田 闯，郝彦鹏 ，冯岩岩，张迎春，李晨雁

(中冀建勘集团有限公司，河北 石家庄 050200)

0 引言

隧洞通常会穿过一些地形较为复杂的地质单元和岩层或断层构造段。该区域的岩体性质十分不明确，实际情况往往复杂多变导致在实际工程施工中产生岩爆等工程灾害。工程中的岩爆是由于隧洞在实际开挖过程中导致岩体发生应力重新分布而引发围岩能量急剧释放，从而发生岩体失稳破坏的现象。

岩爆由于具有不确定性而在工程中难以预防，但一旦发生，其后果是非常严重的。同时突发性和破坏性也是岩爆的另外两大特性。由于岩爆所带来的工程危害不但影响工程进度、增加工程成本还会对作业人员的生命财产造成严重威胁[1-2]。因此，寻找一种合理可靠的岩爆预测方法并能准确预测实际工程可能发生岩爆的概率及其重要。根据预测结果对发生岩爆灾害可能性较高的地方提前防范，不但可以最大可能的避免岩爆灾害还能降低财产损失，对于指导工程施工具有重要意义。

近几年，由于岩爆事件多发，不少研究者都致力于岩爆预防研究。目前对于岩爆研究的主要通过理论分析(如强度理论、刚度理论和能量理论)[3-5]、数值模拟[6-7]和现场数据监测[8-10]等方法来分析和预测岩爆发生和灾害防治措施。众多前人在岩爆研究方面得出了不少成果，但考虑到岩爆本身特殊的性质以及实际工程对施工质量要求的不断提升，有必要需要在现有的理论和方法中再作深入的研究。本文在基于前人的研究基础上提出了新的方法，对于工程实际指导和岩爆预测方法有所帮助。

1 岩爆定义和分类

1.1 岩爆定义

1738年英国报道一则不同寻常的矿井事故，这引起了学术界众多研究者的注意。事故段岩体发生突发性失稳破坏，岩块应力得到释放的瞬间被抛出较远的距离，相关分析人士将其称之为岩爆破坏。自此，英国成为世界首例报道有关岩爆的工程事故，即莱比锡煤矿岩爆[11]。早期学术界在关于岩爆的解释和定义中也存在较多分歧，认为岩爆一定是发生在脆性岩体中，同时在岩爆发生时产生较大冲击力并伴随岩体剥落飞溅等现象。随着科学技术以及计算机的发展，研究者的思路在随之拓宽。研究者们根据现有的工程资料、理论基础和岩爆灾害实例对岩爆做出了新的定义和解释。他们认为，首先岩爆灾害不单单只发生在硬脆性岩体中，对于岩体较为软弱的地层也存在发生岩爆的可能性只是相对于硬脆性岩体来说发生的概率较小。其次，发生岩爆并不是瞬间的，在发生岩爆前岩体产生静力破坏，换句话说，岩爆产生存在一个从静到动的过程。因此岩爆的定义也得到基本明确，即岩爆是由于积聚弹性应变势能的围岩在受到开挖扰动时产生的岩块弹射现象，属于一种特殊的工程地质灾害(图1)。

图1 隧洞岩爆灾害 图2 隧洞岩爆划分

1.2 岩爆分类

岩爆具有不确定性、多变性和复杂性，同时还具有多种类特点。参考前人的研究，国内外的研究者对于岩爆类型的划分中没有统一的说法。Kaiser等人依据震源机制将岩爆类型分为应变型、岩柱爆裂型和断层滑动型三类。钱七虎等人依据岩爆应力释放形式的不同将岩爆类型划分为应变型和断层滑移型。冯夏庭等人根据岩爆发生的时间不同将岩爆类型划分为瞬时型和滞后型。吴文平等人又根据控制围岩发生破坏的因素将其划分为应变型和结构面型。现有的岩爆分类依据较多，分类方法不统一主要还是在于岩爆类型、发生岩爆的区域、发生机制和表现形式不同。无论是从科学研究还是学科发展，由于标准不同必将滞后岩爆研究的推进。每个国家都有相应的标准，但对于岩爆来说，发生机制和影响因素才是关键。鉴于此，应该首先考虑岩体结构面是否起主要作用，如若在岩爆中起主要作用则可将岩爆类型分为结构面型和应变型；然后分析岩爆发生的位置，根据岩爆位置的不同将应变型岩爆再次细分为围岩应变型和岩柱应变型两种(图2)。

