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作者与发表信息

本研究由东南大学（Southeast University）的宫凤强（Fengqiang Gong）、戴金浩（Jinhao Dai）和许磊（Lei Xu）共同完成。宫凤强为通讯作者，隶属于东南大学爆炸与冲击安全防护教育部工程研究中心（ERCSPEIME）及土木工程学院。该研究于2023年9月22日在线发表于Elsevier旗下的期刊 *Tunnelling and Underground Space Technology*（第142卷，文章编号105396）。

研究背景与目的

岩爆（rockburst）是深部岩石工程中因人工开挖引发的一种工程地质灾害，具有突发性、随机性和高破坏性，严重威胁施工人员、设备及支护结构的安全。自1640年德国Altenberg锡矿首次记录岩爆以来，全球已有超过20个国家报告了岩爆案例。随着浅部资源枯竭，深部开挖日益普遍，高地应力条件下的岩爆风险显著增加。因此，准确预测和判别不同强度的岩爆已成为深部岩石工程领域的迫切需求。

传统的强度-应力比（strength-stress ratio，SSR）准则因其简便、经济而被广泛用于岩爆预测。然而，SSR准则本质上是比值形式（如σc/σ1或σ1/σc），仅考虑了岩石单轴抗压强度（σc）与初始最大主应力（σ1）之间的相对关系，忽略了岩石强度与地应力之间绝对差值及其耦合效应对岩爆强度的约束作用。此外，各国学者提出的SSR准则多为基于单一工程或行业经验的总结，在其他工程中应用时常出现偏差。

针对上述不足，本研究收集了197个地下岩石工程中的1114个岩爆案例，系统分析了岩爆的定性与定量特征，并在此基础上提出了“人-岩-环境”三要素岩爆机理和强度-应力耦合（strength-stress coupling，SSC）准则，以期提高岩爆强度预测的准确性。

研究流程与数据基础

本研究的工作流程可分为四个主要环节：案例收集与整理、岩爆发生特征分析、岩爆区域岩石与地应力特征分析、以及SSC准则的建立与验证。

第一环节：案例收集与数据库建立。 作者从1975年至2021年间发表的文献中收集了1114个岩爆案例，建立了涵盖多种工程类型的数据库。工程类型包括水电隧洞、公路隧道、铁路隧道、金属矿山巷道、非金属矿山巷道、水电站厂房、地下洞室、地下实验室和核电隧道等九类。开挖方法包括钻爆法（D&B）和隧道掘进机（TBM）法。对于岩石物理性质，92.2%的案例数据来源于中文期刊，作者依据中国国家标准《工程岩体分级标准》（GB/T 50218-2014）对岩石硬度、风化程度、岩体完整性、基本质量等级等指标进行了统一标准化处理。岩爆强度采用文献中的原始描述，分为弱岩爆（weak rockburst，W-B）、中等岩爆（moderate rockburst，M-B）、强岩爆（strong rockburst，S-B）和极强岩爆（very strong rockburst，V-B），部分案例仅描述为“无岩爆”（N-B）或“有岩爆”（E-B）。

第二环节：岩爆时空与破坏特征统计。 对岩爆发生时间、距掌子面距离、开挖断面上的位置、声响特征、运动特征、岩屑形状与最大厚度、爆坑形状与最大深度进行了分类统计。样本量因指标不同而异，例如发生时间统计样本n=132，距掌子面距离n=189，断面位置n=555，声响特征n=151，运动特征n=270，岩屑形状n=138，岩屑最大厚度n=40，爆坑形状n=38，爆坑最大深度n=120。

第三环节：岩石与地应力定量特征分析。 对岩石类型（n=785）、岩石硬度（n=286）、风化程度（n=166）、裂隙发育程度（n=113）、干湿状态（n=221）、岩体完整性（n=271）、岩体完整性指数（n=59）、岩体基本质量（n=275）、单轴抗压强度σc（n=343）、抗拉强度σt（n=189）、弹性模量E（n=102）、脆性指数（brittleness index，BI，n=213）、弹性储能指数（elastic energy index，W_et，n=203）、埋深（burial depth，BD，n=499）、初始最大主应力σ1（n=166）和切向应力σθ（n=260）进行了频率分布统计与分析。

第四环节：SSC准则的提出与验证。 基于统计结果中σc≥60 MPa和σ1≥10 MPa的绝对边界条件，作者提出以σc为横轴、σ1为纵轴的二维SSC判别图，将岩爆分为弱、弱-中等、中等、中等-强、强五个区间，并给出了各区间的判别条件。该准则同时考虑了σc和σ1的绝对边界条件和耦合区间。验证结果表明，SSC准则的判别准确率高于传统SSR准则。

