岩爆形成机制模式

6.5.1 岩爆形成机制讨论

国内外学者有很多关于岩爆形成机制的论述，概括起来，涉及到能量学观点、岩石的强度理论、损伤力学理论和弹性波理论等。

从能量学观点考虑，视岩爆过程是围岩积有弹性应变能的释放过程，这是得到大家公认的看法。有的学者以可能释放的能量的强弱作为烈度分级标准(前苏联学者Й.M.佩图霍夫，1972；Й.A.屠尔昌宁诺夫，1977，见表6-3)。波兰学者A.Q.Kidybinski(奇代宾斯基)提出岩爆倾向性指数Wet(参见6.3.2)，并用于判断和预测岩爆(见表6-3)。

从强度理论考虑，认为岩爆实际上是围岩在硐壁应力作用下的失稳破坏。有的人强调是一种剪切破坏(E.Hoek，1979；Zoback，1980 等)，有的人则认为是张性破裂的产物(Mastin，1984；Haimson，1972，1985)。杨淑清等开展的天生桥二级水电站引水隧洞相似材料岩爆机制物理模拟试验认为，岩爆具有劈裂破坏和剪切破坏两种机制，并且它们是两种应力水平的产物(杨淑清等，1993)。谭以安则认为岩爆是一渐进破坏过程，其形成过程可分为“劈裂成板→剪断成块→块片弹射”三个阶段(谭以安，1989)。一些学者以围岩岩石的强度与地应力的比值作为岩爆判别准则和烈度划分的标准，表6-8列举了一些代表性方案。

表6-8 国内外岩爆判别准则方案对比　Tab.6-8 The rock burst criterions in China and abroad

续表

注：I_S为岩石点荷载强度；σ_θmax为硐壁最大切向应力；R_b为岩石单轴抗压强度。

断裂和损伤力学理论分析，强调岩体中早先的裂隙和微裂纹等损伤，在岩爆中的作用。处在压缩应力场中的脆性材料，在开挖边界上突然卸载，卸载波迅速从开挖边界传播至岩体深部。若岩体中由于弹性压缩所储存的势能足够大，则位于卸荷波前缘的剪切微裂纹，将因动力扩展而导致岩体破坏诱发了岩爆，并据此提出了发生岩爆的判据(罗先启等，1996)；有的将受压岩体中的裂纹分为压剪闭合裂纹和压剪不闭合裂纹两种性态，分析了压剪裂纹的启裂和扩展的准则，认为岩爆是开挖卸荷发生应力调整时，岩体中预有裂纹发生扩展而引起岩体发生宏观张性断裂的结果(李广平，1997)。

中外学者从不同角度探讨了岩爆的形成力学机制，为更深入地认识这一复杂的力学过程拓阔了思路，也为建立岩爆预测预报系统和判定防治对策提供了更充实的理论依据，但同时也提出了许多有待深入研究的课题。

6.5.2 岩爆形成力学机制模式

本项研究根据二郎山隧道岩爆现场调研实录资料、现场地应力和围岩变形监测资料，配合室内试验研究，建立了以二郎山隧道为典型实例的岩爆形成力学机制模式。建模主要依据以下主要认识：

(1)地下硐室的开挖是硐室围岩的一个卸荷过程，然而硐壁附近的岩体将引起径向应力(σ_r)的降低和切向应力(σ_θ)的增高，出现应力分异现象，使围岩的应力差愈接近于开挖临空面愈大，至硐壁附近达到最大值。因而临空面附近的围岩的应力状态与低围压条件下轴向应力增高这一过程的应力状态大体相当，实际上是一个加载过程。

(2)卸荷过程下的岩石的三轴变形破裂试验显示，在围岩接近于0(σ₃≈0)时，与单轴加载的破裂近似，表现为大体平行轴线方向的张性劈裂(图6-15)。随着围压的增高，破裂面中出现剪切面，大多追踪张性破裂生成；围压的进一步增高，破裂面发展为共轭剪裂面与张裂面构成的网状破裂。就破裂机制而言，可与断裂力学中的典型破裂迹象(Lajtai，1974)对照；按格里菲斯准则，属压致拉裂和由压致拉裂衍生的压致剪裂。

