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1、第五章岩爆隧道 岩爆隧道是指施工过程中有岩爆现象发生的隧道。在高应力坚硬的岩体内开挖坑道时， 常常会有岩片从开挖壁面突然弹射出来，把这种现象称为岩爆。岩爆会破坏已建成的隧道结 构和机械设备， 直接威胁施工人员的生命安全。岩爆现象在矿山出现较早。例如加拿大的一 些深埋硬岩矿山经常发生岩爆，对矿山的安全与生产构成很大威胁，因此，加拿大 Laurentian 大学的岩石力学研究中心对岩爆巷道的支护设计进行了为期五年的专题研究 1 。根据岩爆产 生的机理，试验出了有效设防措施，并编制了加拿大岩爆支护手册。20 世纪 50 年代美国纽 约的引水隧洞施工时曾发生岩片弹射现象。60 年代挪威赫古拉公路隧道和
2、瑞典的维斯塔引 水隧洞也曾发生过岩爆；成昆铁路线上的关村坝隧道是我国隧道建设中发生岩爆较早的隧 道；之后， 在二郎山隧道、 穿越秦岭的数座隧道施工中也都不同程度的发生过岩爆。岩爆对 隧道工程的最大威胁源于岩爆的突发性。目前， 关于隧道岩爆的形成机理还在研究之中，对 隧道岩爆的认识有待进一步深化。本章通过分析几座隧道的岩爆现象，归纳隧道岩爆的特点， 探讨隧道岩爆机理、讨论岩爆隧道设计理论和施工方法，最后介绍岩爆隧道工程实例二 郎山隧道，借以说明隧道岩爆的具体工程防范措施。 第一节隧道岩爆特点与形成机理 岩爆是岩体受到开挖影响和扰动后发生猛烈破坏的一种工程现象，是岩体本身力学性质 （内在因素）和外
3、界影响因素（诱发因素）某种组合的结果。为了研究影响岩爆发生的各种 因素，首先需要了解在国内外岩爆隧道内观察到的现象。 一、隧道岩爆现象 就空间形态和施工过程而言，水工隧洞与交通隧道几近相同。20 世纪 60 年代掘进的挪 威赫古拉公路隧道和瑞典的维斯塔引水隧洞是发生隧道岩爆的典型代表，在两工程中， 岩爆 以小块岩石弹射为主，大多数弹射岩块很小；岩爆发生时测得的隧道周边切向应力远小于岩 石单轴抗压强度，开始弹射时的周边应力为岩石单轴抗压强度的37%；发生岩爆的隧洞轴 线与测量的原岩最大主应力方向垂直或成大角度相交；岩爆发生部位相对于隧洞中心轴对 称；岩爆前可听到脆性岩石的破裂声，最强烈岩爆发出的
4、声音如200kg 隧洞掘进爆破。 国内的川藏公路二郎山隧道在施工中出现了较为严重的岩爆现象 2，3。为了掌握岩爆与 地应力规律，用钻孔应力解除法和岩石声发射（AE）Kaiser 效应对地应力进行了现场测试， 最大主应力为353MPa。二郎山隧道的岩爆特点是：（1）发生岩爆的围岩属、类围岩； （2）岩爆多发生在掌子面及距其13 倍洞径范围内；（3）岩爆既发生在围岩表面，也发生 在围岩内部；（4）岩爆形式有劈裂和剪切两种；（ 5）岩爆爆坑多呈锅底形，坑边沿多为阶梯 形； （6）断层带两侧的硬岩中容易发生岩爆；（ 7）干燥无水区段容易发生岩爆；（ 8）相邻洞 室的开挖对主洞岩爆似无影响等。 西康铁路
5、秦岭隧道在施工中也出现了严重的岩爆现象 4，5。秦岭隧道号线的岩爆特点 有： （1）受构造应力影响，岩爆先发生在右侧壁，然后到拱肩、拱顶，最后发展到左侧壁； （2）岩爆多发生在断层带两侧完整的上下两盘；（3）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中； （4）发生在距掌子面9100 米范围内的岩爆较为频繁剧烈；（ 5） 强烈岩爆的爆坑多呈A 字形，一般岩爆的爆坑多呈锅底形等。 综合大量资料，可以发现隧道岩爆的发生有如下规律： （1）岩爆岩石一般是岩浆岩或变质岩，沉积类岩石较少发生岩爆。含有硅质（特别是 石英）或其他坚硬矿物的岩石发生岩爆较多。岩浆岩和变质岩的强度和弹性模量一般比
6、沉积 岩高，它们的岩爆倾向性也普遍比沉积岩高，具有岩爆倾向性是岩石发生岩爆的首要内在条 件。 （2）含水率高的岩石较少发生岩爆。饱和状态岩石强度低于干燥岩石强度（包括抗压 和抗剪强度） ，含水率高岩体在次生应力作用下，应变能还未来得及积聚就已经发生了破坏， 因此含水率高岩石不易发生岩爆。 （3）岩爆发生在高原岩应力条件下的脆性岩石中。在高原岩应力条件下，构造和开挖 次生应力叠加容易超过脆性岩体强度而产生岩爆。 （4）在同一岩爆隧道，岩爆发生的频率和强度均随隧道埋深的增加而提高。对于多数 受岩爆危害的隧道，岩爆发生的频率随开挖深度的加大而升高 （5）高强度岩爆一般发生在背斜轴部以及断层和弹性模量
