近30年来，随着中国水电、核电、交通等领域基础设施建设的蓬勃发展，日趋增多的深埋隧洞工程开始建设或投入使用^[1].岩爆是一种高应力下围岩动力破坏现象，为工程中频发的地质灾害之一，多出现于地下工程开挖过程等人类工程活动中，其破坏方式由浅至深表现为岩石弹射、大量岩石坍塌或矿震等^{[2, 3]}.高等级的强烈岩爆所释放的能量相当于数吨甚至上百吨TNT炸药同时引爆，类似小型地震^[4-6]，严重影响工程现场施工人员的安全作业和生产装备的正常运作.

国外学者于1900年在印度Kolar金矿最早观测到岩爆现象，国内学者于1933年在抚顺胜利煤矿最早记载矿山岩爆(冲击地压)^[7].T Li等^[8]对我国煤矿开采过程中发生的岩爆及微震事件进行过详细的综述，在此不再赘述.

在土木工程领域，最早的岩爆发生记录是在20世纪60年代的瑞士阿尔卑斯山Simplon水工隧洞和日本清水隧洞施工过程中，这2条隧洞的埋深均超过1 000 m^[9].在岷江流域渔子溪一级水电站工程中的引水洞开挖工程(1966年开工)与南盘江流域天生桥二级水电工程中的引水隧洞(1981年开工)施工过程中，国内的工程专家第一次将岩爆这一工程地质灾害现象记录于文本中^{[10, 11]}.此外，刘家峡、映秀湾、官厅水库、川藏公路二郎山隧道、秦岭铁路隧道、独龙江公路改扩建工程、高黎贡山铁路隧道、瀑布沟水电站工程地下布置式厂房、二滩水电站工程地下布置式厂房、拉西瓦水电站工程地下布置式厂房、溪洛渡水电站工程地下布置式厂房及坝基、锦屏二级水电站工程交通辅助隧洞及引水隧洞等工程施工过程中都曾发生了不同级别的岩爆，对施工安全造成了不利影响.如2009年“11·28”事故中，雅砻江流域锦屏二级水电站工程的施工排水洞开挖过程中突发极强烈度的岩爆，沿洞轴线28 m范围内的支护系统全部被损毁，塌方总量400余m³，掘进机被永久长埋，造成7死1伤的惨痛局面^[12].

在数以百计的工程积累与室内模拟试验的基础上，国内外的多位业内研究人员逐渐具象化了对岩爆孕育机理的理解，提出了强度理论^[13]、失稳理论^[14]、断裂损伤理论^[15]、分形理论^[16]、刚度理论^[17]、能量理论^[17]、冲击倾向理论^[17]等用以阐释岩爆机理，并对岩爆进行预测.这些理论大多是基于岩石静力学理论对岩爆进行研究，可以总结为岩爆形成机制的静荷载(静力学)理论(2003、2004年)^[18-20].

事实上，岩爆应该是围岩在开挖全过程中产生的一种针对人为干扰的复合反应，这一复合反应也受开挖结果的影响.很显然，这种响应已不在岩石静力学的研究范围之内^[19].固然各国学者已在岩爆的静力学研究上取得一系列成效，但迄今为止，针对不同种类及埋深的地下工程开挖施工过程中显现的不同类别的岩爆，人们尚未能建立周密恰当的理论模型.力学机理探索的延迟，影响了以此为基础的超前预报和控制技术的发展^[19].钱七虎^[1]提出岩爆不仅是围岩对开挖过程产生的应力调整的响应，而且或许是对掘进全过程及其后果的复合响应，而仅从岩石静力学理论的角度已无法研究此种响应，应当从工程系统的角度对岩爆开展研究，并且尤其重视岩爆从静力学研究方法扩展至动力学研究方法中所造成的变化.

20世纪80年代，在通过监测设备对岩爆等动力破坏现象进行微地震各项指标监测的基础上，南非逐步具象化了岩爆这一多年来处于争议中的动力学概念，认为岩爆和微震都是岩石中积累的势能或应变能的突然释放导致的岩体瞬态颤动，其主要区别是岩爆诱发释放的能量更大，可以导致工作面或设备损坏，其基本特性是突然和剧烈^[7].因此，从动力学的角度对岩爆进行理论与实践研究是岩爆控制这一前沿研究课题的必然趋势.

本文从岩爆的动力机理、动力扰动诱发岩爆的试验、岩爆的动态跟踪监测及预测、基于控制爆破的岩爆主动防治等几个方面对近年来国内外(主要是中国)岩爆动力学机理及防治研究的最新进展进行了梳理，介绍了典型工程实例，并初步介绍并展望了下一步的研究工作.

