改变洞室的开挖断面形状，把洞室直接或近似开挖成相应于岩爆后围岩稳定的洞室形状，如“A”字形、不规则的梯形等，从而减小岩爆的程度。在强烈岩爆区用台车打应力释放孔。4.3. 加固围岩的方法对已开挖的洞壁进行加固以及掌子面前方的超前锚固，其作用有两个，第一，改善掌子面及12倍洞径洞段内围岩的应力状态，由于支护的作用，不但改变应力大小的分布，而且还使洞壁从58、单轴应力状态变为三轴应力状态。第二，防护作用，防止弹射、塌落等事故。一般加固方法有以下几种：（1）喷混凝土法此法可用于弱岩爆洞段。对岩壁进行喷混凝土，厚度一般为510cm。（2）喷钢纤维混凝土法喷钢纤维混凝土，由于钢纤维混凝土具有较大的柔性和抗剪能力，因此，能够承受较大的变形而不使表层开裂。钢纤维混凝土比较适合处理轻微岩爆。（3）锚杆法锚杆是加固和治理中等岩爆最有效的方法之一，及时施作锚杆不仅可以加固岩体，还可以改变洞壁岩体的应力状态，改变岩爆的触发条件，控制岩爆发生的前两个阶段的发展，从而达到防止岩爆发生的目的。锚杆应在离掌子面两倍洞径范围内施作，或超前施作；锚杆的长度一般大于2.5m，间距59、一般视现场情况定；锚杆的类型一般选用机械式锚杆、摩擦锚杆、膨胀锚杆。在日本关越隧道，为防止掌子面岩爆飞石造成伤亡，进行短进尺爆破。将原计划的3m改为0.91.2m，掌子面采用3m长的锚杆进行锚固，爆破后锚杆剩余长度起加固作用。然后再用3m长锚杆进行锚固，锚固后再打炮眼，进行下一循环爆破。边墙采用钢支撑和钢板桩支撑。在挪威Hyanger-Lanefjord隧道中，用系统锚杆及钢纤维喷砼加固发生岩爆的洞壁，取得了满意的效果。在挪威Sima电站地下厂房，发生严重岩爆，用38m长的锚杆锚固，并进行挂网喷砼处理。在瑞典的Ritsen地下厂房交通洞中，顶板连续松脱，每月加深0.5m，用锚杆阻止了劈裂的扩展60、。（4）喷锚法和挂网喷浆法对于岩爆后残留岩片较多且危及安全时，可采用喷锚法处理，用锚杆加固后再行喷浆，锚杆深度一般为34m，间距12m；对于残留岩片较普遍时，则需采用挂网喷浆法以防掉块。（5）锚网喷联合支护采用锚网喷联合支护，适用于中等和强烈岩爆区，除了安装系统锚杆外，还可配合挂钢筋网和喷混凝土，也可用喷钢纤维混凝土代替挂网喷护。（6）钢拱架支护和混凝土衬砌支护（7）开缝式锚管支护在美国爱达华州的某矿井，对因埋深大及岩体内存在水平应力等原因，导致该矿开采面及附近地区出现的震级达里希特震级26级岩爆的解决办法是采用开缝式锚管，对认为可能发生岩爆的区域进行支护，其具体方法是先用风钻或钻车沿隧洞的纵61、向和横向，间隔1.8m钻直径为35mm的孔，再用风钻或钻车将直径41mm的开缝式锚管压入孔内，然后将锚管的尾端板紧固的支护顶拱或边墙的垫板（0.32.4m2）上。这种用开缝式锚管解决岩爆的方法经实践证明，能够抗住上述量级的岩爆，且具有装设方便、立即起到支护作用的特点。（8）Swellex锚杆支护在日本钟钩高速公路第二隧道的施工中多次发生岩爆，施工单位曾试用玻璃纤维锚栓以及用树脂粘固的钢筋栓等方法防治，都未能奏效，爆破后锚栓脱落，岩爆继续发生。后经多次试验研制出Swellex锚杆，满足了防治岩爆的要求。在爆破后仅锚栓外端被炸掉，其余部分仍留在岩体中，从而对工作面起到支护作用，使之不受岩爆干扰。具62、体做法是将安放在凿岩台车上的22根4m长的锚栓垂直插入工作面，并向内延伸再行钻爆。爆破深度1.5m，锚栓炸断后在岩体内尚遗留2.5m起支护作用，随后进行喷锚支护，再进行掘进的工作顺序。这种锚栓具有稳固岩体、阻止岩爆且无需水泥灌浆或树脂处理、收效快的特点，它可以使工作面岩体的部分应力由22个锚栓孔释放出来。Swellex锚栓材质坚硬且具有可压缩性的特点，使其能够阻止岩块滑动，保持较大的约束力，在锚栓卡盘下放置木块，可以调节因岩石破碎所产生的应变，并使岩体快速平移卡住锚栓间岩体碎块。对中等至严重岩爆防治时，要配以喷混凝土和钢筋网共同使用，经使用证明，它能够防治岩爆。4.4. 防护、躲避及监测措施（63、1）采取防护措施增设临时防护设施，给主要的施工设备安装防护网和防护棚架，给施工人员配发钢盔、防弹背心等，掌子面可加挂钢丝网。利用钢丝网、尼龙网等防护物拦挡岩爆飞石。比如，日本关越隧洞，除前述掌子面超前锚固外，在台车上装上钢丝网防护，保护打炮眼，装药工人的安全。在天生桥水电站，在掘进机及后配套上安装了“铁甲”，构成一个“防石棚”避免了岩爆块塌落伤人，砸毁机器设备。（2）主动躲避及清除浮石岩爆非常剧烈时，为了安全，应在危险距离范围以外躲避一段时间，直至岩爆平静为止。之后，应加强巡回撬顶，及时清除爆裂的危石，确保施工人员的安全。岩爆一般在爆破后一小时左右比较猛烈，以后趋于缓和，多数发生在12倍洞径的64、范围内，所以躲避是一种行之有效的方法。比如在挪威的Sima地下厂房，每个爆破循环之后，工人必须躲避在安全处，让严重的岩爆平息之后再进行施工。此外，在施工过程中加强发生检查和危石处理，认真防护观察围岩动态。如发现撕裂声，立即撤离人员与机具。（3）加强施工期监测值得指出的是，在施工期进行必要的围岩监测，如声发射、变形监测和应力监测等，预测临爆前的信息，从而采取有效的防范措施。这种方法是行之有效的手段，是有一定实用价值的。5. 处理岩爆问题的工程实例5.1. 中国秦岭隧道位于陕西省柞水县长安县境内的秦岭隧道是目前中国最长的铁路隧道，全长18.5km，为两条单线并线的铁路隧道。其中，线用钻爆法施工（线65、平导已于1998年3月贯通），线引进德国WRLTH公司生产的全断面开敞式式掘进机施工（于1998年2月开工），线平导作为线隧道TBM施工的地质勘测导洞。在平导施工中进、出口两端都发生了较为强烈的岩爆，一度给施工造成很大的困难。5.1.1. 秦岭隧道地质概况（1）隧道通过区段的主要岩性及分布特征秦岭隧道通过北秦岭地区，岩体由一系列经历了多期变质作用、岩浆活动和混合岩化作用的复杂岩石组成，隧道通过区段出露的主要岩层有：含绿色矿物的混合花岗岩、混合片麻岩、花岗伟晶岩、条带状混合片麻岩、眼球状混合花岗岩、长英质闪长片麻岩、蚀变闪长玢岩、变安山岩、霏细岩、细碧岩、断层角砾岩、构造片岩等。其中花岗伟晶岩、66、蚀变闪长玢岩、变安山岩、霏细岩、细碧岩属于脉岩类，断层角砾岩、构造片岩为动力变质岩。岩爆区主要岩性为混合片麻岩、条带状混合片麻岩、眼球状混合花岗岩、花岗伟晶岩岩脉。主要岩性分布段见表5。2）隧道通过区段的区域性地质构造和构造应力场特征秦岭隧道位于我国华北古陆与扬子古陆两大陆台的结合带，穿越秦岭背斜褶皱带。经历多期构造运动以及长期的发展演化，其内部组成与构造变形十分复杂。隧道所通过区段断裂构造发育，其中区域性断裂构造有5条，级大断层16条，级断层47条。主要断裂构造，可分为近东西向、北西向、北东向和南北向四级，其中近东西向的F2、F4、F5断裂带为控制区内构造格架的主要断裂带。根据MSS、TM卫67、星图象和断裂构造的实测资料，可发现本区燕山期的南北挤压向的古构造应力场形成了本区的构造格架。燕山期南北挤压向之后，该区又经历了三期构造应力场：（）扩张期应力场；（）以NW向挤压为主的应力场；（）NESW向挤压、NWSE向拉伸的应力场。5.1.2. 秦岭隧道线平导洞施工中岩爆发生的特征秦岭隧道线平导洞施工中虽然各段岩爆发生的状况各有不同，但总体来看，岩爆的发生仍然存在着一定的共性特征。