下坂地水利樞紐工程引水發電洞巖爆及施工技術處理措施

吳中波

【摘要】下坂地工程引水發電洞位于塔什庫爾干河左岸，包括進水口、引水洞、調壓室、壓力管道四部分。進水口位于大壩壩軸線上游左岸240m處，采用豎井式進水口，底板高程2 905m；引水發電洞全長4637m，引水隧洞設計最大流量為90 m3/s。施工階段初期會出現明顯的巖爆現象，預計隨著開挖深入山體、地應力逐步升高，巖爆問題將越來越突出。結合下坂地引水發電洞工程建設過程中的巖爆預防實際，針對性地提出了措施，對預防巖爆、推動工程進度具有一定的借鑒作用。

【關鍵詞】電洞巖爆；施工技術；處理措施

1、巖爆現象

1.1 巖爆現象描述

引水發電洞樁0+745.00--0+750.00、1+534.00--1+513.00、1+770. 00 --1+825. 00、l+829. 00--1+880. 00、1+950. 00--2+026. 00、2+091. 00 --2+ 103. 00等部位，隧洞埋深在800 --1250 m，這些地段巖性為第一巖性段（ Pta）角閃黑云二長片麻巖，呈微風化，圍巖類別為Ⅱ類穩定完整巖體。

引水發電洞掘進到這些部位時，當連續掘進10 m左右時，便開始出現巖爆。爆破起爆后，該段洞室兩側起拱部分，就有“啪，啪”巖爆聲響，剛開始響聲此起彼伏，聲音震耳欲聾，響聲后伴隨圍巖裂縫，巖塊脫落甚至彈出，脫落巖塊最大單塊超過1.2 m3。圍巖由外到內層層裂縫，從里向外擠，外層裂縫巖石時有塌落，裂縫深度約1～3 m。持續時間一般7天左右，最長的已經持續一年，現在偶爾還有巖爆掉塊。巖爆多發生在隧洞右拱角及邊墻部位，其原因是圍巖承受頂部圍巖自重應力和構造應力的影響，形成了20～80 cm厚度的應力釋放層，當頂部圍巖壓力超過應力釋放層承受能力時，便發生了“巖爆”。施工實踐證明下坂地引水發電洞發生的“巖爆”烈度要比初設階段預測的強烈。

1.2 巖爆后果描述

引水發電洞洞室開挖過程中，爆破施工發生2—3 h后，巖壁發出爆裂響聲3 ～5 min/次，石片有時應聲掉落。巖爆脫落片石大的有3 m×1.8 m x0.45 m（厚），給洞挖施工人員造成極大的安全隱患，已有較多施工人員受傷，巖爆等待時間也極大地影響到了施工進度。巖爆產生區域共387 m，掉落石片造成超挖共627.5 m3，施工用時共203 天。

2、巖爆段施工技術措施

2.1 巖爆技術措施

巖爆處理措施首先，改善圍巖應力。這種方法主要是降低圍巖應力使圍巖應力小于圍巖強度，避免巖爆的發生。在施工中主要采取如下措施：（1）在洞身開挖爆破時，采用“短進尺、多循環”及光面爆破技術，盡量減少對圍巖的擾動，改善圍巖應力狀態。（2）應力解除法，通過布設超前鉆孔或在超前鉆孔中進行松動爆破，在圍巖內部造成一個破壞帶，即形成一個低彈區，從而使洞壁和掌子面應力降低，使高應力轉移至圍巖深部，施工時可在掌子面上打設5—6個超前鉆孔，深15—20 m左右，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。超前鉆孔的布置形式及參數，在施工過程中根據成型情況及時調整。

第二，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鉆孔注水來促進圍巖軟化，從而消除或減緩巖爆程度。

第三，對圍巖進行加強支護和超前支護加固。其作用是，改善掌子面及1—2倍洞徑洞段內圍巖的應力狀態，由于支護的作用不但改變了應力大小的分布，而且還使洞壁從單維應力狀態變為三維應力狀態。可采用的加固辦法有：錨桿和超前錨桿支護、錨噴混凝土支護、鋼纖維噴混凝土支護、鋼支撐，二次襯砌。這些方法是施工中最為常用的，因此施工過程中，在發生巖爆的地段，要采取錨桿、超前錨桿支護、錨噴混凝土支護、鋼纖維噴混凝土支護、鋼支撐等多種支護方法有效的組合在一起來防止巖爆的發生。

2.2 下坂地引水發電洞巖爆段施工處理

針對下坂地引水發電洞開挖隧洞的地質特征，在施工中對出現巖爆的地段應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。在高地應力地段施工中可采用以下技術措施：