1 岩爆的动力学机理

岩爆这一岩石力学难题的动力学机理可大致归结为以下2大研究方向：岩爆的孕育过程及激发过程^{[19, 20]}，其核心科学问题分别是爆炸荷载扰动对岩爆发生的促进作用和岩体内应变能快速释放对岩爆烈度及规模的影响.

1.1 动力扰动对岩爆的影响

基于岩爆的静力学机理，文献[21]、[22]认为岩爆的产生需具备内因与外因两个条件：前者即岩性，也是岩爆孕育的充分条件；后者即围岩应力条件，也是岩爆孕育的必要条件.而张悼元等^[23]、谭以安^[24]、徐林生^[25]则认为：岩爆孕育的内因是存在高储能体且其应力指标接近岩体强度，外因是存在若干附加荷载.

事实上，众多工程实例证明了开挖扰动(或附加荷载)对岩爆孕育的重要意义.在我国天生桥、太平驿、二滩及挪威Sima等大型及特大型水电站工程的引水深埋地下隧洞工程钻爆开挖施工过程中，岩爆通常在距离掌子面2~50 m区域内较为多发，且通常产生在爆破之后某一时间段内，爆破之后最开始产生的岩爆强度最为剧烈，且强度随时间逐渐降低^{[4, 6, 26-27]}.瑞典某引水隧洞开挖施工过程中，岩爆一般在距掌子面2倍洞径内发生，并随掌子面前伸，在3~4 d内减弱^{[6, 28]}.

位于雅砻江上的锦屏二级水电站4条平行布置(中心间距60 m、直径12 m)、平均长度达17 km、平均埋深1 500 m的长引水隧洞，采用了2台TBM与钻爆法间隔进行开挖.现场统计资料表明，TBM开挖的隧洞片帮、剥落等轻微等级的岩爆较多，而钻爆开挖的隧洞则中等烈度的岩爆较多.而高等级的强烈岩爆则不受开挖方式或开挖扰动的影响，主要由岩体力学结构和局部岩体所受的地应力特性决定^[29].

在秦岭铁路隧道掘进施工过程中，Ⅰ线(左)采取掘进机(TBM)方法施工，Ⅱ线(右)运用钻爆法施工，两线间距为30 m，最大埋深约1 600 m，埋深超过1 000 m地段长约占50%.施工过程中岩爆发生的规律与锦屏引水隧洞类似^[18].在临界应力水平下，汇总分析国内外诸多地下工程开挖施工过程中发生的岩爆的临界条件后，关宝树和张志强^[30]得出如下结论：在相同地质参数及地质环境下，相较于TBM掘进施工的隧道，岩爆更有可能在钻爆法掘进施工的隧道中孕育发生.

因此，可以将岩爆孕育的条件归结为3个：内因、外因和诱因.内因即岩性，具体包含岩石的脆性或岩爆倾向性；外因即局部应力条件，受地质构造、地形地貌、埋深和岩体结构面等诸多因素的影响；诱因即岩爆的动力临界条件，具体指开挖施工所引起的原始地应力场的改变以及施工过程本身对围岩的扰动，可在一定程度上影响岩爆的发育进程、规模及烈度.

徐则民等^[18-20]、黄锋^[31]建立了岩爆孕育的动力学临界条件分析模型，将普通爆破炮孔简化处理，具体简化方法是将其当作沿开挖轮廓面均布的周边孔，且这些炮孔的深度、所装炸药的药量等参数均相等.显而易见，从长度来说，炮孔远小于隧道，鉴于此，可将均匀分布的爆破脉冲荷载简化为线荷载，如图 1所示.进而可近似处理为：用弹性半空间受表面荷载(前者代表隧道围岩，后者代表爆炸荷载)的Lamb问题来解释围岩对开挖过程中的爆破的响应.

1904年，Lamb首次在科学界提出Lamb问题^[32]，自此之后，众多学者对其进行了不同程度的探讨，认为在冲击荷载作用下弹性半无限空间表面上，有且仅有P波、S波和Rayleigh波顺序通过.Forrestal等学者针对不同泊松比的围岩质点，研究并给出爆破脉冲效用下的前述质点的一个关键指标——位移波谱^[33]，得出以下结论：轴向位移这一指标主要与P波对应指标相关，切向位移则是无穷间断，且以Rayleigh波波速向前传播.因此，有且仅有P波和Rayleigh波能够诱使位于隧道掌子面及掌子面附近围岩中的质点产生显著位移，二者将分别在近区围岩中形成不同方向的张性破裂面.前者垂直于掌子面，后者平行于掌子面.这些破裂面贯穿时，围岩即发生失稳损毁，岩爆将迅速由此出现.显而易见，P波和Rayleigh波存在明显的开裂作用，且其是岩爆发生的重要基础，P波具有如下减弱规律：在隧道中轴线上有与r^-1(传播距离)正相关的减弱.Rayleigh波仅产生于开挖轮廓表层，且位于1.6~2.0倍波长深处.这两者可以从理论角度合理地说明岩爆高频发生区域与开挖掌子面之间存在的空间对应联系，同时也可以说明开挖扰动对岩爆孕育进程及烈度的影响.