主要结果与逻辑关系

统计分析结果显示，岩爆在时间上主要发生在开挖后4小时内（占比最高，为16次），在4-8小时内略减弱。在空间上，岩爆主要发生在距掌子面10 m以内（38次），若以距离与隧洞直径之比（ratio of distance to tunnel diameter，rdt）衡量，则在rdt=0-3 m范围内发生频率最高（8次）。在开挖断面上，拱顶、边墙和拱肩是岩爆发生频率最高的部位。

在破坏特征方面，弱岩爆主要产生噼啪声和轻微声响，中等岩爆产生爆裂声和响亮声，强岩爆以响亮声和沉闷爆裂声为主，极强岩爆则以响亮声和巨大爆裂声为主。运动特征上，弱岩爆以剥落、爆裂、坠落和剥离为主；中等岩爆以弹射、剥落和爆裂为主；强岩爆伴随爆裂、弹射和垮塌；极强岩爆则以弹射、爆裂和抛掷为主。岩屑形状方面，弱岩爆以片状为主（占90.6%），中等岩爆以片状、透镜状和板状为主，强岩爆以片状、块状和板状为主，极强岩爆则以块状为主。弱岩爆和中等岩爆的岩屑最大厚度分别在0.0-0.1 m和0.1-0.3 m范围内，强岩爆和极强岩爆的岩屑最大厚度则分别在0.3-0.5 m和大于0.5 m范围内。爆坑形状以V形最为常见，其次为凹槽形。弱、中、强、极强岩爆的爆坑最大深度分别主要在0-0.5 m、0.5-1.0 m、1.0-3.0 m和大于3.0 m范围内。

岩石特征方面，100%的岩爆发生在σc≥60 MPa的硬岩中；花岗岩的岩爆频率显著高于其他岩石类型。岩爆最常发生在未风化、裂隙不发育、干燥且完整的岩体中。岩体完整性指数在0.75-1时，中等和强岩爆的频率较高。II级岩体基本质量等级的岩爆频率最高。强岩爆和极强岩爆主要发生在σc>120 MPa的岩石中。随岩爆强度增加，岩石强度的弱-强比（σc=60-120 MPa频次与σc>120 MPa频次之比）逐渐降低。

地应力特征方面，岩爆仅发生在σ1≥10 MPa的围岩中。弱岩爆仅在10 MPa≤σ1<40 MPa范围内出现，中等岩爆仅在σ1>20 MPa时发生，强岩爆仅在σ1>40 MPa时发生，极强岩爆仅在σ1>60 MPa时发生。切向应力方面，弱岩爆最常发生在σθ=0-30 MPa，中等岩爆在σθ=30-90 MPa，极强岩爆在σθ>90 MPa时频率最高。埋深与σ1呈正相关关系（拟合曲线为σ1=11.4+0.037BD）。

开挖方法方面，86.4%的岩爆案例由钻爆法引起，但TBM开挖条件下强岩爆和极强岩爆占比更高。

上述结果揭示了不同强度岩爆在岩石强度、地应力和开挖扰动方面的差异，为“人-岩-环境”三要素机理提供了数据支撑，并直接导出了SSC准则中σc≥60 MPa和σ1≥10 MPa的绝对边界条件，以及σc与σ1的耦合区间划分。

结论与研究价值

本研究得出以下主要结论：岩爆的发生需要硬岩（σc≥60 MPa）、高地应力（σ1≥10 MPa）和开挖扰动三个要素共同作用，即“人-岩-环境”三要素机理。传统SSR准则因仅考虑σc与σ1的相对比值而存在缺陷，不能充分反映二者绝对差值和耦合效应对岩爆强度的控制作用。新提出的SSC准则在二维σc-σ1图上划定了五个岩爆强度区间，并通过弱-中等和中等-强两个过渡区反映了岩石强度与地应力的耦合效应，验证结果表明其判别准确率高于SSR准则。

该研究的科学价值在于：系统地建立了包含1114个案例的岩爆数据库，从多维度揭示了不同强度岩爆的时空与破坏特征，提出了更为清晰的“人-岩-环境”三要素机理，并基于大样本统计改进了岩爆强度判别方法。应用价值在于：SSC准则仅需σc和σ1两个参数，保持了简便性和经济性，同时提高了判别准确率，适用于实际工程中的快速岩爆风险评估。此外，研究还编制了岩爆案例信息记录表，有助于现场人员快速、规范地记录岩爆数据。

研究亮点

本研究的亮点体现在三个方面：第一，数据规模大，涵盖了197个地下岩石工程的1114个岩爆案例，涉及多种工程类型和岩石类型；第二，机理视角新颖，提出了“人-岩-环境”三要素机理，将所有影响因素系统归入岩石物质条件、地应力环境和人类开挖扰动三个范畴；第三，判别方法有实质性改进，SSC准则在保持SSR准则简便性的同时，通过引入绝对边界条件和耦合区间，克服了纯比值判别的固有缺陷。