1. 在施工前，針對已有勘測資料，首先進行概念模型建模及數學模型建模工作，通過三維有限元數值運算、反演分析以及對隧洞不同開挖工序的模擬，初步確定施工區域地應力的數量級以及施工過程中哪些部位及里程容易出現巖爆現象，優化施工開挖和支護順序，為施工中巖爆的防治提供初步的理論依據。

2. 在施工過程中，加強超前地質探測，預報巖爆發生的可能性及地應力的大小。采用上述超前鉆探、聲反射、地溫探測方法，同時利用隧洞內地質編錄觀察巖石特性，將幾種方法綜合運用判斷可能發生巖爆的高地應力的范圍。

3. 打設超前鉆孔轉移隧道掌子面的高地應力或注水降低圍巖表面張力，超前鉆孔可以利用鉆探孔，在掌子面上利用地質鉆機或液壓鉆孔臺車打設超前鉆孔，鉆孔直徑為45 mm，每循環可布置4-8個孔，深度5-10 m，必要時也可以打設部分徑向應力釋放孔，鉆孔方向應至直巖面，間距數十厘米，深度1—3 m不等。必要時，若預測到的地應力較高，可在超前探孔中進行松動爆破或將完整巖體用小炮震裂，或向孔內壓水，以避免應力集中現象的出現。

4. 在施工中應加強監測工作，通過對圍巖和支護結構的現場觀察、通過對輔助洞拱頂下沉、兩維收斂以及錨桿測力計、多點位移計讀數的變化，可以定量化地預測滯后發生的深部沖擊型巖爆，用手指導開挖和支護的施工，以確保安全。

5. 在開挖過程中采用“短進尺、多循環”，同時利用光面爆破技術，嚴格控制用藥量，以盡可能減少爆破對圍巖的影響并使開挖斷面盡可能規則，減小局部應力集中發生的可能性。在巖爆地段的開挖進尺嚴格控制在2.5 m以內。

6. 加強施工支護工作，支護的方法是在爆破后立即向拱部及側壁噴射鋼纖維或塑料纖維混凝土，再加設錨桿及鋼筋網，必要時還要架設鋼拱架和打設超前錨桿進行支護。襯砌工作要緊跟開挖工序進行，以盡可能減少巖層暴露的時間，減少巖爆的發生和確保人身安全，必要時可采取跳段襯砌。同時應準備好臨時鋼木排架等，在聽到爆裂響聲后，立即進行支護，以防發生事故。

7. 對發生巖爆的地段，可采取在巖壁切槽的方法來釋放應力。以降低巖爆的強地段施工時，對人員和設備進行必要的防護，以保證施工安全。

8. 引水發電洞現場巖爆段施工處理措施：在開挖過程中采用短進尺、多循環（每循環2m）方式，同時剩用光面爆破技術，嚴格控制用藥量，以盡可能減少爆破對圍巖的影響并使開挖斷面盡可能規則，減小局部應力集中發生的可能性。 （1）周邊鉆孔孔深3m，間距0.5 m改為0.3 m，由34個孔增加到57個孔，增加23個孔；（2）線裝藥由200 g/m，改為滿孔裝藥600 g/m，炸藥增加82.2 kg； （3）頂部直徑25mm超前錨桿，間距0.5 m.長4m共10根；（4）應力釋放孔，間距1.5 m xl.5 m.長4m錨桿，共20根；（5）掛鋼絲網并用3.5 kW水泵向巖爆段掌子面噴水。經現場觀測，前述四項措施有一定成效，同時在巖爆洞段，按照爆破設計要求進行爆破開挖施工，并緊跟系統錨噴支護，頂拱邊墻噴C20混凝土10 cm.系統錨桿直徑22mm，L=3 m，1.5 mxl.5 m梅花形布置，以上措施的實施，減輕了巖爆的影響并縮短了巖爆段單循環作業時間。

2.3 現場安全防護措施

洞挖隨著雙作業面掘進的逐步深入，埋深逐步加大，巖爆情況趨于嚴重，現場配置了滿足施工需要的安全防護用品，保障作業面照明，鑒于巖爆一般在爆破后1 h左右比較猛烈，逐步趨于緩和，多數發生在1--2倍洞徑的范圍內，每個爆破循環之后，讓工人躲避在安全處，待巖爆基本平息之后再進行施工。另外過程中應加強排險檢查和危石處理，認真防護觀察圍巖動態，如發現爆裂聲，立即撤離人員與機具，以保障施工人員和設備的安全。