对影响岩爆的因素、岩爆的判别方式进行了综述，对岩爆预防提出建议，对今后的设计、施工具有一定的借鉴。
1、引言
岩爆是开挖诱发的、开挖空间周围岩体的突然破坏，并伴随着受压岩石应变能的突然释放。岩爆往往是以岩片弹出、大量岩石坍塌或矿震的形式表现出来的动力现象，并造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡。岩爆是一种应变能释放引发岩体发生破坏的一种地质灾害。多发生在埋藏深、整体、干燥和地质坚硬的岩层中。在隧道开挖时围岩形成新的临空面,初始应力由原来的三向应力状态变为两向应力状态,并在开挖壁面上局部应力集中,若局部应力达到某一临界应力时,岩爆就发生了。因而产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。冯建军描述了二郎山隧道岩爆特征：岩爆声响既发生在掌子面也发生在岩体内部,轻微岩爆的声响较为清脆,可听到“啪、啪”“嘎、嘎”的声响,强烈岩爆段所发出的声响较为沉闷,像“澎、澎”的声音并夹有“啪、啪”声。Ⅰ级岩爆表现为爆裂脱落型，破坏形式为劈裂破坏与剪切破坏两种；Ⅱ级岩爆表现为弹射现象。岩爆爆坑大多数呈“锅底”形,坑边沿多为阶梯形。强烈岩爆段爆坑多为“V”形。新鲜破裂为主,少数沿原有裂隙面。爆落岩块多呈不规则的棱块状,也有呈中间厚边缘薄的椭圆状。断裂带两侧或软弱结构面附近往往形成局部应力集中区,故两侧硬岩中岩爆现象发生,而断层带部位一般不发生岩爆。岩爆区段一般较为干燥,有地下水出露的地方无岩爆产生。二滩水电站洞室开挖中的岩爆可以认为,岩爆的潜能是开挖时由应力重分布所产生,而被大台阶爆破和地震所触发。徐林生对国内外岩爆研究现状综述表层零星间断爆裂松动、剥落。万姜林描述太平骚水电站引水隧洞的岩爆：从爆落的岩石尺寸和形状看有块、板、片和碎屑状几种, 岩块和岩板尺寸较大一般可达几十厘米至, 有一至两组平行破裂面, 其余一组破裂面呈刀刃状岩片一般尺寸较小, 呈中间厚、周边薄, 断口参差不齐。从岩爆坑的断面形状看, 有直角形、阶梯形和锅状。杨天俊描述拉西瓦水电站地下硐室岩爆现象：板状剥皮、片状剥落,断层带附近岩体存在板状劈裂现象。顾金才对深部开挖洞室围岩分层断裂破坏机制模型试验研究，分析认为当地应力荷载水平方向较大，且最大荷载方向与洞室轴线平行时，洞室围岩就有可能产生环带状分层断裂现象。
2 影响洞室围岩稳定性的主要因素
影响围岩稳定性的因素很多，就其性质来说可分为两类:第一类属于地质环境方面的自然因素，如岩石的物理力学性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态等，这些因素决定了洞室围岩的质量;第二类属于工程活动的人为因素，如洞室形状、尺寸、施工方法、支护措施等，这些因素虽不能决定围岩质量的好坏，但却能给围岩带来稳定性方面不可忽视的影响。
1)地质因素:
(1)岩体的结构特征
岩体结构特征〔m是长期地质构造运动的产物，是控制岩体破坏形态的关键。从稳定性分类的角度来看，岩体的结构特征可简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示，某种程度上它反映了岩体受地质构造作用的严重程度。实践证明，围岩的破碎程度对地下洞室稳定与否起主导作用，在相同岩性条件下，岩体愈破碎，洞室就愈容易失稳。因此，近代围岩分类方法中，将岩体的破碎或完整性作为分类的基本指标之一。中科院地质研究所将岩体结构类型划分为整体块状结构(整体结构和块状结构)、层状结构(薄层状结构和厚层状结构)、碎裂结构(镶嵌结构和层状碎裂结构)、散体结构(破碎结构和松散结构)。松散结构及破碎结构岩体的稳定性最差:薄层状结构岩体次之:厚层状块体最好。一定程度上岩体越破碎则洞室越不稳定，越容易坍塌。
