拉西瓦水電站尾水隧洞巖爆的特征與預防措施

1、.拉西瓦水電站尾水隧洞巖爆的特征與預防措施孟慶亮 楊宏正 崔穎林1 前言巖爆是深埋地下工程在施工過程中常見的動力破壞現(xiàn)象，當巖體中聚積的高彈性應變能大于巖石破壞所消耗的能量時，破壞了巖體結(jié)構(gòu)的平衡，多余的能量導致巖石爆裂，使巖石碎片從巖體中剝離、崩出。輕微的巖爆僅剝落巖片，造成片幫但無彈射現(xiàn)象。強烈的巖爆常常會帶來災難性的后果，造成人員傷亡或施工設備損壞。巖爆一般持續(xù)幾天有時甚至數(shù)月。巖爆產(chǎn)生的條件： 近代構(gòu)造活動山體內(nèi)地應力較高，巖體內(nèi)儲存著很大的應變能，當該部分能量超過了硬巖石自身的強度時； 圍巖堅硬新鮮完整，裂隙極少或僅有隱裂隙，且具有較高的脆性和彈性，能夠儲存能量，而其變形特性屬于脆性

2、破壞類型，當應力解除后，回彈變形很??； 隧洞埋深較大（一般埋藏深度多大于200m）且遠離溝谷切割的卸荷裂隙帶；地下水較少，巖體干燥； 開挖斷面形狀不規(guī)則，大型洞室群岔洞較多的地下工程，或斷面變化造成局部應力集中的地帶。2 拉西瓦地質(zhì)狀況拉西瓦水電站引水發(fā)電系統(tǒng)洞室群地處峽谷，山高坡陡。右岸岸坡河床至正常蓄水位2425m，坡度為6570，24252600m高程間3045，2600m以上6065。拉西瓦地下洞室群位于右岸地下，巖性為花崗巖，該花崗巖體為中粗粒結(jié)構(gòu)，呈灰灰白色，塊狀結(jié)構(gòu)，礦物成分以長石、石英、黑云母為主，巖石強度高，巖體致密堅硬，總體以II類圍巖為主，局部為III、IV類。根據(jù)廠房區(qū)

3、實測資料最大地應力1為14.629.7MPa，平均21.63MPa，最小主應力3為3.713.1MPa，平均9.20MPa，巖體飽和抗壓強度平均值c 為110MPa,飽和抗拉強度平均值t 為6.7 MPa，經(jīng)過分析預測，拉西瓦地下洞群開挖時均有可能發(fā)生巖爆，但其程度以輕微為主，局部可能達中等程度，且?guī)r爆多表現(xiàn)為片狀剝落、片幫等方式。特別是我局承建的拉西瓦水電站尾水系統(tǒng)工程，隧洞位于右岸地下，距地表垂直距離390550m左右。圍巖以II類為主，成洞條件較好。但是隧洞埋深較大，且穿越河谷應力包，圍巖堅硬干燥，地應力高達2530MPa，c /1110/25110/304.43.67，符合發(fā)生巖爆的條

4、件，在施工過程中也確實出現(xiàn)了不同程度的巖爆。我局承建的尾水管擴散段，位于河谷應力包過渡帶，加之由于該段開挖斷面為由城門洞型（13.5m18.56m）變?yōu)榉叫危?5.096m9.666m），應力集中，巖爆經(jīng)常在拱肩位置發(fā)生。3 巖爆的產(chǎn)生條件（參見圖1） 審稿：黃久昌 劉祥吾 張衛(wèi)東判斷巖爆發(fā)生的應力條件有兩種方法： 一是用洞壁的最大環(huán)向應力與圍巖單軸抗壓強度c之比值進行分析； 二是用天然應力中的最大主應力1與巖塊單軸抗壓強度c之比進行判斷。 3.1 圍巖應力條件 經(jīng)驗公式：1/c0.1650.35（或c/16.062.86）的脆性巖體最易發(fā)生巖爆。 3.2 巖性條件 彈性變形能系數(shù)：加載到0.