7、有突然变化的地质夹层（坚 硬岩墙或软弱岩层）附近。 背斜轴部一般是高应力区，若开挖作业处在背斜轴部则容易发生 岩爆。在断层和岩体弹性模量突变的夹层附近施工时，开挖次生应力将导致断层或刚度突变 面剪切应力加大，发生剪切或断层滑移型岩爆。 （6）岩爆发生前，掌子面推进时常会出现岩粉颗粒变大和岩粉量增多、岩石表面有玻 璃光泽、钻孔时发生非塌孔原因的卡钻等现象。岩爆前出现的岩粉变粗、岩粉量增多、卡钻 和玻璃表面等现象都是开挖次生应力增大和导致岩体发生微型破坏的结果，是开挖次生高应 力状态的表现。 （7）隧道岩爆最常发生的时段是爆破后24h；爆破震动产生的瞬间动应力与岩爆处 岩石本来承受的较高应力叠加，
8、超过了岩体强度导致岩体瞬间破坏，因此开挖爆破是岩爆的 直接诱因之一； （8）与自然地震的余震类似，在强烈岩爆后短时期内一般还会发生一到几次强度较小 的岩爆。 二、隧道岩爆特点 隧道岩爆的特点可以从发生无明显征兆、围岩类型、空间位置、时间区段、 含水状态和 形式规模等方面考察，可概括如下： （1）岩爆具有突发性。在岩爆未发生前，并无明显的征兆。在通常认为不会掉落石块 的地方，突然发生爆裂声响，石块有时应声落下，有时并不落下。 （2）岩爆只发生在高应力脆性围岩中。坚硬的脆性围岩和高地应力（与围岩强度相当 的地应力）是岩爆发生的必要条件、基本条件。 （3）岩爆主要发生在隧道侧壁切（环）向应力较大部位
9、。岩爆发生的地点多在新开挖 的工作面附近， 个别也有距新开挖工作面比较远，常见岩爆部位侧壁与拱腰。这是隧道岩爆 的空间特点。 （3）岩爆主要发生在围岩应力的剧烈调整期。岩爆在开挖后陆续出现，多在爆破后的 24 小时， 24 小时内最为明显，延续时间一般12 个月。这是隧道岩爆的时间特点。 （4）岩爆围岩通常完整极少含水。地层含水意味着围岩内有裂隙，裂隙便为应力释放 提供了空间，所以，含水量高的围岩极少发生岩爆，反之发生岩爆的围岩则极少含水。 （5）岩爆坑多呈 “锅底形”。岩爆时围岩破坏的规模，小者几厘米， 大者可多达几十吨。 工程中危害最大的是弹射而出的石块。这些弹出的石块多为中间厚，周边薄，
10、不规则的岩片。 岩片脱落后在隧道壁面上通常会留下“锅底形”痕迹。 三、隧道岩爆机理 岩爆机理的研究旨在揭示其发生的内在规律，确定岩爆发生的原因、条件和危害。20 世纪 80 年代以前，人们在进行岩爆机理研究中，借鉴传统力学有关材料强度的概念提出了 强度理论；在分析岩石力学室内实验采用不同刚度试验机时岩石试件破坏的强烈程度不同这 一现象的基础上建立了刚度理论；基于能量守恒定律提出了能量理论。 1强度理论 强度理论认为：岩体承受的应力大于其强度 时，也就是/ 1时，岩体破坏并 引发岩爆。近代强度理论的表达式有多种，对于各向同性岩石材料，最有代表性的是Hoek 和 Brown 于 1980 年提出的
11、经验性强度准则： （5-1） 式中 最大主应力， MPa； 最小主应力， MPa； 完整岩石材料的单轴抗压强度，MPa； m 常数，取决于岩石性质和承受破坏应力前岩石已破坏的程度。 就强度理论本身而言，当满足上述条件时只表明岩石将发生破裂或破坏，但并未指出在 什么条件下会发生猛烈破坏（即岩爆）。应该说，强度理论只给出了岩爆的必要条件，因此 研究岩爆仅讨论岩石破坏条件远不够，必须探讨岩石发生岩爆的其他附加条件。 2能量理论 20 世纪 60 年代中期，库克等人提出了能量理论。他们指出：岩爆是由于岩体围岩系 统在其力学平衡状态破坏时，系统释放的能量大于岩体本身破坏所消耗的能量而引起的。这 种理论较
12、好地解释了地震和岩石抛出等动力现象。同一时期，Dunk House 给出了岩爆的能 量平衡方程式， 对释放和消耗的能量结构进行了分析。随后， 佩图霍夫也对库克等人的理论 进行了补充和完善。Wafnow 提出了无摩擦剩余能量理论。70 年代由 G Brauner 等提出了能 量率理论，即： （5-2） 式中围岩能量释放有效系数； 矿体能量释放有效系数； ER 围岩所储存的能量，MJ； EE 矿体储存的能量，MJ； ED 消耗于矿体和围岩交界处矿体破坏阻力的能量，MJ。 能量理论从能量角度解释了岩爆的破坏机理，但它并未说明平衡状态的性质和破坏条 件。 3岩爆倾向理论 岩爆的发生依赖于岩石本身的性质