(2)结构面性质与空间组合
在块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏的主要因素是软弱结构面的性质，以及它们在空间的组合状态〔57)。对地下洞室来说，围岩中存在单一的软弱面一般不会影响洞室的稳定性。只有结构面与洞室轴线关系不利时，或出现两组或两组以上的结构面时，才构成易坠落的分离岩块。分离岩块的塌落或滑动，还与结构面的抗剪强度以及岩块之间的相互联锁作用有关。因此在围岩分类中，可从结构面的成因及其发展史、结构面的平整及光滑程度、结构面的物质组成及其充填物质情况、结构面的规模与方向、结构面的密度与组数五个方面来研究结构面对洞
室围岩稳定性影响的大小。
(3)岩石的力学性质
在整体结构的岩体中，影响围岩稳定性的主要因素是岩石力学性质【阅，尤其是岩石强度，一般来说，岩石强度越高洞室越稳定。围岩分类中所说的岩石强度指标，是指岩石的单铀饱和极限抗压强度，因为这种强度的试验方法简便，数据离散性小，而且与其它物理力学指标有良好的换算关系。此外，岩石强度还影响围岩失稳破坏的形态，强度高的硬岩多表现为脆性破坏，易引起岩爆现象。而强度低的软岩，多以塑性变形为主，流变现象明显。围岩的岩石性质和岩体结构通过围岩的强度来影响围岩的稳定性，从岩性的角度，可将围岩分为塑性围岩和脆性围岩，塑性围岩主要包括各类粘土质岩石、粘土岩类、破碎松散岩石以及吸水易膨胀的岩石等，常具有风化速度快，力学强度低以及遇水软化、崩解、膨胀等不良性质，对洞室围岩稳定最为不利;脆性围岩主要是各类坚硬体，岩石本身强度远高于结构面岩石强度，岩性本身的影响不显著，围岩强度取决于岩体的结构。
(4)初始应力状态
岩体的初始应力状态包括自重应力和构造应力。自重应力指上覆岩体自重产生地应力，构造应力指地质构造运动积蓄的地应力。初始应力会影响洞室开挖后的稳定性。对某些岩体而言，强大的地应力或自重应力作用下，会有新的力学特征(如挤入土和膨胀岩等)。地下工程失稳主要由于开挖引起应力重分布超过围岩强度或引起围岩过分变形造成的。而应力重分布是否达到危险程度与初始应力场方向、量值有关。不是地应力越大越不利，主要依据主应力的大小、方向、最大与最小主应力的差值和各主应力值的构成特征而定，还要视它们与地下工程的方位、与岩层主要节理组的夹角而定。当岩石强度与初始应力之比大于一定值时，可以认为对洞室围岩稳定不起控制作用，当这个比值小于一定值时，再加上洞室周边应力集中结果，对围岩稳定性或变形破坏的影响就表现得显著，尤其岩石强度接近初始应力值时，这种现象更为突出:当隧道轴线与最大主应力。方向垂直时地应力影响最大，因此，洞室轴线的选择常与水平最大主应力。i方向平行以改善洞室周边的应力状态，提高围岩的稳定性。
(5)地下水的影响
地下水对围岩稳定性的影响主要表现为溶蚀岩石和结构面中易溶胶物、潜蚀充填物中的细小颗粒，使岩石软化、疏松.、充填物泥化、强度降低，增加动、静水压力等，从而降低隧道围岩的稳定性。调查资料表明，地下水对不同类别隧道稳定性影响程度存在明显差异，地下水对硬岩组成的围岩隧道稳定性影响甚微，可忽略不计，而对于弱岩，地下水的影响较大。目前分类法中，地下水处理方法有二种:一是不将水的影响直接考虑进去，而根据围岩受地下水影响的程度，降低围岩的等级;二是按有水情况考虑，确认围岩无水可提高围岩等级，直接将地下水的状况(水质、水量、流通条件、静水压等)作为一个分类指标。