1.2 岩爆能量释放及耗散

当岩爆的内因、外因和动力临界条件同时满足时，岩爆发生，岩体破裂、应变能释放，产生声响或者弹射，轻微的产生片帮剥落.

以钱七虎院士^[1]为代表的众多学者认为岩爆的能量释放率及其动力效应的大小取决于岩爆区内或岩爆结构面上应力释放的速度，若地应力达到一定量级，且巷道卸荷面形成速度达到阈值，则脆性岩体就可能出现岩爆现象.朱传镇^[34]利用理论分析的方法讨论了球体内表面应力释放速度对应变能向振动能转化效率的影响.极限条件下，扰动区域的应变能50%转化为岩体的振动能，如果应力释放速度较慢，则可能没有振动能产生.罗先启和舒茂修^[35]、李杰等^[36]研究发现，若岩体内部的初始地应力达到一定量级，被压缩的深埋岩体在瞬间开挖时存在一定时间的强卸荷历程，产生的卸载波在这一历程中由开挖轮廓面边界快速传递至深部岩体中，由于剪切而在卸载波前端形成的微裂纹具有不稳定性，因此，其将产生动力扩展效应并进一步诱使岩体产生破损，储存其中的弹性势能逐渐转变为新形式的能量：断裂表面能与断裂碎片动能，岩体在自由边界发生自持续断裂；并进一步指出包含时间、空间参数的岩体力学概念须在研究深部岩体变形破坏机理时创设.切列帕诺夫^[37]则将上述现象定义为卸荷引起的脆性物体的自持续断裂.王贤能、黄润秋等^[38]发现，岩爆的发生与否及爆发规模与爆破开挖诱发的瞬态卸荷速率及开挖过程中的动力扰动等参数有重要关系.针对三轴应力状态的岩体，张黎明等^[39]经过研究后有如下结论：岩石会因为某一方位的应力骤降而在较平时为低的应力程度中出现损伤，那么贮藏于原岩中的弹性应变能会向岩体外部放出，进而转化为动能使岩体破损开裂，进一步有可能性诱发岩爆.

另一方面，卢文波等^[40]通过理论分析和现场实测资料分析证实，深部岩体爆破开挖时，新开挖面在岩体破碎的同时形成，在开挖面上的岩体受到爆轰波致裂作用破损的瞬间，岩体内部所含的地应力(或者周围岩体中贮藏的应变能)也随之迅速放出，整个过程持续时间约为数毫秒至数十毫秒.这一强制应变能的动态释放及调整过程，也将影响岩体的破裂、诱发围岩振动，对即时型(或瞬时型)岩爆的规模和烈度均有重要影响(在某些情况可以认为是一种人工模拟的应变型岩爆)，也有可能导致滞后型岩爆^[29].例如，1989年在俄罗斯阿帕基特矿山，230 t当量炸药于地下252 m处爆破，炸药爆炸能仅为10⁸~10⁹ J，然而诱发地震的能量高达10¹² J，岩体运动的能量明显大于炸药爆炸能^[41]；在俄罗斯Kizel矿井中，当工作面煤层切割速度为0.27 m/min时，矿井平静，而当切割速度提高一倍时矿井就发生剧烈的岩爆现象^[1].二滩水电站工程施工过程中，地下厂房开挖底板贯通爆破时，曾出现了两次较大规模的围岩扭曲变形及强烈的岩爆现象^[42].

2 岩爆的动力学试验

岩爆的动力学试验大致上可以分为室内试验、现场模拟试验和数值试验.

2.1 室内动力试验

1966年Cook发明了刚性试验机，并获得了第一条岩石全过程应力-应变曲线，用于解释岩石峰后承载能力，并提出了岩爆预测的刚性理论^{[43, 44]}，开启了岩爆室内试验的大门.许多学者以此为工具，进行了加载、卸载和各种不同应力状态下的岩爆力学试验，为岩爆的刚度理论、强度理论、能量理论、冲击倾向性理论及断裂理论等提供了试验依据^{[45, 46]}.