13、、地下洞室的形状和不利的地质结构特征等几个因素 的组合。 岩石本身的力学性质是发生岩爆的内因条件。用一个或一组与岩石本身性质有关的 指标衡量矿岩的岩爆倾向强弱，这类理论就是所谓的岩爆倾向理论。表征岩石岩爆倾向的指 标很多，其中主要有以下几种： （1）弹性能量指标（Singh 称其为岩爆倾向指数，即Burst Proneness index） ，通过对岩 石试块进行单轴压缩加载和卸载实验确定。该指标这样确定： 在实验室对岩样进行单轴压缩 实验，取应力为岩石强度的80 90时记录的应力应变曲线，用图形积分法求出弹性变 形能量储能与塑性变形耗能之比，即为弹性变形能量指数WET。 WET的计算草图如下
14、图所示： o / M P a f () Ec f1() Ep t ep 图 5-1 WET计算图 WET的计算表达式： （5-3） 式中： Ec 弹性应变能， MJ； Ep 塑性应变能， MJ ； c 弹性应变； p 塑性应变； t 总应变； f（ ） 加载时的 - 曲线函数； f（p） 卸载时的 - 曲线函数。 确定应力等于岩石强度的80 90有两种方法：一种是先对同组试样的部分试块进 行抗压实验，求出该组岩石的抗压强度平均值，从而确定80 90岩石强度时的应力； 另一种方法是对岩石试块进行多次加载和卸载实验，直至试块破坏，每次均进行WET计算， 取其最大值（一般进行35 次加卸载实验） 。
15、 Kidybinski 针对煤试块实验结果给出岩爆倾向性分类标准是： WET 5.0 有强岩爆倾向 WET=2.04.99 有弱岩爆倾向 WET2.0 无岩爆倾向 Singh 根据加拿大萨德伯里地区硬岩试样实验结果，建议岩爆倾向性分类标准是： WET 15 有强岩爆倾向 WET=1015 有中等岩爆倾向 WET10 有弱岩爆倾向 许多研究结果表明，WET有随岩石强度提高而增大的趋势。 （2）岩爆有效能量的释放率。用普通柔性试验机进行岩样压缩实验时，岩样的猛烈破 坏模拟了矿山岩爆时岩体在高应力作用下发生的动态破坏。岩爆的破坏作用主要受岩体达到 峰值强度发生破坏后释放出的能量大小的控制。最早提出岩
16、爆有效能量释放的是波兰的 Motyczka（1973 年） ，他将岩爆有效能量释放率定义为岩样在单轴抗压试验破坏时岩石碎片 抛出的动能Et与试块储存的最大弹性应变能Es之比，即 （5-4） 式中： Et 抛出碎片动能，MJ； （5-5） n 抛出碎片个数； mi 第 i 个碎片的质量，kg； V0i 第 i 个碎片弹射的初速度m/s； Es 岩石试块破坏前储存的最大弹性应变能，MJ。 （5-6） c 岩石试样的单轴抗压强度，MPa； G 弹性模量， GJ。 Kidybinski （1981 年）给出的以该指标对岩石岩爆倾向性分类的标准是： 3 2无岩爆倾向 =3 2 3 8有弱岩爆倾向 =3
17、8 4 4有中等岩爆倾向 4有强岩爆倾向 （3） 下降模量指数和冲击能量指数。应变速率为常数的单轴抗压试验有两个特征摸量： 轴向 - 曲线上升段线性部分的斜率G（弹性模量）和峰值后 - 下降段的斜率M（下降刚 度模量），称 G/M 为下降模量指数，Concarouva 将岩石按G/M 比值分为两类： G/l 有岩爆倾向岩石 G/1 无岩爆倾向岩石 考虑到 - 曲线峰值后部分斜率的变化，下降模量指数只有在低围压（实际上一般为 1MPa）时才有意义。使用刚性试验机对岩样进行单轴压缩实验，得到 - 曲线。峰值 - 曲线与 轴所成面积之比称为冲击能量指数，如图所示。 o / M P a E1E2 图
18、5-2 冲击能量指数WCF示意图 （5-7） 式中WCF 冲击能量指数； E1 峰值前贮存的能量，MJ； E2 破坏过程所需的能量，MJ。 （4）岩石的脆性系数。岩石的脆性破裂是指在几乎没有产生永久（或塑性）变形的情 况下， 某一面上的强度突然丧失的过程。一般认为岩爆是岩石的脆性破坏，因此许多学者用 岩石的脆性系数表示岩爆倾向性。不同学者采用的脆性系数的计算公式也不相同。 S.P.singh采用两个指标表示岩石的脆性： （5-8） （5-9） 式中K1，K2 脆性系数； c，t 岩石的抗压和抗拉强度，MPa； 岩石的内摩擦角， （ ） 。 谭以安 6 采用的脆性指数计算式是： （5-10） 式