(6)特殊地质条件
当地下工程穿越断层破碎带、强风化带、发育的岩溶区等特殊地质条件时，维护围岩的稳定往往较困难，因为构造破碎带往往包含断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩等断裂构造岩。这时，岩层松软破碎，而临近地带的岩层节理裂隙也比较密集，地下水往往较活动，再加上地应力较大，则会出现强烈的地压现象。据我国山区隧道的调查分析，强挤压的断层破碎带、紧密褶皱带和较宽的张性断裂带以及几条断层交会的地带，是工程的不良地质地段。对褶皱地区，向斜盆地部位对工程稳定不利，背斜问题则较少。
2)工程活动造成的人为因素
洞室施工是造成围岩丧失稳定的一个最主要的因素。开挖洞室所采用的施工方法、洞室断面尺寸和形状、施工质量、支护形式及实施过程都会对围岩的稳定产生影响。
(1)洞室的尺寸和形状
跨度大小对围岩的稳定性也有显著影响，实践证明，跨度越大则洞室的稳定性越差，跨度大小对隧道工程稳定性的影响可从三个方面考虑:应力分布、围岩及支护构件强度、施工顺序。岩体强度将随有效跨度的增大和未支护时间的延长而降低，小型地下洞室中单岩块之间的交接面的切向滑动可被喷射混凝土的表面加固所阻止，但大型洞室中却很困难(因岩石与喷射混凝土的粘结力不会随着喷混凝土层厚度增长而成比例增大)。洞室形状不同，在同一围岩中，拱形洞室围岩较稳定，洞室形状主要影响开挖后的围岩应力状态，圆形或椭圆形隧道围岩应力状态以压应力为主，对维持围岩稳定性较好，而矩形或梯形洞室，顶板围岩将出现较大拉应力，可导致岩体张裂破坏趋势。
(2)开挖方法
从目前的技术水平看，开挖方法对围岩稳定性影响也较为明显，施工方法和开挖工序与洞室所处围岩或地质情况是否适应很大程度上决定了工程的成败，如同一岩体中采用普通爆破法开挖与用控制爆破法开挖相比，后者围岩扰动小:采用传统矿山法与新奥法施工相比，后者能减轻爆破对围岩的松动破坏，维护围岩强度和自承能力，充分利用围岩的自身强度。一般情况下，洞室开挖后不支护，围岩在一定时间能保持稳定，即自稳，自稳时间是围岩允许在无支撑条件下暴露的最大时间。显然，不同施工方法对围岩稳定性影响是不同的。
3、影响岩爆的因素
岩爆产生的条件：① 近代构造活动山体内地应力较高，岩体内储存着很大的应变能，当该部分能量超过了硬岩石自身的强度时；② 围岩坚硬新鲜完整，裂隙极少或仅有隐裂隙，且具有较高的脆性和弹性，能够储存能量，而其变形特性属于脆性破坏类型，当应力解除后，回弹变形很小；③ 隧洞埋深较大（一般埋藏深度多大于200m）且远离沟谷切割的卸荷裂隙带；④地下水较少，岩体干燥；⑤ 开挖断面形状不规则，大型洞室群岔洞较多的地下工程，或断面变化造成局部应力集中的地带。
4、岩爆的判别方式
国内外在岩爆预测预 方面做了大量的研究工作，目前用来预测岩爆的方法包括强度理论、能量理论、刚度理论、冲击倾向理论、失稳理论及断裂、损伤、分形理论等众多理论。
4.1、应力条件法：一是用洞壁的最大环向应力σ0与围岩单轴抗压强度σc之比值进行分析，二是用天然应力中的最大主应力σ1与围岩单轴抗压强度σc之比值进行判断。经验公式：σc/σ1>2.86~6.06的脆性岩体最易发生岩爆。
