石頭真的會爆炸嗎?會,不過只發生在地下

2021年12月04日10:20

  來源:中科院地質地球所

  石頭,又叫岩石,是日常生活中常見的一種天然材料,我們對它再熟悉不過了。我們的祖先,實現了從古猿到人類的跨越,很大程度上就在於學會了用石頭來製作工具。那麼,看似堅不可摧的石頭,真的會爆炸嗎?

  答案是肯定的。這種石頭的爆炸,我們稱之為“岩爆”。不過大家不用擔心,岩爆只發生在地下,尤其是很深的地下。所以我們不必害怕身邊的石頭會突然爆炸,但是,岩爆卻成為了地下工程建設中讓建設者們很頭疼的一個難題。

  那麼問題來了,石頭為什麼會爆炸呢?為了探究石頭“爆炸”的原因,我們首先要認識一下地應力。

  地應力,指的是地下的某處岩石,在沒有受到人類工程影響的前提下,所受到周圍岩石作用的天然應力(註:應力指的是物體內部單位面積受到的力,與壓強概念類似)。它主要由自重應力和構造應力兩部分組成[1]。

  我們知道,地球上的所有物體都會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力,就是“自重應力”。

  板塊構造理論告訴我們,地球表面的地殼是在運動的。岩石與岩石之間,存在著擠壓、拉伸、剪切等多種相互作用。這些相互作用,對岩石產生了另一種應力,就是“構造應力”。構造活動越強烈的地區,構造應力也越大。

  因此,不同區域和不同深度下的地應力,大小也不一樣。地下深處,以及構造活動強烈的地區,往往是高應力地區。岩爆的發生,除了需要高地應力以外,還取決於岩體自身的性質。岩體的強度越高,脆性越強,越容易發生岩爆。因此,岩爆常常發生在高地應力地區的花崗岩、砂岩、閃長岩等硬脆的岩體中[2]。

  我們可以把地下的岩石想像成由一個個正方體石塊組成的整體。每一個正方體石塊,六個面都會受到相鄰石塊的應力作用。在天然狀態下,正方體石塊的受力是平衡的,也就是說,在X、Y和Z三個方向上合力為零。在地下開挖過程中,一部分岩體被挖走,原本在岩體內部的石塊露在了外面,開挖一側的應力消失,原本的平衡被打破。

  原有的平衡被打破(a),離開挖處較遠的岩體則不受影響(b)

  在地應力較小的地方開挖隧道時,隧道岩體可以通過少量的變形,和及時的支護措施等手段來提供阻力,從而達到新的平衡。但在地應力較大的地區,這兩種方法常常不適用了。當岩體較軟時,它會持續地發生變形來尋求新的平衡;而當岩體較硬時,在應力的作用下,岩體內的能量則不斷積聚,直到超出岩體的承受能力,積累的能量在一瞬間釋放,就發生了“岩爆”。

  岩爆的發生時間具有高度不確定性。隧道可能剛剛挖開,立馬就發生岩爆,也可能在挖好一段時間後才發生。岩爆發生時,就如同火藥爆炸一樣,可以聽到岩體內隆隆的響聲和劈啪的斷裂聲。同時,塊石呈薄片狀,在洞壁上向外彈射,四處飛濺,彈射距離可達數米甚至數十米。

  作為深部工程開挖過程中常見的一種地質災害,岩爆嚴重威脅著施工人員和設備的安全,影響了施工進度,甚至會摧毀整個工程乃至誘發地震,帶來不可估量的經濟損失和人員傷亡。1958年,加拿大Springhill礦發生的一次岩爆導致75人死亡;1963年南非的6個金屬礦共計發生了281次岩爆;我國的秦嶺隧道、蒼嶺隧道等地下工程建設的過程中也岩爆頻發[3]。目前,科學家和工程師們已對岩爆的形成與預防有了初步的認識,並建立了一系列監測預警和防治方法。

  隨著我國國民經濟水平的不斷提高和基礎設施建設的不斷髮展,我國的地下工程建設也在持續地推進,不斷向“深地”發起挑戰。施工難度最大的川藏鐵路雅安-林芝段日前已破土動工。

  它將依次經過四川盆地、川西高山峽穀區、川西高山原區、藏東南橫斷山區、藏南穀底區,在全長1011公里中,隧道長度就有838公里(數據來自澎湃新聞)。高地溫、高地應力是其建設中的最大難題。相信在川藏鐵路建設的過程中,我國的工程建設者們,將會不畏艱難,砥礪前行,在深地工程建設的理論和實踐上實現新的突破!

  向我國工程建設者們致敬!

  (圖中為川藏鐵路拉薩-林芝段,於2021年6月25日開通運營。)

  參考文獻:

  [1]蔡美峰,何滿潮,劉東燕等。岩石力學與工程[M]。北京。科學出版社,2013

  [2]馮夏庭,肖亞勳,豐光亮,姚誌賓,陳炳瑞,楊成祥,蘇國韶。岩爆孕育過程研究[J]。岩石力學與工程學報,2019,38(04): 649-673。 DOI: 10.13722/ j.cnki.jrme。 2019.0103。

  [3]何滿潮。 應變岩爆試驗力學[M]。北京。科學出版社,2020

  [4]馮夏庭, 陳炳瑞等。 岩爆孕育過程的機制、預警與動態調控[M]。北京。科學出版社,2013

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