岩爆的定义和烈度分级问题

如题所述

6.1.1 关于岩爆的定义

岩爆(rockburst)自1738年在英国锡矿坑道中首次发现以来,已成为地下工程中普遍关注的一种地质灾害,它被公认为是坚硬岩石在高地应力条件下产生的突发性的破裂。但至今对岩爆的定义和岩爆烈度分级尚无统一的认识和通用的标准,突出表现在对岩爆起始标准的界定依据有所差别。一些学者认为“岩石有松动的破裂,伴有轻微发自岩石的声音”,则列为“轻微岩爆活动”,持这种观点的以挪威岩爆学家B.F.Russeness为代表(1974);我国较多的学者(如陶振宁,1988;谭以安,1988;邹成杰,1992;关宝树,1998等)则强调以“具有弹射现象”作为其与脆性破坏的区别,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”(谭以安等,1988)。

从工程实践角度考虑,岩爆的界定应便于区别于围岩的其他类型的变形与破裂,如拱顶的坍落、冒落,边墙内鼓、滑落,底板隆起以及大变形等塑性流动变形等。岩爆以其突发性的破裂(爆裂)和特有的破裂形式区别于后者。

无论是硐室开挖过程中的岩爆现象(参见二郎山岩爆实录)和室内的岩石力学试验研究(参见6.2节),均显示岩爆就其破裂机制而言,是一种岩石自身弹性应变能释放造成的破裂或爆裂,爆裂以后可以不同方式脱离母体。因而对这种现象就其力学机制而言可定义为:

地下硐室处在一定原始应力状态下的围岩,在硐室开挖过程中,围岩因开挖卸荷引起周边应力分异,造成岩石内部破裂和弹性应变能的释放引起的突然脆性破裂,称之为岩爆。

爆裂造成的岩块,可以爆裂松动∙∙、爆裂脱落∙∙、爆裂弹射∙∙和爆裂抛掷∙∙等方式脱离母体。其方式、初速度和规模的大小与爆裂时的破裂机制及释放能量的大小和波及的深度有关。(详见6.5节)。

6.1.2 岩爆烈度分级

二郎山隧道设计中采用的是三级分类方案(表6-1)。但施工实践中感到其不便于具体操作,为此结合二郎山工程实践,拟定了新的分级方案(RMS)。

表6-1 二郎山隧道设计采用的岩爆烈度分级方案 Tab.6-1 Rock burst intensity grades applied to Erlangshan tunnel design

注:σHmax为最大水平主应力。 (据交通部第一公路勘测设计院,1996)

6.1.2.1 岩爆烈度分级原则、依据

岩爆烈度分级主要考虑了以下原则和依据。

6.1.2.1.1 以爆裂松动脱落为起始状态,以爆裂抛掷为终极状态

爆裂松动大体相当于挪威拉森斯(R.F.Russenes,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。在实际工作中,个别脱落的岩块也容易被人忽视或识别,因而要以此作为岩爆的判据标准,操作起来难度较大。但已破裂的岩块和残留的痕迹,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。

岩爆的另一极端状态则是爆裂抛掷,它会造成地下硐室摧毁性破坏。

6.1.2.1.2 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(如谭以安方案的极强岩爆,Ⅳ级)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,谭以安的4级分级方案是较为合理的。因此,本方案中也采用了4级划分原则。

6.1.2.1.3 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、设计和地质人员在现场取得共识及时制定对策。

6.1.2.1.4 岩爆分级与岩石变形破裂发展阶段对照

本方案中的4级划分可以与岩石在三向应力条件下变形破坏全过程加以对照。尽管硐室开挖对硐室围岩是一个卸荷过程,然而硐壁附近岩体将引起法向应力降低和切向应力增高的应力分异过程。因而这一部分岩体的应力状态与低(或无)围压条件下轴向应力增高这一三向应力状态相当。有关这方面对照的详细论证,详见6.5节。

6.1.2.2 二郎山公路隧道岩爆烈度分级方案(RMS)

根据以上分级原则和依据,提出了表6-2所示的二郎山公路隧道岩爆烈度分级方案(RMS)。该方案已被工程主管部门四川省交通厅高管局和施工单位等采纳应用,并取得了良好效果。

表6-2 二郎山公路隧道岩爆烈度分级方案(RMS) Tab.6-2 Rock burst intensity grades applied to Erlangshan tunnel construction(RMS)

注:h为破坏波及深度(m);B为硐径或跨度(m);σθmax为硐壁最大切向应力(MPa)。

RMS方案虽然是针对二郎山公路隧道提出的,但其有关分级原则、分级依据的探讨具有普遍意义,并且已经历了该工程实践的检验,实际可操作性良好,可供类似地下工程实践参考。

6.1.3 岩爆分级烈度方案对比

现将二郎山岩爆烈度分级方案(RMS)与国内外已有方案进行对比(表6-3),便于在工程实际中相互印证和应用。

表6-3 国内外岩爆烈度分级方案对比表 Tab.6-3 Rock burst intensity grades in China and abroad

① J为焦耳,代表岩爆释放的能量;②Wet为岩爆倾向性指数(详见6.3.2)。

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