(3)岩石在三轴应力条件下变形破坏过程表现出阶段性特征。宾尼瓦斯基等(Lane，Biemiwaski，1970)对此作了详细划分，分为压密阶段(OA)、弹性变形(AB)、稳定破裂(BC)、不稳定破裂(累进性破坏)(CD)和强度丧失完全破坏阶段(DE)。由弹性阶段进入稳定破裂阶段，临界强度称为屈服强度(σ_y)，它相当于极限强度(R_b)的0.3～0.35倍，超过此强度后则可出现局部破裂，且随应力差的增大而发展，当应力保持不变时，破裂也停止发展。由稳定破裂进入不稳定破裂，临界强度称为长期强度(σ_c)，相当于R_b的0.7～0.8倍，破裂出现质的变化，过程中所造成的应力集中效应显著，在工作应力保持不变的情况下，破裂仍会不断累进发展。应力进一步提高，则进入强度完全丧失阶段。

图6-15 三轴应力条件下岩石的变形破坏过程

(据Lane，Bieniwaski等，1970)

Fig.6-15 The deformation-fracture process of rock under triaxial stress conditions

(Lane and Bieniwaski et al.，1970)

OA—压密阶段；AB—弹性变形；BC—稳定破裂；CD—不稳定破裂；DE—完全破坏①超空隙水压力曲线；②正常空隙水压力曲线

(4)硐壁现场二次应力场测试，以实际的硐壁最大切向应力(σ_θmax)与钻取的岩心的单轴抗压强度R_b(采用点荷载试验强度换算求得)的比值作为判据，岩爆发生在 σ_θmax/R_b＞0.3的段落；σ_θmax/R_b=0.3～0.5为中等岩爆；σ_θmax/R_b＞0.7 时发生强烈岩爆。

根据上述依据，建立图6-16所示岩爆形成力学机制模式。图中以硐室开挖面内围岩的应力分布情况为例，围岩中的破裂迹象由表部向内可与卸荷过程下岩石的三轴变形破裂试验成果相对照。

图6-16 岩爆形成力学机制模式图

Fig.6-16 Mechanics mechanism model of rock burst

6.5.3 岩爆形成力学机制模式与岩爆强度分级(RMS)对照

岩爆形成力学机制模式与岩爆烈度分级(RMS)可有下列对照关系。

(1)轻微岩爆(Ⅰ)级：σ_θmax/R_b=0.3～0.5，硐壁应力基本达到或超过岩石的屈服强度(σ_y)，岩体出现局部破裂，进入稳定破裂阶段。破裂主要表现为表部的压致拉裂型张裂。以爆裂松动和剥落为主，岩块呈薄片或薄透镜状，零星间断爆裂。波及深度(h)限于表面＜0.1 B(h为波及深度，B为硐径或跨度，下同)。

(2)中等岩爆(Ⅱ级)：σ_θmax/R_b=0.5～0.7。岩石已明显进入稳定破裂阶段，表现为浅表部的楔形压致剪切破坏。爆裂脱落、少量弹射，岩块呈透镜状和板状，断口为弧形或楔形凹腔。持续时间较长，有随时间向深部发展的特征。波及深度(h)可达0.1～0.2B。

(3)强烈岩爆(Ⅲ级)：σ_θmax/R_b=0.7～0.9，岩石进入不稳定破裂阶段，表现为一定深度的楔形、弧形压裂剪切破坏或弯曲鼓折。可出现强烈的爆裂弹射，岩块的棱块状、块状、板状为主，断口为弧形，楔形凹腔，具有延续性，并迅速向深部扩展。波及深度可达0.2～0.3 B。

(4)剧烈岩爆(Ⅳ级)：σ_θmax/R_b＞0.9，岩石已接近或进入完全破坏阶段，表现为压致剪切或弯曲鼓折抛掷性破坏，并迅速向深部发展，剧烈的爆裂弹射甚至抛掷，波及深度＞0.3 B。

上述分析可与表6-2对照。