1）岩爆和地质因素的关系秦岭隧道横穿秦岭大瓢背斜，隧道施工中在背斜不同部位岩爆发生在洞室的部位各有不同。由秦岭隧道进口到DK72000段，该段处于秦岭大瓢背斜的北翼，岩爆发生在洞室的右壁到右拱顶；由秦岭隧道的出口段68、DK77850到DK72700段，该段处于秦岭大瓢背斜的南翼，施工中岩爆多发生在洞室的左壁到左拱顶；DK72000DK72700段处于秦岭大瓢背斜的轴心部位，岩爆发生在洞室的右壁右拱顶拱顶左拱顶左壁。这和秦岭地区长期受南北向挤压的古构造应力场特征基本相符。秦岭隧道线平导施工中的岩爆发生和断裂构造的节理密集带相交替出现，多发生在岩体较为完整的断层的上下两盘。断层带中岩体破碎地带、节理裂隙闭合较差的地带无岩爆发生；剪切节理发育，但发育组数较少且节理裂隙闭合较好的地段仍有岩爆发生（见表7）。表6 秦岭隧道通过区岩性及分布情况分 段岩 性线里程范围线里程范围备 注第一段混合片麻岩DK64370DK6869、670DK64375DK68670第二段混合花岗岩DK68670DK70800DK68670DK70780第三段混合片麻岩DK70800DK79580DK70780DK79590部分地段为眼球状混合片麻岩和条带变质岩第四段含绿色矿物的混合花岗岩DK79580DK82813.6DK79590DK82821表7 秦岭隧道线平导岩爆区岩性及断裂构造岩爆区段里程岩爆等级岩爆区段岩性断裂构造里程DK64+500+570轻微混合片麻岩，局部贯入长英质伟晶岩DK64+595.5+599(fsN1)DK64+809+814中等混合片麻岩，局部贯入长英质伟晶岩DK64+845+885(fsN2)DK65+13570、+198轻微中等混合片麻岩，局部贯入长英质伟晶岩DK65+037+059(fsN3)DK66+730+760轻微混合片麻岩，局部贯入长英质伟晶岩DK66+633+645(fsN9)DK69+100+108中等混合花岗岩，局部夹有片麻岩残留体DK69+007+052(fsN21)DK71+620+770轻微混合片麻岩为主，条带和片麻状构造，局部夹花岗质伟晶岩脉DK72+080+680轻微中等强烈混合片麻岩为主，条带和片麻状构造，局部夹花岗质伟晶岩脉DK73+072+395轻微中等强烈混合片麻岩为主，条带和片麻状构造，局部夹花岗质伟晶岩脉DK73+002+009(fq9)DK73+810+875中71、等混合片麻岩为主，条带和片麻状构造，局部夹花岗质伟晶岩脉DK74+130+220(fss21)DK74+298+363中等强烈混合片麻岩为主，条带和片麻状构造，局部夹花岗质伟晶岩脉DK74+130+220(fss21)DK74+510+890轻微中等强烈混合片麻岩为主，条带和片麻状构造，局部夹花岗质伟晶岩脉、黑云母片岩残留体节理密集带间隔发育（该段出现软岩地段高应力破坏特征）DK75+414+416；+505+583轻微中等混合片麻岩为主，条带和片麻状构造，局部夹花岗质伟晶岩脉DK75+412+426(fss19)DK75+536+560(fss18)DK75+880+882轻微混合片麻岩为主72、，条带和片麻状构造，局部夹花岗质伟晶岩脉DK75+633+704节理密集带间隔发育DK75+960DK76+946轻微中等强烈混合片麻岩为主，条带和片麻状构造，局部夹花岗质伟晶岩脉DK77+130+220节理密集带间隔发育DK77+144+360轻微中等强烈混合片麻岩为主，条带和片麻状构造，局部夹花岗质伟晶岩脉DK77+095+135节理密集带间隔发育DK77+619+840轻微中等强烈混合片麻岩为主，条带和片麻状构造，局部夹花岗质伟晶岩脉DK77+891+902(fss14)岩体的高地应力是发生岩爆破坏的能量因素和动力因素。岩体的初始应力既受构造应力、构造残余应力、洞室上覆岩体自重应力的影响73、，同时还受岩性、岩体断裂构造发育状况的影响。一般工程中把岩体的最大主应力大于2025MPa的初始地应力称为高地应力，秦岭隧道施工中对平导洞不同区段进行了地应力测试，测试数据见表8。表8 秦岭隧道线平导实测岩石强度里 程干抗压强度（MPa）饱和抗压强度（MPa）里 程干抗压强度（MPa）饱和抗压强度（MPa）DyK64+375DyK68+67010014894142DyK77+650DyK79+590117182116130DyK68+670DyK70+780152209116177DyK79+590DyK81+950126143121131DyK70+780DyK72+00014018892174、52DyK81+950DyK82+230117141108134DyK72+000DyK76+980821496781DyK82+230DyK82+821226207DyK76+980DyK77+650143325116264因地应力测试受现场施工条件的限制，应力测试点往往并不是岩爆发生点，应力测试值要小于岩爆区的实际应力值。秦岭隧道区岩爆主要发生在质地坚硬、强度较高、干燥无水的混合片麻岩、条带状混合片麻岩、眼球状混合片麻岩、长英质闪长片麻岩岩层中。秦岭隧道的混合片麻岩地带，穿插较多的花岗伟晶岩岩脉和长英质闪长岩岩脉，宽度0.1cm10m大小不等。开挖过程中岩脉的尖端岩体常是岩爆最为剧烈点。施75、工中DyK77+720、+780（花岗伟晶岩岩脉）、DyK77+149（长英质闪长岩岩脉）、DyK74+360（花岗伟晶岩岩脉）、DyK76+420（长英质闪长岩岩脉、花岗伟晶岩岩脉）等段，体现了因岩体尖端应力集中造成尖端破坏的理论。2）秦岭隧道线平导岩爆发生的特征岩爆声响特征声响既发生在掌子面，也发生在正在发生岩爆的岩体处。高地应力段洞室施工中，在刚开挖的工作面可听到岩体内部沉闷的岩体开裂声，声响大时如炮声。平导洞掌子面处推进至DyK77+172处，出完碴测量时，掌子面内部便发出沉闷如炮声的岩体内部开裂声；有时发出“喀喀”的声响。这种声音一般在刚开挖后20分钟至6小时可以听到，掌子面发生岩爆76、的声响可以持续至810小时。掌子面发生岩爆的声响可以持续至810小时。掌子面后部岩爆处岩体爆裂声，一般轻微岩爆的声音，较为清脆，可以清晰地听到“啪、啪”的声响；强烈岩爆地段便可听到“澎、澎”，同时夹有“噼、噼”的声响。岩爆爆落体的特征由于岩爆剧烈程度的不同和岩性的不同，岩爆的爆落体也各有不同。剥落型岩爆体多为一边簿一边厚，如砍刀状；轻微弹射型岩爆多为细长的椭圆片体，该片体中心厚周边簿，片体大小一般由560.5(cm)28016035(cm)不等；强烈抛射型岩爆体，多为四棱块状，块体直径一般为1092cm。岩石矿物晶粒较小的致密混合片麻岩，弹射型岩爆时在爆落体弹射出的同时有一圈岩粉伴随射出；岩石77、矿物结晶程度较好晶粒较大的花岗伟晶岩，弹射型岩爆时在爆落体弹射出的同时有一圈岩粉伴随射出，同时在爆落岩体基岩表面有被撕裂的矿物晶体薄片，大小如指甲或铜钱；侵入脉体尖端的岩爆往往较为剧烈，岩爆体多为块体。岩爆发生的频率、强度与工程施工的关系岩爆的强度、频率首先由地应力状况、岩性、地质构造等条件决定，但同时也受工程的施工影响，洞室的开挖使掌子面地应力由三维状态变为二维应力状态，应力局部集中。当围岩的最大切向应力达到岩爆发生的临界状态时，岩爆便会发生，据现场观察，岩爆的强度、频率与掌子面的位置及洞室开挖时间密切相关。