岩爆现象与岩石结构关系讨论

陈宇湖

摘要：随着岩土工程施工技术的不断进步，隧道工程日益增多，如环北部湾广东水资源配置工程的大型输水管线，大部分采用隧道掘进。一般隧洞工程埋深大，地形复杂，岩压高，有的要穿越结构构造复杂岩群，岩石各类繁多。隧道岩爆事件会使施工掘进带来较大安全隐患。根据各种岩石的结晶结构，岩石名称，预测岩石的岩爆可能性及岩爆的强度，对隧道施工预防岩爆事件具设计合理，经济可行的指导性意义。
关键词：岩爆 结构 危害 关系

正文：

（一）岩爆及危害

1岩爆：隧道地下开挖施工过程中，深部岩石构造应力很高，开挖施工破坏了原有岩石的垂向应力平衡，并形成临空部位，临空部位尤其是掌子面的顶部及两侧，形成强大的应力集中，当应力集中超过岩石的抗压强度，岩石瞬间碎裂，有的伴随震动及巨响，并发生弹射性的破坏，这种现象称为岩爆。岩爆有时产生强大的冲击力和震动力，对周围岩石及施工环境设施造成安全隐患，剧烈的岩爆是隧道工程施工的最大安全隐患因素之一。

2岩爆的条件:发生岩爆必须具备两个基本的条件。第一，发生岩爆的岩石必须是完整的各向同性均匀坚硬岩石，一般构造角砾岩、碎裂岩、碎斑岩极少或无岩爆现象。岩爆，实质为岩石的弹性能量瞬间聚积，突然释放。岩石发生弹性变形时，坚硬岩石能够快速聚积极高的弹性能量，弹性能量越大，岩爆越强烈，这是岩爆发生的内因。第二，发生岩爆必须具高地应力。埋深大的隧道施工掘进中，形成了临空面，改变原岩的应力平衡，临空面如掌子面两侧及顶部，极易形成应力集中，当应力超过岩石所承受的极限强度时，会引起岩石突发脆性碎裂即岩爆。

3岩爆烈度分级：根据对工程的破坏程度，岩爆可分为四类（本处引用四川二郎山公路隧道岩爆烈度分级方案(RMS)。该方案为四川省交通厅高管局和施工单位共同订制，并取得了良好效果。

轻微岩爆（Ⅰ级）：表现微响的噼啪声、撕裂声，岩块爆裂松脱、剥离，呈薄片状、薄透镜状、新鲜贝壳状，发生在隧道拱部及边墙，零星间断爆裂，爆裂深度表面或小于0.1m，对工程影响甚微。

中等岩爆（Ⅱ级）：表现较响的清脆爆裂声，岩块爆裂松脱，少量弹射，呈透镜状、棱板状、新鲜的贝壳状、弧形凹腔楔形状，发生在隧道拱部及边墙，持续时间较长，有随时间累积向深部发展特征，爆裂深度可达1m左右，有一定影响，需及时挂网喷锚支护。

强烈岩爆（Ⅲ级）：表现强烈的爆裂声，岩块强烈爆裂、弹射，呈棱板状、块状、板状、弧形凹腔楔形状，发生在隧道拱部及边墙，可波及其余部位，具有延续性，并迅速向围岩深部扩展。爆裂深度可达2m左右，有较大影响，应及时挂网喷锚支护措施。

剧烈岩爆（Ⅳ级）：表现剧烈闷响震动，爆裂声剧烈，岩块爆裂弹射、飞溅。呈板状、块状、大规模弧形凹腔楔形状，发生在隧道拱部及边墙，并伴有底板爆裂隆折，具突发性，并迅速向围岩深部扩展，深度可达3m左右，严重影响甚至摧工程，必须采取相应的特殊措施加以防治。

（二）岩石结构

1一般认为，岩石是矿物的集合体，是以各种不同结晶结构的矿物集结形成。有什么样的矿物集合体，就形成什么样的岩石。矿物的结晶形态及粒度大小，是岩石的最基本的结构要素。岩石圈最常见的矿物成分有石英，长石，云母，角闪石，辉石，橄榄石，方解石。

岩石结构由矿物结晶形态及结晶结构决定，与矿物的晶体结构有着密切的关系，晶体结构决定了矿物结晶形态。依《结晶学及矿物学》，矿物晶体结构就是晶体的化学结构，是矿物中的各种阳离子、阴离子或络阴离子通过化学键按一定的化学元素规律，联结成的原子或分子结构，形成一定原子序列的矿物晶体。矿物晶体的本质是化学成分和原子结构的统一体。

