福堂水电站引水隧洞岩爆防治施工技术

摘  要：岩爆是地下工程开挖施工中发生在高地应力、完整脆性岩体内的一种地质灾害，极大地威胁着施工人员和设备的安全。通过对福堂水电站引水隧洞7号洞下游圆型断面开挖时发生岩爆现象的观测，分析其特征和规律，从实践中初步总结出了一套预防和治理岩爆的方法，供其他类似工程在施工时参考和借鉴。
    关键词：引水隧洞；岩爆；防治；施工技术；福堂水电站?
    1、工程及地质概况
2 P) h$ X, v" Y) K7 ?    福堂水电站位于四川省阿坝州汶川县境内的长江一级支流岷江干流上游，电站为引水式开发，设计总装机容量360 MW。引水隧洞沿岷江左岸布置，自进水口至地面调压井隧洞全长约19.3 km。
    引水隧洞7号洞下游14+406～15+419.4段长1 013.4 m，为圆型有压隧洞，洞径为9 m。洞室垂直埋深450～700 m，水平埋深为500～800 m。围岩为花岗岩，岩体呈微风化～新鲜状态，次块状结构，判定以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，成洞条件较好。因埋深较大，围岩坚硬干燥，在实际施工中，隧洞14＋510～15＋410段900 m出现了不同程度的岩爆，累计记录达400余次，造成了砸坏机械、砸伤作业人员和停工停产等严重事故。
    2、岩爆的产生、分级及分类
! q+ |) U2 J; r8 g6 W$ z# K    地下工程穿越坚硬围岩且处于高应力地区时，常常由于围岩的应力超过围岩的强度而使围岩发生突然破坏，并伴随产生块体的弹射、抛掷、震动、声响等释放内部较大的弹性应变能的现象，称为岩爆。挪威的罗申斯(Russenes)将岩爆的活动性分为四级。?

    3、福堂电站发生岩爆的现象、特征和规律
    3.1岩爆发生的现象与特征
  m0 `1 E/ A7 K* L& W    从岩爆发生过程中观察和记录到的资料看，福岩爆类型特征松动?脱落围岩呈块、板、片状爆裂，声响细微，偶尔可以听见噼噼啪啪响声、无弹射现象。顶板有岩块自由坠下，在底板岩块堆积原处。爆裂?弹射型岩片弹射及岩粉喷射，爆裂声响如枪声。弹射的岩片最大不超过0.3 m3，有拳头大小者和粉末烟雾者，弹射岩片可以伤人，对机械、隧洞无大的影响。爆炸?冲击型巨石冲击，声响巨大，岩块体积达数立方米。岩块冲击抛射距离达1～20 m，岩块对机械、支护有损害，但其震动不会造成太大的损害。深部地震型由于地下洞室的开挖靠近断层、岩脉，从而引起断层、岩脉积聚能量孕震，在围岩深部产生地震。堂电站引水隧洞的岩爆大体上有如下基本特征：
5 b% K( j. m4 e    (1)从爆裂声方面看，有强有弱，有的沉而闷，有的清而脆。总体看来，声响如闷雷的岩爆规模较大，而声响清脆的规模较小，有的伴随着声响可见破碎处冒岩灰。绝大部分岩爆伴随着声响发生，既使在施工干扰下，也能听到围岩内部的爆裂声；
    (2)从弹射程度上看，其岩爆基本上属于弱弹射和无弹射两类。一般洞室靠河床侧上部岩爆属于弹射类，其弹射距离小于2 m，为0.8～2 m不等；靠山侧下部岩爆属于无弹射类，仅仅是将岩面劈裂形成层次错落的小块或脱离母岩滑落的大块岩石，且可以明显地观察到围岩内部已形成空隙；
% w) [1 M! j0 A, s    (3)从爆落的岩体看，岩体有体积较大的块体和体积较小的薄片。薄片的形状呈中间厚、四周薄的贝壳状，其长与宽方向尺寸相差不悬殊，但周边厚度方向参差不齐。块体的形状多为有一至两组的平行裂面，其余的一组破裂面呈刀刃状。岩块几何尺寸均较小，一般在40 cm×45 cm×(5～20) cm范围内；
    (4)从岩爆坑的形态看，有直角形、阶梯形和窝状形。爆坑为直角形的岩爆，其规模较大，爆坑较深，发生时伴随有沉闷的爆裂声；阶梯形岩爆的规模最小，时常伴随着多次爆裂声发生，爆落的岩体多为片状和板状；窝状爆坑的岩爆规模则有大有小，在石英岩脉富集处规模较大，而在岩脉较少处则规模较小，基本上为一次爆裂成窝状，破坏与声响基本同步。
    3.2福堂水电站岩爆的分布规律
    在福堂水电站引水隧洞中，岩爆的分布有以下几个规律：
$ }2 u& N5 T1 x    (1)岩爆均发生在干燥无水的花岗岩岩体中，主要分布于下列两种岩带：
    ①在新鲜、完整、坚硬的花岗岩中，沿洞轴线以10～150 m的间隔出现0.2～1 m厚的辉绿岩脉。