4.2、最大煎应力判据：当破坏一旦发生，滑动面上固有的剪切强度降为0，摩擦阻力也有静摩擦阻力降为动摩擦阻力，剪切或滑动破坏前后发生前后滑移面上的剪切应力差ess＝（为动摩擦角）称为超量剪应力，判别如下：ess≥20Mpa（完整岩石），极可能发生破坏性岩爆；ess≥15Mpa（断层或节理），极可能发生破坏性岩爆；5≤ess≤15Mpa（20Mpa）可能发生破坏性较小岩爆；ess<5Mpa，一般不发生岩爆；ess<0Mpa结构面稳定。
4.3、脆性系数法：岩石的脆性破坏是岩爆发生的必不可少条件之一，因此岩爆倾向指数在很大程度上取决于岩石的脆性。岩石的脆性系数B（B＝（σc－σt）/（σc＋σt），当B≤3时无岩爆发生；3＜B＜5时发生轻微岩爆，B≥5时发生严重岩爆。
4.4、弹性变形能系数法：弹性变形能系数是通过岩石单轴压缩试验得的结果。当轴向荷载σ=(0.7~0.8) σc时，开始卸载，求出卸载过程中试样所释放的弹性变形能φsp及岩石发生塑性变形和微破坏所消耗的能量φst，如图1。两者的比值F=φ/φ称为弹性变形能指数。F越大，发生岩爆的强度越高。以下是根据煤岩试验得出的指标：当F≤2.0时，无岩爆;当2.0≤F＜5.0时，发生由弱至中等程度岩爆；当F≥5.0时，发生强岩爆。
图1 岩石的加卸荷曲线
4.5、冲击能指标法：岩石的冲击能指标WCF是指岩石在单轴压缩的应力-应变全过程曲线中，以应力峰值为界的左右部分曲线与应变坐标所围成的面积，亦即岩石加载过程中所吸收的能量F1与破坏过程中所消耗的能量与破坏过程中所消耗的能量F2之比，即WCF＝F1/ F2, 如图2。冲击能指标WCF旨在建立岩石在破裂过程中释放的能量与消耗能量的关系，当WCF＞1时，认为岩石有发生岩爆的倾向。
图2 应力-应变全过程曲线
4.6、Russense法：Russense岩爆分级标准（见表1）
表1 Russense 岩爆分级标准表
4.7、刚度理论：刚度理论源于刚性压力试验仪器的产生。根据刚性试验机原理，即对于用普通压力机进行压缩试验时猛烈破坏的岩石试件，若改用刚性压力机试验，则破坏并不猛烈，而且可以得到应力一应变全过程曲线，试件产生猛烈破坏的原因是试件刚度大于试验机刚。刚度理论将这一结果用于探讨岩爆的发生机制中。
4.8、失稳理论：失稳理论是将围岩当作一个力学系统，将岩爆看成是整个力学系统的动力失稳过程，即岩爆的发生是围岩组成的变形系统由不稳定平衡状态变成新的稳定状态的过程。按Dirichlet准则，结构变形系统的稳定性取决于变形系统势能即自由能极值的性质。假定系统势能为F，系统势能的一次变分为δF，二次变分为δ2F，则当δF=0时，系统势能有极值。当δ2F>O系统势能最小，稳定；δ2F=O系统平衡；δ2F<0系统势能极大值，不稳定。
3.9、断裂、损伤、分形理论：近年来，断裂力学和损伤力学的发展，对经典连续介质力学产生了巨大的影响，运用断裂力学和损伤力学分析岩石的强度可以比较实际地评价岩体的开裂和失稳。分形理论与损伤理论的观点一致，它们都将岩石的破裂过程看成裂缝尖端微裂纹损伤发展的过程，由于微裂纹的分布特征是分形维，故可将微裂纹损伤演化过程理解成分形维的变化过程，通过裂纹分形维数值变化和岩爆现象的内在联系来预测岩爆的发生。
