学文网摘 要：岩爆地质灾害相当复杂，严重威胁施工人员和施工设备的安全。针对岩爆的发生机理、特征与岩爆研究现状，进行了归纳与评述，并提出了岩爆研究的新趋势与见解。
关键词：岩爆；岩爆破坏；研究进展
1 引言
我国丰富的水电能源开发主要分布于西部高山峡谷地区，相当多电站都以纵横交错的大型洞室群作为地下厂房建筑物[唐春安， 2012 #175]。由于地质条件错综复杂，近年来，我国有不少地下工程发生过岩爆现象。例如，川藏公路二郎山隧道地质条件比较复杂，处于高地应力环境下，曾在施工过程中发生过多次烈度不等的岩爆现象[1]。
目前，由于岩爆问题的高度复杂性，岩爆机理尚不清楚，岩爆的预测还不够准确，相关研究成果远未满足工程实践要求。
2 岩爆的破坏现象
岩爆是处于较高地应力地区的岩体，由于工程开挖等活动导致其内部储存的应变能突然释放，或原来处于极限平衡状态下的岩体由于外界扰动的作用，开挖临空面围岩块体以猛烈的方式突然弹射出来或脱离母岩的一种动态力学现象[2]。
岩爆能源来自于岩体本身存储的应变能，开挖后使围岩处于高应力状态，当静应力超过岩石强度时，岩爆破坏迅速发生。虽然在开挖、爆破后临空面围岩周围产生的裂隙有利于高度集中的应力和能量的释放，但是，对于岩体进行开挖后围岩积聚大量弹性应变能，在外界动力扰动影响下将大大增加岩爆触发的机率。
3 岩爆理论的研究现状
岩爆地质灾害比较复杂，关于其形成、爆发机理说法不一。目前，国内外众多学者对深部地下工程岩爆破坏进行了若干思考和岩爆机理研究，从强度、能量、刚度、稳定、断裂损伤以及非线性理论等对岩爆机制进行了分析，在提出各种假设的基础上，形成了不同的理论指标和预测指标。当前，岩爆研究总体呈现从线性到非线性、从静力到动力、从局部材料到工程系统的转变趋势。
3.1 强度理论
强度理论认为，地下岩体开采后由于围岩的应力集中使岩体承受的集中应力超过其强度时，导致岩爆发生。强度理论最具有代表性的破坏准则是由Hoek和Brown于1980年基于各向同性的岩石材料提出的经验性强度准则。但该强度理论仅给出了发生岩爆的必要条件，并未说明岩爆在什么条件下产生[3]。
3.2 能量理论
由库克提出的能量理论认为，岩爆是岩体由于开采后其系统产生的能量超过了岩体围岩自身破坏的能量而引起的。进而也陆续有学者在此理论基础上提出了能量平衡方程式、能量率理论。能量理论较好地说明了岩块脱离围岩抛出的破坏现象，从能量的角度阐述了岩爆的发生机理，但并未说明平衡状态的性质和破坏条件。
3.3 刚度理论
刚度理论认为，地层结构（岩体）的刚度大于地层负荷（围岩）的刚度是产生岩爆的必要条件。该理论简单、直观，但是没有对地层结构与地层负荷系统的划分及其刚度给出明确的概念[4]。
3.4 失稳理论
失稳理论视围岩为一个力学系统，岩爆的发生是由一个平衡状态失稳而转化为另一个平衡状态的动力失稳过程。岩块原已积聚大量弹性应变能，并积聚到一个非平衡状态，当外界遇到震动或洞室开挖等干扰时，岩体随之失稳而产生岩爆。
3.5 断裂损伤理论
断裂损伤理论认为，岩体内由于开挖而引起围岩内部产生微破裂，逐渐演变形成破裂集中区，进而严重损伤区演化成岩爆的震心导致岩爆发生[4]。该理论把岩爆的破坏过程看成一个损伤积累的过程，当损伤累积到一定程度，岩石可能产生应变软化现象，导致岩石储存应变能的能力降低，最后多余能量向外界释放产生岩爆。
4 岩爆的仿真研究
与物理试验的费用高、周期长、无法大规模使用等不足相比，数值模拟由于费用低、操作性好而被广泛用于岩爆的模拟与预测。随着高性能计算机的出现，也为复杂岩体行为的岩爆数值模拟提供了可能。其中，应用确定性分析来仿真研究岩爆的方法主要有连续介质分析方法与非连续介质分析方法。