（a）岩爆的强度、频率与掌子面距离的关系线平导岩爆区段一般发生在掌子面9100m范围78、之内的岩爆较为频繁剧烈；特强烈地段掌子面发生的岩爆，离掌子面300500m范围内喷上混凝土后也偶有岩爆发生。（b）岩爆的强度、频率与破爆间隔时间的关系受爆破动力场重复叠加的影响，促使围岩应力达到极限状态，从而诱发岩爆的发生。岩爆坑及爆裂面的特征强烈岩爆段岩爆过后，洞室断面形状多为“A”字形；一般岩爆段岩爆过后，洞室形状多变为锅底形。同时，形成的岩爆坑边沿多为阶梯面，其中一组破裂成与开挖洞壁平行，另一组与洞壁斜交。破裂面以新鲜破裂为主，少数沿袭原生裂隙面。新鲜面上爆裂纹定向排列，与隧道洞壁切向应力大致平行。5.1.3. 秦岭隧道线平导钻爆法施工中对岩爆的处理根据岩爆的特征，结合现场的实际情况，岩79、爆段的施工处理基本上可分为两类：一是岩爆区段的支护与安全防护；二是调整围岩的应力状态，主动消除岩爆。一般把前一种处理方式叫被动处理；把后一种称为主动处理。1）岩爆区段的支护与安全防护增设临时防护设施，给主要的施工设备安装防护网和防护棚架，给施工人员配发钢盔、防弹背心等，掌子面可加挂钢丝网。喷钢纤维混凝土，由于钢纤维混凝土具有较大的柔性和抗剪能力，因此，能够承受较大的变形而不使表层开裂；钢纤维混凝土比较适合处理轻微岩爆。锚杆是加固和治理中等岩爆最有效的方法之一，及时施作锚杆不仅可以加固岩体，还可以改变洞壁岩体的应力状态，改变岩爆的触发条件，控制岩爆发生的前两个阶段的发展，从而达到防止岩爆发生的目80、的。锚杆应在离掌子面两倍洞径范围内施作，或超前施作；锚杆的长度一般大于2.5m，间距一般视现场情况定；锚杆的类型一般选用机械式锚杆、摩擦锚杆、膨胀锚杆。采用喷网喷联合支护，在中等和强烈岩爆区，除了安装系统锚杆外，还可配合挂钢筋网和喷混凝土，也可用喷钢纤维混凝土代替挂网喷护。岩爆非常剧烈时，为了安全，应在危险距离范围以外躲避一段时间，直至岩爆平静为止。加强巡回撬顶，及时清除爆裂的危石，确保施工人员的安全。2）调整围岩的应力状态及岩体特性，主动消除或减轻岩爆喷洒高压水爆破后立即向工作面及附近洞壁岩体喷洒高压水，以降低岩体的强度，增强塑性，减弱岩体的脆性，降低岩爆的剧烈强度；同时可以起到降温除尘的作81、用。也可利用炮孔和锚杆孔向岩体深处注水，以取得更佳效果。改善施工方法（a）将深孔爆破改为浅孔爆破，减少一次装药量，拉大不同部位炮眼的雷管段位间隔，从而延长爆破时间，减轻爆破对围岩的影响，减小爆破动应力场的叠加，降低岩爆频率和强度。（b）改变洞室的开挖断面形状，把洞室直接或近似开挖成相应于岩爆后围岩稳定的洞室形状，如“A”字形、不规则的梯形等，从而减小岩爆的程度。（c）在强烈岩爆区用台车打应力释放孔。超前应力解除台车在工作面钻眼时，在掌子面周边拱线处钻两排4.55.0m深的炮眼，（间距4050cm，外插角2535），炮眼间隔装药，每个装药的炮眼装500750克40mm的4抗水铵梯岩石炸药，并在掌82、子面同时起爆。这样，可以在拱部23m以上的岩体内部形成一个爆破松动圈，截断岩体内部应力的集中，从而减小洞室岩体的切线应力，借助岩体本身可形成一种支护层。5.1.4. 秦岭隧道线TBM施工中岩爆预测、预报及处理措施（1）岩爆预测、预报岩爆可能发生的区段秦岭隧道是两条平行的单线铁路隧道，线对中间距为30m，由于秦岭隧道线平导施工中有些地段发生强烈的岩爆，预计线施工相对应的区域地段仍将发生强烈的岩爆。线TBM施工中岩爆预测（a）由于线平导的开挖改变了洞室周围的应力状况，在一定程度上降低了线洞室周围最大主应力值；同时，线采用圆形洞室断面，改善了洞室的应力分布；由于TBM施工质量的大大提高，减少了应力的83、局部集中。因而线施工中岩爆强度应相应有所降低。（b）线施工中岩爆发生的部位，和平导施工中岩爆发生部位基本对应。（c）线施工中岩爆一般发生在刀盘后20300m范围内，但随洞室开挖速度的变化，岩爆范围也将随之发生变化。（2）秦岭隧道线TBM施工中岩爆灾害处理建议刚开挖后的洞室应及时多次喷洒高压水，直至锚、挂、喷工序结束。由于线施工中岩爆一般在刀盘后20300m范围内发生，这样就给打锚挂网提供了时间，因而采用锚、挂、喷相结合来控制岩爆，将是线掘进机械中处理岩爆的最佳措施。对岩爆区段，适当加长锚杆的长度，减小锚杆的间距，减小挂网的钢筋网距，缩短挂喷的间隔。如有可能可采用钢纤维混凝土喷护。增设临时防护设84、施，给主要的施工设备安装防护网和防护棚架，给施工人员配发钢盔、防弹背心等。5.2. 中国四川省岷江渔子溪一级水电站引水隧洞引水隧洞全长8429m，全洞线皆处于中高山区，山体雄厚。隧洞埋深较大，大部分都在200m以上，最大埋深达650m，仅在穿过某些沟谷的地方埋深较浅，如擦耳沟处埋深约70m，在肖家沟处约120m。洞线位于渔子溪左岸，与岸边的水平距离一般为300600m。隧道围岩为中粒和中细粒的花岗闪长岩和闪长岩，并有多期中基性岩脉穿插，岩体较完整。在大地构造部位上，系属龙门山“华夏系”构造带。拦河闸上游隧洞进口以西约11km左右，有下索桥中滩铺断裂带，厂房以南约800m有北川中滩铺断裂带。隧洞85、区构造受上述两条断裂带所控制。构造形态以断裂为主。据全洞线284条断层和43条挤压破碎带统计分析，归纳有如下的规律：走向北东3050最为发育，占全部断层的三分之一，其次为北东东，近南北及北西向。北东3050与北东东向为压性或压扭性，近南北与北西向为张性或张扭性。从隧洞进口至厂房，主构造应力方向有由北西转至近南北向的趋势。洞身通过较大的断层有FC1，在桩号8191m处与洞轴线斜交，产状为走向北东40倾向北西，破碎带宽25m，影响带上盘宽70余m，下盘宽仅5m左右。其它断层均较小，破碎带挤压均较紧密。宽度小于0.1m的占全部断层的50；0.10.5m的占35；0.51.0m的占11；大于1.0m的86、占4。由于断层规模较小，与洞轴线的交角又较大，因此，除少数断层外，大部断层对围岩的稳定性影响均较小。隧洞沿线裂隙性地下水出露较多，其流量一般较小，都沿断层与裂隙成滴渗或线状水流出，最大出水点的流量为60l/min。5.2.1. 岩爆发生情况由于隧洞埋藏较深，不少地段岩体比较完整，以及洞体周围岩体应力重分布和地应力的影响等原因，在开挖过程中曾有十余处发生岩爆，一般呈片状及贝壳状剥离。岩爆发生处的共同特征，可归纳如下几点：岩石新鲜完整，极少或看不出明显的裂隙；产生岩爆时，岩石表面干燥，具有似烘干样光泽；岩爆主要集中发生在隧洞的拱肩处或右边墙处（山体外缘一侧），裂隙走向与洞线成锐角相交。出现片状弹射87、崩落或呈笱皮状的薄片剥落；新开挖的洞体，在二十四小时顶板岩石的爆裂声最为明显，之后逐渐减弱；岩爆一般持续12个月，以后逐渐减少或趋于停止，岩石表面逐变潮。个别地段在一年以后仍有岩爆发发生。5.2.2. 岩爆产生原因分析一般来讲，洞室围岩内高储能体的存在及其应力接近于岩体强度是产生岩爆的内在条件，而某些因素的触发效应则是岩爆产生的外因。对本地区来讲，岩爆发生的基本原因是地应力较大，但是隧洞围岩的应力还并未达到危险的程度。实际上，岩爆区最大岩石覆盖厚度为540m，周边岩石最大应力仅300450kg/cm2，（应力集中系数取23），与新鲜花岗闪长的湿抗压强度17001800 kg/cm2相差很多。