錦屏二級水電站引水隧洞巖爆預報及防治

陳文杰，汪華東，杜 關

四川二灘國際咨詢有限責任公司，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，具有巖石堅硬、埋深大、地應力高的特點。

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、最小主應力分別為70MPa、30MPa，以自重應力為主，輕微、中等巖爆為主，局部洞段為強巖爆、極強巖爆。

2 巖爆特征

巖爆是指隧洞在掘進施工過程中由于強烈的應力釋放導致圍巖破裂、彈射或塌方的現象，同時伴有震動和響聲。

巖爆發生隨機性強，可瞬間發生，也可持續幾天或幾個月。根據現場統計，巖爆高發部位距開挖掌子面0m～12m的范圍內，高發期是爆破開挖后2h～3h，24小時內最為明顯。少數洞段在持續數月甚至1年多仍有發生，事前一般無明顯征兆。

3 巖爆發生一般條件

通過隧道的實際埋深、圍巖性質、地質構造和地形條件等均有較大關系，但圍巖性質主要由以下幾方面：

1）巖石堅硬、脆性大，多發生在如大理巖、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變能量；

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

4）開挖面平整度差，造成局部應力集中，誘發巖爆。

4 巖爆等級劃分及特點

根據錦屏二級水電站引水隧洞工程設計巖爆等級劃分，共分4級，即輕微巖爆（Ⅱb級）、中等巖爆（Ⅲb級）、強烈巖爆（Ⅳb級）、極強巖爆（Ⅴb級），基本特點如下：

1）Ⅱb級：圍巖表層有爆裂脫落、剝離現象，內部有清脆的噼啪聲響，零星間斷發生，圍巖影響深度小于0.5m；

2）Ⅲb級：圍巖爆裂脫落、剝離現象較嚴重，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、出現崩塌，伴有爆破的聲響，持續時間較長，圍巖影響深度1.0m～3.0m；

4）Ⅴb級：圍巖大片嚴重爆裂，大塊巖片出現崩塌，震動劇烈，有悶雷般聲響，持續時間長，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防方法是不可能的；二是破除“悲觀論”，盡管巖爆在不斷發生，只要給予充分重視，不斷研究措施，就會大大降低其災害程度。巖爆預防工作指導思想：采用多種手段進行綜合預防。 應采取主動預防、被動治理相結合的方式，即按照“先預防、早支護、強支護”的總體施工原則，方能最大程度上避免巖爆發生或降低巖爆發生等級。

5.1 巖爆的主動預防

必須堅持預防為先的原則，否則，一旦發生較高等級的巖爆，將對現場人身、設備安全帶來較大的威脅，大大提高了巖爆后期處理難度，極大地增加處理費用，并會產生較為嚴重的工期延誤。

預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，盡可能使開挖面平順，否則因開挖面不平順，會引起圍巖局部應力高度集中，導致巖爆發生；

2）短進尺：開挖宜采用短進尺掘進，盡量減小發生巖爆的尺寸效應；

3）高壓噴水或注水：爆破后立即向開挖面噴射高壓水，以達到軟化圍巖、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、應力釋放孔）向孔內進行高壓注水，以獲得更好的效果；

4）施工應力釋放孔：在掌子面布置施工一定數量的應力釋放孔，至少2倍循環進尺以上，提前對圍巖應力進行調整，釋放圍巖積蓄的彈性應變能量。本工程掌子面系統布置了間排距3m，孔深6m的應力釋放孔；

5）應力解除爆破法：解除或降低高地應力集中區域的高地應力，應力解除孔孔深至少保證在2倍循環進尺以上，根據實際使用效果，達到2.5倍以上應力解除效果更好，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個應力解除爆破孔，孔徑φ51mm、孔深6.0m（循環進尺2.5m）、孔底連續裝藥1.8kg。通過工程現場實踐，該方法在強巖爆、極強巖爆洞段使用有著較為明顯的效果；

