巖爆機制研究的另類剖析之NO.1

序語：巖土BBS編委多次熱情邀稿讓我這個巖土專業的小學生深感欣慰，公私之事繁雜，一直沒有機會寫些東西答謝編委的厚愛，終于得到一時之閑，完成此系列文稿以疏拙見。所談論之事多積自于對巖爆工作與認知過程的個人感悟，可能存在狂自之言，請諸君多多包涵。

1. 引言

縱觀近幾年的巖石力學刊物，總可尋到巖爆問題的蛛絲馬跡，國內外也不時舉辦巖爆專題研討會，足見近幾年巖爆問題的研究如火如荼，可謂人人談巖爆，也似乎達到人人懂巖爆的時代。小評不想說太多那些關于巖爆的正理行文，諸如什么是巖爆、有怎樣的發展史、巖爆分類如何、多少種巖爆機理等這些老生常談的東西，有不了解者，隨便下載篇巖爆研究的博士論文讀讀。至于為什么巖爆突然火了，就小評總結而言，無外乎幾個原因：（1）正統的原因是真實的工程問題需要，這是國內外大量深部地下工程的發展趨勢所致，需求一些巖爆知識來解決工程問題。（2）學術界的炒作，國內牛人最愛挑戰科學高峰，也有一些無痛呻吟者，確實沒有什么好研究方向，給自己謀個方向。（3）學者們跟風，粉絲、小弟以學霸馬首是瞻，還有一些學術游俠搞點副業小試牛刀。不管怎么樣巖爆問題的確在國內百家爭鳴了。

小評也是在這個美好的時代加入了巖爆研究的隊伍，也有幾年的光景，級別就是個小學生，自認為還不足以對巖爆研究指指點點，但心中有些許激情在燃燒，總想憑淺薄知識去分析一下巖爆的基本問題——巖爆形成機制問題。

2. 令人揪心的巖爆分類問題

國內很多學者最熱衷于這一問題，冠以美名，“對巖爆分而治之，各尋其因”，于是催生了各種分類體系，王婆賣瓜自賣自夸，都說自己的是最合理最先進的。搞得當年小評學習時，不知道到底誰說的對，看似都有根有據。其實，小評要給入門的學弟學們一個忠告，看待這些所謂的分類，別去注重它表觀，要往后看，要看研究者提出他們的分類是什么目的，有的為了區分機制，有的則為了巖爆防治，萬不可混為一談。其實很多時候巖爆分類問題是先研究巖爆機制和特點、特征，后才確定分類，但寫成書稿或文稿時卻提到首要位置。

對于巖爆分類問題，小評是絕不關心的，如果巖爆能夠調理清晰地分出類別來，巖爆的機制就早該解決了。事實上，按照前輩們的分類來分析巖爆的機制，每個分類的巖爆實例里都有其他類別特征的影子，巖爆發生過程中的機制是個多種機制綜合作用的過程，只不過在特定階段某種機制表現的更加突出，而且在不同機制間不斷的轉變。如果某個巖爆案例被定義應變型巖爆，它的可惡之處在于讓你無視巖爆巖體的破裂過程，忽略高儲能巖體的能量釋放路徑和原因。如果某個巖爆案例被定為巖柱型巖爆，這也僅突出了這類巖爆實在特定的加載邊界條件下形成（兩端加載，類似于單軸壓縮試驗），并為反映其破裂機制。

3. 為什么材料性質研究在巖爆機制研究過程中大行其道？

包括小評在內，在最開始接觸巖爆的研究時，都關注于發生巖爆的載體——硬巖的力學性質研究，幾乎國內80%以上的博士論文均是從硬巖實驗研究開始討論巖爆問題的，無可厚非這些研究對評估巖爆傾向性是有益的，如強度應力比方法來判定巖爆等級之類的問題。然而，小評狂言，對滿足巖爆發生的硬巖而言，過多的材料性質研究并無實質性益處。巖爆的問題根本不在于巖石塊體的應力應變關系如何，認識過多的彈塑性知識解決不了巖爆機制問題。小評遇到一位國外的審稿人，大談材料性質如何決定巖爆過程、峰后剛性加載和軟加載等等，不可否認他是在努力為巖爆的發生找論據，但為什么同樣巖石條件的隧洞為什么有的區域發生巖爆而其他區域則沒有經歷巖爆，停留在材料性質來揭示巖爆機理顯得太過膚淺。

小評狂言，巖爆巖體的大尺度決定著巖體結構的特征才是更應關注的問題。巖爆發生在隧洞、巷道這類大尺度工程巖體的開挖面附近，當然是在高應力環境下，這就決定了巖爆發生絕不是單純材料變形特征能夠解決的，巖體的結構效應反而更加顯著地影響著巖爆的形成。實際上，我們研究中大談隧洞圍巖開挖損傷和損傷區演化特征，實際上已經承認巖爆孕育過程中巖體結構在不斷的變化。巖體破裂結構的存在為巖爆形成了三個條件：其一是特殊的巖體儲能結構；其二是巖體儲能釋放的通道；其三是特殊的動力響應。小評不想再深入討論這三個條件，太過復雜，僅想以一個簡單的力學原理來加以說明。圖1展示了兩類巖板曲屈機制，其中曲屈破壞是所謂應變型巖爆的機制之一。左側為一巖板，板本身為同一巖石材料，如假設該材料為彈性，則左側板可抽象為一個彈簧；而右側圖中紅色和綠色分別代表兩種材料，同樣假設為彈性材料，則右側板可抽象為三個彈簧，紅色部分為相同力學性質的彈簧，而綠色為不同性質的彈簧。對于綠色板的曲屈巖爆而言，左側破壞時釋放的能量為彈簧儲能，而右側則為三個彈簧的總和，即也包括紅色板的儲能。同時，在板破裂瞬時，左右兩側板的動力響應因為巖體結構的差異是存在巨大差異的。這個簡單的模型雖然粗糙，但是說明了巖爆形成過程中上述三個條件受巖體結構的控制作用。

圖1 巖板屈曲破壞模型

4.  彈塑性靜力學分析能解決巖爆機制問題嗎？

在巖爆機制的分析中，很多學者的基本理論是建立在彈塑性靜力學分析基礎之上的，不可否認，在評價巖體巖爆傾向性，尤其是能量儲存和釋放過程時這些方法有其簡便之處，但用這種方法來揭示巖爆機理，小評自認為太過于粗糙。上一節已經表達了巖體結構，包括開挖前地質結構和開挖后破裂結構，對巖爆形成的控制作用，這就意味著在巖爆機制的分析要能夠體現巖體結構的特征，此外還要補充動力特征的理解。這就是說，彈塑性靜力學分析遠遠不能滿足這類要求。小評狂言，用靜力學分析動力巖爆行為存在缺陷。不可否認，新的分析技術在發展，基于靜力學的非連續變形分析的確可以幫助我們理解應力誘發巖體破裂的演化過程，增進對巖體結構的認識和量化分析。但論及巖爆問題時，動力特征的理解更為重要，尤其是復雜巖體破裂結構的動力響應分析。

可能諸君會覺得小評在口若懸河，非要炒作個難度極大觀點，在此不做深度解釋，小評自己也在做這方面的研究工作，剛剛起步，有一定進展后小評會拿事實說話。

至此，以個人的看法探討了巖爆的三個問題，仍有意猶未盡的感覺，不過寫一些東西不容易，留下一些力氣下回再深入剖析。