19、中u1 永久变形， mm； u2 弹性变形， mm。 为了区别不同岩石之间的脆性差别，采用的公式还有K = c/ t（式中符号意义同前） 。 按该公式划分的岩爆倾向性标准是： K 18 有强岩爆倾向 K=1018 有中等岩爆倾向 K 10 无岩爆倾向 四、隧道岩爆三簧模型 上述岩爆理论主要研究岩爆发生的条件，对判断岩爆是否会发生很有帮助。事实上， 对 隧道工程构成威胁的主要是有岩片飞出的弹射岩爆。为了探讨弹射岩爆的形成机制，在此提 出了隧道岩爆三簧模型。 开挖形成隧道壁面后，围岩可视为处于平面应变状态，变形仅发生在隧道的横断面。表 层围岩切向因应力集中而受力较大，径向应力在壁面为零，向围岩深处
20、逐渐增加。如果后期 围岩表层发生岩爆，则必有局部围岩表层处于破坏临界状态。这种局部围岩表层临界状态可 用三簧模型（图5-3）来分析。该模型由可能的岩爆片（简称岩爆片）、母岩（块）和三根 弹簧构成。 后期岩爆破裂的危险面近似为一轴对称球面，岩爆片一侧为平面， 另一侧为球面。 过对称轴作一铅垂面，在该平面内，岩爆片通过三根弹簧与母岩连接，其中，上下两弹簧为 压簧， 中簧为拉簧。 母岩对岩爆片的作用用三根弹簧来等效。母岩对岩爆片的压应力可通过 上下压簧传递， 使岩爆片积蓄一定的压缩弹性变形能。为了分析方便， 将岩爆片内接近破裂 面一定厚度内的压缩弹性变形能等效为压簧的变形能；当母岩上下受压时，岩爆片
21、会产生横 向变形， 在横向拉应力的约束下岩爆片与母岩结合在一起，同时， 岩爆片内也积蓄了一定的 拉伸弹性变形能。强调一下，拉簧的两端分别与母岩和岩爆片牢固相连，若非如此，岩爆片 会自然与母岩分离，不能构成分析模型；压簧放置在破裂面之间，其位置、 弹性系数等应与 模拟的状况相匹配，上下弹簧弹性一致，位置对称。岩爆前，以岩爆片为研究对象，其受力 如（图5-4）所示。 母岩 岩爆片 对称轴 中拉簧 上压簧 下压簧 压应力 上簧压力 下簧压力 中簧拉力 母岩 岩爆片 重力 压应力 图 5-3 岩爆片由三根弹簧与母岩联系图 5-4 岩爆前岩爆片等效受力 在隧道开挖推进过程中，掌子面的三维效应逐渐消失，围
22、岩应力重分布，隧道开挖壁面 局部切向应力增加。切向应力的些许增量会诱发岩爆。在三簧模型上， 母岩切向应力增量使 处于临界状态的破裂面瞬间破裂，即拉簧断裂， 岩爆片失去横向约束，岩爆片会在压簧的作 用下向外弹射。 之后，岩爆片的运动状况取决于压簧的弹射力、重力和母岩对岩爆片的摩擦 阻力（图5-5） 。如果，弹射力大，母岩阻力小，重力有助于弹射，则岩爆片会弹射而出； 反之，则会只听到岩爆响声，不会有岩片弹出。 隧道岩爆三簧模型解释了弹射岩爆的力学机理。揭示了弹射岩爆的动能获自岩爆片自身 的部分压缩变形能，即岩爆片破裂面内侧一定厚度内的弹性压缩变形能，岩爆片内的拉伸弹 性变形能和母岩的弹性变形能对岩
23、爆片无影响。三簧模型自然地解释了岩爆弹射体常呈片 状、岩爆坑常呈锅底状的岩爆现象。此外， 三簧模型还可解释为什么弹射岩爆常发生在拱脚 与拱腰之间（图5-6） 。 上簧压力 下簧压力 母岩 岩爆片 重力 摩擦阻力 压应力 起拱点 拱腰点 弹 射 岩 爆 多 发 段 隧 道 中 线 图 5-5 岩爆后瞬间岩爆片等效受力图 5-6 弹射岩爆多发范围 由隧道岩爆三簧模型可知，弹射岩爆是否发生取决于母岩所受的压应力、岩爆片所受的 弹性力、重力和母岩的摩擦阻力。在隧道拱腰线以上，母岩切向压应力较小，岩爆发生的几 率很低。在起拱线以下，岩爆片的重力以及母岩对岩爆片的阻力均不利于弹射岩爆的发生。 只有在起拱线
24、与拱腰线之间，母岩所受的压应力较大，重力有助于岩爆片的弹射，且母岩对 岩爆片的阻力较小，所以，在该区段弹射岩爆容易发生。当然，岩体本身的结构等也会影响 弹射岩爆的发生状况，但不会改变弹射岩爆多发于上述区段的总体规律。 隧道岩爆三簧模型中，对称面内岩爆片切入母岩的切入角可为岩石单轴抗压试验时试件 的破坏角（ 45 /2） ；岩爆片的直径（块度）有一定的变化范围，但不会过大。过大的 岩块只可能坠落，难以弹射。 第二节岩爆隧道设计 隧道设计有一定的程式和相应的内容，对于岩爆隧道， 首先是通过地质勘察和岩性试验 等对隧道发生岩爆的可能性做出初步判断；如果有可能， 则对围岩岩爆烈度进行预评级；然 后依据