    ②在花岗岩体中分布着大量的石英岩脉，岩体完整且存储着较多的弹性应变能；
, A1 H6 V' x. r* T3 S, w    (2)岩爆区段的洞室垂直埋深在450～700 m之间。河谷下切，岸坡陡峻的地形亦可能形成较高的地应力(尽管侧向埋深不大)；
; G* G. _3 o& _1 B    (3)岩爆均发生在圆型洞室拱顶偏河床侧10°～70°范围内和洞室断面下部靠山侧与之对称的部位，以及大体与山坡平行线相切的位置，而在靠山侧上部和靠河床侧的下部均未发生岩爆；
! D3 ~, U. x1 f$ Q2 e    (4)岩爆频率与距掌子面距离存在一定的联系，通过记录到的岩爆资料分析得知，岩爆有两个高发区。第一个高发区是在距掌子面2～3 m以内，往后逐渐减少，至1倍洞径跨处逐渐增加到1.2～1.5倍洞径处形成第二个高发区，随后逐渐减弱；但也有距掌子面数百米距离发生岩爆的例子。当掌子面开挖至桩号15＋296时，14＋695处还在发生岩爆，其最大距离达601。
; v& v# ~( w5 O    4、防治岩爆的施工方案及措施
    鉴于福堂水电站引水隧洞7号洞的实际情况，所采用的防治岩爆的方法是在施工阶段中进行的，立足于减轻或避免岩爆伤人毁机及导致围岩大面积失稳的目标。按照“安全第一、稳扎稳打、不盲目冒进”的指导思想，遵循“以防为主、防治结合、多种手段综合治理”的原则进行施工和防治岩爆，具体方法如下所述。
5 `& |, p' u7 }* }! p: N4 \- Z    4.1开挖爆破方法
4 g# u/ s( j; `2 M, o: [% ~    (1)直径9 m的圆型洞室断面采用光面控制爆破(底部预留1.5 m)，岩爆洞段(Ⅲ类围岩)调整后的爆破设计；
    (2)考虑到全断面一次钻孔对围岩扰动大，易诱发岩爆，故钻孔作业分两步进行。先进行上半部钻孔，既能让工人提高警惕性，防止岩爆伤人(距掌子面2～3 m以内为岩爆高发区)，又能使拱部空孔释放部分应力，以减少下半部钻孔作业时对人的威胁。通过调整钻孔作业顺序，改变布孔方式和掏槽方法，改善洞室周边轮廓形状，取得的效果较为明显。?
    4.2支护型式
# i" M  b0 ?  }( X+ ^! V    岩爆的成因主要取决于地质条件、地应力条件和施工触发因素。为减轻岩爆的危害，很重要的一条就是在洞室开挖前和开挖后对围岩进行支护措施，这样做不仅可以改善应力的大小和分布，而且还能使洞室周边的岩体从平面应力状态变为空间三向应力状态，从而达到减轻岩爆危害的目的，并且还能起到防护作用，防止岩石弹射和剥落造成事故。福堂水电站在施工中引进了地质雷达配合地质人员作地质预测预报工作。预报人员根据超声波检测成果，从围岩完整性、强度、地下水、是否存在断层等情况，超前预报了掌子面前方围岩是否会有岩爆产生。开挖后，根据已发生岩爆特征，结合人工听声，尽快对岩爆进行分级，并有针对性地采取了以下几种支护措施。
! @: {0 U1 C/ m    (1)径向锚杆+素喷混凝土支护。
' ?8 {# O4 i% [6 R7 J  _( L    根据福堂电站发生的滞后型和重复型岩爆，为防止这种类型岩爆的发生，减少岩爆对施工人员和设备的安全威胁，故设置了径向锚杆，同时，为了防止锚杆间的劈裂型岩爆，还补喷了素混凝土5～8 cm，锚杆为φ22，梅花型布置，间距1～1.2 m，长度为2～3 m。在桩号14＋560～14+620段和预测岩爆规模较小的其他洞段进行了这种支护。实践证明，该方法对预防滞后型岩爆有较好效果；
    (2)径向锚杆+钢筋网+喷混凝土支护。
    岩爆发生后围岩会产生一个松动圈，厚度1～2 m。为防止地质环境继续恶化，发生坍塌，主要采用此类支护型式防治较大规模即二～三级属于滞后型的岩爆。本支护维护围岩能力强，其弹模与天然岩体弹模接近，与围岩密贴，可有效地使应力向围岩深部转移，是一种经济有效的防治岩爆的支护措施。福堂电站主要采用的是此种类型的支护措施；
    (3)径向锚杆+喷钢纤维混凝土。
2 Z; F5 x6 C2 C- B3 c+ f    福堂电站引入喷钢纤维混凝土防治岩爆是对新材料、新工艺的尝试，实践证明很成功。钢纤维采用上海贝卡尔特二钢有限公司生产的Dramix佳密克丝，掺量35～40 kg/m3，喷混凝土采用TK961湿喷机。钢纤维混凝土较普通混凝土显著提高了喷混凝土的抗拉强度和韧度系数，在防治岩爆支护中可取代钢筋网，减薄喷混凝土层的厚度，不但在技术上安全可行，而且在经济上用钢纤维喷混凝土支护，总造价比挂钢筋网喷混凝土节约10%，再加上因取消挂网而节省时间，其优越性不言而喻；