6）導洞開挖：在方便現場施工的基礎上，選擇合適尺寸的導洞開挖，可有效減小巖爆發生的尺寸效應，降低巖爆發生概率和等級。

上述幾種方案，主要是改善圍巖應力和性質，對預防巖爆、降低巖爆發生概率和等級有著一定的積極作用，在工程實施過程中，應根據不同圍巖巖爆等級（預測預報）選擇不同的方案或組合預防方案。

5.2 巖爆的被動支護

巖爆治理主要采取“早支護、強支護”的方式，本工程不同巖爆等級段的支護實施參數主要如下：

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行隨機支護，因水脹式錨桿施工具有“桿體輕便、操作靈活、安裝時間短、發揮作用及時”的特點，對Ⅲb巖爆治理具有很好的效果，但水脹式錨桿因薄殼結構，存在抗剪能力差的缺點；

3）Ⅳb洞段：在開挖后立即進行初期支護，初噴10cm納米鋼纖維混凝土對開挖面和掌子面進行全面的初期封閉，后隨機施工φ32、L=6m、T=8kN漲殼式預應力中空注漿錨桿，預應力錨桿在施加應力后就能發揮作用，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。在初期支護得到相對安全后，緊跟進行系統支護，施工φ32、L=6m、T=8KN＠1.0m×1.0m漲殼式預應力中空注漿錨桿（漲殼式預應力注漿錨桿），并根據現場實際需要，確定是否安裝格柵拱架或鋼筋拱肋，最后復噴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行初期封閉，后施工φ32、L=6m、T=8KN＠1.0m×1.0m漲殼式預應力中空注漿錨桿（漲殼式預應力注漿錨桿），并安裝1m間距的鋼拱架，最后復噴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系到工程安全，更關系到人身安全。一旦發生較高等級的巖爆，不但會造成工程較大程度的破壞，而且也會導致掌子面直接停工數天到數月不等，嚴重影響工程進度；同時，也將造成一定的人員傷亡和機械設備損壞。因此，在工程實施過程中，需注意如下幾方面的問題：

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

2）切實做好個人自身防護工作，所有一線人員必須佩帶鋼盔、穿防彈背心；制定詳細的應急預案，組織所有一線人員進行安全應急演練工作，在工作面萬一發生巖爆后，應做到有序撤離和自發搶救工作，盡量減少人身傷亡；

3）爆破、支護鉆孔設備應采用機械造孔，如三臂鉆，在Ⅳb、Ⅴb段必須采用機械造孔，嚴禁采用人工手風鉆造孔；

4）特別在Ⅳb、Ⅴb洞段施工，必須嚴格遵循“短進尺、強支護”的施工原則，系統支護必須緊跟掌子面，支護強度應遵循“寧強勿弱”的原則；

5）高度重視潛在強巖爆段的巖爆預測預報工作，這是潛在強巖爆洞段施工的工作重點，以便更好地指導現場施工。

7 巖爆等級預測預報

本工程使用了較多的預測預報方法，如表面雷達預報、TSP預報、微震監測預報等，根據現場實際使用效果比較，其中微震監測方案不失為一種較好的預測方法，但也只能提供一定的指導性意見，不能準確地進行巖爆預測，截至目前，在世界范圍內還沒有找到準確預測巖爆發生部位和發生等級的方法。在工程實施過程中，應采用微震監測預測、表面雷達預報、TSP預報和一線人員長期積累經驗相結合的方式，進行巖爆發生等級可能性的判別，巖爆等級的判別應遵循“寧高勿低”的原則，從而采取合適的防治應對方案。

8 巖爆段施工管理流程

在Ⅱb～Ⅴb等級巖爆段，其中Ⅳb、Ⅴb巖爆一旦發生，破壞性較大，對工程影響較大，是巖爆段掘進施工防治的重點監控點。

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

Ⅳb、Ⅴb巖爆段安全施工管理流程

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

9 結論

錦屏二級引水隧洞作為在強巖爆條件下施工長埋深隧洞，為國內巖爆條件下施工積累豐富施工經驗。綜上所述，在隧洞巖爆段掘進施工，必須高度重視巖爆的施工防治工作，切勿盲目冒進，只要采用適當的防治措施，可最大程度上保證工程的順利進行和現場施工人員的人身安全。