25、岩爆级别设计开挖和支护预案。在隧道施工过程中，实施动态设计。 根据实际揭露的 地质条件和现场监测成果，对围岩岩爆烈度进行定级，并根据岩爆烈度级别选用相应的开挖 支护设计预案，进行施工；如此“选定预案 施工 监测 岩爆定级 选定预案 ”循环往复，直到完全通过有岩爆可能的区段。 一、岩爆发生可能性的初步判断 7 岩爆是岩体破坏的一种形式，对采用的开挖方式有特殊要求。初步判断围岩是否具有岩 爆倾向性，是开展隧道岩爆研究工作的第一步。如果初步判别某一隧道围岩没有岩爆倾向性， 那就没有必要耗费大量的人力和财力开展此隧道的岩爆防治研究。岩爆发生可能性的初步判 别，主要依据隧道地质勘查报告所提供的信息。如果
26、隧道围岩主要为岩浆岩和变质岩，在地 质勘探时观察到有饼状岩心，隧道埋深超过800m，隧道掘进期间出现岩爆前兆或发生弱岩 爆现象，则应进一步开展岩爆倾向性研究。 1岩心饼化 地质勘探孔岩芯是人们了解岩体力学特征最初的来源。在高应力区钻孔中岩石发生的脆 性破裂实质上是最小规模的岩爆。岩心“饼化” 现象是指在地质勘探过程中出现大量厚薄均 匀、外貌颇似圆饼的岩芯（图5-7） 。饼状岩芯有以下特征： （1）破裂面顶凸底凹，形若盘盏，面上清晰可见严格平行延伸的微细擦纹和与擦纹正 交的拉裂坎，底面周围尚有短小裂纹平行分布，侧面多呈截锥状； （2）破裂面新鲜粗糙，不见原构造恨迹。破裂面没有外力作用的痕迹，无分
27、化、蚀变、 淋滤现象； （3）饼状岩芯都呈椭圆形，长轴平行擦纹且垂直拉裂坎，在紧密嵌合连续的数块饼状 岩芯上，长轴沿垂直向重叠且平行。岩芯厚度与岩芯直径成正比。 图 5-7 岩心饼状图 2隧道埋深 发生岩爆的必要条件是自重应力、构造应力、开挖次生应力的叠加超过脆性岩石的强度。 地应力最大主应力分量与完整岩石单轴抗压强度的比值在评价地应力高低时具有重要意义。 岩体埋置深度是影响地应力大小最重要的因素之一。地应力随深度增加，岩爆发生的可能性 也随之增大。我国硬岩矿山采矿、隧道掘进实践表明，开挖深度小于600700m 时几乎没 有岩爆发生，当开挖深度超过800m 时发生岩爆的频率明显增加。根据上述分
28、析，建议当新 建隧道埋深超过800m 时，应对隧道的岩爆倾向性进行研究。 二、岩爆预报 1地形地貌分析法与地质分析法 认真查看隧道所在地区的地形地貌，对该区地形地貌有一个总体的认识，在高山峡谷地 区，谷地为应力高度集中区，另外根据地质报告资料初步确定辅助洞室施工期间可能遇到的 地应力集中或地应力偏大地段。依据地质理论， 在地壳运动的活动区有较高的地应力，在上 升剧烈，河谷深切，剥蚀作用强烈的地区，次生应力也较大。 2AE 法（声发射法） AE 法主要是利用岩石临近破坏前有声发射这一特点，通过声波探测器对岩石内部的情 况进行检测。該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
29、岩 石内部的破裂程度和应力增长速度。这种方法最直接也最有效。 3钻屑法（岩芯饼化法） 这种方法是通过对岩石钻孔进行的，可在进行超前钻孔预报的同时，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。 在钻孔过程中还可以获得如爆裂声、摩擦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。 三、岩爆烈度分级与支护 岩爆虽是隧道与地下工程中普遍关注的一种现象，但至今对岩爆烈度分级原则仍有不同 见解。一些学者认为“岩石有松脱的破裂
30、，伴有微弱发自岩石内部的声音”，则列为“轻微 岩爆活动”（ Russenes B.F.1974 ） 。较多的学者则强调“具有弹射现象”作为与其他脆性破坏 的区别，因而认为“无动力弹射现象的破裂不应归属岩爆，而应属于静态下的脆性破坏”。 目前关于岩爆分级采用四级制和三级制的较多。如表 5-1 所示为国内外学者及相关单位提出 的岩爆分级方案。 岩爆烈度分级方案表 5-1 方案提出者岩爆烈度分级及主要依据 G 布霍依诺 （西德， 1981） 轻微损害 不造成生产中断 中等损害 支架部分损坏，一般要中断 生产 严重损坏 工程被摧毁 拉森斯（Russenes B F，挪威1974） 0 级：无岩爆 1
31、级：轻微岩爆，岩石 有松脱、破裂，声响微 弱 2 级：中等岩爆 岩石中有不容忽视的片落、 松脱，有随时间发展趋势， 有发自岩石内部的强烈炸 裂声 3 级：严重岩爆 爆破之后顶板、两帮严重崩落，底板隆 起，周边大量超挖和变形，可听到发射 子弹、炮弹的强烈声响 谭以安（ 1988） 弱岩爆（） 劈裂成板，剪短脱离母 体，产生射落；洞壁表 面产生轻微破坏，不损 坏机械设备，可听到噼 啪声响 中等岩爆（） “ 劈裂-剪短 -弹射 ” 重复交替 发生，向洞壁内部发展，形 成 V 型三角坑， 洞壁有较大 范围破坏，对生产威胁不 大，个别情况下损坏设备； 有似子弹弹射声 强烈岩爆（） “劈裂 -剪短 -弹