88、当然，在隧洞开挖爆破过程中，可能震出一些尚未贯通的裂缝，在裂缝端部的岩石会有较高的局部应力，如发展到贯通时，小块岩石的应力突然解除，应变能释放，岩块就会在爆裂声中弹出。由于地形和地质构造上的原因，也会使山体部分地区的初始应力高于上覆岩石的重量。由于开挖周边形状不规则，开挖表面的应力集中系数也会大于23。表9 引水隧洞发生岩爆的部位桩号（m）隧洞埋深（m）产生岩爆的部位岩爆距掌子面距离（m）岩爆持续时间隧洞衬砌情况1+2051+216325右拱肩不衬砌3+8083+815280右边墙钢筋混凝土衬砌4+3354+345170右拱肩开挖后3040天才发生不衬砌4+9004+915325右拱肩放炮后发89、生钢筋混凝土衬砌5+012445右拱肩钢筋混凝土衬砌5+1555+175540右拱肩喷混凝土质量不好，塌方可能性大5+7665+790450右边墙7090约一个月不衬砌，塌方可能性大5+975380右边墙40约半个月钢筋混凝土衬砌6+1006+105300右拱肩100一年不衬砌7+2187+228385右拱肩200约三个月不衬砌7+428310右拱肩约10几天钢筋混凝土衬砌本隧洞处于渔子溪河谷左岸山坡接近坡脚处。坡顶高程一般在30003500m，高出隧洞18002300m，山坡坡度3040度。根据有关资料，当地面呈斜坡时，即使无地质构造引起的附加应力，地压应力也并不全与上覆岩石的重量相一致。在90、山坡以下的深处，地压应力的第一主应力方向近乎垂直，且侧压系数接近于1.0；在接近坡面的地方，主应力方向逐渐转至与山坡坡面相平行，侧压系数逐渐减少至零，且主应力将比上覆岩石的重量大一些。本隧洞的埋深虽不小，但从山坡的总体来说，隧洞位置还是较接近坡面的。因此，地压应力的主应力方向将不完全垂直，而是略倾向河谷的，主应力的强度亦将大于上覆岩石的重量。这也是岩爆主要出现在隧洞断面右上角的原因。从地质构造方面看，洞线方向与其南面的区域性断层中滩铺断裂带的走向大致平行，倾角不大。中滩铺断裂带属压性断层，倾向隧洞一侧。因此，隧洞所在地区的构造应力在平面上与洞线方向垂直，而在横剖面上则亦倾向山坡外侧。这也说明岩91、爆发生在隧洞断面右上角的原因。在隧洞左下角岩石的应力情况虽与右上角相似，但未发现左下角有岩爆。我们认为主要原因是，隧洞实际开挖断面为马蹄形，开挖后，洞底长期留存一部分石碴，到浇混凝土底板时才清除，而且此处一般均较潮湿。此外，在隧洞拐弯段虽然埋深浅亦易在弯道内侧发生岩爆（桩号43354+345段弯道右拱肩）。5.2.3. 岩爆发生机制洞室围岩中高应力区的产生，首先应具备较高的原岩应力。在一般情况下，岩爆多发生于埋深大于200250m的坑道或其他地下洞室中，就是这个缘故。当然，在高地应力区，岩爆也可发生在浅部隧洞中。根据围岩内高储能体的分布，除与岩性有关外，主要取决于高应力集中区的分布情况。按此分92、析，岩爆有可能在以下特征部位产生。由原岩应力状态及隧洞形状所决定的围岩内的最大压应力集中区；围岩表面的高变异应力及残余应力分布区，以及由岩性条件所决定的局部应力集中区，如夹于软弱岩石中的坚硬岩体；断层、软弱破碎岩墙或岩脉等软弱结构面附近，洞体与这些软弱结构面所形成的应力集中局部增高区；已有洞体内由于新开挖影响而出现的高应力区。按岩爆发生的部位及其所释放的能量，岩爆主要有远围岩区和近围岩区两类。前者常发生于构造活动区的深矿井中，后者多发生于深埋地下洞室中。对于后者，又多发生于表面平整，有硬结核或软弱面的地方，且多平行于岩壁发生，事前无明显预兆，它与爆破使表部围岩产生发丝状裂缝，以及应力沿这类裂缝93、端部进一步集中有关。一般发生在新开挖的工作面附近，爆破后23小时，围岩表部岩石发生爆裂声，同时有中厚边薄的不规则片状岩块自洞壁围岩中弹射出来，一般块度较小，多呈几厘米长、宽的薄片，个别达几十厘米长、宽，但爆裂声大，且爆裂与弹射同时发生。至于从围岩表部剥落的岩块，一般块度较大，可达几米长、宽，但爆裂声小，且多在爆裂声的几分钟或更长时间后，才与母岩相脱离而自由落下。5.3. 中国天生桥二级（坝索）水电站引水隧洞5.3.1. 岩爆破坏特征及分布规律天生桥二级（坝索）水电站是一座低坝长隧洞引水式电站，总装机132万kW。其引水口与调压井之间用三条直线皆为10.8m的圆形隧洞联接，每条长约9.5km，中94、心距为4050m；进口至7770m洞段岩性为灰岩、白云质灰岩、白云岩，7770m至厂房为砂页岩互层段；洞身近于平行尼拉背斜，由背斜南翼通过；上覆岩层厚度平均为400m，最大达800m。岩爆发生在2号施工支洞和号引水洞已挖地段。通过对2号支洞（1390m）和号主洞（637m）总长约2027m做了调查研究和施工地质工作。了解到，发生岩爆25处（段），岩爆段长330m，占调查段总长的16。根据破坏深度、范围、沿洞线长度以及破坏断面和弹射岩片的几何形态特征、一般力学和动力学特征等，按岩爆烈度分级，大部分地段属于弱级岩爆，少数属中等强度，如2号支洞0920m段和0+936m处掌子面发生的岩爆，均属中等强95、度。1）岩爆破坏特征几何形态特征岩爆爆裂断面整体呈V形阶梯状。爆裂面中一组与隧洞切向应力（t）大致平行，另一组与t方向斜交；并在破坏面内常见有一个或多个岩爆沟槽，与t方向垂直。爆破面以新鲜面为主，有时迁就围岩裂隙面；新鲜裂面爆裂纹定向排列，与t方向平行；爆裂面边缘为犬牙状“W”形周边，尖端所指为t方向。岩爆时从洞壁弹射出的岩片，由于洞穴的曲率变化，不能再填入所形成的空间。岩片多为中部厚的透镜状、棱块状、棱块透镜状以及片状、鳞片状，少数为板状及块状、扁豆状。岩片（块）块度大小悬殊，厚度不一，厚者0.31m，薄者如纸片。一般力学特征天生桥电站隧洞岩爆面统计结果表明，破坏角一组为05，另一组为15296、5，属于脆性破坏范围。经过对岩爆断面及弹射岩片断口的电镜扫描分析，发现平行于t的一组裂面SEM形貌特征为沿晶拉花、穿晶拉花及沿化石表面拉开，属张性断口，与t斜交面SEM形貌特征为沿晶擦花、切晶擦花、擦阶擦花，属剪切性质断口。上述岩爆破坏的宏、微观特征表明，岩爆破坏的力学性质为张剪脆性破坏。动力学特征岩爆破坏的动力学特征是区别洞室围岩其它脆性破坏的显著特征。主要包括震动特征、弹射特征。震动特征：强度较弱的岩爆造成的震动一般较弱；强度高的灾难性岩爆常引起矿山和围岩的强烈震动，可释放大量能量。目前，世界范围内最大震级可达4.6级，烈度达78度，使矿山乃至地表较大范围内的建筑物遭受破坏。弹射特征：一是97、表现为抛射岩块、片具有一定的初速度。弱岩爆岩块的平均弹射初速度（）一般小于2m/s，中等岩爆25m/s，强烈岩爆510m/s，严重者10m/s。根据天生桥隧洞岩爆的高度（h=gt2）及弹射物射距（SV0t）计算，其平均弹射速度为2m/s左右，因此属弱中等岩爆。其它特征声学特征：在爆前和爆时岩体常有声响，弱岩爆常发出噼噼啪啪声响，似劈柴声；中等岩爆清脆爆裂声响，似子弹射击声；强烈岩爆，巨响似炮声；严重岩爆强烈声响，似闷雷声。天生桥电站隧洞多发出噼啪声，少数情况下，有似子弹射击声。时间效应：岩爆多在开挖的同时，于近掌子面洞壁或掌子面发生；当岩爆在掌子面后方0.61倍洞径范围内发生时，一般情况是在298、4小时内。但是某些地段在开挖一、二个月之后仍有岩爆发生，有的地段甚至持续一年之久，但强烈程度大大减弱。