石头会爆炸吗？
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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。
图1 岩爆是深部地质工程施工中常见的一种灾害
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”。
图2 下部的岩石，受到上部所有岩石的压力
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。
图3 常见的构造运动
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。
图4 隧道开挖中，地下岩体的受力状态发生变化，
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。
图5 岩爆发生时，块石呈片状向外飞溅，隆隆作响。
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。
图6 隧道发生岩爆后，碎石堆积成山[4]
图7 岩爆发生后，隧道线路、设备被毁坏[4]
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！
图8 川藏铁路，将成为我国又一个工程壮举（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
编辑：万鹏
美编：许宏玺
校对：李玉钤、赵娜
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