通过进行多次室内三轴试验，王贤能等^[38]、黄润秋等^[46]、陈卫忠等^[47]均发现岩爆的发生时间、地点等参数及爆发规模等均与卸荷速率这一岩石动力参数有着重要联系.张黎明等^[39]、隋斌等^[48]也通过室内试验证实，3向受力的岩体因开挖卸荷突然变为单向或双向受力时，岩体强度迅速降低，即使处于较低应力状态，岩体也会迅速破裂，其中储存的弹性应变能急速增大至超出岩体本身储存能的阈值，超出阈值之后迅速释放，转化为动能致裂岩体以诱发岩爆.

为研究深部岩体内高应力这一特殊应力条件下的岩爆过程(以花岗岩为例)，何满潮院士等^[49]独立开发了深部岩爆过程实验系统.通过不同的实验手段来模拟加载型岩爆与卸载型岩爆等不同的岩爆类型：针对处于地下3向应力的试件，通过采取快速卸除水平应力(某一方向)的手段，以达到展露该测试样表层的目的，再通过增大垂直向的最大主应力的手段，来模拟深部岩体开挖后在其中出现的切向应力集中现象，而使岩体中出现加载型岩爆这一岩爆现象；卸载型岩爆则通过快速卸除一个甚至两个水平方向的应力以暴露试件表层来模拟^{[44, 45]}.室内试验中岩爆的岩块飞离迅速，以标准岩爆为例，显然可将其分为4个进程：1)卸载后的平静期；2)小颗粒弹射；3)片状剥离加颗粒混合弹射；4)全面崩垮.这与王明洋等^[50]的研究结果类似.按照应力卸载后到岩爆发生的时间，将岩爆分为3类：滞后岩爆、标准岩爆以及瞬时岩爆^[49].

苏国韶、冯夏庭等学者^[51]独立开发了真三轴岩爆模拟试验系统(见图 2)，选取中粗晶粒的花岗岩为典型试件，在实现了低频周期扰动荷载与静载联合作用下岩爆过程模拟的前提下，开展了不同加载速率的应变型岩爆的室内模拟试验，通过分析不同加载速率下的σ(应力)-ε(应变)曲线，定量分析了岩爆碎块耗能组成，针对不同数值的轴向加载速率，更进一步探讨了其所造成的岩爆碎块所具有的不同耗能特性.根据地下洞室支护失效前后的围岩应力路径变化，通过岩爆过程模拟实验，利用高速摄像系统对岩爆破坏全过程进行追踪与弹射动能测试，研究不同失效支护力、支护失效时机及支护失效速率对岩爆弹射破坏的影响.

根据深部岩体岩石力学的科研需求，在分析深部岩体开挖受力特性之后，李夕兵等^[52]提出了岩石动静组合加载这一科学问题，通过在INSTRON试验装置、多载荷下的凿岩设备、霍普金森实验装置(SHPB)等若干种试验装置上进行多次试验并对其进行进一步修正，开发出一套主要针对中应变率及高应变率段岩石、借鉴了前述多项装置系统的优点并规避其缺点的动静组合加载试验装置系统.借鉴SHPB的原理与设施，王其胜等^[53]通过自行研发的实验设备观察研究了岩石损伤时的声发射现象(考虑动静组合加载作用)，研究并得出了花岗岩在动静组合加载作用下所产生的声发射现象的能量演变过程(考虑动静组合加载作用).针对受动静组合加载的岩石，殷志强等^[54]在分析其破坏过程中能量积聚和释放特性的基础上，通过对目前的岩爆倾向性指标进行参考与比选，研究得出了考虑动静组合加载效应的岩爆倾向性指标.

2.2 现场模拟试验

Šilený和A Milev(2006)在南非Kopanang金矿开采现场进行了岩爆模拟实验(见图 3)，在该金矿一废弃隧洞外岩体内布置5个与该硐室平行的102 mm炮孔，利用炸药的爆炸能来模拟围岩中的应变能.在硐室内设计若干次可控爆破模拟微震源，采用Hildyard and Milev(2001)数值模型模拟岩爆的正演和反演流程，借助高速摄录装置，研究了岩爆发生时弹射岩块的射出速度，在震源附近布置微震组，在远区安设微震监测设备，岩爆前后运用映射和探地雷达对岩体条件(断裂、接缝、岩石强度等)进行考察以确定损伤的程度和类型，借助地震波监测原理与其他科学原理，对岩爆预测结果准确与否进行评估^{[55, 56]}.

根据试验结果，岩爆破坏区可分为：1)高强度破坏区域：有大量岩石喷射而出，加速度计测得的地面速度为3.3 m/s；2)低强度破坏区域：无明显岩石喷射现象，加速度计测得的地面速度为1.6 m/s.

2.3 数值试验

为了对岩爆等岩石破裂过程进行分析，国内外学者采用有限元^[57]、离散元^[58]、边界元^[59]、数值流形^[60]、非连续变形分析^[61]、颗粒流^[62]等数值计算方法进行了大量的数值试验对岩爆过程进行模拟.

