下坂地引水發電洞工程巖爆現象特征及處理措施

馬建衛

摘要：巖爆是巖體中聚積的彈性變形能在地下工程開挖中突然猛烈釋放，使巖石爆裂并彈射出來或剝落現象。巖爆的發生主要由地應力和巖性兩個因素決定，巖性條件要求巖石具有良好儲能性能的彈脆性巖體，隧洞初始應力條件要求達到高應力水平，還與地下空間的開挖剖面形狀，施工爆破方式有關。分析了下坂地水電樞紐引水發電洞工程巖爆現象的特征，發生的條件、巖爆類型及特征、提出預防、治理巖爆的實際措施，使巖爆危害降低到最小。

關鍵詞： 巖爆；安全；特征；處理措施

Abstract:：Rock burst is accumulated elastic deformation energy in rock mass in the underground engineering excavation suddenly released, the hard rock burst and eject or flaking off. The occurrence of rock burst is mainly composed of two factors determine geostress and lithology and rock lithology requirement with good storage performance of brittle rock mass, initial stress conditions of tunnel requirements to high stress levels, and the excavation of the underground space profile shapes, construction blasting method. Analyzed under tranship hub hydropower diversion hole engineering characteristics of rock burst phenomenon, the conditions, types and characteristics of rock burst, puts forward the practical measures of rock burst prevention and governance, make rock burst hazard is reduced to a minimum.

Key words: rock burst; Safety; Characteristic; Treatment measures

中圖分類號：TD23 文獻標識碼：A 文章編號：

0 概 況

下坂地水利樞紐工程位于新疆塔里木河源流葉爾羌河主要支流之一的塔什庫爾干河中下游。樞紐工程地處喀什地區塔什庫爾干縣班迪爾鄉境內，距烏魯木齊市1815km，距喀什市315km，距塔什庫爾干縣45km。

引水發電洞進水口為2級建筑物，引水隧洞為3級建筑物。引水發電洞全長4637m，由進水口、引水洞、調壓室、三部分。0+000--1+400斷面為圓形，洞徑5.2m；洞室圍巖屬Ⅲ類巖體，采用全斷面鋼筋砼襯砌，襯砌厚度0.8m。1+400—4+637為馬蹄形，邊墻采用噴護C20砼襯砌，厚度如下：Ⅱ、Ⅲ類圍巖段0.5m；斷層破碎帶為Ⅴ類圍巖，襯砌厚度1.2m。引水發電洞設計最大流量89.69m3/s。

引水發電洞工程地質條件

洞身穿越角閃黑云二長片麻巖及華力西期片麻狀黑云斜長花崗巖。花崗巖與片麻巖接合帶接觸緊密，蝕變不明顯，局部有10~20cm的黑色蝕變物質，片麻巖進口段產狀220°∠68°，拐點前后走向分別為310°及330°。洞室圍巖以Ⅱ（占68.3%）、Ⅲ（占30.5%）類為主，斷層及斷層影響帶為Ⅴ類（占1.2%）。從整個洞線的巖體來看，洞線方向與巖層走向及主要結構面的夾角為84°(前段)及60°（后段），對洞室穩定較有利，無大的不穩定巖體存在。受斷層影響，部分斷層及斷層影響帶屬極不穩定的Ⅴ類巖體，在施工中應加強支護措施。洞室圍巖最大厚度1400m，屬深埋隧洞。

2 洞室水文地質條件

工程區地下水主要靠季節性融雪補給，地下水以淺循環為主， 0+000～1+240m段，地下水位低于開挖高程，僅局部沿斷層帶，在洞頂部有少量裂隙滲水，滲水量q＝0.1～0.5L/min，開挖初期滲水量較大，后期逐漸減少。1+240～2+585m段，地下水位高于洞頂，沿部分斷層帶及裂隙有滲、滴或流水現象，流量不一，相差較大。反映出基巖裂隙水受上部地表水源補給較近，水量較充分。2+585～4+550m段中的部分洞段地下水位高于開挖高程，沿斷層帶及裂隙滲水明顯，在洞頂部有少量滲水，滲水量q＝0.1～2L/min，滲水量隨時間推移，逐漸變小。

3 引水發電洞巖爆發生條件

巖爆的發生主要由地應力和巖性兩個因素決定，巖性條件要求巖石具有良好儲能性能的彈脆性巖體，隧洞初始應力條件要求達到高應力水平。下坂地引水發電洞主要發生巖性為角閃黑云二長片麻巖，巖層走向330°，傾向SW，傾角60°，洞線與巖層夾角60°，對洞室穩定有利，該段巖體堅硬完整，呈微風化，洞頂圍巖厚度100~1380m，屬深埋隧洞的混合片麻巖段，混合片麻巖屬極硬巖，其彈性能量指數（Wet）和脆性指數（Kr）都高。圍巖埋深大，巖體完整性好，受構造影響輕微，圍巖的初始地應力及隧道開挖后形成的最大切向應力都較高，最大主應力大于30Mpa，屬于高地應力水平，滿足發生巖爆的條件。根據下坂地引水發電洞施工實際調查和實驗室的研究成果，得出下坂地引水發電洞巖爆發生的臨界條件為：