硅酸盐矿物在自然界分布极为广泛，种类很多，达600多种，就其重量而言，硅酸盐矿物可占地壳岩石圈中总重量的85%。另碳酸盐矿物广泛分布，为岩石圈中分布最为广泛的岩石之一，已知的碳酸盐有80多种矿物，最为典型的是结晶灰岩及白云岩，在地壳中表现为巨大的海相沉积层。在岩土工程施工中，围岩或工程载体岩石几乎全为硅酸盐岩石及碳酸盐岩石这两大种类。

硅酸盐矿物晶体，硅氧四面体是基本构造单元。它是由位于中心的一个硅原子与围绕它的四个氧原子所构成的络阴离子[SiO₄]^4-，因周围的四个氧原子分布成配位而为四面体的形式，所以称为硅氧四面体，依硅氧四面体这基本构造单元在空间的联接方式，可以形成五种晶体架构：岛状架构，链状架构，环状架构，层状架构，架状架构。依晶体架构，长石为二轴晶矿物，当中的硅氧四面体呈架状结构架构，长石晶体的生长形态一般为厚板状、柱板状、柱粒状。石英为一轴晶结构，当中的硅氧四面体为有序紧密堆积架状结构，石英晶体形态一般为柱粒状。角闪石为二轴晶矿物，其硅氧四面体常形成双链式架构，角闪石常形成长柱状结晶形态。辉石为二轴晶矿物，硅氧四面体常形成单链式架构，辉石常形成短柱、柱粒状的结晶形态。橄榄石为二轴晶矿物，其中的硅氧四面体为典型的孤立岛状架构，一般橄榄石呈轴粒镶嵌并呈六方较紧密堆积排列。云母为二轴晶矿物，当中的硅氧四面体为层状架构，以网层式结构为主，所以云母以片状结晶形态出现最为常见。碳酸盐矿物中，络阴离子[CO

₃]^2-内阳离子碳位于等边三角形中央，三个氧原子分布于角顶，原子架构呈平面三角形展布，络阴离子[CO₃]^2-是碳酸盐矿物最基本架构单元，碳酸盐矿物主要结晶构造为三方晶系的方解石型结构，呈复三方偏三角面体晶形或菱面体晶形，碳酸盐矿物集合体常以块状、粒状、晶簇状为主。

依矿物晶体架构特点，岩石的结晶矿物结构主要有自形粒状结晶结构，它形粒状结晶结构，半自形粒状结晶结构。常见的矿物结构特征，如石英、方解石一般为它形粒状结构，长石为半自形粒状结构，角闪石为柱状、柱粒状结构，辉石短柱状、柱粒状结构，橄榄石为自形粒状结构，云母为片状结晶结构。

岩石的结构，是指组成岩石的矿物成分、含量，结晶程度，粒度大小，结晶形态，自形程度及矿物间（包括玻璃）相互关系。

岩石圈中的岩石，有单矿物组成，有多矿物组成，单矿物岩石如石英岩、方解石大理岩。多矿物岩石如花岗岩、长石石英片岩。由于组成岩石的矿物成分、含量各不相同，形成了各种各样不同的岩石结构。

最常见的岩石结构有均匀粒状镶嵌结晶结构，花岗结构，片状结晶结构，片粒状结晶结构，斑状微晶结晶结构，玻基交织状微晶结构,间粒间隐交织结晶结构等，这些岩石结构对岩石或岩体的工程特性有重要影响。

（三）岩爆与岩石结构关系讨论

1依岩土工程勘察规范及《工程地质手册》（第五版），岩石的工程力学性质评价，是根据岩石的坚硬程度及岩石的完整性这两项指标进行。坚硬程度及完整性，直接影响岩石的工程力学指标。在隧道施工中，能发生强烈岩爆的岩石，一般为坚硬程度较高，完整性较好的岩石。依《岩土工程施工方法》，未风化岩石，其天然抗压强度经验值（MPa）花岗岩250，流纹岩300，闪长岩250，安山岩250，辉长岩250，辉绿岩350，玄武岩300，石英岩350，片麻岩200，千枚岩100，片岩100，板岩100，页岩100，砂岩200，砾岩150，灰岩200，白云岩250，结晶灰岩250，大理岩250。