1995年，考虑到岩石破损开裂过程中的非线性和各向异性等特点，在借鉴有限元根本原理的基础上，唐春安教授研究提出了一种异于前人的数值模拟方法“RFPA(Rock Failure Process Analysis)方法”，即岩石破坏过程分析方法^[63].借助RFPA-Dynamics程序，W C Zhu等^[63]完成了动力干扰诱发巷道破损开裂的数值试验，针对不同的地应力条件，讨论研究了动力干扰诱发的巷道破损开裂过程，得到了动力干扰对诱发型岩爆的影响水平.动力干扰的量级和持续时间是能否诱发岩爆的两个重要因素.

3 岩爆动力效应监测与预报 3.1 岩爆的微震监测

岩爆是一种极其庞杂且关联方面众多的动力地质灾害，岩爆预测具有多样性及复杂性.目前常用的现场监测方法有微震监测、微重力监测法、电磁辐射法、电阻率法和钻屑法等^[16].微重力监测法、电阻率法极易受到外界的干扰，精度难以保证，钻屑法的预报范围非常有限^[17].

岩体等介质在受到外力以及温度等外界因素的作用下，其中的若干个局部源将会产生以瞬态弹性波为载体实现的能量急速释放的现象，这一过程被称为微震(或声发射)，其起源包括介质中的裂缝分布处(断层)、岩层中分界面的破裂存在地、基体或夹杂物种的断裂带等.20世纪30年代，美国的Obert& Duvall^[64]和加拿大的Hodgson^[65]首先将微震监测技术用于围岩稳定的监测中.

锦屏二级水电站工程中的3号引水洞等工程在爆破开挖过程中存在岩爆频发现象，唐春安等^{[10, 66-69]}利用微震监测技术作为岩爆监测预警手段，在对比监测结果和现场实际的基础上提出了微震的时空演化与岩爆的关系，同时由岩体损伤过程特征反演出对应的微震监测事件，总结出微震密度云图、微震震级与频度的关系、微震震级、能量集中度等微震监测指标规律，在地震学中的3S原理的基础上提出4个岩爆判据.现场实践表明，深埋隧洞中岩爆发生的时间、空间、强度等分布具有显著规律性，微震相对岩爆而言一般具有时间优先性，但是二者具有空间一致性.构建的微震监测系统在锦屏二级水电站引水洞施工过程中也得到广泛的运用，对岩爆爆发的时间及空间位置进行预报(见图 4)，取得了杰出的成果.

在总结分析锦屏二级水电站引水洞段和排水洞段爆破开挖过程中的大量微震监测数据及上百个不同等级不同工程的岩爆案例的基础上，赵周能、冯夏庭等^[69]对深埋隧洞开挖过程中所产生的微震活动区与各类型各等级岩爆的关联进行了深入探讨(见图 5)，得出以下结论：1)岩爆高频发生区域与微震主要分布范围存在一致性，前者位于掌子面后方，主要分布在3倍洞室直径以内的区间，后者除了包含前者的区间以外，还包含掌子面前方1.5倍洞室直径以内的区间；2)隧洞开挖施工中，应在岩爆潜在危害高频发生区域(即前述微震主要分布范围)布置足够多的微震监测设备对其进行重点监控；3)微震主要分布范围为：内部与边缘均有一部分岩爆发生，即二者的分布呈现区域积聚特点.

在分析锦屏二级水电站工程中的深埋洞室群开挖施工中微震监测设备所测得的大量微震数据的基础上，针对目前工程中最常用的两种深埋隧洞开挖方法：钻爆开挖法和TBM开挖法，赵周能、冯夏庭等^[70]对比研究了二者的微震事件特点及岩爆灾害发生的概率(见图 6)，得出以下结论：

1) 钻爆法开挖形成的应力梯度较TBM法小，前者主要在围岩中距洞室内壁较远的区域内诱发应力集中，而后者则是在围岩中逼近洞室内壁的区域.

2) 两种开挖方法所造成的能量释放现象不同.针对围岩应变能，前者的能量释放过程主要是在爆破后数小时、特别是1 h内，而后者则是施工开挖全过程中均存在强烈的能量释放(主要原因为其开挖卸载过程连续无间断).

3) 就微震震级及震源破损开裂尺寸而言，前者均比后者小.

4) 二者所造成的应变能释放形式有所差别.前者大多以岩体破损开裂的形式释放，较小比例表现为岩爆；而后者则微震频发，且部分表现为岩爆.工程中具有以下一般规律：轻微岩爆常与高等级岩爆伴生，且在同一小范围内多次发生.

综上所述，针对可能发生有强岩爆的地下洞室，在进行开挖施工方法比选时，钻爆开挖法防治岩爆的效果好于TBM开挖法.