2 岩爆形成条件和岩爆发展过程

根据学术界对岩爆的定义不难理解岩爆的形成条件，即岩性、应力和外部因素。首先对于岩性来说，有可能是质地坚硬、发育完整的脆性岩体，但也有可能是软性岩体。质地坚硬、发育完整的脆性岩体由于积聚大量的应变势能，能产生较高的初始应力导致在实际岩爆灾害中脆性岩体发生岩爆的可能性要高于软岩。相反，软岩积聚的应变势能较小，初始地应力很低，在应力得到突然释放时不会产生大的破坏，这是由岩体本身所具有的力学特性所决定的。因此，在实际工程中，要尽力避免在高应力的完整硬性岩体中进行不合理的开挖。其次，高构造应力的岩体也是导致发生岩爆的主要因素。高地应力主要取决于工程实况，如工程开挖深度，开挖深度越大应力就越高。因此在工程开工前要做好充分调研和测绘，设置合理开挖深度和开挖路径。最后，对于岩爆来说，外部扰动因素也是主要的诱发原因之一。通常情况下，岩体处于静力平衡状态，合理的开挖过程即使是高应力的脆性岩体也能维持一定相对平衡，但一旦受到外部干扰，如地震、短时间的强降雨都会诱发岩爆。

岩爆的发生不是突然的，存在一定的过程。参考前人的研究，谭以安[12]等人将岩爆的产生过程划分三个阶段，即劈裂成板、剪断成块和块石弹射；张鹏等[13]将岩爆看作能量释放，认为岩爆过程大致可分为能量积聚、破裂发展和爆裂阶段。关于岩爆发展的研究也会因研究者的分析立脚点不同而有所差异，但这不影响关于岩爆的研究，毕竟岩爆的预测和预防才是关键。

3 岩爆预测方法

在对岩爆的定义、类别、形成条件和发展有了一定认识后，才能根据工程实际应用情况找到合理的岩爆预测方法。这里根据总结前人的研究成果，在前人的基础上尝试应用层次分析法探究出一种新的岩爆预测评估方法。具体方法和分析如下。

3.1 层次分析法简介

层次分析法(FAHP)及计算过程层次分析法(AHP)是20世纪70年代美国运筹学T.L.Saaty教授提出的一种定性与定量相结合的系统分析方法。简单来说就是层次分析法和模糊评价法的结合,层次分析法是一种计算权重的方法,而模糊综合评价法是一种对问题进行综合性评价的方法该方法对于量化评价指标,选择最优方案提供了依据,并在实际生活和工作中得到了广泛的应用。将层次分析法运用到隧道岩爆分析中来，可以对隧洞岩爆影响因素及其判段依据进行分类评价。主要思路：构建岩爆影响因素层次结构，计算各因素的相对权重；计算各因素的隶属度；最后，基于影响因素权重及隶属度的计算结果，采用PC模型来实现对隧洞岩爆等级划分并对岩爆发生的可能性做出评判。

3.2 具体分析方法步骤

建立岩爆评估等级层次结构。如表1，将隧洞岩爆主要因素划分为岩性、应力和岩体结构因素，构建岩爆等级评估的层次结构。

表1 岩爆等级评估层次

表2 相对重要性判断准则

备注:表中i、j分别代表岩爆影响因素

表3 重要性标度取值

相对权重求解。以评价标准(表2)为基础，对比表1中各影响因素间的相对重要性并构建出判断矩阵。求解出判断矩阵的最大特征值和特征向量，利用计算得到的最大特征值检验其一致性，具体检验公式如下：

(1)

式中：CR为检验参数，λmax为求得的最大特征值；n为构造矩阵的参数个数；R为重要性标度指标，不同的重要性标度指标取值不同，具体情况下的重要性标度指标取值见表3所示。

值得注意的是，若检验出的CR值小于0.1说明构造该矩阵满足一致性检验条件；相反，若检验出的CR值大于0.1说明该构造矩阵不满足一致性检验条件。不满足一致性检验条件时表明岩爆各影响因素之间的相对重要性不相同，此时则需要对影响因素进行调整直至CR值小于0.1。

当检验结果满足一致性检验后就需要对最大特征值对应的特征向量进行归一化处理，此时得到的归一化值作为岩爆等级层次之间相应影响因素的相对权重值。

隶属度求解。考虑岩爆影响因素较多

而难以利用明确的数学理论计算方法来对其隶属度进行求解，这里采用经验法来弥补。通过行业类专家和资深技术人员的实际工程经验实现定量评价。

隧道岩爆等级划分。利用PC模型根据已得到的岩爆影响因素相对权重和隶属度进行岩爆等级划分，具体划分标准如表4。

表4 岩爆等级划分标准

4 结语

本文在现有的岩爆理论和研究成果的基础上，对岩爆的定义、岩爆分类和发展进行了概述，并在前人的研究基础上提出了基于层次分析法的隧道岩爆预测评估方法。岩爆是由于积聚弹性应变势能的围岩在受到开挖扰动时产生的岩块弹射现象，属于一种特殊的工程地质灾害。因此，建议在实际工程中，要尽力避免在高应力的完整硬性岩体中进行不合理的开挖。同时在工程开工前还要做好充分调研和测绘，设置合理开挖深度和开挖路径，并且在施工过程也应加强预防，提高警惕性，切实保证安全施工。