錦屏二級水電站引水隧洞巖爆預(yù)報(bào)及防治

陳文杰，汪華東，杜 關(guān)

四川二灘國際咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610072

1 工程概況

錦屏二級水電站采用4洞8機(jī)布置形式，4條引水隧洞平均洞線長度16.67km，中心距60m，洞主軸線方位角為N58°W，坡度3.65‰，沿線覆蓋巖體一般埋深1500m～2000m，最大埋深2525m，巖性為大理巖，具有巖石堅(jiān)硬、埋深大、地應(yīng)力高的特點(diǎn)。

在4條引水隧洞中，2#、4#引水隧洞采用鉆爆法施工，開挖斷面尺寸13m～13.8m，為馬蹄形斷面。沿隧道線高程的最大、最小主應(yīng)力分別為70MPa、30MPa，以自重應(yīng)力為主，輕微、中等巖爆為主，局部洞段為強(qiáng)巖爆、極強(qiáng)巖爆。

2 巖爆特征

巖爆是指隧洞在掘進(jìn)施工過程中由于強(qiáng)烈的應(yīng)力釋放導(dǎo)致圍巖破裂、彈射或塌方的現(xiàn)象，同時伴有震動和響聲。

巖爆發(fā)生隨機(jī)性強(qiáng)，可瞬間發(fā)生，也可持續(xù)幾天或幾個月。根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，巖爆高發(fā)部位距開挖掌子面0m～12m的范圍內(nèi)，高發(fā)期是爆破開挖后2h～3h，24小時內(nèi)最為明顯。少數(shù)洞段在持續(xù)數(shù)月甚至1年多仍有發(fā)生，事前一般無明顯征兆。

3 巖爆發(fā)生一般條件

通過隧道的實(shí)際埋深、圍巖性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造和地形條件等均有較大關(guān)系，但圍巖性質(zhì)主要由以下幾方面：

1）巖石堅(jiān)硬、脆性大，多發(fā)生在如大理巖、閃長巖、花崗巖、石英巖等巖體中，巖石單軸抗壓強(qiáng)度較大，一般在60MPa以上；

2）巖體完整，是巖爆的必要條件，因巖體完整可積蓄較大的彈性應(yīng)變能量；

3）根據(jù)拉森斯判別系數(shù)：σmax/σc＞0.25，強(qiáng)、極強(qiáng)巖爆；0.15≤σmax/σc≤0.25，中等巖爆；σmax/σc＜0.15，無或輕微巖爆。其中σmax為三維應(yīng)力中的最大地應(yīng)力，σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度；

4）開挖面平整度差，造成局部應(yīng)力集中，誘發(fā)巖爆。

4 巖爆等級劃分及特點(diǎn)

根據(jù)錦屏二級水電站引水隧洞工程設(shè)計(jì)巖爆等級劃分，共分4級，即輕微巖爆（Ⅱb級）、中等巖爆（Ⅲb級）、強(qiáng)烈?guī)r爆（Ⅳb級）、極強(qiáng)巖爆（Ⅴb級），基本特點(diǎn)如下：

1）Ⅱb級：圍巖表層有爆裂脫落、剝離現(xiàn)象，內(nèi)部有清脆的噼啪聲響，零星間斷發(fā)生，圍巖影響深度小于0.5m；

2）Ⅲb級：圍巖爆裂脫落、剝離現(xiàn)象較嚴(yán)重，有少量彈射并伴有雷管爆破的清脆爆裂聲，有一定的持續(xù)時間，圍巖影響深度0.5m～1.0m；

3）Ⅳb級：圍巖有大片爆裂脫落、出現(xiàn)崩塌，伴有爆破的聲響，持續(xù)時間較長，圍巖影響深度1.0m～3.0m；

4）Ⅴb級：圍巖大片嚴(yán)重爆裂，大塊巖片出現(xiàn)崩塌，震動劇烈，有悶雷般聲響，持續(xù)時間長，圍巖開裂、影響深度大于3m，猶如地震。

5 巖爆的防治思想

一是破除“幻想論”，幻想找到一種徹底的巖爆預(yù)防方法是不可能的；二是破除“悲觀論”，盡管巖爆在不斷發(fā)生，只要給予充分重視，不斷研究措施，就會大大降低其災(zāi)害程度。巖爆預(yù)防工作指導(dǎo)思想：采用多種手段進(jìn)行綜合預(yù)防。 應(yīng)采取主動預(yù)防、被動治理相結(jié)合的方式，即按照“先預(yù)防、早支護(hù)、強(qiáng)支護(hù)”的總體施工原則，方能最大程度上避免巖爆發(fā)生或降低巖爆發(fā)生等級。

5.1 巖爆的主動預(yù)防

必須堅(jiān)持預(yù)防為先的原則，否則，一旦發(fā)生較高等級的巖爆，將對現(xiàn)場人身、設(shè)備安全帶來較大的威脅，大大提高了巖爆后期處理難度，極大地增加處理費(fèi)用，并會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的工期延誤。

