來(lái)源：中科院地質(zhì)地球所

　　石頭，又叫巖石，是日常生活中常見(jiàn)的一種天然材料，我們對(duì)它再熟悉不過(guò)了。我們的祖先，實(shí)現(xiàn)了從古猿到人類的跨越，很大程度上就在于學(xué)會(huì)了用石頭來(lái)制作工具。那么，看似堅(jiān)不可摧的石頭，真的會(huì)爆炸嗎？

　　答案是肯定的。這種石頭的爆炸，我們稱之為“巖爆”。不過(guò)大家不用擔(dān)心，巖爆只發(fā)生在地下，尤其是很深的地下。所以我們不必害怕身邊的石頭會(huì)突然爆炸，但是，巖爆卻成為了地下工程建設(shè)中讓建設(shè)者們很頭疼的一個(gè)難題。

　　那么問(wèn)題來(lái)了，石頭為什么會(huì)爆炸呢？為了探究石頭“爆炸”的原因，我們首先要認(rèn)識(shí)一下地應(yīng)力。

　　地應(yīng)力，指的是地下的某處巖石，在沒(méi)有受到人類工程影響的前提下，所受到周圍巖石作用的天然應(yīng)力（注：應(yīng)力指的是物體內(nèi)部單位面積受到的力，與壓強(qiáng)概念類似）。它主要由自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力兩部分組成[1]。

　　我們知道，地球上的所有物體都會(huì)受到地球的引力作用，引力和物體自身的慣性力的合力就是重力。隨著物體一層一層地堆積，下面的物體，隨之承受其上所有物體的重力。就像水一樣，深度越深，受到上部水的壓力越大，水壓也越大。這種由自身重力引起的應(yīng)力，就是“自重應(yīng)力”。

　　板塊構(gòu)造理論告訴我們，地球表面的地殼是在運(yùn)動(dòng)的。巖石與巖石之間，存在著擠壓、拉伸、剪切等多種相互作用。這些相互作用，對(duì)巖石產(chǎn)生了另一種應(yīng)力，就是“構(gòu)造應(yīng)力”。構(gòu)造活動(dòng)越強(qiáng)烈的地區(qū)，構(gòu)造應(yīng)力也越大。

　　因此，不同區(qū)域和不同深度下的地應(yīng)力，大小也不一樣。地下深處，以及構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)，往往是高應(yīng)力地區(qū)。巖爆的發(fā)生，除了需要高地應(yīng)力以外，還取決于巖體自身的性質(zhì)。巖體的強(qiáng)度越高，脆性越強(qiáng)，越容易發(fā)生巖爆。因此，巖爆常常發(fā)生在高地應(yīng)力地區(qū)的花崗巖、砂巖、閃長(zhǎng)巖等硬脆的巖體中[2]。

　　我們可以把地下的巖石想象成由一個(gè)個(gè)正方體石塊組成的整體。每一個(gè)正方體石塊，六個(gè)面都會(huì)受到相鄰石塊的應(yīng)力作用。在天然狀態(tài)下，正方體石塊的受力是平衡的，也就是說(shuō)，在X、Y和Z三個(gè)方向上合力為零。在地下開(kāi)挖過(guò)程中，一部分巖體被挖走，原本在巖體內(nèi)部的石塊露在了外面，開(kāi)挖一側(cè)的應(yīng)力消失，原本的平衡被打破。

　　原有的平衡被打破（a），離開(kāi)挖處較遠(yuǎn)的巖體則不受影響（b）

　　在地應(yīng)力較小的地方開(kāi)挖隧道時(shí)，隧道巖體可以通過(guò)少量的變形，和及時(shí)的支護(hù)措施等手段來(lái)提供阻力，從而達(dá)到新的平衡。但在地應(yīng)力較大的地區(qū)，這兩種方法常常不適用了。當(dāng)巖體較軟時(shí)，它會(huì)持續(xù)地發(fā)生變形來(lái)尋求新的平衡；而當(dāng)巖體較硬時(shí)，在應(yīng)力的作用下，巖體內(nèi)的能量則不斷積聚，直到超出巖體的承受能力，積累的能量在一瞬間釋放，就發(fā)生了“巖爆”。

　　巖爆的發(fā)生時(shí)間具有高度不確定性。隧道可能剛剛挖開(kāi)，立馬就發(fā)生巖爆，也可能在挖好一段時(shí)間后才發(fā)生。巖爆發(fā)生時(shí)，就如同火藥爆炸一樣，可以聽(tīng)到巖體內(nèi)隆隆的響聲和噼啪的斷裂聲。同時(shí)，塊石呈薄片狀，在洞壁上向外彈射，四處飛濺，彈射距離可達(dá)數(shù)米甚至數(shù)十米。

　　作為深部工程開(kāi)挖過(guò)程中常見(jiàn)的一種地質(zhì)災(zāi)害，巖爆嚴(yán)重威脅著施工人員和設(shè)備的安全，影響了施工進(jìn)度，甚至?xí)輾д麄€(gè)工程乃至誘發(fā)地震，帶來(lái)不可估量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。1958年，加拿大Springhill礦發(fā)生的一次巖爆導(dǎo)致75人死亡；1963年南非的6個(gè)金屬礦共計(jì)發(fā)生了281次巖爆；我國(guó)的秦嶺隧道、蒼嶺隧道等地下工程建設(shè)的過(guò)程中也巖爆頻發(fā)[3]。目前，科學(xué)家和工程師們已對(duì)巖爆的形成與預(yù)防有了初步的認(rèn)識(shí)，并建立了一系列監(jiān)測(cè)預(yù)警和防治方法。

　　隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，我國(guó)的地下工程建設(shè)也在持續(xù)地推進(jìn)，不斷向“深地”發(fā)起挑戰(zhàn)。施工難度最大的川藏鐵路雅安-林芝段日前已破土動(dòng)工。

　　它將依次經(jīng)過(guò)四川盆地、川西高山峽谷區(qū)、川西高山原區(qū)、藏東南橫斷山區(qū)、藏南谷底區(qū)，在全長(zhǎng)1011公里中，隧道長(zhǎng)度就有838公里（數(shù)據(jù)來(lái)自澎湃新聞）。高地溫、高地應(yīng)力是其建設(shè)中的最大難題。相信在川藏鐵路建設(shè)的過(guò)程中，我國(guó)的工程建設(shè)者們，將會(huì)不畏艱難，砥礪前行，在深地工程建設(shè)的理論和實(shí)踐上實(shí)現(xiàn)新的突破！

　　向我國(guó)工程建設(shè)者們致敬！

　　（圖中為川藏鐵路拉薩-林芝段，于2021年6月25日開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。）

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]蔡美峰，何滿潮，劉東燕等。巖石力學(xué)與工程[M]。北京。科學(xué)出版社，2013

　　[2]馮夏庭，肖亞勛，豐光亮，姚志賓，陳炳瑞，楊成祥，蘇國(guó)韶。巖爆孕育過(guò)程研究[J]。巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2019，38（04）： 649-673。 DOI： 10.13722/ j.cnki.jrme。 2019.0103。

　　[3]何滿潮。 應(yīng)變巖爆試驗(yàn)力學(xué)[M]。北京。科學(xué)出版社，2020

　　[4]馮夏庭， 陳炳瑞等。 巖爆孕育過(guò)程的機(jī)制、預(yù)警與動(dòng)態(tài)調(diào)控[M]。北京。科學(xué)出版社，2013