5、7c后再卸載至0.05c時，卸載釋放的彈性變形能與加載吸收的變形能之比的百分數(shù)。 當70時，可能產(chǎn)生巖爆，越大發(fā)生巖爆的可能性越大。 3.3 影響巖爆的因素 3.3.1 地質(zhì)構(gòu)造 巖爆大都發(fā)生在褶皺構(gòu)造的堅硬巖石中。 巖爆與斷層、節(jié)理構(gòu)造密切相關(guān)。當掌子面與斷裂或節(jié)理走向平行時，極容易觸發(fā)巖爆。 巖體中節(jié)理密度和張開度對巖爆有明顯的影響。據(jù)南非金礦觀測資料，節(jié)理間距小于 圖1 巖爆產(chǎn)生條件 40cm，且為張性節(jié)理時，一般不發(fā)生巖爆。掌子面巖體中有大量巖脈穿插時，也可能發(fā)生巖爆。 3.3.2 洞室埋深 隨著洞室埋深增加，巖爆次數(shù)增多，強度也增大。3.4 巖爆形成機理和圍巖破壞區(qū)分帶見圖2。A、劈

6、裂成板階段（巖爆孕育） 垂直洞壁方向受張應力作用而產(chǎn)生平行于最大環(huán)向應力的板狀劈裂。僅在洞壁表部，部分板裂巖體脫離母巖而剝落，而無巖塊彈射出現(xiàn)。 B、剪切成塊階段(巖爆的醞釀) 劈裂巖板向洞內(nèi)彎曲，發(fā)生張剪復合破壞。處于爆裂彈射的臨界狀態(tài)。 A、劈裂；B、剪斷；C、彈射C、塊、片彈射階段 圖2 巖爆漸進破壞過程示意圖 劈裂、剪斷巖板，產(chǎn)生響聲和震動。巖塊發(fā)生彈射，巖爆形成。巖爆的漸進性破壞過程很短促。 各階段在演化的時序和發(fā)展的空間部位，都是由洞壁向圍巖深部依次重復更迭發(fā)生的。因此，巖爆引起的圍巖破壞區(qū)自外向內(nèi)分彈射帶、劈裂-剪切帶和劈裂帶等三個條帶。 4 拉西瓦水電站尾水洞巖爆的特點拉西瓦水

7、電站尾水洞的巖爆一般具有以下特點：（1）巖石以花崗巖為主，巖石堅硬干燥，在未發(fā)生前，無明顯的征兆，雖經(jīng)過仔細尋找，并無空響聲，一般認為不會掉落石塊的地方，會突然發(fā)生巖石爆裂聲響，石塊一般應聲而下。（2）巖爆發(fā)生的地點多在新開挖的掌子面及距離掌子面13倍洞徑范圍內(nèi)，個別的也有距新開挖工作面較遠；城門洞形常見的巖爆部位以拱部或邊墻部位為多，漸變段常見的巖爆以拱肩部位為多；巖爆在開挖后陸續(xù)出現(xiàn)，多在爆破后的28小時，24小時內(nèi)最為明顯，延續(xù)時間一般12個月，有的甚至長達1年以上，事前一般無明顯預兆。（3）巖爆時圍巖破壞的規(guī)模，小者幾厘米厚，大者可達幾十噸重。石塊由母巖彈出，小者形狀常呈中間厚、周邊薄

8、、不規(guī)則的片狀脫落，脫落面多與巖壁平行。（4）巖爆圍巖的破壞過程，一般新鮮堅硬巖體均先產(chǎn)生聲響，伴隨片狀剝落的裂隙出現(xiàn)，裂隙一旦貫通就產(chǎn)生剝落或彈出，屬于表部巖爆；在強度較低的巖體，則在隧洞掌子面以內(nèi)一定距離產(chǎn)生，向洞內(nèi)臨空面產(chǎn)生很大的沖擊力，這種巖爆屬于深部沖擊型。（5）由于爆破振動產(chǎn)生的沖擊波影響，造成已開挖洞段應力重新分布，也會造成較大面積巖爆。（6）拉西瓦尾水隧洞巖爆破壞形式主要為劈裂破壞和剪切破壞兩種，破壞總體屬爆裂脫落型，局部地段也曾出現(xiàn)過彈射現(xiàn)象。5 巖爆的預防措施為了確保高應力地區(qū)開挖、支護施工的安全，施工中采取了如下措施：（1）在開挖過程中采用“短進尺、多循環(huán)”，在巖爆多發(fā)地