預(yù)防主要有如下幾方面方案：

1）光面爆破控制：必須做好光面爆破施工技術(shù)，盡可能使開挖面平順，否則因開挖面不平順，會引起圍巖局部應(yīng)力高度集中，導(dǎo)致巖爆發(fā)生；

2）短進(jìn)尺：開挖宜采用短進(jìn)尺掘進(jìn)，盡量減小發(fā)生巖爆的尺寸效應(yīng)；

3）高壓噴水或注水：爆破后立即向開挖面噴射高壓水，以達(dá)到軟化圍巖、增加巖體塑性、降低巖體脆性的目的，必要時利用爆破孔（錨桿孔、應(yīng)力釋放孔）向孔內(nèi)進(jìn)行高壓注水，以獲得更好的效果；

4）施工應(yīng)力釋放孔：在掌子面布置施工一定數(shù)量的應(yīng)力釋放孔，至少2倍循環(huán)進(jìn)尺以上，提前對圍巖應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整，釋放圍巖積蓄的彈性應(yīng)變能量。本工程掌子面系統(tǒng)布置了間排距3m，孔深6m的應(yīng)力釋放孔；

5）應(yīng)力解除爆破法：解除或降低高地應(yīng)力集中區(qū)域的高地應(yīng)力，應(yīng)力解除孔孔深至少保證在2倍循環(huán)進(jìn)尺以上，根據(jù)實(shí)際使用效果，達(dá)到2.5倍以上應(yīng)力解除效果更好，鉆孔以10°～15°的角度向外成扇形分布，孔底接近但不超過開挖邊界，以爆破后不對開挖邊界造成破壞為宜。本工程掌子面布置了14個應(yīng)力解除爆破孔，孔徑φ51mm、孔深6.0m（循環(huán)進(jìn)尺2.5m）、孔底連續(xù)裝藥1.8kg。通過工程現(xiàn)場實(shí)踐，該方法在強(qiáng)巖爆、極強(qiáng)巖爆洞段使用有著較為明顯的效果；

6）導(dǎo)洞開挖：在方便現(xiàn)場施工的基礎(chǔ)上，選擇合適尺寸的導(dǎo)洞開挖，可有效減小巖爆發(fā)生的尺寸效應(yīng)，降低巖爆發(fā)生概率和等級。

上述幾種方案，主要是改善圍巖應(yīng)力和性質(zhì)，對預(yù)防巖爆、降低巖爆發(fā)生概率和等級有著一定的積極作用，在工程實(shí)施過程中，應(yīng)根據(jù)不同圍巖巖爆等級（預(yù)測預(yù)報(bào)）選擇不同的方案或組合預(yù)防方案。

5.2 巖爆的被動支護(hù)

巖爆治理主要采取“早支護(hù)、強(qiáng)支護(hù)”的方式，本工程不同巖爆等級段的支護(hù)實(shí)施參數(shù)主要如下：

1）Ⅱb洞段：在爆破撬危后立即初噴5cm厚的納米鋼纖維混凝土（納米混凝土）封閉圍巖，納米具有加快噴混凝土凝結(jié)速度的作用，鋼纖維具有增加噴混凝土的抗剪和抗折能力的作用，納米鋼纖維噴混凝土能夠承受圍巖較大的變形而不致破壞；

2）Ⅲb洞段：初噴10cm厚的納米鋼纖維混凝土（納米混凝土）封閉圍巖，并采用水脹式錨桿進(jìn)行隨機(jī)支護(hù)，因水脹式錨桿施工具有“桿體輕便、操作靈活、安裝時間短、發(fā)揮作用及時”的特點(diǎn)，對Ⅲb巖爆治理具有很好的效果，但水脹式錨桿因薄殼結(jié)構(gòu)，存在抗剪能力差的缺點(diǎn)；

3）Ⅳb洞段：在開挖后立即進(jìn)行初期支護(hù)，初噴10cm納米鋼纖維混凝土對開挖面和掌子面進(jìn)行全面的初期封閉，后隨機(jī)施工φ32、L=6m、T=8kN漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿，預(yù)應(yīng)力錨桿在施加應(yīng)力后就能發(fā)揮作用，同時比水脹式錨桿具有更好的抗拉和抗剪能力，對Ⅳb以上巖爆治理具有較好的效果。在初期支護(hù)得到相對安全后，緊跟進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù)，施工φ32、L=6m、T=8KN＠1.0m×1.0m漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿（漲殼式預(yù)應(yīng)力注漿錨桿），并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要，確定是否安裝格柵拱架或鋼筋拱肋，最后復(fù)噴20cm納米鋼纖維混凝土；

4）Ⅴb洞段：在開挖后立即初噴15cm納米鋼纖維混凝土對圍巖和掌子面進(jìn)行初期封閉，后施工φ32、L=6m、T=8KN＠1.0m×1.0m漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿（漲殼式預(yù)應(yīng)力注漿錨桿），并安裝1m間距的鋼拱架，最后復(fù)噴20cm納米鋼纖維混凝土。

