錦屏二級水電站引水隧洞巖爆洞段開挖技術措施

李金輝，徐茂華

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 611130)

1 工程概述

錦屏二級水電站引水系統采用4洞8機布置形式，四條平行布置的引水隧洞平均洞線長度約為16．7km，隧洞中心距60m。引水隧洞開挖直徑為12．4 ～14．4m。

2 巖爆發生的特點

錦屏二級水電站引水隧洞沿線地層巖性主要為三迭系(T)中、上統的大理巖、灰巖及砂巖、板巖。引水隧洞線路區地處西南高地應力區，洞群沿線上覆巖體一般埋深為1500～2000m，最大埋深約為2525m，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點。隧洞線高程的最大和最小主應力值分別為70．1MPa 和30．1MPa。

巖爆發生具有以下規律和特點:

(1)巖爆以輕微巖爆、中等巖爆為主，次為強烈巖爆和少量極強巖爆。受其影響圍巖破壞較嚴重，洞室坍塌普遍。在高地應力作用下的巖體多呈層狀劈裂破壞，破壞方式有片/層狀剝落、彎曲鼓折破裂、穹狀/楔狀爆裂三種，破壞深度以15～40cm居多，最深達2～2．5m，個別大于2．5m以上。

(2)引水隧洞洞室開挖采用TBM與鉆爆開挖相結合的方式，在洞室開挖掘進至約10km時進入潛在強巖爆洞段，隨著掘進埋深的增加，巖爆頻發、等級越來越高。

(3)白山組大理巖地層是錦屏二級水電站引水隧洞巖爆強度最大、巖爆洞段最長的巖層。巖爆發生部位主要包括:埋深大、應力集中洞段;巖體完整干燥、致密細粒結構巖石部位;軟弱圍巖及裂隙密集帶與完整圍巖過渡帶附近，洞室交岔部位附近和長大貫通性剛性結構面附近;洞室的北側起拱線附近，局部拱頂以及底板、掌子面也常發生強烈巖爆。

(4)巖爆一般在爆破后2～5h發生(約占70%)，多發生在距掌子面2倍洞徑范圍內。極強巖爆滯后爆破可達5～20h，有時間歇10d至數天不等，甚至幾個月，距離掌子面達20～30m。

(5)巖爆具有突發性，巖爆前一般無明顯的征兆，巖爆經常引發應力型的坍塌，致使其破壞性也增大。

3 開挖采用的施工技術措施

針對錦屏二級水電站引水隧洞開挖巖爆具有的特點和施工環境，現場組織相關人員收集、整理、分析、比較了國內外有關巖爆治理的相關文獻資料，對各種技術方案進行了分析、比較、論證，通過專家咨詢、參建各方充分討論研究，確定了隧洞巖爆段施工專項方案。

錦屏二級水電站引水隧洞在巖爆洞段開挖施工采取了主動預防、被動治理相結合的方式，遵照“預防為主、防治結合”原則，采取了有針對性的施工方法與處理措施，以解決和保證施工安全、工程安全并在實施中不斷地改進和完善。

3．1 主動預防技術措施

(1)地質預報技術。

在引水隧洞施工過程中，堅持預報在前，先探后掘，最大限度地查明前方地質狀況，以指導施工，規避安全風險。巖爆預報采用宏觀地質預測、TSP中長距離預報、短距離表面雷達等方法進行綜合地質預報。

采用工程地質法對地面不良地質體進行預報，TSP技術進行隧洞內150m的長距離探測，每100m預報一次，重復段為50m，必要時采用超前鉆探方法，同時輔助采用HSP技術作為TSP預報成果的對比驗證手段。短距離超前地質預報是在長期超前地質預報的基礎上進行的，預報距掌子面前方50m范圍內的工程地質條件，判斷圍巖類別等。

(2)微震監測技術。

在大的應力和巖爆地帶，應力集中范圍始終難以確定，更無法確定在何部位會出現巖爆。錦屏工程在多次研究高地應力下的圍巖狀態后，引進了微震監測技術，對有潛在巖爆的洞段進行監測，對掌子面前方40m的應力范圍及程度做出了描述。

2010年10月23日～2011年11月21日，共獲得現場巖爆信息237次。其中191次提前進行了比較準確的巖爆范圍和等級預測，占80．6%;22次預測等級偏低，占9．3%;10次預測范圍偏離，占4．2%;14次未能提前預測(其中有9次主要是由于設備被盜、線纜受損過多無法定位事件、設備故障等原因造成，5次由于巖爆沒有出現明顯的巖爆前兆或監測設備沒有采集到巖爆前兆信息)。

根據巖爆預測和發生情況，大多數巖爆具有前兆信息，通過微震監測系統拾取并經技術人員及時合理分析處理后大部分可提前預測。不少預測有巖爆風險的區域，在監理工程師督促承包人采取及時有效的支護措施后，避免了巖爆發生或降低了巖爆造成的破壞程度。只有少數巖爆前兆信息不明顯，加之設備線纜等出現意外原因，造成少數實際發生的巖爆未能被提前預測或預測的等級或范圍不準確。