5、岩爆的现场预测预 ①地形地貌分析法及地质分析法，认真查看其地形地貌，对该区的地形情况有一个总体的认识，在高山峡谷地区，谷地为应力高度集中区，另外根据地质 告资料初步确定辅助洞施工期间可能遇到的地应力集中和地应力偏大的地段。 依据地质理论，在地壳运动的活动区有较高的地应力，在地区上升剧烈，河谷深切，剥蚀作用很强的地区，自重应力也较大。 AE法主要利用岩石临近破坏前有声发射现象这一结果，通过声波探测器对岩石内部的情况进行检测，该方法的基本参量是能率E和大事件数频度N，它们在一定程度上反映出岩体内部的破裂程度和应力增长速度。这种预 方法是最直接的，也是最有效的。 ③钻屑法（岩芯饼化法），这种方法是通过对岩石钻孔进行，可在进行超前预 钻孔的同时，对钻出的岩屑和取出的岩芯进行分析；对强度较低的岩石，根据钻出岩屑体积大小与理论钻孔体积大小的比值来判断岩爆趋势。在钻孔过程中有时还可以获得如爆裂声、磨察声和卡钻现象等辅助信息来判断岩爆发生的可能性。④地温法-，采用红外线测温仪，若地温接近正常埋深地温，说明地下水渗流弱，围岩干燥无水，则产生岩爆的可能性较大。
以上几种方法在实际施工过程中要综合应用，相辅相成互相印证，方能对岩爆的发生进行准确的预 。
岩爆防治措施
①改善围岩应力，这种方法主要是降低围岩应力是围岩应力小于围岩强度，避免岩爆的发生。在施工中主要采取如下措施：在洞身开挖爆破时，采用“短进尺、多循环”，采用光面爆破技术，尽量减少对围岩的扰动，改善围岩应力状态。选择合适的开挖断面形式，也可改善围岩应力状态。应力解除法：通过打设超前钻孔或在超前钻孔中进行松动爆破，在围岩内部造成一个破坏带，即形成一个低弹区，从而使动壁和掌子面应力降低，使高应力转移至围岩深部，施工时可在掌子面上打设5～6个超前钻孔，深15～20m左右，既可以起到超前钻探地质的作用，又可以起到释放掌子面应力的作用。超前钻孔的布置形式及参数与地质预测预 孔相同。②改善围岩性质 ，在施工过程中，可采取对工作面附近隧道岩壁喷水或钻孔注水来促进围岩软化，从而消除或减缓岩爆程度。但这种方法在隧道施工中一般对隧道围岩的稳定有一定的影响。③对围岩进行加强支护和超前支护加固，改善掌子面及1～2倍洞径洞段内围岩的应力状态，由于支护的作用不但改变了应力大小的分布，而且还使洞壁从单维应力状态变为三维应力状态。拟采用的加固办法有：锚杆和超前锚杆支护、锚喷砼支护、钢纤维喷砼支护、钢支撑，二次衬砌。这种方法是施工中最为常用的，因此施工过程中，在易发生岩爆的地段，要采取锚杆、超前锚杆支护、锚喷砼支护、钢纤维喷砼支护、钢支撑等多种支护方法有效的组合在一起来防止岩爆的发生。
6、岩爆预防
为了确保高应力地区开挖、支护施工的安全，施工中采取了如下措施：
（1）在开挖过程中采用“短进尺、多循环”，在岩爆多发地段的开挖进尺严格控制在2.5m以内。采用光面爆破技术，提高光爆效果，改善洞壁应力条件，严格控制线装药密度及单耗，降低爆破动应力场的叠加，尽量减少对围岩的扰动，改善围岩的应力状态。
（2）在开挖施工前，沿洞壁先打Ф28，L＝6m超前锚杆，以提前释放应力并防止劈裂型岩爆；
（3）开挖完成后，及时向岩面洒水，以释放应力；
（4）洒水后及时喷混凝土进行封闭，成拱支持，尽可能减少围岩暴露时间，并起到了初期支护的作用；
（5）在初期支护完成后，及时进行永久支护，以确保围岩稳定，必要时进行随机锚杆支护及钢支撑支护；由于支护的作用不但改善了掌子面及1～2倍洞径范围内围岩的应力状态，还改善了应力的分布。
（6）加强施工中的安全监测工作，通过围岩收敛监测、锚杆应力计及多点变位计监测等原型观测的手段，来预测岩爆发生的可能性，从而指导开挖和支护施工，确保安全。
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