1、引言
巖爆是開挖誘發的、開挖空間周圍巖體的突然破壞，并伴隨著受壓巖石應變能的突然釋放。巖爆往往是以巖片彈出、大量巖石坍塌或礦震的形式表現出來的動力現象，并造成開挖工作面的嚴重破壞、設備損壞和人員傷亡。巖爆是一種應變能釋放引發巖體發生破壞的一種地質災害。多發生在埋藏深、整體、干燥和地質堅硬的巖層中。在隧道開挖時圍巖形成新的臨空面,初始應力由原來的三向應力狀態變為兩向應力狀態,并在開挖壁面上局部應力集中,若局部應力達到某一臨界應力時,巖爆就發生了。因而產生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現象的一種動力失穩地質災害。馮建軍描述了二郎山隧道巖爆特征：巖爆聲響既發生在掌子面也發生在巖體內部,輕微巖爆的聲響較為清脆,可聽到“啪、啪”“嘎、嘎”的聲響,強烈巖爆段所發出的聲響較為沉悶,像“澎、澎”的聲音并夾有“啪、啪”聲。Ⅰ級巖爆表現為爆裂脫落型，破壞形式為劈裂破壞與剪切破壞兩種；Ⅱ級巖爆表現為彈射現象。巖爆爆坑大多數呈“鍋底”形,坑邊沿多為階梯形。強烈巖爆段爆坑多為“V”形。新鮮破裂為主,少數沿原有裂隙面。爆落巖塊多呈不規則的棱塊狀,也有呈中間厚邊緣薄的橢圓狀。斷裂帶兩側或軟弱結構面附近往往形成局部應力集中區,故兩側硬巖中巖爆現象發生,而斷層帶部位一般不發生巖爆。巖爆區段一般較為干燥,有地下水出露的地方無巖爆產生。二灘水電站洞室開挖中的巖爆可以認為,巖爆的潛能是開挖時由應力重分布所產生,而被大臺階爆破和地震所觸發。徐林生對國內外巖爆研究現狀綜述表層零星間斷爆裂松動、剝落。萬姜林描述太平騷水電站引水隧洞的巖爆：從爆落的巖石尺寸和形狀看有塊、板、片和碎屑狀幾種, 巖塊和巖板尺寸較大一般可達幾十厘米至, 有一至兩組平行破裂面, 其余一組破裂面呈刀刃狀巖片一般尺寸較小, 呈中間厚、周邊薄, 斷口參差不齊。從巖爆坑的斷面形狀看, 有直角形、階梯形和鍋狀。楊天俊描述拉西瓦水電站地下硐室巖爆現象：板狀剝皮、片狀剝落,斷層帶附近巖體存在板狀劈裂現象。顧金才對深部開挖洞室圍巖分層斷裂破壞機制模型試驗研究，分析認為當地應力荷載水平方向較大，且最大荷載方向與洞室軸線平行時，洞室圍巖就有可能產生環帶狀分層斷裂現象。
2 影響洞室圍巖穩定性的主要因素
影響圍巖穩定性的因素很多，就其性質來說可分為兩類:第一類屬于地質環境方面的自然因素，如巖石的物理力學性質、巖體的結構與構造、地下水、巖體的天然應力狀態等，這些因素決定了洞室圍巖的質量;第二類屬于工程活動的人為因素，如洞室形狀、尺寸、施工方法、支護措施等，這些因素雖不能決定圍巖質量的好壞，但卻能給圍巖帶來穩定性方面不可忽視的影響。
1)地質因素:
(1)巖體的結構特征
巖體結構特征〔m是長期地質構造運動的產物，是控制巖體破壞形態的關鍵。從穩定性分類的角度來看，巖體的結構特征可簡單地用巖體的破碎程度或完整性來表示，某種程度上它反映了巖體受地質構造作用的嚴重程度。實踐證明，圍巖的破碎程度對地下洞室穩定與否起主導作用，在相同巖性條件下，巖體愈破碎，洞室就愈容易失穩。因此，近代圍巖分類方法中，將巖體的破碎或完整性作為分類的基本指標之一。中科院地質研究所將巖體結構類型劃分為整體塊狀結構(整體結構和塊狀結構)、層狀結構(薄層狀結構和厚層狀結構)、碎裂結構(鑲嵌結構和層狀碎裂結構)、散體結構(破碎結構和松散結構)。松散結構及破碎結構巖體的穩定性最差:薄層狀結構巖體次之:厚層狀塊體最好。一定程度上巖體越破碎則洞室越不穩定，越容易坍塌。
