来源:中科院地质地球所
石头,又叫岩石,是日常生活中常见的一种天然材料,我们对它再熟悉不过了。我们的祖先,实现了从古猿到人类的跨越,很大程度上就在于学会了用石头来制作工具。那么,看似坚不可摧的石头,真的会爆炸吗?
答案是肯定的。这种石头的爆炸,我们称之为“岩爆”。不过大家不用担心,岩爆只发生在地下,尤其是很深的地下。所以我们不必害怕身边的石头会突然爆炸,但是,岩爆却成为了地下工程建设中让建设者们很头疼的一个难题。
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那么问题来了,石头为什么会爆炸呢?为了探究石头“爆炸”的原因,我们首先要认识一下地应力。
地应力,指的是地下的某处岩石,在没有受到人类工程影响的前提下,所受到周围岩石作用的天然应力(注:应力指的是物体内部单位面积受到的力,与压强概念类似)。它主要由自重应力和构造应力两部分组成[1]。
我们知道,地球上的所有物体都会受到地球的引力作用,引力和物体自身的惯性力的合力就是重力。随着物体一层一层地堆积,下面的物体,随之承受其上所有物体的重力。就像水一样,深度越深,受到上部水的压力越大,水压也越大。这种由自身重力引起的应力,就是“自重应力”。
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板块构造理论告诉我们,地球表面的地壳是在运动的。岩石与岩石之间,存在着挤压、拉伸、剪切等多种相互作用。这些相互作用,对岩石产生了另一种应力,就是“构造应力”。构造活动越强烈的地区,构造应力也越大。
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因此,不同区域和不同深度下的地应力,大小也不一样。地下深处,以及构造活动强烈的地区,往往是高应力地区。岩爆的发生,除了需要高地应力以外,还取决于岩体自身的性质。岩体的强度越高,脆性越强,越容易发生岩爆。因此,岩爆常常发生在高地应力地区的花岗岩、砂岩、闪长岩等硬脆的岩体中[2]。
我们可以把地下的岩石想象成由一个个正方体石块组成的整体。每一个正方体石块,六个面都会受到相邻石块的应力作用。在天然状态下,正方体石块的受力是平衡的,也就是说,在X、Y和Z三个方向上合力为零。在地下开挖过程中,一部分岩体被挖走,原本在岩体内部的石块露在了外面,开挖一侧的应力消失,原本的平衡被打破。
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原有的平衡被打破(a),离开挖处较远的岩体则不受影响(b)
在地应力较小的地方开挖隧道时,隧道岩体可以通过少量的变形,和及时的支护措施等手段来提供阻力,从而达到新的平衡。但在地应力较大的地区,这两种方法常常不适用了。当岩体较软时,它会持续地发生变形来寻求新的平衡;而当岩体较硬时,在应力的作用下,岩体内的能量则不断积聚,直到超出岩体的承受能力,积累的能量在一瞬间释放,就发生了“岩爆”。
岩爆的发生时间具有高度不确定性。隧道可能刚刚挖开,立马就发生岩爆,也可能在挖好一段时间后才发生。岩爆发生时,就如同火药爆炸一样,可以听到岩体内隆隆的响声和噼啪的断裂声。同时,块石呈薄片状,在洞壁上向外弹射,四处飞溅,弹射距离可达数米甚至数十米。
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作为深部工程开挖过程中常见的一种地质灾害,岩爆严重威胁着施工人员和设备的安全,影响了施工进度,甚至会摧毁整个工程乃至诱发地震,带来不可估量的经济损失和人员伤亡。1958年,加拿大Springhill矿发生的一次岩爆导致75人死亡;1963年南非的6个金属矿共计发生了281次岩爆;我国的秦岭隧道、苍岭隧道等地下工程建设的过程中也岩爆频发[3]。目前,科学家和工程师们已对岩爆的形成与预防有了初步的认识,并建立了一系列监测预警和防治方法。
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随着我国国民经济水平的不断提高和基础设施建设的不断发展,我国的地下工程建设也在持续地推进,不断向“深地”发起挑战。施工难度最大的川藏铁路雅安-林芝段日前已破土动工。
它将依次经过四川盆地、川西高山峡谷区、川西高山原区、藏东南横断山区、藏南谷底区,在全长1011公里中,隧道长度就有838公里(数据来自澎湃新闻)。高地温、高地应力是其建设中的最大难题。相信在川藏铁路建设的过程中,我国的工程建设者们,将会不畏艰难,砥砺前行,在深地工程建设的理论和实践上实现新的突破!
向我国工程建设者们致敬!
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(图中为川藏铁路拉萨-林芝段,于2021年6月25日开通运营。)
参考文献:
[1]蔡美峰,何满潮,刘东燕等。岩石力学与工程[M]。北京。科学出版社,2013
[2]冯夏庭,肖亚勋,丰光亮,姚志宾,陈炳瑞,杨成祥,苏国韶。岩爆孕育过程研究[J]。岩石力学与工程学报,2019,38(04): 649-673。 DOI: 10.13722/ j.cnki.jrme。 2019.0103。
[3]何满潮。 应变岩爆试验力学[M]。北京。科学出版社,2020
[4]冯夏庭, 陈炳瑞等。 岩爆孕育过程的机制、预警与动态调控[M]。北京。科学出版社,2013
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