2岩石工程力学性质与岩石整体性、矿物硬度关系讨论，自然界中，按摩氏硬度值:滑石1、石膏2、方解石3、萤石4、磷灰石5、长石6、石英7、黄玉8、刚玉9、金刚石10，最坚硬的矿物为金刚石，最软的矿物为滑石。岩石圈中最常见的矿物摩氏硬度值：云母2～3、长石6、石英7、角闪石5～6、辉石5～7、橄榄石6～7、方解石（白云石）3。依广东省佛山地质局岩石试验室岩石抗压试验实例，完整未风化岩芯天然抗压强度达250MPa以上值时，破坏瞬间均有明显的岩爆现象，表现为岩屑的弹射、清脆的巨响、地面的抖动。细粒均匀的花岗岩，与结晶灰岩、大理岩等，均可形成明显的岩爆。花岗岩以长石石英矿物为主，大理岩以方解石为主，两种岩石的矿物硬度差异较大，而试验中形成的岩爆现象大致相同，如岩屑的弹射、清脆的巨响、地面的抖动等，岩石的极限抗压强度值亦相近。试验证明，岩石的强度与矿物坚硬程度无直接联系。另一种情况，片状矿物或片状矿物数量较多的岩石，其强度普遍较低。以片状矿物为主的岩石，如千枚岩，片岩，板岩，页岩，其强度值不超100MPa。含片状矿物不多，以粒状矿物长石石英为主的片麻岩，其强度值经验值最高达200MPa，较少出现剧烈岩爆现象。片状矿物云母硬度不高，并且具完善的解理，是导致其岩石强度不高的主要原因，尤其是由定向的片状矿物构成的岩石如千枚岩、云母片岩、页岩、板岩等，强度值普遍较低，未有岩爆现象。由以上两种情形分析，岩石强度，与岩石的完整性，均匀性，矿物晶体各向同性，结晶粒度大小等有密切关系，各向同性细粒均匀的岩石具较高的强度。岩石矿物晶体的解理发育度、裂理程度、碎裂程度、结晶方位优选性等，对岩石的强度具明显的影响，如云母具极完善的解理，云母的含量及定向排列特性，是岩石抗压强度不高的主要原因。

3 岩爆烈度与岩石的分类讨论

依以上岩爆特征和岩石结构关系讨论，可知岩石岩爆强度与岩石结构关系密切，可依据岩石的矿物成分，结晶程度，粒度大小，结晶形态，自形程度及矿物间（包括玻璃）相互关系，初步判定岩石的岩爆可能以及岩爆烈度。岩石名称为结构的总体反映，依据岩石名称初步预测岩石发生岩爆的可能及岩爆烈度的级别，在隧道施工中预防岩爆，实施经济可行、设计合理预防措施，具指导性意义。本文提出各级岩爆烈度的岩石分类，希望能对隧道施工中，作为判定岩爆可能或烈度的参考，所列岩石均为未风化或微风化状态。

轻微岩爆（Ⅰ级）：泥岩、页岩、炭质板岩、千枚状板岩、绢云母板岩、含钙质页岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩、泥质砂砾岩、云母片岩、含钙质泥质粉砂岩、含钙质粉砂岩。

中等岩爆（Ⅱ级）：钙质泥岩、钙质板岩、钙质泥质粉砂岩、钙质砂岩、钙质胶结砂砾岩、凝灰质砂岩、粘土质灰岩、炭质灰岩、碎屑灰岩、绢云母角岩、绿泥石角岩、堇青石角岩、红柱石角岩、云母二长片岩。

强烈岩爆（Ⅲ级）：铁质胶结砂砾岩、硅质胶结砂砾岩、硅化石英砂岩、云母二长片麻岩、角闪二长片麻岩、粗粒花岗岩、巨晶大理岩、长英质伟晶岩、含云母长石石英变粒岩、碎屑结晶灰岩、长英角岩、钙硅角岩（透闪石矽卡岩、硅灰石矽卡岩）、硅质板岩。

剧烈岩爆（Ⅳ级）：结晶灰岩、白云岩、大理岩、长英质细晶岩、细粒花岗岩、花岗斑岩、流纹岩、闪长岩、安山岩、辉长岩、辉绿岩、玄武岩、石英岩、玉髓岩、长石石英变粒岩、角闪片麻岩、透辉片麻岩、透辉矽卡岩、麻粒岩、榴辉岩、铁英岩。

作者简介: 陈宇湖(1968 － )，男，1991年毕业于中国地质大学（武汉），从事岩石矿物鉴定30年。岩矿测试高级工程师，注册岩土工程师。

参考文献：

[1] 潘兆橹，《结晶学及矿物学》，地质出版社，1985年5月

[2] 邱家骧，《岩浆岩岩石学》，地质出版社，1985年5月

[3] 王德滋，《光性矿物学》，科学出版社，2008年5月

[4]王兰生，李天斌等，二郎山公路隧道岩爆及岩爆烈度分级，公路，1999年-2月（2期），成都理工学院、四川省交通厅

[5] 化建新等，《工程地质手册》（第五版），中国建筑工业出版社，2018年4月

[6] 龚主华等，《岩土工程施工方法》，辽宁科学技术出版社，1990年9月