(2)結構面性質與空間組合
在塊狀或層狀結構的巖體中，控制巖體破壞的主要因素是軟弱結構面的性質，以及它們在空間的組合狀態〔57)。對地下洞室來說，圍巖中存在單一的軟弱面一般不會影響洞室的穩定性。只有結構面與洞室軸線關系不利時，或出現兩組或兩組以上的結構面時，才構成易墜落的分離巖塊。分離巖塊的塌落或滑動，還與結構面的抗剪強度以及巖塊之間的相互聯鎖作用有關。因此在圍巖分類中，可從結構面的成因及其發展史、結構面的平整及光滑程度、結構面的物質組成及其充填物質情況、結構面的規模與方向、結構面的密度與組數五個方面來研究結構面對洞
室圍巖穩定性影響的大小。
(3)巖石的力學性質
在整體結構的巖體中，影響圍巖穩定性的主要因素是巖石力學性質【閱，尤其是巖石強度，一般來說，巖石強度越高洞室越穩定。圍巖分類中所說的巖石強度指標，是指巖石的單鈾飽和極限抗壓強度，因為這種強度的試驗方法簡便，數據離散性小，而且與其它物理力學指標有良好的換算關系。此外，巖石強度還影響圍巖失穩破壞的形態，強度高的硬巖多表現為脆性破壞，易引起巖爆現象。而強度低的軟巖，多以塑性變形為主，流變現象明顯。圍巖的巖石性質和巖體結構通過圍巖的強度來影響圍巖的穩定性，從巖性的角度，可將圍巖分為塑性圍巖和脆性圍巖，塑性圍巖主要包括各類粘土質巖石、粘土巖類、破碎松散巖石以及吸水易膨脹的巖石等，常具有風化速度快，力學強度低以及遇水軟化、崩解、膨脹等不良性質，對洞室圍巖穩定最為不利;脆性圍巖主要是各類堅硬體，巖石本身強度遠高于結構面巖石強度，巖性本身的影響不顯著，圍巖強度取決于巖體的結構。
(4)初始應力狀態
巖體的初始應力狀態包括自重應力和構造應力。自重應力指上覆巖體自重產生地應力，構造應力指地質構造運動積蓄的地應力。初始應力會影響洞室開挖后的穩定性。對某些巖體而言，強大的地應力或自重應力作用下，會有新的力學特征(如擠入土和膨脹巖等)。地下工程失穩主要由于開挖引起應力重分布超過圍巖強度或引起圍巖過分變形造成的。而應力重分布是否達到危險程度與初始應力場方向、量值有關。不是地應力越大越不利，主要依據主應力的大小、方向、最大與最小主應力的差值和各主應力值的構成特征而定，還要視它們與地下工程的方位、與巖層主要節理組的夾角而定。當巖石強度與初始應力之比大于一定值時，可以認為對洞室圍巖穩定不起控制作用，當這個比值小于一定值時，再加上洞室周邊應力集中結果，對圍巖穩定性或變形破壞的影響就表現得顯著，尤其巖石強度接近初始應力值時，這種現象更為突出:當隧道軸線與最大主應力。方向垂直時地應力影響最大，因此，洞室軸線的選擇常與水平最大主應力。i方向平行以改善洞室周邊的應力狀態，提高圍巖的穩定性。
(5)地下水的影響
地下水對圍巖穩定性的影響主要表現為溶蝕巖石和結構面中易溶膠物、潛蝕充填物中的細小顆粒，使巖石軟化、疏松.、充填物泥化、強度降低，增加動、靜水壓力等，從而降低隧道圍巖的穩定性。調查資料表明，地下水對不同類別隧道穩定性影響程度存在明顯差異，地下水對硬巖組成的圍巖隧道穩定性影響甚微，可忽略不計，而對于弱巖，地下水的影響較大。目前分類法中，地下水處理方法有二種:一是不將水的影響直接考慮進去，而根據圍巖受地下水影響的程度，降低圍巖的等級;二是按有水情況考慮，確認圍巖無水可提高圍巖等級，直接將地下水的狀況(水質、水量、流通條件、靜水壓等)作為一個分類指標。