Rc≥16Rt ⑴

Wet≥2.3 ⑵

σθ≥0.28 Rc ⑶

Kv≥0.56⑷

其中：Rc—巖石的單軸抗壓強度，在實驗室實測。

Rt—巖石的單軸抗拉強度，在實驗室實測。

σθ—隧道洞壁最大切向應力，σθ=(3σ1-σ3)。

Kv—巖體的完整性系數，由巖體和巖塊的縱波速計算得到。

4下坂地引水發電洞巖爆的表現特征

根據現場地質編錄，按巖爆的強烈程度可以把巖爆分為輕微、中等和強烈三級，輕微巖爆7段長（總長320為m）多呈零星分布，以破裂剝落為主，中等巖爆4段（總長為230m）呈較大規模連續分布，為彈射型和強烈剝落型，強烈巖爆2段（總長為53m）呈連續分布型，為強烈彈射型，并造成大面積開裂失穩坍塌。

從發生巖爆的巖性來看,14段巖爆中有4段，發生在黑云斜長花崗巖中，其余發生在角閃黑云二長片麻巖中，片麻巖片麻理構造發育。節理不發育至較發育，巖體多成巨塊狀整體結構或大塊狀結構，幾乎所有巖爆段的巖體都呈干燥無水狀態。

從巖爆的垂直埋深來看最大埋深大于1050m，最小埋深300m，在洞室開挖到樁號1+513.8～1+534段，洞頂埋深約300m，發生巖爆。巖爆發生于洞室右壁中下部，為片麻理成薄片狀鼓起破裂后掉落，掉塊厚度0.2～0.5m，掉落后壁面巖體完整性較好，對洞室穩定影響小。在洞室開挖到樁號K+513.8～2+585段埋深大于1050m，初期塌方發生于左側壁及左拱腳，起因于巖爆，發生于開挖后，大塌方前，巖爆聲音沉悶，似悶雷發于巖體深部，間斷有聲響發出，于開挖后約1天，發生第一次塌方，后在處理過程中塌方不斷加大，高度增加，最高處近11m，處理時間長達兩月之久，塌方與巖爆有關。在洞室開挖到樁號K4+090～4+170埋深600m～650m，巖體完整，巖爆沿一組與洞線夾角小的裂隙（產狀185°∠87°）形成塌落，主要發生在右側拱腳以上至洞頂軸線，部分以軸線處為主，一般寬度2～2.5m，深0.5～1.5m，形成人字形長凹槽。2段強烈巖爆發生在1000m，輕微和中等巖爆可發生在300-900m左右埋深。

強烈巖爆多發生在掌子面后方1—2倍洞徑范圍內。此范圍正是開挖后地應力場調整最強烈、地應力高度集中的區域。強烈巖爆發生時間一般在響炮后20分鐘—3小時左右出現，24小時后烈度及頻率開始不同程度降低。其特點是爆落的巖塊多，巖爆坑深、規模大，持續的時間長。因此，這種類型的巖爆在隧道的正常掘進、底部清渣、圍巖支護及出渣等作業都有很大的影響。

5工程防治處理措施

針對隧洞的巖性，埋深，有無地下水等特征、在施工中可能出現巖爆的地段采取積極主動的預防措施和強有力的施工支護，確保巖爆地段的施工安全，將巖爆發生的可能性及巖爆的危害降到最低，使工程順利進展。

5.1 調整施工方法

在洞身開挖爆破時，中等巖爆、強烈巖爆地段采取短進尺（2m/循環）、多循環、弱爆破措施采，采用光面爆破技術，保證開挖洞室輪廓圓順，避免造成局部應力集中而加劇巖爆針對巖爆類型及大小，提前打應力釋放孔或超前摩擦錨桿支護。超前摩擦錨桿采用Φ40鋼管，長度3 m，用三臂液壓臺車施工，安設的位置主要在拱頂及左右邊墻的上部，間距1—1.5 m。在巖爆地段的洞壁上打應力釋放孔，孔徑5cm，孔深2—3m，間距1—1.5m ，以達到減弱巖爆的強度。從而使動壁和掌子面應力降低，使高應力轉移至圍巖深部，既可以起到超前鉆探地質的作用，又可以起到釋放掌子面應力的作用。

5.2 改善圍巖性質

在施工過程中，可采取對工作面附近隧洞巖壁噴水或水鉆來促進圍巖軟化，從而消除或減緩巖爆程度。

5.3 對圍巖進行加強支護

樁號2+550～2+568m段由于巖爆引起的塌方最大高度在11m；對大塌方的處理方式先采用洞段封堵后用水泥砂漿充填塌方空間，然后重新進行洞室開挖。為保證安全，開挖后及時采用鋼拱架支護，拱架間距視實際情況采用0.3～1.0m不等。對洞室兩拱腳各布設了4排φ25系統錨桿，長3米，間距1.5米；拱架兩側各布4排φ25鎖腳錨桿，長3.5米，間距0.5米。在樁號2+568m以后至樁號2+585m段施工中采用短進尺2m/循環，預留2m厚的巖爆處理層，巖爆過后再進行二次擴挖爆破、支護，較好地通過強烈了巖爆段。由于支護得力，開挖方案較得當，巖爆破壞勢頭基本得到控制。安全的通過了巖爆段。

5.4安全措施

在開挖巖爆段，應該給工人配備安全帽，防彈背心。特別是強烈巖爆段要設專人進行觀測，發現險情應及時撤施工人員，等待巖爆結束或變弱，再進入洞內及時支護。

6結語

通過對下坂地引水發電洞發生的巖爆研究、分析及處理，較好地通過了巖爆段，沒有發生人員傷亡事故。引水發電洞已經通水4年多了 運行良好，說明對巖爆段的處理是合適的。盡管巖爆有不確定性，但是也有一定的規律和特征，施工過程中加強預測，防患為主，針對已有勘測資料，通過以往的工程經驗采取一定的措施，使巖爆的危害減小或消除。