2）岩爆分布规律岩爆在隧洞断面上具有对称性。多数地段岩爆发生在断面左上方和右下方，少数地段在洞顶和洞底。爆裂面中连线与水平夹角一般在5010。可见了初始应力1与水平线夹角约在4060左右。这种在断面上的规律性分布特征，反映了本区岩爆类型是水平应力与垂直应力共同作用的混合应力型。隧洞沿线具有“岩爆段完整岩体段裂隙密集段”三者规律性交替重复出现的特征。完整段大裂隙间距2m，多为510m，属类围岩；岩爆段大裂隙间距多在1m，大体属于类围岩；裂隙密集段裂隙间距多在0.30.5m，有些地段为0.10.299、m，属类围岩，并且有的被溶蚀，充填有红土碎石，宽者常造成塌方。三者交替重复出现的规律性除与岩体完整性有关外，还与裂隙方向与地应力的大小方向，岩体结构的储能与释放性能有关。岩爆频度大体具有等距性。2号支洞近于中等强度的岩爆间距约100140m，弱岩爆间距1020m；号主洞岩爆间距约150180m。这种等距性主要受地质构造控制。上述天生桥电站岩爆破坏特征和规律性表明：岩爆是具有大量弹性能的硬质脆性岩体，由于开挖洞室使地应力分异，围岩应力跃升及能量进一步集中，在其作用下产生张剪脆性破坏，且在伴随声响和震动，而消耗部分能量的同时，剩余能能量转化为动能，使围岩急剧向动态失稳发展，造成岩片（块）脱离母体，100、是经历了“劈裂剪断弹射”渐进过程的动力破坏现象。5.3.2. 天生桥水电站岩爆原因分析天生桥电站产生岩爆的主要原因为：工程区处于南岭纬向构造带西延部位，后期又曾遭受北西南东向挤压作用。少量地应力测量资料表明最大主应力1方向为N2050W，这与云南地震局地震机制解和地形变资料基本吻合。1倾角5060，大小为20MPa30MPa。表明本区地应力数值较高，能量来源较充沛。第四纪以来，云贵高原处于上升阶段，本区上升高度达1000m以上。由于地壳上升，南盘江急剧下切，工程区正置河流坡降急剧变化地段，山高谷深，坡陡流急。坝址至厂房直线距离不足10km，水头高达180m。从地貌上看，也是两种地貌单元急剧变化101、的地带。以上表明，原储存于深处的大量能量，在地壳迅速抬升之后，虽经剥蚀作用使部分能量释放，但残余部分很难释放殆尽，故与缓慢上升区相比，相对较高，封存有丰富的弹性应变能。石灰岩岩性单一，组合简单，无软弱消能层，又因岩石性脆，塑性变形小，弹性变形相对增大，易于能量积累，破坏时易于释放能量，而砂页岩则相反。故岩爆发生在灰岩洞段中。同是灰岩段（07700m），由于岩石的完整性不同，各分段的强度也就不同。分类取样试验结果为：裂隙密集段岩石单轴抗压强度一般在6080MPa（溶蚀带例外），一般裂隙岩体段（类围岩）C80100MPa，完整岩体段C100130MPa（类）。在本区地应力条件下，岩爆多发生在类围岩102、中，裂隙密集岩体段因其变形较大，有塌方而无岩爆；完整岩体因其强度高，而地应力相对较低，亦不产生岩爆。由于上述“裂隙密集段裂隙段完整段”在隧洞平面上大致有等距特征，因而也控制了岩爆等距发生的规律性。今后开挖中这种规律性将随着隧洞上覆地层厚度的增加和地应力的增高，岩爆段范围会加长，烈度将变强。而完整的无岩爆段会相对缩短。5.3.3. 岩爆形成的地质条件由天生桥电站隧洞岩爆破坏特征，分布规律，原因分析及岩爆岩石力学试验研究结果共同表明，岩爆产生的根本原因在于岩体中储存有大量弹性应变能，而且大大超过它破坏时所需要的临界弹射能；即岩体必须有足够的弹性能量储备，以便有较多的剩余能量使脆性破坏后的碎岩产生抛103、射。在这种前提条件下，若岩体破坏前的永久变形越小，即脆性越大，且残余强度越低，即瞬时应力降越高，岩爆则越剧烈。从能量角度，岩爆形成的地质条件可从以下几个方面进行归纳分析：1）能量来源的地质条件能量来源是大量能量储备乃至形成岩爆的必要条件。能量来源的关键是原岩应力高和二次应力分异，使洞室周边应力跃升，能量聚集，形成围岩应力高度集中区。2）能量储存的地质条件岩石或岩体的储能能力主要受岩石性质，岩层组合，岩体结构控制。岩石性质：强度较高、弹性变形能力强的岩石储存能量的能力强。据不完全统计，目前已产生岩爆的岩石及矿石有：灰岩、白云岩、砂岩、粉砂岩、沉积石英岩、石英质砾岩；闪长岩、石英闪长岩、花岗闪长岩104、花岗岩、斑岩、正长岩；大理岩、角闪岩、花岗片麻岩、片麻岩、变质石英岩以及煤矿，铁矿，钾盐矿，金矿，铜矿等。这些岩矿除煤，钾盐等强度较低外，一般强度较高，受压时弹性变形量大，因而具有储备弹性能的能力。岩层组合关系：不仅岩石本身，而且由岩层所组成的岩体也须具备积蓄弹性能的能力。这往往与地层结构，岩层组合有关。强度低而软的岩石因其塑性变形大，不产生岩爆是众所周知的；在具有软硬相间的地层中，岩爆也不产生或较少产生。如日本关越隧洞岩爆主要发生在石英闪长岩中，在石英闪长岩与角页岩交互带很少发生，这是由于能量被软弱岩层的永久变形所消耗，而不易储存下来。岩体结构：在地应力条件和岩性条件大体相同的情况下，岩体105、结构包括节理，裂隙，层面等软弱结构面发育程度，产状及组合关系不同时，岩体储存能量的能力则有很大差异。从岩体完整性来说，类围岩因其强度较高，岩体中软弱结构面较少，在高应力作用下多以弹性变形为主，易于储存弹性应变能，类以下围岩多以塑性变形为主，储能能力差。3）能量释放的地质条件在坚硬岩体中开挖洞室，围岩主要是以三种形式释放原储存于岩体中的能量：在完整岩体中，虽然具有强度大，弹性变形能力高的储存条件，但在地应力小即能量来源不足条件下，变形远没达到极限，洞室开挖后主要以回弹方式释放储能，而很少有破坏迹象。多裂隙岩体中可能产生剪切滑或塌方等形式的破坏，将能量释放，而不产生岩爆。在不是十分完整，也非裂隙多106、的岩体，如类围岩，常产生岩爆破坏。总之，岩爆主要由岩体的能量来源，能量储存，能量释放三个基本因素决定的。能量来愈足，储能条件愈好，释放能力愈强，产生岩爆的可能性就越大，烈度则越高。而影响这三个基本因素的地质条件，归根结底是地应力（构造应力，重力，剥蚀应力，边坡应力等）、岩石弹射性能及岩层组合关系，岩体结构（完整性、主节理、与地应力1夹角）等主控因素。而水文地质条件对于中，低强度，性脆的岩石如煤影响较大，但对于新鲜，完整，坚硬的岩石影响较小。因此，在硬质脆性围岩洞室中，水文地质条件是产生岩爆的次要因素。5.3.4. 岩爆处理措施1）喷砼，洞顶清除岩爆产生的松石后，用喷砼覆盖岩爆坑，其主要作用是将107、未清除干净的小石块粘结在一起，以免下坠伤人，同时，喷护之后，岩爆若继续发展，也可以从喷层的开裂，剥落上观察出来。2）系统锚杆，在岩石层理较发育的洞段，为防止劈裂，剥落岩块塌落，施作了系统锚杆。3）钢支撑加喷砼，在掘进机施工的2支洞中，在09100+936米洞段，岩爆深度达1.75m，浮石多，不易清除，主要怕砸坏掘进机后配套系统，采用钢拱架支撑，但由于荷载大，几处被压塌，经多次喷砼后，形成了较厚的喷砼拱，才使其稳定。5.4. 中国四川省太平驿水电站引水隧洞5.4.1. 工程概况太平驿水电站位于四川省汶川县境内，为岷江上游第二座引水式电站。电站由拦河坝、引水闸、有压引水隧洞、调压井、压力管道和地下108、厂房等水工建筑物组成，设计总装机容量为26万kW，由中国华能集团公司、四川省阿坝州和国家能源投资公司共同投资兴建。工程于1991年正式开工。