(6)特殊地質條件
當地下工程穿越斷層破碎帶、強風化帶、發育的巖溶區等特殊地質條件時，維護圍巖的穩定往往較困難，因為構造破碎帶往往包含斷層泥、糜棱巖、角礫巖、壓碎巖等斷裂構造巖。這時，巖層松軟破碎，而臨近地帶的巖層節理裂隙也比較密集，地下水往往較活動，再加上地應力較大，則會出現強烈的地壓現象。據我國山區隧道的調查分析，強擠壓的斷層破碎帶、緊密褶皺帶和較寬的張性斷裂帶以及幾條斷層交會的地帶，是工程的不良地質地段。對褶皺地區，向斜盆地部位對工程穩定不利，背斜問題則較少。
2)工程活動造成的人為因素
洞室施工是造成圍巖喪失穩定的一個最主要的因素。開挖洞室所采用的施工方法、洞室斷面尺寸和形狀、施工質量、支護形式及實施過程都會對圍巖的穩定產生影響。
(1)洞室的尺寸和形狀
跨度大小對圍巖的穩定性也有顯著影響，實踐證明，跨度越大則洞室的穩定性越差，跨度大小對隧道工程穩定性的影響可從三個方面考慮:應力分布、圍巖及支護構件強度、施工順序。巖體強度將隨有效跨度的增大和未支護時間的延長而降低，小型地下洞室中單巖塊之間的交接面的切向滑動可被噴射混凝土的表面加固所阻止，但大型洞室中卻很困難(因巖石與噴射混凝土的粘結力不會隨著噴混凝土層厚度增長而成比例增大)。洞室形狀不同，在同一圍巖中，拱形洞室圍巖較穩定，洞室形狀主要影響開挖后的圍巖應力狀態，圓形或橢圓形隧道圍巖應力狀態以壓應力為主，對維持圍巖穩定性較好，而矩形或梯形洞室，頂板圍巖將出現較大拉應力，可導致巖體張裂破壞趨勢。
(2)開挖方法
從目前的技術水平看，開挖方法對圍巖穩定性影響也較為明顯，施工方法和開挖工序與洞室所處圍巖或地質情況是否適應很大程度上決定了工程的成敗，如同一巖體中采用普通爆破法開挖與用控制爆破法開挖相比，后者圍巖擾動小:采用傳統礦山法與新奧法施工相比，后者能減輕爆破對圍巖的松動破壞，維護圍巖強度和自承能力，充分利用圍巖的自身強度。一般情況下，洞室開挖后不支護，圍巖在一定時間能保持穩定，即自穩，自穩時間是圍巖允許在無支撐條件下暴露的最大時間。顯然，不同施工方法對圍巖穩定性影響是不同的。
3、影響巖爆的因素
巖爆產生的條件：① 近代構造活動山體內地應力較高，巖體內儲存著很大的應變能，當該部分能量超過了硬巖石自身的強度時；② 圍巖堅硬新鮮完整，裂隙極少或僅有隱裂隙，且具有較高的脆性和彈性，能夠儲存能量，而其變形特性屬于脆性破壞類型，當應力解除后，回彈變形很??；③ 隧洞埋深較大（一般埋藏深度多大于200m）且遠離溝谷切割的卸荷裂隙帶；④地下水較少，巖體干燥；⑤ 開挖斷面形狀不規則，大型洞室群岔洞較多的地下工程，或斷面變化造成局部應力集中的地帶。
4、巖爆的判別方式
國內外在巖爆預測預報方面做了大量的研究工作，目前用來預測巖爆的方法包括強度理論、能量理論、剛度理論、沖擊傾向理論、失穩理論及斷裂、損傷、分形理論等眾多理論。
4.1、應力條件法：一是用洞壁的最大環向應力σ0與圍巖單軸抗壓強度σc之比值進行分析，二是用天然應力中的最大主應力σ1與圍巖單軸抗壓強度σc之比值進行判斷。經驗公式：σc/σ1>2.86~6.06的脆性巖體最易發生巖爆。
4.2、最大煎應力判據：當破壞一旦發生，滑動面上固有的剪切強度降為0，摩擦阻力也有靜摩擦阻力降為動摩擦阻力，剪切或滑動破壞前后發生前后滑移面上的剪切應力差ess＝（為動摩擦角）稱為超量剪應力，判別如下：ess≥20Mpa（完整巖石），極可能發生破壞性巖爆；ess≥15Mpa（斷層或節理），極可能發生破壞性巖爆；5≤ess≤15Mpa（20Mpa）可能發生破壞性較小巖爆；ess<5Mpa，一般不發生巖爆；ess<0Mpa結構面穩定。