32、射”急速发生， 并 剧烈向洞壁深处 扩展，几乎全断面 破坏，生产中断， 有似炮声巨响 极强岩爆（） “劈裂 -剪短-弹射”急 速发生并剧烈向洞壁 深处扩展，持续时间 长，震动强烈，有似 闷雷强烈声响；人财 损失严重，生产停止 铁道部第二勘查设 计院（ 1996） 弱岩爆中等岩爆强岩爆 交通部第一公路勘 查设计院（ 1996） （二郎山隧道原采 用方案） 微弱岩爆（一级） 岩石个别松脱和破裂， 有微弱声响 中等岩爆（二级） 有相当数量的岩片弹射和 松脱，洞内周边岩体变形， 有随时间发展趋势，有的岩 体有较强的爆裂活动 剧烈岩爆（三级） 顶板、侧壁围岩发生严重岩片弹射，甚 至有巨石抛射，其声响如炮
33、弹爆炸；地 板隆起，洞壁周边变形严重，可引起洞 室坍塌 （一）四级制岩爆分级 有文献提出岩爆裂度分为四级，分级时主要考虑以下原则和依据。 1以爆裂松动脱落为起始状态，以爆裂抛掷为终止状态 爆裂松动大体相当于挪威拉森斯（ Russenes B.F.1974 ）分级中的1 级，即轻微岩爆活动。 应该指出， 某些学者将有明显弹射现象和声响作为1 级，实际上在具体描述时，将 1 级的破 坏方式和过程描述为“劈裂成板 脱离母体，产生射落” （谭以安方案中的I 级弱岩爆）， 未用弹射两字。 在实际工程中， 个别随机脱落的岩块也容易被人忽视或误判，因而要以此作 为岩爆的判据标准，操作难度较大。 但已破裂的岩
34、块和残留的痕迹，往往可作为围岩破裂机 制的直接证据。 因而将爆裂松动或脱落作为起点，无论从岩爆力学机制和工程实践角度来看 都是较为适宜的。岩爆的另一极端则是剧烈抛射，它会造成工程结构摧毁性破坏。 2便于确定合理的工程防治措施 各分类方案中， 轻微岩爆 （拉森斯方案） 或弱岩爆 （谭以安方案） 将破坏程度定为轻微、 不损坏机械设备。而岩爆的极端状态（如谭方案的极强岩爆（）则是摧毁性的。在这两 个极端状态之间， 如果只有一种中间状态，显然不利于工程措施的合理设计。从这一点考虑， 4 级分级方案较为合理。 3分级依据应尽量便于实际操作 分级中突出在现场容易判别的标志，这样有利于施工、监理、 设计和地
35、质人员在现场取 得共识。 4岩爆烈度分级与岩石变形破裂发展阶段的相关性 岩爆的 4 级划分可以与岩石在三向应力条件下变形破坏全过程（Lane、Bieniawski 等， 1970）加以对照。 尽管洞室开挖对围岩是一个卸荷过程，然而洞壁附近岩体却会出现径向应 力降低和切向应力增高的应力重分布现象。岩爆的烈度与三向应力条件下岩石的变形破裂有 如下对照关系： （1）微岩爆（ I 级） ： e/Rb 0.30.5 ，岩石破裂开始，主要表现为表面的压致拉裂； （2）中等岩爆（级） ： e/Rb 0.50.7，岩石进入稳定破裂阶段，表现为浅表部楔形 的压致剪切破裂，一般情况下随发展破裂渐趋稳定； （3）强
36、烈岩爆（级） ： e/Rb 0.70.9 岩石进入不稳定破裂阶段，表现为一定深度的 楔形、弧形压致剪切拉裂或弯曲鼓折。承受的压应力已超过岩石（体）的长期强度，岩爆有 向深处渐进发展的趋势。 （4）剧烈岩爆（级） ： e/Rb 0.9 l.0，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，并迅速向深处发展。 根据以上原则和依据，二郎山隧道设计组提出表5-2 所示的岩爆分级方案。 公路隧道围岩岩爆分级方案表 5-2 特征级（轻微岩爆）级（中等岩爆）级（强烈岩爆）级（剧烈岩爆） 声响特征劈啪声、撕裂声清脆的爆裂声强烈的爆裂声剧烈的闷响爆裂声 运动特征爆裂松动、剥落爆裂脱落、 少量弹
37、射强烈的爆裂弹射 剧烈的爆裂弹射甚 至抛掷 岩块形态 特征 薄片状、薄透镜 状 透镜状、棱板状棱板状、 块状、片状、 板状板状、块状或散体 断口特征新鲜的贝壳状 新鲜的贝壳状、 弧形 凹腔、楔形凹腔 弧形凹腔、楔形凹腔 大规模弧形凹腔或 楔形凹腔 发生部位拱部及边墙边墙与拱角 主要在边墙与拱部， 可波及 至底板 边墙及拱部， 并伴有 底板爆裂隆折 时效特征零星间断爆裂 持续时间长， 有随时 间累计向深部发展 特征 具有延续性，并迅速向围岩 深部扩展 具有突发性， 并迅速 向深部扩展 影响深度 h/B 表面 0.1 深度可达 1m 左右 0.10.2 2m 左右 0.20.3 3m 左右 0.3