引水隧洞全长10467m，圆形断面，0.30.9m厚素砼或钢筋砼衬砌，成型内径9m，布置于岷江左岸，区内山高坡陡、沟谷深切，两岸临江坡高500600m，江面与山顶高差达1000m以上，天然坡度4060。隧洞围岩岩性以晋宁澄江期花岗岩、闪长岩和花岗闪长岩为主，岩体致密坚硬，一般岩体较完整、属块状结构。隧洞高程约为1050m，垂直埋深100600m，水平埋深100700m，山顶高程在2200m以上。岩层主要结构面与洞线近于正交。沿线要横穿箩筐湾沟、银杏坪沟、娑109、婆店沟和一碗水沟等四条较大沟谷，其中箩筐湾沟规模最大。该工程2号支洞工区引水洞围岩为新鲜完整的花岗岩，岩质坚硬，单轴抗压强度为190200MPa，岩体中储藏着岩浆岩的残余应力、构造应力及自重应力的叠加，属高地应力区，施工中岩爆频繁。5.4.2. 岩爆概况2号支洞在开挖过程中，当进入山体约320m时开始出现岩爆，此处垂直埋深为300m，第一次出现岩爆为1991年9月17日，随后时断时续，频繁发生；1支洞开工较晚；1992年3月25日引水隧洞05520+565段拱部首次发生岩爆，落石约4m3最大石块为2m1.3m0.5m，该段垂直、水平埋深均只有约100m。经粗略统计，从1991年9月17日至19110、93年6月15日，引水隧洞在2060m长度范围内发生大小岩爆1000余次，伤人10人（无人死亡），损坏机械设备价值近百万元，造成停工累计100余天，对施工安全构成了严重的威胁。5.4.3. 岩爆发生的一般规律一般发生在岩体干燥、完整无裂隙的花岗岩及富含石英岩脉的花岗岩中；大部分岩爆（占记录到的90）连续发生在开挖后半个月内，也有少数发生在暴露一个月甚至数个月之后；爆落石块有块状、亦有薄片状、粉末状。岩爆面积从零点几平方米到数百平方米不等，破坏深度从3cm到4m不等，一次岩爆最多可达到数百方；主要为爆落型，亦有少数弹射型；大多数岩爆声响巨烈，有时声音微弱，有时响声过后，当时不掉石块，过很长时间才111、掉；岩爆部位，引水隧洞绝大多数发生在靠河一侧拱部；引水洞第二次扩挖，仍会有岩爆发生。5.4.4. 岩爆发生机理的分析岩爆区岩性为新鲜花岗岩，岩质坚硬，脆性大，单轴抗压强度190200MPa，岩体多具整体块状结构，具有蓄积应变能的良好条件。本隧洞地处高山峡谷，岩体中储藏着岩浆岩的残余应力、构造应力及自重应力的叠加属于高应力地区。据能源部水电部成都勘测设计研究院对太平驿水电站厂区埋深200m处实测的地应力：最大主应力1为30.7MPa，最小主应力3为10.2MPa，133。根据岩体力学的理论可知该隧洞区的原始最大主应力方向近于平行山坡。隧洞开挖后，岩体原始应力状态重分布，3方向产生了临空面，3有可112、能成为拉应力，由于临空面处应力差最大，最易发生剪切破坏，这就是引水隧洞岩爆绝大多数发生在靠河一侧拱部的力学原因。岩爆的发生过程，实际上就是应变能的释放过程。应力重分布后，当岩体应变能达到一定值后，岩体的抗拉、剪能力不足以承受应力重分布后的拉应力和剪应力时，岩体就发生破坏，释放应变能。5.4.5. 岩爆的防治岩爆作为一种特殊的不良地质现象，以突然释放应变能而使岩体破裂爆落。由于其突发性，对现场作业的人员及设备，要保障其绝对安全是有一定困难的。但是，通过观察、分析研究，对预测和防治岩爆还是有一定措施可循的。该工程隧洞在岩爆地段施工采取了以下防治措施：1）加强现场岩爆监测，及时躲避。从地质方面来看，113、发生岩爆的地段是有极其相似的地层条件和岩性条件，使得短距离的预报成为可能。从声发生监听来说，听到围岩内部有闷雷样的声响时，应尽快撤离人员及设备；2）上半断面先行开挖，且采用光面控制爆破。减少同段位一次起爆药卷的最大装药量来降低爆破振动引起的围岩内部缺陷的发展，避免产生较大的局部应力集中，从而达到降低诱发表面岩爆的可能性。3）锚杆作为防治岩爆的主要手段。在靠河一侧拱部120范围内打设系统锚杆，利用系统锚杆的组合作用，改善围岩的应力状态，提高围岩的抗拉、抗剪能力。加设斜向超前锚杆，开挖后视具体情况，局部补打径向锚杆。锚杆采用22螺纹钢，长度2.5m3.5m，间距为0.91.5m不等，树脂药包与围岩114、粘接。4）为了加强锚固系统的整体作用和防止锚杆间发现岩块的劈裂剥落，部分地段采用钢筋网或钢筋条连接锚杆，并加喷砼。5）根据岩爆绝大多数发生在靠河一侧拱部的规律，将施工用的管线路及设备尽量布置在靠山体一侧，车辆、人员也尽量靠山体一侧通行。6）改善围岩条件，向新暴露的围岩表面喷水。7）加固围岩，向洞周喷厚度为5cm的混凝土，将洞室表层破裂岩块联固，这多用于防止微弱岩爆。8）对山外侧上半洞周进行全面浅孔密杆系统锚固，锚杆深度2m，间距12m，呈梅花型布置，经使用效果较好。9）对强烈岩爆洞段采用系统锚固加重叠喷混凝土，一般喷三次，喷层厚度达15cm，对抑制强烈岩爆具明显效果。10）采用系统锚固加挂网喷115、混凝土的做法可治理岩爆与塌方联合发生的洞段。11）实践证实，对划分为爆裂型岩爆的喷锚等强行处理方式，一定要等这类岩爆三个破坏阶段（开始为张性破裂、弹射、剥落，继尔极限破碎岩块的挤出或弹射，最终为剪切破坏）结束后方可进行，否则将是徒劳的，且极不安全。5.4.6. 综合防治因目前对岩爆尚无准确的预测方法和特效防治办法，某种单一的方法也许难以奏效，因此，和各种方法，采取综合防治措施是十分必要的。如人员戴好安全帽，车辆架设防护棚，加强岩爆观测及采纳现场施工人员的防治经验等都是有效措施。5.5. 日本关越隧道关越隧道是日本埋深很大的高速公路隧道之一，长10885m，埋深厚度超过1000m。主隧道开挖断面116、为86m2，副隧道20m2。关越隧道公路穿越溪流区内。溪流区内已有三条铁路隧道正在运行，即大清水隧道，新清水隧道，清水隧道。在每一条隧道开挖中，施工人员都感觉到了岩爆声音和岩爆的产生。因此预料到关越隧道肯定会有岩爆发生。该隧洞于1977年8月从南北两洞口开始掘进，于1980年5月，在距北端洞口4327m，埋深730m的区段发生了关越隧道第一次岩爆。约45m3的岩块从开挖面突出。接着在4327m5449m约1122m洞段，岩爆频频发生，就记录到的山鸣岩爆共发生了1433次。为了防止岩爆确保开挖工作顺利进行，日本学者和技术人员在开挖现场进行了调查研究，通过这些调查的结果，从岩石力学的观点对岩爆的产117、生机理和预防措施进行了探讨。5.5.1. 关越隧道岩爆的特征关越隧道周围的岩体主要是由石英闪长岩和角闪岩组成，且不含明显的断层，在石英闪长岩区域，部分含有规则的节理和相对大的块状部分交错出现，大约在长度20m到130m的区间变化，而在角页岩区内含有较多的细微节理。石英闪长岩的平均单轴抗压强度是230MPa，角闪岩为310MPa。关越隧道采用全断面掘进法月平均进尺为100m。最大岩爆发生地点是在距北洞口4027m处的石英闪长岩中，在此地点以后仍能观察到若断若续的岩爆，以直到岩体完全转变为角闪岩为止。关越隧道中岩爆的主要特征为：1）山鸣岩爆在石英闪长岩中频频发生，而在角页岩内几乎不发生。对于石英闪118、长岩和角页岩混合带，仅发生在岩性交界处的石英闪长岩中。山鸣岩爆特别集中的区间的岩性都是石英闪长岩。2）岩爆与有无涌水密切相关，在几乎没有涌水的北段工区岩爆经常发生，而涌水多的南段工区则没有发生明显的岩爆。3）山鸣岩爆绝大多数发生在掌子面上，根据记录发生在掌子面上的岩爆次数是1417次，侧壁只有16次，其中15次发生在右侧且大都发生在掌子面后方510m左右的位置。