高地應力地下洞室開挖施工巖爆防治措施

梁 大 中

(中國安能第三工程局成都分公司，四川 成都 611135)

1 概 述

葉巴灘水電站是金沙江上游13級水電梯級開發中的第7級，位于四川省白玉縣與西藏貢覺縣界河金沙江上，其上下游分別與波羅水電站、拉洼水電站相連。葉巴灘水電站為混凝土雙曲拱壩，庫區正常蓄水位高程為2 889 m，庫容為10.8億m3，死庫容為5.43億m3，調節庫容為5.37億m3，總裝機容量為2 240 MW。右岸地下引水發電系統采用首部式廠房、長尾水布置方案，尾水隧洞為兩條平行布置的圓型隧洞，尾水洞軸線間距為68 m，襯砌后的洞徑為14.4 m，開挖洞徑為16 m， 1號尾水主洞總體長度為3 172.39 m，2號尾水主洞長3 099.22 m。

該工程位于青藏高原東南部侵蝕高山山原區，地處金沙江斷裂帶內，受地殼變化青藏高原向東部擠壓推移及山谷高陡，高差大，自重應力值高等因素造成工區地應力高，極易發生巖爆。現有研究結果表明：巖爆的發生規律與洞室埋深、洞向、巖體結構、地下水、開挖方式等因素密切相關。

該電站尾水洞上半段巖性為石英閃長巖，尾水洞下半段為花崗閃長巖，巖石致密堅硬，以Ⅲ類圍巖為主。尾水隧洞的最大埋深可達709 m，具有地應力高、巖石整體性好、局部破碎的特點，巖爆發生較為頻繁。

筆者對該工程通過合理安排施工方法和施工工序減少了巖爆發生的幾率、打設應力釋放孔進行卸壓、采取“短進尺、弱爆破”、光面爆破減少了圍巖的局部應力集中、噴霧灑水濕潤圍巖以釋放應力、加強支護以減少巖層暴露的時間、加強施工人員和施工設備的防護等措施，有效地減少了巖爆的發生并確保了人身安全的過程進行了闡述，介紹了巖爆的研究現狀、特點及辨識方法。

2 巖爆的研究現狀

高地應力條件下隧洞巖爆的研究與預防是當前國內外地下洞室施工的重大課題。引發巖爆的影響因素眾多，應力釋放機制相對復雜，目前國內外對于巖爆的預測防治、研究的方法較多，但對風險評估和施工過程中所采取的預防措施目前還處于探索階段。

巖爆的預測和評估作為防治工作的重要環節對采取措施、選擇施工工藝及避免安全事故的發生至關重要。巖爆的預測包括巖爆區域位置、巖爆面積大小及巖爆可能發生的時間等。可通過經驗分析、與類似巖層洞段進行對比總結，進而對巖爆可能發生的位置及大小進行預測；亦可通過鉆芯取樣、收斂觀測等方法分析研究該段巖石強度、應力、變形等試驗參數，進而預測巖爆；也可通過現場巖石因臨近失穩所發出的聲響進行判斷。在操作過程中以上幾種方法可同時采用以增加預測的可靠性。

3 巖爆的特點及辨識

巖爆機制復雜，受隧洞埋深、圍巖類別、巖石裂隙發育等多種因素影響其預測準確率低，預測預報比較困難。

3.1 巖爆具有的特征

巖爆為在洞室開挖過程中因巖石受力改變、應力集中、能量釋放導致巖體脆性破壞而發生的彈射、崩落現象，巖體在受到地應力擠壓達到最大承載力后失穩，在軸壓與圍壓共同作用下，巖體與圍壓相互作用，當花崗巖應力超過極限強度后，其承載能力逐漸降低，隨著圍壓的降低，大量能量釋放，當能量超過裂隙及巖石所能承受的極限時，結構裂隙加速發展，直至發生突然破壞，巖石從巖面彈射或崩落，發生巖爆現象。巖爆可分為輕微巖爆和嚴重巖爆，前者巖片表現為剝落、掉塊狀，后者表現為彈射狀。巖爆發生的時間具有不可預見性，一般在開挖作業完成一定時間后才會出現，其發生概率隨著時間的推移逐漸衰減。因巖爆具有突發性而無法有效預防，故其危害極大，對施工安全造成重大安全隱患。針對高地應力洞室，必須提前采取安全技術措施，確保施工安全。