9、段的開挖進尺嚴格控制在2.5m以內(nèi)。采用光面爆破技術(shù)，提高光爆效果，改善洞壁應力條件，嚴格控制線裝藥密度及單耗，降低爆破動應力場的疊加，盡量減少對圍巖的擾動，改善圍巖的應力狀態(tài)。（2）在開挖施工前，沿洞壁先打28，L6m超前錨桿，以提前釋放應力并防止劈裂型巖爆；（3）開挖完成后，及時向巖面灑水，以釋放應力；（4）灑水后及時噴混凝土進行封閉，成拱支持，盡可能減少圍巖暴露時間，并起到了初期支護的作用；（5）在初期支護完成后，及時進行永久支護，以確保圍巖穩(wěn)定，必要時進行隨機錨桿支護及鋼支撐支護；由于支護的作用不但改善了掌子面及12倍洞徑范圍內(nèi)圍巖的應力狀態(tài)，還改善了應力的分布。（6）加強施工中的安全

10、監(jiān)測工作，通過圍巖收斂監(jiān)測、錨桿應力計及多點變位計監(jiān)測等原型觀測的手段，來預測巖爆發(fā)生的可能性，從而指導開挖和支護施工，確保安全。6 巖爆部位實例分析6.1 2#尾水洞尾20+425m尾20+495m段巖爆2005年5月2日，2#尾水洞尾20+425m尾20+495m段在已完成一期支護的情況下，由于地應力較高等原因造成巖爆塌方，巖爆掉塊重達幾十噸。業(yè)主、地質(zhì)、設計、施工等單位經(jīng)過現(xiàn)場勘察后分析確定其原因如下：（1）本地區(qū)屬高應力區(qū)，洞室開挖應力經(jīng)過多次調(diào)整，圍巖卸荷回彈，形成應力松弛圈，導致圍巖結(jié)構(gòu)面張開，少量地下水沿張開的縫隙滲出；同時加之該部位處于上叉施工支洞與2#尾水洞垂直交匯區(qū)，產(chǎn)生了

11、應力集中；（2）由于隧洞斷面較大，尚未進行混凝土襯砌施工，洞內(nèi)開挖一定時間后，由于卸荷圍巖產(chǎn)生松弛變形；（3）該段內(nèi)發(fā)育有L1及L9兩組高傾角裂隙，應力釋放導致這兩組裂隙進一步發(fā)育，結(jié)構(gòu)面張開，產(chǎn)生了傾倒或剪切滑移失穩(wěn)，使邊墻失穩(wěn)；（4）塌方段附近的開挖爆破也是誘發(fā)巖爆塌方的原因之一。由于1#、2#尾水洞間圍巖厚度僅26.4m，當時正在進行1#尾水洞中層的開挖；5月2日下午1#尾水洞由下叉洞向下游掘進至與塌方段相對應的尾10+320m樁號時，由于爆破振動產(chǎn)生沖擊波，導致2#尾水洞尾20+425m尾20+495m段應力重新調(diào)整分布，發(fā)生巖爆。巖爆塌方發(fā)生后采取的措施如下：（1）盡快對塌方部位噴C

12、20素混凝土進行封閉，以盡可能減少新鮮圍巖的暴露時間；（2）掛6.5，1515cm鋼筋網(wǎng)，并復噴10cm厚C20素混凝土；（3）在上述支護的基礎(chǔ)上，鉆安328，L9m錨筋樁，間距3m3m；在錨筋樁之間布置25，L4m錨桿；（4）嚴格控制爆破參數(shù)，加強爆破振動監(jiān)測；（5）在尾水洞增加施工期圍巖觀測和變形觀測，以便及時采取相應措施。6.2 6#尾水管擴散段廠下0+26廠下0+17左側(cè)拱肩巖爆我們在6#擴散段上層施工中，由于應力集中，巖爆較頻繁，特別是6#擴散段左側(cè)拱肩。剛開始我們采取掛網(wǎng)、噴10cm厚C20素混凝土等措施，但是效果不好，經(jīng)常是剛施工完就發(fā)生巖爆塌方，存在很大的安全隱患。采用濕噴臺車

13、噴10cm厚鋼纖維混凝土加系統(tǒng)錨桿支護，暫時保證了施工安全。但是在2006年1月16日，由于爆破振動、地應力高等諸多因素影響還是在6#擴散段下層開挖左側(cè)時拱肩發(fā)生了巖爆塌方。發(fā)生這次巖爆后，我們勘查了現(xiàn)場，分析后認為其原因如下：（1）該段地處河谷應力包過渡帶，加之其斷面由大到小漸變，產(chǎn)生應力集中，是導致此次巖爆發(fā)生的內(nèi)因。（2）雖然在初期采取了噴鋼纖維混凝土制止巖爆的措施，但由于工期原因，只進行了系統(tǒng)錨桿的施工，預應力錨桿未全部完工，即進一步支護的力度不夠，是導致此次巖爆發(fā)生的另一個原因。（3）開挖爆破也是誘發(fā)巖爆塌方的原因之一。當時6#尾水管正在進行廠下0+26廠下0+17m段的中下層開挖，