3.2 岩爆诱发的振动

岩爆与地震均为受应力影响发生在地壳的地质活动.前者由人为扰动诱发，后者为构造成因，二者在机理上具相似性，主要在准备区大小、伴生断裂的尺寸、振动规模等方面有所不同^[71].文献[7]将声发射、微震、岩爆、地震等人类活动诱发与自然界中存在的震动按照波动的频率划分为具有不同振动频率的震动事件.

岩爆发生的几率随开挖或开采深度的增加而增加，对施工及采矿安全的影响越来越大.虽然岩爆释放的能量、诱发的振动及对地表建筑物的影响远小于天然地震，但它发生更为频繁，震源深度浅(最多数千米)，发生的位置围绕在开挖区域周围，因此其危害对工程本身而言可能较地震更为严重^[72].Zbigniew^[72]对该岩爆诱发振动和低强度地震的地面峰值加速度(PGA)、地面峰值速度(PGV)、地面峰值位移(PGD)、强震持时、Arias强度、中心频率、傅里叶谱、反应谱等参数进行了比较.将岩爆诱发振动分成两类：1)典型岩爆诱发振动，低强度，重现期为3~6个月，持续时间较短(1~2 s)，傅里叶谱率倾向于高频(大部分情况下超过20 Hz)；2)非典型岩爆诱发振动，强度较大，延续时间较长，谱频较小.

岩爆诱发振动与地下工程开挖爆破或采矿爆破诱发的振动二者主要在诱发振动强度方面区别显著.典型岩爆诱发振动与地表采矿爆炸相对比，其最大质点速率为3~5 cm/s.非典型岩爆所诱发的振动则引起了更为剧烈的构造振动，这与低强度地震类似^[72].

4 基于动力机制的岩爆防治

针对不同的工程和工程地质条件，岩爆防治措施可能差异较大，但应符合如下几条原则：

1) 提前释放应变能，包括应力解除爆破.

2) 改变和控制应变能释放路径及速率，人为控制岩爆过程的能量释放及分配，减轻其烈度和破坏力.

3) 减小和控制开挖扰动，需要同时控制爆炸扰动及应变能动态释放扰动.

4) 设计具有适应大变形及较强抗冲击能力的“刚柔相济”的支护结构，可以吸收岩爆冲击能量、防止大面积垮塌或者岩爆弹射，对掌子面的施工人员和设备形成有效防护^[73].

4.1 提前释放能量——应力解除爆破

应力解除爆破^[74]是一种通过钻超前炮孔和调整装药量等工程措施以削弱开挖轮廓面周边岩体的方法，其主要力学原理是通过降低待解除部位的局部围岩的刚度(变形模量等)，以达到减弱受爆炸作用影响的岩体的传力性并增大其变形量的目的，从而降低地应力量级或其集中程度，调整局部围岩内的能量分布，减小能量释放率，削弱能量瞬态释放效应，改良应力集中程度，使集中区向深部转移，进而从原理上防治岩爆，其原理示意图见图 7.这一技术于20世纪50年代在南非的威特沃特斯兰德(Witwatersrand)金矿开采过程中首次为工程界所采用，后续迅速地获得了普及^[75]，该技术在国内是从天生桥引水隧洞开挖开始为工程界所重视并得到研究^[76].

埋深达2 200 m的雅砻江流域锦屏二级水电站工程交通辅助洞的应力解除爆破设计方案有两种(如图 7所示)，设计原理是通过改进装药及联网方案等手段使掌子面前部的围岩提前开裂，进而达到提前释放能量的目的.

为比较图 7中的两个应力解除爆破设计方案的优劣，在锦屏辅助洞的A洞中完成一次试验，B洞中完成两次试验.试验结果表明：两个方案均通过在掌子面前方采用加强装药达到了加大破裂岩石所占比例与范围的目的，相较于9孔方案，14孔方案的应力解除区域更大，在顶拱及两侧边墙处的预裂效果更佳.因此，14孔方案效果更好.针对位于掌子面前的分别由开挖造成和由断裂造成的应力集中区，这一方案成功释放了二者重叠部位的部分地应力，取得了良好效果^[29].

天生桥二级水电站引水隧洞开挖施工过程中，为控制岩爆，采用以下公式估算应力解除形成的破碎带宽度^[76]：

式中：R为破碎半径，m；k_n为系数，其值为0.57~1.4，坚硬岩石k_n=0.57；Q为标准炸药量，kg.