(3)爆破控制技術。

引水隧洞開挖斷面較大，采用上下臺階法開挖，先進行上半斷面開挖，然后再進行下半斷面開挖。

引水隧洞開挖施工采用光面爆破控制，盡可能使開挖面平順，可以避免因開挖面不平順引起圍巖局部應力高度集中而導致的巖爆發生。

強～極強巖爆洞段采用短進尺、弱爆破，減少每個開挖循環的進尺，盡量減小發生巖爆的尺寸效應，具體爆破參數見表1。

(4)應力解除爆破技術。

表1 上斷面爆破參數對比表

應力解除爆破的目的是解除或降低應力集中區部位的高應力。通過微震監測判斷前方有應力集中時，應力解除爆破是最為有效的減輕或解除巖爆的手段。由于應力解除爆破技術在錦屏二級水電站引水隧洞巖爆及潛在強巖爆洞段開挖施工中防巖爆效果較好，因此是被較普遍采用的技術。應力解除爆破技術即在掌子面開挖鉆孔的同時，施打應力解除爆破孔，孔深至少保證在2倍循環進尺以上，根據實際使用效果，孔深在2．5倍循環進尺以上應力解除效果更好。鉆孔以10°～15°角向外成扇形分布，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。裝藥位置在2．5～3．5m位置，封堵50cm左右。

強～極強巖爆洞段開挖后根據現場實際情況采用多臂鉆在巖爆部位施工徑向應力釋放孔，用以釋放較高的地應力，減輕巖爆強度。

(5)開挖后掌子面形態修正技術。

隧洞開挖后掌子面一帶的應力集中區空間形態為“渦殼狀”區域，當開挖面形態適應這種應力分布形態時，有利于維持圍巖的圍巖水平和圍巖強度，達到利用圍巖強度控制巖爆的目的。為此，監理工程師建議承包人在巖爆多發地段將掌子面形態也修正為“渦殼狀”，中心部位凹進，從中央到周邊平順過渡，形成總體上的弧形形態。但該開挖技術對測量、現場施工人員操作技術、鉆孔質量要求較高、精細化管理程度要求較高且需施工人員在掌子面內凹部位作業，危險系數較大，故不宜大規模普及應用。

3．2 支護防護技術措施

(1)錨桿支護。

水脹式錨桿具備快速發揮作用的優點，但其缺點是抗拉力、抗剪力較弱。因此，本工程在輕微、中等巖爆開挖洞段開挖完成后及時采用水脹式錨桿臨時支護，能快速發揮穩定圍巖的作用。

漲殼式預應力中空注漿錨桿在施加應力后即能發揮作用，同時比水脹式錨桿具有更好的抗拉和抗剪能力。中等及以上強巖爆洞段開挖施工，采用同系統普通砂漿錨桿等長度、等直徑、等間距漲殼式預應力中空注漿錨桿進行巖爆治理，并將預應力錨桿布置在掌子面后方15m范圍內。

錨桿均配套安裝錨墊板，錨墊板的大小根據微震監測所測到的應力大小進行調整，墊板尺寸一般采用20cm×20cm，最大達到30cm×30 cm。墊板與鋼筋網或柔性網連為一體，在巖爆或應力釋放時，墊板起到保護效果，網片兜住塌落的巖石，以緩解應力釋放的沖擊力度，可以有效地增加抗巖爆的能力。

(2)噴混凝土。

納米鋼纖維混凝土的應用。在高地應力巖爆坍塌洞段，對出露的圍巖需及時進行封閉，以盡快起到支護效果。初噴混凝土強度需要盡快達到支護強度，納米混凝土在30min內強度可達到至少15MPa以上。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。在巖爆強烈部位采用納米鋼纖維混凝土進一步加強支護，以起到保證現場安全、快速開挖的作用。

仿鋼纖維混凝土的應用。鋼纖維的剛性大于仿鋼纖維，其拌制和長距離運輸后輸送泵泵送困難，極易堵管，并且優質的仿鋼纖維性能不低于鋼纖維，為減少對現場施工造成不必要的影響，在巖爆等級不高且引水隧洞內長距離的部位，采用噴仿鋼纖維混凝土取代鋼纖維混凝土進行支護。

現場噴射混凝土性能檢測結果見表2。

表2 現場噴射混凝土性能試驗成果統計表(大板試驗)

(3)施工作業安全防護。

引水隧洞巖爆洞段的開挖爆破、支護鉆孔設備采用機械造孔，如三臂鉆，并對三臂臺車采用鋼板進行加固防護并嚴禁采用人工手風鉆造孔。所有裝藥人員均佩戴鋼盔、身穿防彈背心等措施以盡量減小巖爆發生時帶來的危害。

(4)嚴格落實施工程序。

在輕微～極強等級巖爆段，其中強巖爆、極強巖爆一旦發生，破壞性較大，對工程影響較大，是巖爆段掘進施工防治的重要監控點。為保證強巖爆、極強巖爆段安全掘進，研究制定了強巖爆、極強巖爆段安全施工流程，即巖爆預測預報、超前錨桿支護、應力解除爆破、危石清理及其它、初噴納米鋼纖維混凝土、防巖爆臨時錨固支護、系統支護。在開挖施工過程中，監理工程師要求承包商現場施工必須按照工序流程開展，上道工序未經驗收簽字確認，不得進入下道工序施工，以保證工序環環緊扣及支護的及時性、完整性，最大程度降低了巖爆危害。

4 結語

在錦屏二級水電站引水隧洞開挖過程中，通過采取上述技術措施，在參建各方的共同努力下，四條引水隧洞均較合同工期提前實現了貫通，施工過程中未發生安全責任事故，開挖質量滿足設計規范要求。

錦屏二級水電站引水隧洞開挖過程表明，在強巖爆洞段開挖過程中采用“事前預控、事中過程控制、事后糾偏控制”的科學控制手段，主動預防與被動防護相結合，有效降低了巖爆造成的危害，最大程度地減少了巖爆對現場施工的影響。