4）山鸣岩爆在掌子面的发生位置大致是左侧多，即使在超前的辅助坑道中也是如此，而且发现岩爆记录多的已建三条铁路隧道中都反映出这一特点。5）山鸣岩爆在刚爆破后激烈，随着时间推移而平静下去。但也有由于找顶和钻孔而再次出现的。6）与开挖断面小的119、辅助坑道（断面面积21.3m2）比较，在正洞（断面积84.286.0m2）山鸣岩爆较激烈。7）岩爆只在覆盖层厚度为7501050m左右的岩体内发生，但覆盖层厚度与岩爆的剧烈程度并不对应。与特地测定的初始应力的方向、大小的对应关系也不明显。8）岩爆与施工条件有关，如爆破、切削，钻孔都能在掘进开挖诱发岩爆的产生；9）破碎岩片的尺寸大小不一，但形状一般成扁平。5.5.2. 岩石的初始应力产生岩爆的原因之一是隧道掘进工作面周围的应力状态。因此，沿着副隧道的岩爆区，在三个点进行了岩石初始应力测试工作。量测方法是一种应力释放法，使用像门制动器一样的八元件模规固定在钻孔底部。表10列出了初始主应力的量测值。120、从表中看出，岩石压力的方向与地形图中所预测的方向完全一致。就大小来说，1号点和3号点的值属于岩爆区，比1号点的值大，在水平方向，其值等于20MPa。在任何情况下都可以认为，岩爆的发生和出现，主要取决于岩石初始应力的大小和方向。表10 沿关越隧道三个点的初始应力值1号点2号点3号点岩石闪长岩闪长岩闪长岩和角页岩埋深260m960m920m114.6MPa22.9MPa31.6MPa26.310.722.235.97.56.0V6.2MPa16.4MPa31.3MPah114.517.122.51，2，3主应力；V垂直应力；h最大水平应力5.5.3. 岩爆处理措施及施工方案为了安全地开挖岩爆区，又121、不至减低很多掘进速度，在关赵隧道的岩爆区采用以下的处理措施及施工方案：1）在类围岩工区停止采用深孔爆破（最深的3m）而在标准断面（85m2），一次爆破进尺1.2m，在紧急停车段（116m2）一次爆破进尺0.9m。2）为进行岩体的加固和防止岩块飞出，决定在掌子面打设锚杆。锚杆的根数，随断面面积和岩质状态而定，锚杆长度通过试验后采用3m。3）对于从掌子面的锚杆间出现的飞石，利用台车在掌子面装设钢丝网（网眼100mm）进行防护。另外，为防止在掌子面使用电雷管，尼龙绳有产生静电危险而停止使用。4）在岩爆区间用已经使用过的钢支撑和板桩，来防止从掌子面后方边墙的岩爆。5）为防止岩爆连续发生，对掌子面、侧壁122、和拱部削去尖角处理进行23次。通过以上处理措施的综合使用，关越隧道掘进安全地通过了1.1km长的岩爆危险区。5.6. 日本140国道雁坂隧道日本140国道雁坂隧道起自山梨县，向土奇县延伸，于1988年11月起从山梨县一侧开始施工，并在隧洞覆盖层较浅（约200m）处发生山鸣及岩爆现象。约6.6km长的雁坂隧道山梨一侧的2.53km计为花岗闪绿岩，土奇一侧的约3.54km预计为大潼层群的砂、岩粘板岩互层。山梨侧工程自1988年11月1日开工，主洞、避难坑道、联络坑道的开挖方法都采用钻爆法的新奥法（喷混凝土、锚杆法）。5.6.1. 岩爆的特征自山梨侧洞口开挖避难坑道时，在No.236+ 0.4 (T123、D=991.1m)产生岩爆现象。爆破后进行出碴作业时与山鸣同时自工作面顶端左拱脚处以薄片状岩块12m3剥落。中断作业避让观察时，每38分钟发生山鸣同时发生岩石剥落，在1小时内约剥落1m3。其后，剥落部分扩大到工作面后方已喷射混凝土处，累计剥落34m3，2日后岩爆平静。实施补喷钢纤维混凝土（t=10cm），3日后每断面在掘进方向以间隔1m打设6根加强锚杆（摩擦型L2m）。以后在约70m地段，断续发生山鸣、岩爆，直至进入F6断层龟裂涌水带（L19m）后呈暂时平稳状态。其后在No.250附近（TD1270m）再次发生山鸣、岩爆直至现象。其间中断作业待避、停机期间发生数次岩爆现象。另一方面，在与避难坑124、道中心间距25m平行开挖的主洞，自No.229+8附近（TD858m）山鸣开始，一时沉寂，在No.236+2附近（TD987m）首次发生大规模岩爆。这次岩爆在爆破后突然山鸣，同时薄片状岩石纷飞，与躲避坑道同样在工作面顶端左拱角剥落约2m3。其后伴随岩爆山鸣不停，两天时间扩大到约5m3。岩爆山鸣平静后，以喷射钢纤维加强混凝土及摩擦型锚杆（L3m）加强后，从该处再开始掘进，由此在长70.5m的区段有岩爆数次，在每次爆破后发生山鸣。其中有小规模岩爆，山鸣直至现在仍断续发生。雁坂隧道岩爆特征归纳如下：岩爆在花岗闪绿岩中发生；在工作面有某种程度的节理和龟裂，岩石坚硬的场合发生较多；在无涌水的地方发生，有125、涌水的地方不发生；岩爆发生的地点：多在避难坑道、主洞的工作面顶端，开挖面也发生数次；在断层涌水带前较频繁发生；爆破以后最强烈，随时间而减少，大致多在约2小时左右时间平静，断续的山鸣岩爆时间长的差不多持续两天；岩爆多发生在覆盖层约200m以上的深处。5.6.2. 岩爆处理对策岩爆发生时彻底待避、停机，补充工作面观察记录中的山鸣、岩爆；不论在工作面、边墙或拱部，都要进行二次、三次仔细地消除尖角作业；采用摩擦型锚杆。为应付突然发生岩爆的锚杆必须自插入后，立即需要发挥其锚固效用（结合、悬挂），以往的砂浆充填型锚杆是砂浆硬化的同时才发挥支护效用的，在砂浆硬化前如突发岩爆认为不可能充分发挥其效用，因此，必126、须采用判断有效的摩擦型锚杆。采用钢纤维加强喷混凝土。由于钢纤维加强喷混凝土增加韧性，在已喷射混凝土的拱部即使发生岩爆也比通常的喷射混凝土剥落的危险性小，在雁坂隧道岩爆由于有自工作面顶端拱部扩展到已喷混凝土部分的趋向，故采用钢纤维加强喷混凝土。5.7. 日本大清水隧道大清水隧道长22.3km，主要穿过的是石英闪长岩，致密坚硬，分布广泛，覆盖层厚。在覆盖层厚1000m处，发生了严重的岩爆事故。该隧洞对岩爆的处理措施是：（1）采用防护罩装置；（2）用光面爆破使隧道表面平整；（3）喷射混凝土支护；（4）用洒水将须释放的能量转变为热能（因为在有水地段不会有岩爆）；（5）解除应力法。在山体应力集中处，进行127、小量爆破将集中的应力移向山体内或已支撑区内。为确保安全，减少待避岩爆损失时间，该隧道采取设置防护罩装置作为措施。5.8. 挪威赫古拉（Heggura）公路隧道赫古拉（Heggura）隧道是沿着挪威西部一个峡湾陡峭的山壁，在前寒武纪片麻岩中开挖的。该隧道施工中所遇到的稳定问题主要是岩爆。这是由于高而且常常表现为各向异性的应力以十分不利的角度袭击隧道的结果。这样的应力状态是由于该区极端复杂的地形所致，峡湾两侧的山壁成45或更陡的坡度向上伸展到海拨10001500m高。赫古拉隧道长5360m，采用钻爆法掘进。但在3km长的洞段上，紧靠峡湾的顶板和两帮出现程度不同的岩爆和岩石剥落，严重的影响了隧道的施128、工进度。挪威通过在陡峭山坡隧道中岩爆问题的研究，第一次采用了钢纤维喷混凝土和锚杆的组合应用来对付岩爆问题，解决岩爆区的正常掘进是成功的。该隧洞有近三公里长的一段，发生程度不同的岩爆问题。在施工中一共用了15500根长度为2.5m的树脂锚杆，其中大部分是为了防止岩爆的，故在开挖后立即安设在靠近掌子面的岩爆范围内。锚杆带有标准的球面垫板，板直径150mm，一般不加予应力。