4.1 基于连续介质的岩爆仿真研究
对于连续介质分析方法主要有有限单元法、有限差分法和边界元法等。在岩爆数值模拟方面，现有的有限元动力分析程序应用比较普遍，如非线性动力分析有限元程序LS-DYNA、RFPA-Dynamics等。有限单元法应用于岩爆的研究范围比较广，随着计算机的发展和算法的优化，计算精度与速度都有了一定的提高。但该方法局限于连续介质问题，不能求解大位移变形的问题。
在岩爆数值研究方面，有限差分法克服了有限元法不能求解大位移变形的缺点，非常适合研究采矿与隧道开掘、地震和岩爆、爆破动力响应的领域。FLAC及FLAC3D特别适合模拟大变形、扭曲、热-力耦合以及动力学问题，但是由于结点位移连续，故此法仍局限应用于连续介质。
4.2 基于非连续介质的岩爆仿真研究
非连续介质分析方法主要有颗粒元法、不连续变形分析法、流形元法和离散元法等。颗粒元方法如PFC、PFC3D等程序通过各个离散的圆形颗粒单元的相互运动及作用对物体进行细观模拟岩爆过程，可以很好地表达宏观物体的各种动力响应。不连续变形分析法对于岩体不连续面的滑移、错位和旋转等大位移的计算有很大的优势，可以很好地解决这一类型的静力以及动力问题。
基于牛顿第二定律理论的离散单元法如UDEC程序，通过网格对岩体单元的接触面进行划分，在岩体破坏的求解过程中允许块体间开裂、错动甚至可以脱离母体而下落，这正是这种可以实现非连续介质材料大变形问题的方法的最大优点，因此，在岩土工程中离散单元法用来研究岩爆是比较适合。
5 岩爆研究的新趋势
岩爆的破坏是一个复杂的变化过程。一般都认为岩体内部围岩自身内部积累的大量变形而产生的弹性应变能是产生岩爆的主要原因。但是，人们认识的岩爆中静荷载理论不能阐明岩爆的全部机理，岩体中的大量应变能仅是发生岩爆的必要条件，而大量的实际工程证实了必须有外部因素的扰动才能触发岩爆的发生。在地下开挖工程中，由于施工的需求而开展的爆破、机械扰动、或是相邻洞室对已开挖洞室的爆破应力波、地震波等动力扰动都可能导致原来处于高应力状态的围岩产生不同程度的破坏，甚至于洞室内围岩岩块以猛烈的方式弹射出来，其破坏程度远高于静载作用下的破坏，危害人们的生命财产安全。因此，在深部岩石领域中动力扰动诱发岩爆的科学研究亟待开展。
6 结语
尽管前人围绕岩爆的研究取得了丰硕的成果，但由于岩爆的高度复杂性，还需要对岩爆开展如下研究：
（1） 岩爆破坏灾变过程实际上是破坏岩块由连续的小变形过程在极短时间内转化为非连续的大位移的力学行为演化过程。对于岩爆的破坏过程研究，同时考虑开挖与外界扰动作用无疑更符合工程实际。
（2）岩爆复杂的地质灾害造成人员与财产的损失巨大，需要在结合实际工程、实验研究和理论研究的基础上建立和完善岩爆综合监测预报体系。■
参考文献
[1] 徐林生. 二郎山公路隧道岩爆特征与防治措施的研究[J]. 土木工程学报， 2004， 37（1）： 61-64.
[2] 郭然， 潘长良， 于润沧. 有岩爆倾向硬岩矿床采矿理论与技术[M]. 冶金工业出版社， 2003.
[3] 郭雷， 李夕兵， 岩小明. 岩爆研究进展与发展趋势[J]. 采矿技术， 2006， 6（1）： 16-20.
[4] 徐彦举， 张连吉， 肖***. 岩爆有关问题的研究现状[J]. 西部探矿工程， 2008， 2： 98-101.
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