4.2 控制应变能释放率

Cook等^[77]认为岩爆控制的核心是控制围岩的能量释放过程，而围岩能量的释放过程采用能量释放率ERR(Energy Release Rate)来进行衡量.ERR定义为隧洞爆破开挖过程中当前开挖进尺被爆岩体和围岩释放的应变能与该进尺所开挖的岩体体积的比值，该值与深埋隧洞岩爆及高应力动力破坏之间存在良好的相关性.ERR值越大，岩爆的风险越高.

优化隧洞开挖轮廓、改进爆破钻孔先后顺序、爆破进尺和起爆网络优化等控制爆破先进技术在锦屏辅助洞开挖施工过程中的岩爆抑制方法中得到了广泛的应用，一定程度上改进了围岩的应力集中状态，使围岩能量释放率大大降低，有效限制了强烈和极强岩爆发生的频率和等级^{[78, 79]}.具体措施为：

1) 采用光面以及预裂等控制爆破技术，控制洞室开挖轮廓起伏度，减轻应力集中程度和应变能积聚效应，这是降低岩爆概率及其烈度的最有用的方法.可通过加密钻孔，即每两个装药孔中间间隔一个空孔的措施来确保光面爆破的半孔率达到设计要求，加密后周边孔间距控制在30~35 cm^[78].在强烈和极强岩爆洞段轮廓控制爆破中，应尤其注意应力集中区(主要位于掌子面前部与两侧围岩中)的爆破施工.另外，改进爆破钻孔先后顺序和控制爆破进尺优化(尽量控制在2 m以内)等，也不失为减轻围岩应力集中程度与爆破扰动的一种有效工程措施，可较大程度上减小强烈与极强岩爆的频次与等级^[29].

2) 采用全断面爆破方法施工时，应变能释放速率及释放量均超出岩爆多发的阈值，因此钻孔施工可改进为分两步进行：先在隧洞截面上半部施工钻孔以形成空孔，进而迅速释放隧洞拱部集中的应力，较大程度上减弱岩爆发生的可能性，增加隧洞截面下半部施工钻孔作业时人和装备的安全性^[79].

另外，对于地下洞室应力集中的特殊部位，应采用特定的开挖顺序分层分块进行开挖，以控制应变能分区逐渐释放^[29].在瀑布沟水电站工程施工过程中，开挖地下厂房、与尾水洞底板连接贯通爆破方案时，施工单位采用了分层贯通的方式，同时对每一分层分多段按照一定的顺序起爆，各层均首先开挖导井，再扩挖，人为控制应变能的释放过程，取得了良好的效果.

4.3 控制开挖动力扰动

如前所述，在深部岩体的爆破开挖卸荷过程中，在围岩中会产生剧烈的应力动态调整.爆炸荷载在力学机理等方面与岩体中存在的初始应力诱发的动态卸荷存在明显的区别，易长平、卢文波等^[80]针对二者的区别对岩体不同的动态作用做了深入细致的研究：为分析该问题，将爆炸荷载简化为开挖轮廓表面上的平均值，通过理论分析与数值试验，得出了地应力与该平均值为同一数量级的结论.因此，考虑到施工过程中二者所诱发的振动对地下洞室周边岩体的安全稳定造成的严重后果，在爆破施工中不仅仅要关注爆炸荷载，初始地应力的动态卸载也需要加以重视.对于静水应力场中的圆形洞室的爆破开挖施工，卢文波、严鹏等^[81]研究了二者在围岩中分别诱发振动的差异：一定的应力水平下，诱发振动可能超过爆破振动成为扰动的主要组成部分.因此可以在爆破施工中采用特殊的爆破设计方法，同时抑制二者所诱发的振动.

例如对于锦屏二级水电站工程中的引水隧洞工程与秦岭铁路隧道工程，二者均有若干洞段为强烈岩爆多发洞段，在其爆破掘进施工过程中，通过优化爆破开挖进尺(炮孔深度不得大于2.0 m)的手段，达到降低应变能高速释放诱发的振动的目的，通过改进装药量及起爆网络有力降低了爆炸荷载在围岩内诱发的振动^[29]，取得了很好的岩爆防治效果.

4.4 岩爆碎块弹射速度与柔性支护

岩爆发生时，会使岩体内部产生极大的瞬时变形，且形成的岩石碎块具有极强的动能(位移速度高)，从而与常规岩体破坏有着很大不同，前者产生的破坏块体的运动速度甚至超过10 m/s，很大程度上威胁施工生产员工的生命安全和生产装备的正常运作^[82].

毋庸置疑，针对岩爆这一特殊的岩体破坏形式，常规支护系统的特性都必不可少^[83].同时考虑到岩爆发生时绝大部分岩块含有巨大动能这一事实，支护结构上一般会产生达到甚至超过其屈服强度的动应力，因此为了防止支护系统被破坏，让压和屈服性质是必不可少的^[83].综上所述，防治岩爆的支护系统的特性为：支护构件应当具备一定程度的让压屈服性质，且能较大程度上吸收破碎岩块在岩爆动应力作用下产生的动能^{[83, 84]}.