巖爆一般表現為：

(1)高地應力洞段在開挖完成后短時間內巖面會有因巖石擠壓造成的異常響動。

(2)鑒于巖爆準確預測比較困難，發生時一般無明顯預兆，具有突發性。

(3)巖爆區域主要集中于剛開挖后的新鮮巖面，多見于隧洞起拱線及頂拱部位。

(4)巖爆是由開挖作業導致巖石受力環境改變、誘發巖石斷裂引起的，與隧洞采用的開挖支護方法有關。

(5)巖爆發生于洞室埋深大、地應力高、巖石結構單一的地下洞室。

(6)巖爆具有滯后性，大多發生于隧洞開挖完成后數小時，隨著時間推移，巖爆發生的概率相應降低，也可能于數天、數十天之后發生。

3.2 巖爆產生的條件

(1)巖爆受區域地質構造、地應力大小與方向、圍巖地質狀況變化影響產生，是在高地應力環境下隧洞開挖作業造成巖石受力改變、應力重新分布、在應力集中及能量釋放等條件下造成的巖石失穩現象。

(2)巖爆為脆性破壞。所發生的洞段一般巖石硬度大、整體性好、裂隙少、圍巖中有大量的能量儲存，彈性且脆性較高。

(3)巖爆發生的幾率與隧洞埋深相關：隧洞埋深越大，地應力越高，發生巖爆的概率越大，破壞程度越強，當埋深超過200 m時，巖爆較為常見。

(4)巖爆受隧洞水文地質情況影響較大，多為地下水較少、巖層干燥的區域。

(5)巖爆受隧洞自身設計、施工形式影響，多發生于洞室結構面變化、洞室交叉較多、應力集中地段(如隧洞起拱線、掌子面等部位)。

(6)巖爆與巖石裂隙發育方向、隧洞開挖方向有關。當地應力方向與洞軸線方向一致或與洞軸線成較小夾角時圍巖相對穩定，當應力與掌子面方向一致時，洞壁切向應力較大，發生巖爆的幾率明顯提高。

(7)巖爆多發生于堅硬花崗巖、花崗閃長巖等堅硬巖石洞段，主要以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主。

3.3 由應力條件判斷巖爆的發生

巖爆可通過天然最大主應力與巖石抗壓強度比值進行判斷，當應力比值大于0.15時，巖爆發生的風險大，故可根據地應力分布情況分析地下洞室可能產生巖爆災害的重點部位。

4 巖爆的預防及處理方案

4.1 總體施工方案

施工過程中的開挖程序及開挖工藝對巖體應力具有較大影響。因此，在方案比選中要選取有利于應力釋放的開挖斷面及開挖工藝，盡量避免應力集中或疊加。在相同的地質條件下，洞室開挖斷面越大、斷面變化越快的部位巖爆產生的風險越大。開挖速度過快亦會造成巖石應力變化、能量釋放加快，進而提高了巖爆發生的風險。

在大埋深隧洞開挖方案確定前，應合理控制隧洞斷面及分幅開挖的形式，根據巖爆情況適時調整開挖方案，采取相應的措施。在施工組織過程中一定要規范施工程序，提高安全意識，當存在巖爆風險時，必須采取規避措施，降低施工人員及設備的安全風險。

4.2 超前地質預報

超前地質預報可獲得第一手地質資料，對了解施工洞段的巖性及斷層、裂隙等節理發育、巖石破碎、地下水分布情況、確定開挖支護施工方案、技術措施參數、調整現場施工方法、采取安全防護措施提供重要依據。對巖爆的預防和施工人員的安全意義重大。有效防治巖爆能對施工進度及經濟效益的提升起到明顯的作用。

4.3 超前應力釋放

爆破作業后，及時對掌子面、邊墻及頂拱部位進行噴淋作業，對干燥巖面進行軟化處理。淋水作業可進行多次，每次間隔10 min左右。噴淋后在側墻、頂拱、起拱線、洞壁環向等位置打設應力釋放孔并在孔內注入高壓水以降低巖石脆性，亦可通過在巖壁切槽的方式釋放應力，降低巖爆的發生率。根據鉆孔位置、深度等情況進行數據對比、地質分析，調整并優化鉆孔參數(孔深、孔距、孔數)，進而指導現場施工，降低巖爆發生的風險。

4.4 鉆芯取樣分析

洞室開挖完成后，垂直掌子面在待開挖區域進行鉆芯取樣，通過芯樣破損情況分析未開挖部分巖石、斷層等地質與圍巖應力情況。

4.5 地質素描

地質素描在洞室開挖作業完成后進行，用于分析開挖段待開挖區域揭露的巖石產狀及裂隙分布情況，預測掌子面地質情況。根據分析結果，及時采取有效措施，優化施工方案。

4.6 地質監測

在施工過程中每隔一定距離設置收斂觀測點，做好頂拱下沉變形及邊墻水平收斂量監測。可按照Ⅱ類圍巖每40～100 m布置1個斷面，Ⅲ類圍巖每20～40 m布置1個斷面，Ⅳ、Ⅴ類圍巖每10～20 m布置1個斷面，測點可根據隧洞尺寸及形狀進行布置，一般中導洞可在頂拱和起拱線位置布置3個測點，圓形隧洞全斷面可在頂拱及側墻位置布置7個測點。