在高岩爆地区，垫板下的岩石碎块常会松驰，尤其是当锚杆靠近掌子面时，下茬炮震动岩体，即会造成松驰，这些锚杆只有才重新紧固螺帽后，才会有效。喷混凝土能减轻岩爆问题，同时保护人员、设备不受锚杆间碎块迸落之害。喷混凝土较快且较便宜，更重要129、的是，可用远距离操作的机械手喷混凝土，施工更安全些。在长近三公里的岩爆段，其正常工作循环如下：1钻孔。2装药与放炮。3在液压操作的篮框工作台上撬顶，并布置锚杆。4出碴。5安装锚杆，若有必要，则再清一次顶。6对上一循环的洞壁喷第一层混凝土。7对倒数第二循环的洞壁喷第二层混凝土，使总厚度达到10cm。15500根锚杆中只有几百根是设在靠山内侧的拱顶上，不到一半的洞顶有支护。全部喷混凝土均在靠峡湾一侧的拱顶上。喷混凝土总量为2650m3。每一循环中喷混凝土的时间约为3040min。曾经试图在爆破、撬顶之后立即喷混凝土，以期减少锚杆，但因岩爆非常强烈，以致在喷层粘着固结之前就被岩爆崩落，即使加了速凝剂130、也不行。为了使工作环境对施工者相对安全，应从已支护的地段，去安设下一段的锚杆。在特别困难地段，工作面上岩爆严重，必须用钢筋网覆盖，且锚固于工作面上，然后才能开始下一循环的钻孔。第一主应力在底拱处与洞壁也有相切点，此处也发生岩爆，但它对安全无威胁，无须支护。在赫古拉（Heggura）隧洞施工中，大部分采用钢纤维混凝土以代替常规喷混凝土。钢纤维喷混凝土比常规喷混凝土贵50，但其强度好些，变形性能强，可以使最终的支护费用大致相当，或者只略贵一些，因为用了钢纤维喷混凝土，临时支护的锚杆可以少一些，而一部分临时锚杆将松弛，不能作为永久支护之用。所采用的喷混凝土的配合比见下表11：表11 采用的喷射混凝土131、配合比水泥kg/m3砂、砾石（kg）钢纤维（kg）微硅粉（kg）水kg/m3速凝剂kg/m3减水剂kg/m3450kg1600kg7536243l203l钢纤维长14.5mm，两端加粗。喷混凝土的全部费用为1130万挪威克朗，占整个Heggura隧洞总造价6000万克朗的19。隧洞全长为5260m，其中只有3000m左右有喷混凝土，这3000m的总造价约为3900万克朗，则喷混凝土费用占此数的30左右。隧洞开通后，又进行最后的清撬，发现某些部位喷层有松驰趋势，或者把该部位喷层撬除，或者再加锚。为此总共加设长2.0m和2.4m的锚杆5250根，和原设锚杆相加，5360m长的隧洞共用约21000根132、锚杆，平均每米洞为3.9根。运行二年之后经检查，90至95以上的喷混凝土层仍然完好，有效地支护着岩石，采用锚杆与钢纤维喷层作临时支护，使后来增加的永久支护的工作量大为减少，这是设计所预期的。Heggure隧洞用这一套措施，每个工作面周进尺达53m，每周为11班，每班为十小时，因此进度也是可观的。5.9. 挪威霍扬阁兰峡湾公路隧道该隧道是在高应力硬岩中开挖，隧道所遇到的主要地质问题是岩爆和岩石剥落问题，解决的方式采用锚杆加钢丝网和锚杆加钢纤维喷混凝土的办法，解决的效果良好。霍扬阁兰峡湾隧道是挪威峡湾地区，近年来修建的几百座公路隧道之一，长7.5km，横断面为50m2的近似半圆形。位于挪威西部的前133、寒武纪片麻岩中，其覆盖层大都很厚，覆盖层厚度最大约1100m。隧道开挖采用传统的钻爆法。于1976年11月和1977年11月分别从两端开挖，在进行掘进中，由于大部分地段存在有高应力和完整的花岗片麻岩与片麻闪岩的频繁交替变更，而发生严重的岩爆和大量岩石剥落，严重的干扰了隧道施工进度。为控制岩石剥落，采取了系统地布置锚杆。锚杆的布置是根据剥落和岩爆发生密度决定的。在该霍扬阁兰峡湾隧道，每轮爆破进尺4m的范围内安装锚杆3570根。在剥落发生密度最大的洞段拱部要使用钢丝网（有时在掌子面也要使用钢丝网）。5.10. 挪威西玛水电站大型地下洞室该地下洞室主机室长200m、高40m、宽20m，在埋深700m134、的地下开挖中，广泛遇到岩爆。岩爆碎石呈卵形，岩石为前寒武纪的花岗岩及花岗片麻岩。随着开挖深度的增加，岩爆变得非常突出，且有时非常剧烈，甚至发生2m1m0.5m厚（体积约1m3）的大石块从一侧边墙弹射出来，其压力之大，足以横穿机室而击射到20m外的另一侧边墙。岩爆处理措施：采用38m长的锚杆，钢筋网和喷混凝土来加固，相邻锚杆间距1m，锚杆孔内灌注混凝土。喷层厚度一般为5cm，拱顶喷层厚度达10cm。尽管设置了锚杆，但岩爆活动和岩石剥落在开挖后仍持续了一年之久。岩爆使工程量大为增加。竣工时，在电站及其附属隧洞共用了两万根岩石锚杆。所用锚杆的总长度超过100km（平均每根长5m）。从目前的工程实践看135、，防治岩爆比较有效的工程措施是及时进行喷锚支护。6. 本工程岩爆的处理措施根据国内外的岩爆处理工程经验，结合本工程的实际经验，本投标人计划在锦屏引水隧洞中采用的岩爆处理方式为：（1）改善围岩受力状态方案岩爆地段采用钻爆法施工时，通常采用短进尺掘进；减少药量和减少爆破频率，控制光爆效果，以减少围岩表面层应力集中现象。轻微岩爆（级）、中等岩爆（级）区：一般进尺控制在22.5m，尽量全断面开挖，一次成形，以减少围岩应力平衡状态破坏。施工后，主要措施是立即向掌子面及附近洞壁喷洒高压水或利用炮眼及锚杆孔向岩体深部注水，降低岩爆的剧烈程度。（2）应力解除方案应力解除法就是在施工中，一边释放应力，一边掘进，136、使岩体原始应力提前释放。使之不发生岩爆或削弱岩爆强度，主要采用超孔解除法和对已开挖围岩的纵向切槽法。（3）调整施工作业方案对于岩爆烈度大，危险程度高的中等以上岩爆地段，可以适当的调整作业甚至停工，退后一定距离待避。待岩爆自然缓解后，橇除松裂岩石，及时喷钢混凝土。在边拱及顶拱成放射状倾斜向岩体内部钻孔，并向孔内灌高压水，使岩体有一定程度软化，加快围岩内部的应力释放后再施工。（4）加固围岩对不同烈度的岩爆一般采用不同的加固处理措施。加固围岩法在施工实践中取得了良好的效果，尤其是锚杆，喷砼挂网等。准备通过设预应力锚杆、加长锚杆、挂钢筋网喷混凝土、喷钢纤维混凝土、加设钢拱架等措施来加固围岩。（5）改变137、爆破方式方案采用“短进尺、弱爆破”的爆破施工方式，控制诱发岩爆发生的条件。（6）采取防护措施增设临时防护设施，给主要的施工设备安装防护网和防护棚架，给施工人员配发钢盔、防弹背心等，掌子面可加挂钢丝网。利用钢丝网、尼龙网等防护物拦挡岩爆飞石。比如，日本关越隧洞，除前述掌子面超前锚固外，在台车上装上钢丝网防护，保护打炮眼，装药工人的安全。在天生桥水电站，在掘进机及后配套上安装了“铁甲”，构成一个“防石棚”避免了岩爆块塌落伤人，砸毁机器设备。（7）主动躲避及清除浮石岩爆非常剧烈时，为了安全，应在危险距离范围以外躲避一段时间，直至岩爆平静为止。之后，应加强巡回撬顶，及时清除爆裂的危石，确保施工人员的安全。岩爆一般在爆破后一小时左右比较猛烈，以后趋于缓和，多数发生在12倍洞径的范围内，所以躲避是一种行之有效的方法。比如在挪威的Sima地下厂房，每个爆破循环之后，工人必须躲避在安全处，让严重的岩爆平息之后再进行施工。此外，在施工过程中加强发生检查和危石处理，认真防护观察围岩动态。如发现撕裂声，立即撤离人员与机具。（8）加强施工期监测值得指出的是，在施工期进行必要的围岩监测，如声发射、变形监测和应力监测等，预测临爆前的信息，从而采取有效的防范措施。这种方法是行之有效的手段，是有一定实用价值的。