石頭會爆炸嗎？
“
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“巖爆”。不過大家不用擔心，巖爆只發生在地下，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，巖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。
圖1 巖爆是深部地質工程施工中常見的一種災害
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(注：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”。
圖2 下部的岩石，受到上部所有岩石的壓力
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、剪下等多種相互作用。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。
圖3 常見的構造運動
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。巖爆的發生，除了需要高地應力以外，還取決於巖體自身的性質。巖體的強度越高，脆性越強，越容易發生巖爆。因此，巖爆常常發生在高地應力地區的花崗岩、砂岩、閃長巖等硬脆的巖體中[2]。
我們可以把地下的岩石想象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，一部分巖體被挖走，原本在巖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。
圖4 隧道開挖中，地下巖體的受力狀態發生變化，
原有的平衡被打破（a），離開挖處較遠的巖體則不受影響（b）
在地應力較小的地方開挖隧道時，隧道巖體可以透過少量的變形，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。當巖體較軟時，它會持續地發生變形來尋求新的平衡；而當巖體較硬時，在應力的作用下，巖體內的能量則不斷積聚，直到超出巖體的承受能力，積累的能量在一瞬間釋放，就發生了“巖爆”。
巖爆的發生時間具有高度不確定性。隧道可能剛剛挖開，立馬就發生巖爆，也可能在挖好一段時間後才發生。巖爆發生時，就如同火藥爆炸一樣，可以聽到巖體內隆隆的響聲和噼啪的斷裂聲。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。
圖5 巖爆發生時，塊石呈片狀向外飛濺，隆隆作響。
作為深部工程開挖過程中常見的一種地質災害，巖爆嚴重威脅著施工人員和裝置的安全，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礦發生的一次巖爆導致75人死亡；1963年南非的6個金屬礦共計發生了281次巖爆；我國的秦嶺隧道、蒼嶺隧道等地下工程建設的過程中也巖爆頻發[3]。目前，科學家和工程師們已對巖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。
圖6 隧道發生巖爆後，碎石堆積成山[4]
圖7 巖爆發生後，隧道線路、裝置被毀壞[4]
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、川西高山峽谷區、川西高山原區、藏東南橫斷山區、藏南谷底區，在全長1011公里中，隧道長度就有838公里（資料來自澎湃新聞）。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8 川藏鐵路，將成為我國又一個工程壯舉（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,姚志賓,陳炳瑞,楊成祥,蘇國韶.巖爆孕育過程研究[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. 應變巖爆試驗力學[M].北京.科學出版社,2020
[4]馮夏庭, 陳炳瑞等. 巖爆孕育過程的機制、預警與動態調控[M].北京.科學出版社,2013
編輯：萬鵬
美編：許宏璽
校對：李玉鈐、趙娜