38、 对工程的 危害及防 范措施 影响甚微，适当 的安全措施就可 使施工正常进行 有一定的影响， 应及 时采取喷锚支护措 施，否则有向深部发 展的可能 有较大的影响， 应及时挂网 喷锚支护，必要时设仰拱及 封闭掌子面，设置钢架支撑 严重影响甚至摧毁 工程，必须采取相应 的特殊措施加以防 范 e/Rb0.30.5 0.50.7 0.70.9 0.9 岩爆防治措施一般可分为改善围岩物性和应力条件、挂网喷锚初期支护加固围岩、二次 衬砌永久支护三大类。不同烈度级别的岩爆，可以采取不同的处理措施。 根据二郎山隧道各级岩爆区施工攻关的实践，综合参考国外赫古拉公路隧道（挪威）、 霍杨阁兰峡湾隧道（挪威）、格兰萨
39、索公路隧道（意大利）、关越隧道（日本）和国内太平 择、天生桥水电站引水隧洞等地下工程岩爆防治经验，对二郎山公路隧道岩爆四级分级提出 如表 5-3 所列防治措施及公路隧道开挖、支护和衬砌的方法与参数。这些防治措施已在该隧 道工程实践中取得良好效果。 四级岩爆分类法防治措施表 5-3 岩爆级别改善围岩物性、应力条件初期支护 二次衬砌 混凝土厚 度/cm 级 （轻微岩 爆） 一般进尺控制在1.52m； 尽可能全断面开挖， 一次成 形， 以减少围岩应力平衡状 态的破坏，控制光面爆破效 果，以减少围岩应力集中； 在掌子面和洞壁经常喷洒 水， 必要时采用超前钻孔应 力解除方法 分步循环作业， 喷 1015
40、cm 厚 C20 混凝土；22 砂浆锚杆，长22.5m，间距 150200cm，梅花 形布置，加垫板；8 钢筋网，网格20cm20cm 35 级 （中等岩 爆） 分三个循环作业，喷15cm 厚 C20 混凝土；22 砂浆锚杆，长2.53m，间距 100150cm，梅花 35 形布置，加垫板；8 钢筋网，网格20cm20cm， 必要时设格栅钢架支撑 级 （强烈岩 爆） 一般进尺控制在1.5m 以 内；必要时下部预留1/3 两 步开挖，以降低岩爆破坏程 度；提高光爆控制效果，以 减少应力相对集中现象；采 取卸载钻孔， 松动爆破或震 动爆破，使岩体应力降低， 能量在开挖前释放， 必要时 候可均匀向掌
41、子面高压注 水，以降低岩体的脆弹性 40mm 超前缝管式锚杆， 长 3.5m， 间距 1.52m； 分三个循环作业，喷15cm 厚 C20 混凝土；22 砂浆锚杆，长33.5m，间距 50100cm，梅花 形布置，加垫板；8 钢筋网，网格20cm20cm， 必要时设仰拱和喷4cm 厚混凝土封闭掌子面，设 置格栅钢架支撑 35 级 （剧烈岩 爆） 40mm 超前缝管式锚杆， 长 3.5m， 间距 1.02m； 喷 4cm 厚 C20 混凝土封闭掌子面， 洞壁分三个循 环作业，喷 15cm 厚 C20 混凝土；22 砂浆锚杆， 长 3.5m，间距 50cm，梅花形布置，加垫板；8 钢筋网，网格20
42、cm20cm，必要时设仰拱、格栅 钢架支撑 35 （二）三级制岩爆分级 公路隧道设计细则（JTG/T D70-2010 ）中对高地应力地区有关地层地应力的分级和岩爆 的判据及描述见表5-4 和表 5-5。 高地应力地区地层地应力分级表 5-4 RC/ max 岩质 分级描述 极高高较高 硬质岩（ Rc60MPa ）224 46 较硬岩（ Rc=3060MPa） 335 57 软质岩（ Rc30MPa ）446 68 岩爆判据及描述表 5-5 岩爆级别RC/ max分级描述 I 7 开挖中将无岩爆发生 47 开挖中可能出现岩爆， 洞壁岩体有剥离和掉块现 象，新生裂纹较多，成洞性较差 4 开挖中常
43、有岩爆发生，有岩块爆出， 洞壁岩体发 生剥离，新生裂纹多，成洞性差 1高地应力地区隧道设计应符合以下规定： （1）合理选择隧道位置 应尽量将隧道布置在地应力较低或均匀地段，尽可能避开构造断裂带、构造应力活跃区 及应力集中区。 （2）合理选择隧道轴线走向 设计时应结合地应力分布、地质条件及洞室形状，尽可能选择合理的走向，避免洞壁受 最大主应力的作用，减小洞壁的切向应力，力求使洞室周边应力均匀分布，不出现过大的应 力集中。 隧道轴线与最大主应力方向水平投影的夹角宜为15 30 。在不等向的岩层中（如 片岩、板岩地层）， 若主应力方向与层理方向接近，洞室轴线与这些界面的夹角不宜小于35 。 （3）合