6 巖爆段安全施工基本要求

在巖爆洞段施工，安全問題顯得尤為突出，各參建人員思想必須高度警惕，巖爆段防治是否到位直接關(guān)系到工程安全，更關(guān)系到人身安全。一旦發(fā)生較高等級的巖爆，不但會造成工程較大程度的破壞，而且也會導(dǎo)致掌子面直接停工數(shù)天到數(shù)月不等，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度；同時，也將造成一定的人員傷亡和機(jī)械設(shè)備損壞。因此，在工程實(shí)施過程中，需注意如下幾方面的問題：

1）不斷加強(qiáng)對一線人員的巖爆知識宣貫工作，提高其對巖爆的認(rèn)知程度，避免思想麻痹，出現(xiàn)無知無畏的情況；

2）切實(shí)做好個人自身防護(hù)工作，所有一線人員必須佩帶鋼盔、穿防彈背心；制定詳細(xì)的應(yīng)急預(yù)案，組織所有一線人員進(jìn)行安全應(yīng)急演練工作，在工作面萬一發(fā)生巖爆后，應(yīng)做到有序撤離和自發(fā)搶救工作，盡量減少人身傷亡；

3）爆破、支護(hù)鉆孔設(shè)備應(yīng)采用機(jī)械造孔，如三臂鉆，在Ⅳb、Ⅴb段必須采用機(jī)械造孔，嚴(yán)禁采用人工手風(fēng)鉆造孔；

4）特別在Ⅳb、Ⅴb洞段施工，必須嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)”的施工原則，系統(tǒng)支護(hù)必須緊跟掌子面，支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)遵循“寧強(qiáng)勿弱”的原則；

5）高度重視潛在強(qiáng)巖爆段的巖爆預(yù)測預(yù)報(bào)工作，這是潛在強(qiáng)巖爆洞段施工的工作重點(diǎn)，以便更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

7 巖爆等級預(yù)測預(yù)報(bào)

本工程使用了較多的預(yù)測預(yù)報(bào)方法，如表面雷達(dá)預(yù)報(bào)、TSP預(yù)報(bào)、微震監(jiān)測預(yù)報(bào)等，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際使用效果比較，其中微震監(jiān)測方案不失為一種較好的預(yù)測方法，但也只能提供一定的指導(dǎo)性意見，不能準(zhǔn)確地進(jìn)行巖爆預(yù)測，截至目前，在世界范圍內(nèi)還沒有找到準(zhǔn)確預(yù)測巖爆發(fā)生部位和發(fā)生等級的方法。在工程實(shí)施過程中，應(yīng)采用微震監(jiān)測預(yù)測、表面雷達(dá)預(yù)報(bào)、TSP預(yù)報(bào)和一線人員長期積累經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方式，進(jìn)行巖爆發(fā)生等級可能性的判別，巖爆等級的判別應(yīng)遵循“寧高勿低”的原則，從而采取合適的防治應(yīng)對方案。

8 巖爆段施工管理流程

在Ⅱb～Ⅴb等級巖爆段，其中Ⅳb、Ⅴb巖爆一旦發(fā)生，破壞性較大，對工程影響較大，是巖爆段掘進(jìn)施工防治的重點(diǎn)監(jiān)控點(diǎn)。

為保證安全渡過Ⅳb、Ⅴb段掘進(jìn)施工，在工程實(shí)施過程中，制定了Ⅳb、Ⅴb巖爆段安全施工管理流程，見下表。現(xiàn)場施工必須按照表中的工序順序開展，上道工序未經(jīng)承包商自檢和現(xiàn)場監(jiān)理工程師驗(yàn)收簽字確認(rèn)，不得進(jìn)入下道工序施工（表中承建單位自檢和監(jiān)理工程師檢查欄中填寫具體的參數(shù)），保證工序環(huán)環(huán)緊扣。

Ⅳb、Ⅴb巖爆段安全施工管理流程

按上述管理流程實(shí)施后，通過現(xiàn)場監(jiān)測，在Ⅳb、Ⅴb段爆破后至支護(hù)完成前時間段內(nèi)，基本未出現(xiàn)過大的巖爆，僅出現(xiàn)了剝離現(xiàn)象；同時，在系統(tǒng)支護(hù)后，雖然在圍巖深處有很大的應(yīng)力釋放聲響、甚至伴隨地面輕微震動，造成系統(tǒng)支護(hù)體有一定的變形或破壞，但沒有發(fā)生圍巖大面積的崩塌現(xiàn)象，最大程度上降低了巖爆危害，保證了工程安全和現(xiàn)場施工安全。

9 結(jié)論

錦屏二級引水隧洞作為在強(qiáng)巖爆條件下施工長埋深隧洞，為國內(nèi)巖爆條件下施工積累豐富施工經(jīng)驗(yàn)。綜上所述，在隧洞巖爆段掘進(jìn)施工，必須高度重視巖爆的施工防治工作，切勿盲目冒進(jìn)，只要采用適當(dāng)?shù)姆乐未胧勺畲蟪潭壬媳ＷC工程的順利進(jìn)行和現(xiàn)場施工人員的人身安全。