14、爆破振動產(chǎn)生沖擊波，導致本段應力重新調(diào)整分布，進一步加大了發(fā)生巖爆的可能性。巖爆塌方發(fā)生后采取的措施如下：（1）首先在確保安全的前提下及時對巖爆塌方部位噴5cm厚的CF30鋼纖維混凝土進行封閉，以盡可能減少圍巖暴露時間；（2）增加6.5，2020cm鋼筋網(wǎng)，并用25的鋼筋與原有系統(tǒng)錨桿焊接進行加固，復噴10cm厚CF30鋼纖維混凝土；（3）及時完成預應力錨桿施工；（4）巖爆部位增加28，L6m的砂漿錨桿，間排距為1m1m。7 預防巖爆的施工技術(shù)措施拉西瓦水電站地下廠房系統(tǒng)進廠交通洞工程以及引水系統(tǒng)尾水部分土建及金屬結(jié)構(gòu)安裝工程均屬于在高地應力條件下施工的工程，通過該工程的施工，總結(jié)出巖爆地段施

15、工中的一些施工經(jīng)驗，供同行借鑒。了解其地質(zhì)特征，針對可能出現(xiàn)巖爆的地段采取積極主動的預防措施和強有力的支護方案，確保巖爆地段的施工安全；技術(shù)人員、安全人員等應充分理解巖爆的特點及其危害的嚴重性，全體施工人員思想上高度重視，將巖爆發(fā)生的可能性及危害程度降到最低。在高應力地段施工中可采用以下技術(shù)措施：（1）在施工前，及時和地質(zhì)工程師聯(lián)系，收集已有的勘測資料，建立數(shù)學模型，通過三維有限元數(shù)值分析、反演分析以及對隧道不同開挖工序的模擬，初步確定施工區(qū)域地應力的數(shù)量級以及施工過程中哪些部位及里程容易發(fā)生巖爆現(xiàn)象，優(yōu)化施工開挖和支護程序，為施工中巖爆的防治提供初步的理論依據(jù)。這一點由于我們對巖爆認識不足及

16、其他方面原因未曾開展。（2）在施工過程中，加強超前地質(zhì)探測，預報巖爆發(fā)生的可能性及地應力的大小。采用上述超前鉆探方法，同時利用隧道內(nèi)地質(zhì)編錄觀察巖石特性，將幾種方法綜合運用判斷可能發(fā)生巖爆的范圍。在施工中，我們通過鉆安28，L6m超前錨桿，以達到超前地質(zhì)探測。同時加強與設代地質(zhì)工程師聯(lián)系，對收集的資料進行分析，及時對即將施工部位進行分析預測。（3）打設超前鉆孔調(diào)整隧道掌子面的地應力分布，必要時也可以打設部分徑向應力釋放孔，鉆孔方向垂直巖面。在尾水隧洞的施工過程中我們通過在掌子面鉆安28，L6m超前錨桿、及時進行一期支護和鉆安隨機錨桿來調(diào)整隧洞的高地應力，從而避免了應力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。 （4）在

17、施工中加強監(jiān)測工作，通過對圍巖和支護結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場觀察、通過對圓形觀測、兩維收斂以及錨桿測力計、多點位移計讀數(shù)的變化，可以定量地分析預測滯后發(fā)生的深部沖擊型巖爆，用于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(huán)”，同時利用光面爆破技術(shù)，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(guī)則，減小局部應力集中的可能性。在巖爆地段的開挖進尺嚴格控制在2.5m以內(nèi)。（6）完善施工支護工作支護的方法是在爆破后立即向拱部及側(cè)壁噴射鋼纖維或微纖維混凝土進行封閉以減少圍巖暴露時間，及時進行系統(tǒng)錨桿的施工。新奧法早就提出了圍巖支護的原則：適時地對圍巖進行必要的支護，其時效性是非常關(guān)鍵的。必要時還要架設鋼拱架和打設超前錨桿進行支護。如果有條件的話，襯砌工作要緊跟開挖工序