44、理选择隧道的断面形状，改善围岩的应力状态 在高地应力区， 隧道断面长轴应与最大主应力方向平行、成小角度相交或靠近最大剪应 力方向上， 应使洞室的长轴与短轴之比和最大、最小主应力相匹配。若最大主应力和最小主 应力不呈垂直或水平分布，而与水平面成一个角度，且地应力水平很高时，可采取非对称断 面或其他工程措施来应对。当最大主应力方向垂直洞室断面时，应避免采用高边墙，洞室断 面应圆顺，避免应力集中，尽可能使洞室周边处于应力均匀状态。 2岩爆地段的支护结构设计应符合以下规定： （1）轻微岩爆和中等岩爆地段，初期支护可采用网喷混凝土或喷钢纤维混凝土、系统 锚杆、超前锚杆的联合加固措施。 （2）强烈岩爆地段
45、，除采用喷钢纤维混凝土或网喷混凝土、系统锚杆（加大支护密度 或采用屈服性锚杆）外，还应增加多排超前锚杆锚固及格栅钢架加强等综合治理措施，提高 结构的整体支护能力。 （3）岩爆频繁发生的严重地段，宜采取超前应力解除法降低洞壁切向应力，在开挖时 采用喷钢纤维混凝土、系统锚杆、超前锚杆及格栅拱架等加固措施。 （4）抛射型剧烈岩爆地段，应按能量原则设计，采用可屈服的支护系统，并辅以切实 可行的应力解除（主动法）措施，如超前应力解除、高压注水等主动防护措施。 3岩爆段的初期支护可按表5-6 的规定确定支护参数。 4岩爆地段的隧道施工，应控制开挖顺序与掘进速度，严格执行施工规程。应采照光 面或预裂爆破，毛
46、洞宜平整光滑，避免超欠挖形成的凹凸面。I 级岩爆可采用全断面开挖； II 级岩爆可采用短台阶上下平行作业全断面开挖或分部开挖；岩爆严重的级地段，应采用 分部开挖，限制开挖规模，减缓施工进度，采取短进尺、周边密孔、多循环、弱爆破、及时 支护等措施。 5岩爆段的二次衬砌可不进行特别加强，但是当初期支护施工完毕后仍有开裂或具有 岩爆倾向时， 可在进一步加强初期支护的条件下，适当增强二次衬砌，调整二次衬砌施作时 间，并用相同强度等级的混凝土填实衬砌后的空隙、空洞。 岩爆地段初期支护参数表 5-6 岩爆程度锚杆喷射混凝土钢筋网钢支撑 轻微岩爆 （级） 22mm砂浆锚杆，加垫板，长2m， 间距 120cm
47、，梅花形布置 C20，厚 10cm 6mm ， 20cm 20cm 中等岩爆 （级） 22mm砂浆锚杆，加垫板，长2 2.5m，间距 100cm，梅花形布置 C20，厚 1012cm 8mm ， 20cm 20cm 必要时，增设格栅 钢架支撑 强烈岩爆 （级） 22mm砂浆锚杆，加垫板，长2.5 3m，间距 50100cm，梅花形布置； 掌子面可采用研4mm超前缝管式锚 杆加固，长3.5m，间距 1.52.0m C20，厚 12cm 8mm ， 20cm 20cm 增设格栅钢架支 撑 四、岩爆隧道支护问题讨论 传统结构工程设计的程序是：（1）确定施加载荷超过一定极限时支护结构发生破坏的形 式；
48、 （2）建立对施加载荷与决定破坏方式起重要作用的应力和变形量之间的关系式，也就是 通常所说的准则； （3）通过适当的材料试验确定所用材料的强度；（4）选取安全系数，确保 破坏在可接受概率条件下不致发生。选取安全系数主要基于3 个不确定性： 第一， 作用条件 的预测； 第二材料均质程度的预测；第三假定破坏准侧的正确性。有岩爆危险隧道的支护设 计无法严格按上述步骤进行，但是可以遵循上述设计思维方法。 有岩爆危险隧道支护设计可采用下列设计程序：（1） 分析世界各地已发生岩爆破坏隧道 的形式， 确定岩爆破坏机理。根据破坏机理， 确定对产生破坏严重程度具有重要意义的参数 以及对支护系统的功能要求；（ 2）比较现行支护元件或系统的特性和功能，找出最能满足前 述支护功能的支护类型； （3）预测隧道可能发生岩爆的类型及强烈程度；（4）考虑适当安全 系数，计算并选取支护元件的结构参数。 目前， 隧道岩爆的破坏形式归纳起来有两种：（1）岩体突然破裂导致岩体体积膨胀，发 生大位移， 有时还伴随岩块弹射； （2）岩块受地震波扰动发生猛烈弹射。岩爆与通常意义上 的岩体破坏的最大区别是，破坏岩体瞬间变形大，且具有很高的动能。岩爆是岩体破坏的一 种形式， 所以常规支护的功能是必须的。除此之外， 岩爆对支护系统的特殊要求是支护元件 具有让压或屈服特性。最理想的是刚塑性支护，也就是当应力