4.3、脆性系數法：巖石的脆性破壞是巖爆發生的必不可少條件之一，因此巖爆傾向指數在很大程度上取決于巖石的脆性。巖石的脆性系數B（B＝（σc－σt）/（σc＋σt），當B≤3時無巖爆發生；3＜B＜5時發生輕微巖爆，B≥5時發生嚴重巖爆。
4.4、彈性變形能系數法：彈性變形能系數是通過巖石單軸壓縮試驗得的結果。當軸向荷載σ=(0.7~0.8) σc時，開始卸載，求出卸載過程中試樣所釋放的彈性變形能φsp及巖石發生塑性變形和微破壞所消耗的能量φst，如圖1。兩者的比值F=φ/φ稱為彈性變形能指數。F越大，發生巖爆的強度越高。以下是根據煤巖試驗得出的指標：當F≤2.0時，無巖爆;當2.0≤F＜5.0時，發生由弱至中等程度巖爆；當F≥5.0時，發生強巖爆。
圖1 巖石的加卸荷曲線
4.5、沖擊能指標法：巖石的沖擊能指標WCF是指巖石在單軸壓縮的應力-應變全過程曲線中，以應力峰值為界的左右部分曲線與應變坐標所圍成的面積，亦即巖石加載過程中所吸收的能量F1與破壞過程中所消耗的能量與破壞過程中所消耗的能量F2之比，即WCF＝F1/ F2, 如圖2。沖擊能指標WCF旨在建立巖石在破裂過程中釋放的能量與消耗能量的關系，當WCF＞1時，認為巖石有發生巖爆的傾向。
圖2 應力-應變全過程曲線
4.6、Russense法：Russense巖爆分級標準（見表1）
表1 Russense 巖爆分級標準表
4.7、剛度理論：剛度理論源于剛性壓力試驗儀器的產生。根據剛性試驗機原理，即對于用普通壓力機進行壓縮試驗時猛烈破壞的巖石試件，若改用剛性壓力機試驗，則破壞并不猛烈，而且可以得到應力一應變全過程曲線，試件產生猛烈破壞的原因是試件剛度大于試驗機剛。剛度理論將這一結果用于探討巖爆的發生機制中。
4.8、失穩理論：失穩理論是將圍巖當作一個力學系統，將巖爆看成是整個力學系統的動力失穩過程，即巖爆的發生是圍巖組成的變形系統由不穩定平衡狀態變成新的穩定狀態的過程。按Dirichlet準則，結構變形系統的穩定性取決于變形系統勢能即自由能極值的性質。假定系統勢能為F，系統勢能的一次變分為δF，二次變分為δ2F，則當δF=0時，系統勢能有極值。當δ2F>O系統勢能最小，穩定；δ2F=O系統平衡；δ2F<0系統勢能極大值，不穩定。
3.9、斷裂、損傷、分形理論：近年來，斷裂力學和損傷力學的發展，對經典連續介質力學產生了巨大的影響，運用斷裂力學和損傷力學分析巖石的強度可以比較實際地評價巖體的開裂和失穩。分形理論與損傷理論的觀點一致，它們都將巖石的破裂過程看成裂縫尖端微裂紋損傷發展的過程，由于微裂紋的分布特征是分形維，故可將微裂紋損傷演化過程理解成分形維的變化過程，通過裂紋分形維數值變化和巖爆現象的內在聯系來預測巖爆的發生。