谢和平等^[85]指出，在设计岩爆支护结构时，应遵循宏观意义上的能量守恒原理，并深入探索岩体产生结构损伤(即能量耗散)以后的能量释放进程，可以用以估算各种地下开挖工程中出现的岩爆的烈度或产生的破碎开裂岩体的弹射速度，即定量分析岩体结构中的能量传递过程.左宇军等^{[86, 87]}运用能量平衡理论，探讨了静力加载和动-静组合加载下岩爆块体的速度.秦剑锋等^[88]运用板屈曲失稳理论分析了层裂岩体岩爆，通过能量转换得出块体速度.Peter K Kaiser和Ming Cai^[83]提出在岩爆易发区域选择支护形式需反复校正，并在现场勘查的基础上进行设计验证和修改.Qiu等^[84]基于拉伸压缩失稳失效准则建立了小偏心距的板柱屈曲模型来估算仅由岩板屈曲诱发的围岩速度.

5 讨论与展望

岩爆的动力学理论和时间研究虽然取得了较大的成就，对岩爆控制实践也起到了积极的指导作用，但仍然存在以下几个问题需要进一步研究.

5.1 岩爆过程的能量分配与控制

由于岩爆的机理和地震类似，其震源机理通常都认为是以岩石的动态剪切破坏为主.Nemat-Nasser和Horii^[89]的实验已证明：洞室开挖以后，由于压应力存在应力集中效应，且其方向平行于自由表面，导致裂纹扩张方向也将平行于该面.一旦岩爆发生，应变能剧烈释放，但这一过程中岩体的动态开裂及裂纹动态传播速度、耗能机制均需要开展进一步的研究，以便更好地对岩爆的能量释放过程进行人工干预和控制，进而减轻岩爆动力效应的危害；强烈岩爆诱发围岩及地表振动的衰减规律及其能量分布特性尚未见充分的研究；岩爆过程释放的冲击能、动能(飞片的速度)占总岩爆释放应变能的比例，及如何对这一比例进行调控和干预，也是值得深入开展研究的，这对于岩爆的支护设计具有直接意义.

5.2 现场岩爆试验及岩爆预测

如前所述，由于地应力动态卸载这一特殊的动力现象在周边岩体中诱发的振动一直存在于深埋隧洞钻爆开挖施工过程中，因此围岩中一直存在的动态剪应力也将跟着逐渐变大.因此，爆破诱发的动态卸载效应将导致围岩中平行于自由面的裂纹的快速扩展贯通，增大岩爆发生的风险，甚至影响岩爆的烈度和规模.这一效应在某种程度上可以认为是人工模拟的应变型岩爆^[1].许多研究者对强烈岩爆诱发振动与低等级地震、爆破振动进行了比较^{[72, 81, 82, 90]}，在此基础上，利用试验岩爆振动信号，可以对试验地点的潜在岩爆等级及岩爆发生的可能性进行较为客观的评价，甚至有可能对岩爆进行短期预测.

Šilený和A Milev^[55]所开展的岩爆现场试验利用炸药的爆炸能来模拟围岩中的应变能，而炸药能量的释放过程和真正岩爆震源的应变能释放机制尚存在较大差异.值得注意的是，深部岩体爆破开挖，相当于人工促使岩体内所储存的应变能高速释放.卢文波等^[90]和易长平等^[80]的初步研究表明：对于处于中高程度地应力状态下的深埋岩体，开挖卸荷松弛这一物理过程的影响因素的一个重要组成部分是由岩体爆破开挖施工这一人为因素诱发的卸载波，进一步得出诱发的围岩振动强度与岩体中存在的初始地应力及开挖施工荷载的大小均成正比.P Yan等^[29]通过更深层次的探讨发现：对于处于中高地应力下的岩体，在其爆破开挖施工过程中，衡量围岩能量集中程度的一个关键指标是应变能高速释放所导致的振动.

因此，伴随爆破破岩过程动态释放的应变能则可望取代爆炸能，成为人工模拟岩爆的新能源.这一设想实施的困难有两个：1)现场岩爆试验中应变能释放过程的控制(释放速率、释放的能量多少)；2)岩爆诱发振动的监测、信号分离处理及岩爆预测.与微震监测不同，基于爆破振动监测及信息处理的岩爆预报，实质上是一种岩爆发生可能性和其烈度、危险性的主动超前评估，而不是在矿区或开挖掌子面附近空间布置成百的微震监测探头张网以待、守株待兔而进行被动的监测，以期望能够获取岩爆发生的前兆，并对其进行定位.