4.7 加強支護

尾水隧洞光面爆破開挖的進尺不宜過大，可將其控制在4 m范圍內，必要時進行掛網噴混凝土支護。洞室拱線附近常出現二次或三次剝落現象，可將噴混凝土替換為鋼纖維混凝土，鋼纖維一般為冷拉高強鋼絲，直徑可選擇0.3～0.5 mm，長度為20～25 mm，長細比為55～65，兩端帶彎鉤，可選擇抗拉強度不低于600 MPa、攪拌時分散性良好的鋼纖維材料。鋼纖維噴射混凝土韌度系數Re>0.7。鋼纖維摻量根據現場試驗確定。必要時，可在掌子面打超前錨桿、起拱線位置打隨機錨桿(應力較大區域增加墊板以增強支護效果)、在邊墻及頂拱位置進行鋼筋掛網、架設鋼格柵、鋼拱架等方式進行加強支護。

4.8 加強光面爆破效果

光面爆破過程中一定要提升殘孔率，盡量保證巖面平整，避免因巖面不平造成應力集中。可以根據爆破試驗確定爆破孔距及藥量。亦可以通過綁竹片、堵炮泥、短進尺、弱爆破等方式提高爆破效果，也可在排險作業過程中將突出部位的巖石及時進行清理，盡量保證巖面平整，降低巖爆發生的概率。

4.9 盡早啟動襯砌作業

巖爆經常會出現二次或三次剝落現象，對后期施工進度及安全造成較大隱患。因此，一定要盡量減少巖層的裸露時間，盡快進行二襯作業，襯砌可采用跳倉方式進行。在襯砌施工過程中，若發現巖層異常應采取必要的躲避措施。

4.10 改變開挖作業形式

通過巖爆洞段時，可將全斷面開挖優化為分幅或中導洞方式開挖，亦可采用分層的方式進行開挖，進而降低隧洞尺寸、增加應力釋放的時間，將能量逐步釋放。也可通過短進尺減少能量釋放的總量，減少藥量以降低爆破對周圍巖層的擾動，降低巖爆發生的概率。

4.11 加強對處理過程的總結

巖爆處理要按照先釋放應力、后進行防治、釋放與防治相結合的方式進行。以上措施實施后，一定要分析相關數據，及時總結歸納。通過大量的施工實踐，總結經驗。在施工中，通過對所實施措施進行研究使用，對比分析施工生產效率、現場組織、生產效益，總結施工對策。通過總結，研究應力和能量集中可能轉移的位置和途徑，將能量集中轉移到適當區域，為下一步措施的調整提供依據，進而減少進度等損失，降低巖爆引起的安全風險。

4.12 巖爆的安全防護措施

(1)成立應急救援組。針對巖爆，項目部一定要開展專題培訓，編制專項應急預案，成立專門的預防及救護小組，定期組織安全應急演練。對巖爆造成的設備與人員傷亡事故及時進行處置，降低損失的程度。

(2)在鉆爆臺車及裝載機、挖掘機等設備上安裝制作必要的防護棚或防護罩。在巖面掛設鋼筋網或柔性防護網，防止因巖石彈射砸傷施工人員，損傷施工機具。

(3)施工人員要嚴格按照施工要求佩戴安全帽等防護用品。

(4)當預測到可能要發生巖爆時，應立即停止開挖、支護等相關作業。將人員及設備退至已支護的安全區域，待巖爆發生或危險解除后方可繼續作業。

(5)施工現場應配備專職安全員并時刻關注巖石情況，當發現異常時應及時發出預警信息通知施工人員及設備撤離。

5 結 語

葉巴灘水電站尾水隧洞在高地應力條件下針對巖爆采取的防范措施，通過鉆孔加快應力釋放、加強初期支護、改進方案、合理安排施工組織、做好安全防護、加強應急演練等措施降低巖爆產生帶來的風險，提高施工效率，改善高地應力下隧洞的施工條件，為項目提升進度及經濟效益提供有力的保證。經實施檢驗得知：采用中導洞及分幅、分層開挖比全斷面開挖巖爆發生的概率有所降低。在相同的地質條件下，通過巖面灑水、打設應力釋放孔將有效減少巖爆發生的次數。加強初期支護對減少巖爆的破壞效果明顯。整體預防措施的實施取得了預期效果，對同類工程施工具有一定的參考價值。