( H  T* n5 I0 ~    (4)型钢支撑+模筑护壁混凝土。
    在隐裂隙较发育特别是有不利结构面组合洞段，由于岩爆使围岩松弛，极易发生坍塌。在12+278～12＋286段因地质条件复杂，又未能及时跟进有效的强支护措施而出现大坍塌，在接下来的桩号12＋286～12＋304段，岩石强度较高，山体内不时传出闷雷声响，属于围岩深部地震型岩爆。开挖后立即采用型钢支撑，及时跟进浇筑20～30 cm厚护壁混凝土支护。既使在后来落底开挖时仍能听见山体内有闷雷声响，感觉到整个护壁混凝土在震动，但支护结构并未破坏，支护效果甚为明显。
    4.3应力能量的转移
    岩体中储存有弹性应变能，地下洞室开挖后，由于卸载的回弹，释放了一部分能量，其结果使洞室周边切向产生挤压形成加载，并产生应力集中，这种不利的应力分布和能量积聚，将导致洞室局部地方发生破坏，从宏观上讲这也是脆性破坏。因此，假如能够在岩爆部位减缓应力集中和能量积聚，使之向围岩深部转移或释放掉，必定能减轻或避免岩爆。
/ O% q. g5 S, _1 ?: o3 `    在福堂水电站7号洞桩号14＋620～14＋650 m段右侧拱部(靠河侧)沿隧洞径向打了许多空孔，最大孔径φ80，深度为1.5～2 m，梅花型布置，并对干燥的岩面洒水湿润以释放部分应力，直接转移应力能量。根据现场经验表明，在开挖后0～4 h时段内，即装载机找顶和装渣时扰动围岩，岩爆活动的频率较高，岩石破坏厚度也较大；开挖后15～20 h时段内，岩爆发生的频率也较高，此时正值掌子面10 m范围内施作锚杆、挂网支护，这些时段对作业工人安全威胁极大，时有岩爆伤人事故发生，故要求施工单位采取“躲”的策略，有意识地避让岩爆的高发时段和地段，间接地转移应力能量。
4 u* ~1 q1 [4 b, z3 `7 T    5、围岩监测
( q8 y' u5 j2 X3 j    福堂水电站引水隧洞施工期监测的主要目的是掌握隧洞围岩及支护的变形动态，以量测信息反馈指导施工，确保施工的安全性和经济性，同时也对设计起到一定的指导和检验作用。对于Ⅱ、Ⅲ类围岩按100 m距离布置一个监测断面，Ⅳ、Ⅴ类围岩按50 m距离布置一个监测断面，特殊情况可适当加密；并按1～7日，2次/天；8～15日，1次/天；16～30日，0.5次/天；31～90日，1～0.5次/周的频率进行水平收敛和拱顶下沉等主要项目的量测。以桩号15+272断面为例，根据量测信息反馈，锚、网、喷支护后围岩变形在20日左右趋于稳定，其水平最大位移为0.11 mm，拱顶最大下沉量为0.06 mm，说明支护措施安全有效。
    6、几点体会
  \$ |* f: i! d- h    (1)根据有关试验结果表明，在喷钢纤维混凝土中加入适量的硅粉，能显著提高钢纤维混凝土的抗压强度，同时减少水泥用量，并能起到增粘作用，减少喷混凝土的回弹量；
    (2)如果有条件，将声发射探测作为预报岩爆的手段，并配备有效的现场岩爆监视仪器，能最大限度地避免伤人、伤机事故的发生；
    (3)岩爆洞段初期安全支护后，在有条件的情况下，应及时跟进二次永久衬砌支护，以免该洞段因暴露时间过长而重新出现二次岩爆现象，危及人员及设备的安全，并造成支护费用的增加；
/ i; Q3 @- O% P% _; o& x    (4)岩爆发生后，出现岩块的爆落或弹射，势必会造成隧洞的“超挖”，“超挖值”的大小有待研究。如果掌握了不同强度岩爆的具体“超挖值”，那么，可以在施工中采取更为合理而有效的对策措施，这对降低工程造价将有一定的现实意义；
    (5)在7号洞下游长达900m的岩爆洞段施工中，施工单位通过不断总结经验和教训，以锚、网、喷支护手段为主，结合多种防治措施，以较低的工程造价和损失，按期完成了岩爆洞段的开挖施工，得到业主和监理单位的一致好评。
参考文献
［1］李协生.不衬砌引水隧洞设计中的若干问题［M］.成都：西南交通大学出版社，1994.
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文章转载自：工程论坛

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