岩石力学与工程科普—中国最长的隧道色季拉山隧道—岩爆的影响

一、色季拉山隧道岩爆显著的难题

1、岩爆，也称冲击地压，是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。岩爆是在高地应力区域中进行地下隧道建设时所面对的主要风险之一，具有突发性、部位集中性、时间集中性与连续性、弹射性、高危害性等特点。其次由于西藏地区处于高原山区、周围是高耸的雪山和冰川，环境十分恶劣，地质条件复杂，地势险峻，气候条件恶劣，冬季漫长，气温极低，物资运输困难，隧道施工所需的设备和材料难以运送。西藏国家级自然保护区，环境保护要求高，隧道施工需要采取各种环保措施，避免对环境造成破坏。以上种种使隧道的修建难上加难。所以无论是那一条铁路的修建不仅代表了西藏铁路建设的成就，也体现了中国在高原地区修建大型基础设施的能力和实力。

典型的，巴玉隧道连接西藏山南市加查县和曲松县，沿雅鲁藏布江大峡谷江边而建，全长13073米，最高海拔3500米左右，最大埋深2080米，其中94%位于岩爆区。而岩爆是一种复杂的动力型地质灾害，在开挖或其他外界扰动时，岩石发生爆裂并弹射出来，直接威胁到施工人员和设备的安全。巴玉隧道在施工过程中发生的岩爆，单次最长持续时间超过了40小时，建设难度在世界隧道施工史上均属罕见，堪称世界之最。

图1 雅安路隧道出口岩爆局部（图源：网络）

图2 色季拉山隧道进口（图源：网络）

二 、岩爆的地层岩性

由于硬岩的弹模、抗压强度和抗剪强度都很高，在加载过程中，其应力一应变曲线近似为直线型，塑性变形很小，主要表征具有很明显的弹性变形特征。因此，在构造改造和浅表生改造过程中能储备很高的弹性应变能。一旦应力环境发生剧烈的改变，如地下工程开挖储备在硬岩中的应变能就会释放出来，从而可能引发岩爆。而软岩的弹模、抗压强度和岩石内部都低，在加载过程中，其应力一应变曲线为非直线形，其变形包括弹性变形和大幅度的塑性变形。因此，在构造改造和浅表生改造过程中储备弹性应变能的能力很低。岩爆主要发生在坚硬的石灰岩中，而相对软弱的页岩则无岩爆现象。在软岩和硬岩相间的地段，由于应力调整过程可能导致硬岩层的局部应力集中和增高现象，因此在硬岩中也将发生岩爆。一般情况下，由定向矿物组成的硬岩如片麻岩，其储存弹性应变能的潜力小于矿物颗粒随机分布的岩石，因此在这类岩体中出现的岩爆烈度相对较低。对于胶结物质坚硬的岩石，如硅质胶结，弹性应变能的储存能力强于钙质胶结的岩石，因此其岩爆强度也高于钙质胶结的岩石。如果岩石越坚硬，岩石抗压强度越大，在构造改造、浅表生改造过程中储存弹性应变能的能力越大，在相同的环境条件下，其发生岩爆的可能性和岩爆烈度等级也就越高，反之则低。这是因为岩石质地愈坚硬，则其强度愈大，可能蓄积的弹性应变能就越大。当岩石破坏后，耗散后剩下的弹性应变能转化为较大的动能，使其弹射其至抛出。

三、岩爆的构造作用

在断层破碎带和节理十分发育的部位和地段，由于在其形成过程中，已经产生了能量释放。即使后期再次经历构造作用和强烈的浅表生改造作用，这些部位由于岩体比较破碎，已经不具备储存大能量的条件，因此在断层破碎带和节理十分发育的部位不会出现岩爆。而在断层带附近的完整岩体中，由于断层形成过程中的应力分异和后期可能的构造活动造成的应力集中效应，其储存弹性应变能的较大，在地下工程掘进到这个位置时有可能发生岩爆岩体的结构面如节理、层理、劈理等对岩爆的方式和强度有一定的影响。当这些薄弱的结构面与地下工程洞壁平行时，在围岩切向应力的作用下，岩体将沿薄弱结构面发生压致拉裂，并表现为向洞室内弯折变形。而当围岩的切向应力很高时，这种变形可演变成强烈的岩爆。另外，在一些特殊的构造部位，如向斜和背斜核部，在构造过程中积累和封存者大量的弹性应变能，一旦地下工程掘进到这个部位，蓄积的能量就会猛烈释放，造成岩爆地质灾害。

四、岩爆对隧道施工的影响

1、岩爆地质对施工的安全产生很大的负面影响，往往会造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡 。轻微的岩爆仅剩落岩片，无弹射现象。严重的可测到4.6级的震级，一般持续几天或几个月。发生岩爆的原因是岩体中有较高的地应力，并且超过了岩石本身的强度，同时岩石具有较高的脆性度和弹性。这时一旦地下工程破坏了岩体的平衡，强大的能量把岩石破坏，并将破碎岩石抛出。

图4 岩爆对施工的影响情况（图源：网络）

参考文献：

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供稿：游林