5、巖爆的現場預測預報①地形地貌分析法及地質分析法，認真查看其地形地貌，對該區的地形情況有一個總體的認識，在高山峽谷地區，谷地為應力高度集中區，另外根據地質報告資料初步確定輔助洞施工期間可能遇到的地應力集中和地應力偏大的地段。 依據地質理論，在地殼運動的活動區有較高的地應力，在地區上升劇烈，河谷深切，剝蝕作用很強的地區，自重應力也較大。 AE法主要利用巖石臨近破壞前有聲發射現象這一結果，通過聲波探測器對巖石內部的情況進行檢測，該方法的基本參量是能率E和大事件數頻度N，它們在一定程度上反映出巖體內部的破裂程度和應力增長速度。這種預報方法是最直接的，也是最有效的。 ③鉆屑法（巖芯餅化法），這種方法是通過對巖石鉆孔進行，可在進行超前預報鉆孔的同時，對鉆出的巖屑和取出的巖芯進行分析；對強度較低的巖石，根據鉆出巖屑體積大小與理論鉆孔體積大小的比值來判斷巖爆趨勢。在鉆孔過程中有時還可以獲得如爆裂聲、磨察聲和卡鉆現象等輔助信息來判斷巖爆發生的可能性。④地溫法-，采用紅外線測溫儀，若地溫接近正常埋深地溫，說明地下水滲流弱，圍巖干燥無水，則產生巖爆的可能性較大。
以上幾種方法在實際施工過程中要綜合應用，相輔相成互相印證，方能對巖爆的發生進行準確的預報。
巖爆防治措施
①改善圍巖應力，這種方法主要是降低圍巖應力是圍巖應力小于圍巖強度，避免巖爆的發生。在施工中主要采取如下措施：在洞身開挖爆破時，采用“短進尺、多循環”，采用光面爆破技術，盡量減少對圍巖的擾動，改善圍巖應力狀態。選擇合適的開挖斷面形式，也可改善圍巖應力狀態。應力解除法：通過打設超前鉆孔或在超前鉆孔中進行松動爆破，在圍巖內部造成一個破壞帶，即形成一個低彈區，從而使動壁和掌子面應力降低，使高應力轉移至圍巖深部，施工時可在掌子面上打設5～6個超前鉆孔，深15～20m左右，既可以起到超前鉆探地質的作用，又可以起到釋放掌子面應力的作用。超前鉆孔的布置形式及參數與地質預測預報孔相同。②改善圍巖性質 ，在施工過程中，可采取對工作面附近隧道巖壁噴水或鉆孔注水來促進圍巖軟化，從而消除或減緩巖爆程度。但這種方法在隧道施工中一般對隧道圍巖的穩定有一定的影響。③ 對圍巖進行加強支護和超前支護加固，改善掌子面及1～2倍洞徑洞段內圍巖的應力狀態，由于支護的作用不但改變了應力大小的分布，而且還使洞壁從單維應力狀態變為三維應力狀態。擬采用的加固辦法有：錨桿和超前錨桿支護、錨噴砼支護、鋼纖維噴砼支護、鋼支撐，二次襯砌。這種方法是施工中最為常用的，因此施工過程中，在易發生巖爆的地段，要采取錨桿、超前錨桿支護、錨噴砼支護、鋼纖維噴砼支護、鋼支撐等多種支護方法有效的組合在一起來防止巖爆的發生。
6、巖爆預防
為了確保高應力地區開挖、支護施工的安全，施工中采取了如下措施：
（1）在開挖過程中采用“短進尺、多循環”，在巖爆多發地段的開挖進尺嚴格控制在2.5m以內。采用光面爆破技術，提高光爆效果，改善洞壁應力條件，嚴格控制線裝藥密度及單耗，降低爆破動應力場的疊加，盡量減少對圍巖的擾動，改善圍巖的應力狀態。
（2）在開挖施工前，沿洞壁先打Ф28，L＝6m超前錨桿，以提前釋放應力并防止劈裂型巖爆；
（3）開挖完成后，及時向巖面灑水，以釋放應力；
（4）灑水后及時噴混凝土進行封閉，成拱支持，盡可能減少圍巖暴露時間，并起到了初期支護的作用；
（5）在初期支護完成后，及時進行永久支護，以確保圍巖穩定，必要時進行隨機錨桿支護及鋼支撐支護；由于支護的作用不但改善了掌子面及1～2倍洞徑范圍內圍巖的應力狀態，還改善了應力的分布。
（6）加強施工中的安全監測工作，通過圍巖收斂監測、錨桿應力計及多點變位計監測等原型觀測的手段，來預測巖爆發生的可能性，從而指導開挖和支護施工，確保安全。
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