拉西瓦水電站尾水隧洞巖爆的特征與預(yù)防措施

1、.拉西瓦水電站尾水隧洞巖爆的特征與預(yù)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(dòng)力破壞現(xiàn)象，當(dāng)巖體中聚積的高彈性應(yīng)變能大于巖石破壞所消耗的能量時(shí)，破壞了巖體結(jié)構(gòu)的平衡，多余的能量導(dǎo)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(qiáng)烈的巖爆常常會(huì)帶來災(zāi)難性的后果，造成人員傷亡或施工設(shè)備損壞。巖爆一般持續(xù)幾天有時(shí)甚至數(shù)月。巖爆產(chǎn)生的條件： 近代構(gòu)造活動(dòng)山體內(nèi)地應(yīng)力較高，巖體內(nèi)儲(chǔ)存著很大的應(yīng)變能，當(dāng)該部分能量超過了硬巖石自身的強(qiáng)度時(shí)； 圍巖堅(jiān)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(chǔ)存能量，而其變形特性屬于脆性

2、破壞類型，當(dāng)應(yīng)力解除后，回彈變形很小； 隧洞埋深較大（一般埋藏深度多大于200m）且遠(yuǎn)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(yīng)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(zhǎng)石、石英、黑云母為主，巖石強(qiáng)度高，巖體致密堅(jiān)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(shí)測(cè)資料最大地應(yīng)力1為14.629.7MPa，平均21.63MPa，最小主應(yīng)力3為3.713.1MPa，平均9.20MPa，巖體飽和抗壓強(qiáng)度平均值c 為110MPa,飽和抗拉強(qiáng)度平均值t 為6.7 MPa，經(jīng)過分析預(yù)測(cè)，拉西瓦地下洞群開挖時(shí)均有可能發(fā)生巖爆，但其程度以輕微為主，局部可能達(dá)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(yīng)力包，圍巖堅(jiān)硬干燥，地應(yīng)力高達(dá)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(shí)出現(xiàn)了不同程度的巖爆。我局承建的尾水管擴(kuò)散段，位于河谷應(yīng)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(yīng)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(yīng)力條件有兩種方法： 一是用洞壁的最大環(huán)向應(yīng)力與圍巖單軸抗壓強(qiáng)度c之比值進(jìn)行分析； 二是用天然應(yīng)力中的最大主應(yīng)力1與巖塊單軸抗壓強(qiáng)度c之比進(jìn)行判斷。 3.1 圍巖應(yīng)力條件 經(jīng)驗(yàn)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(shí)，卸載釋放的彈性變形能與加載吸收的變形能之比的百分?jǐn)?shù)。 當(dāng)70時(shí)，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(jiān)硬巖石中。 巖爆與斷層、節(jié)理構(gòu)造密切相關(guān)。當(dāng)掌子面與斷裂或節(jié)理走向平行時(shí)，極容易觸發(fā)巖爆。 巖體中節(jié)理密度和張開度對(duì)巖爆有明顯的影響。據(jù)南非金礦觀測(cè)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(shí)，一般不發(fā)生巖爆。掌子面巖體中有大量巖脈穿插時(shí)，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(qiáng)度也增大。3.4 巖爆形成機(jī)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(yīng)力作用而產(chǎn)生平行于最大環(huán)向應(yīng)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(fù)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(jìn)破壞過程示意圖 劈裂、剪斷巖板，產(chǎn)生響聲和震動(dòng)。巖塊發(fā)生彈射，巖爆形成。巖爆的漸進(jìn)性破壞過程很短促。 各階段在演化的時(shí)序和發(fā)展的空間部位，都是由洞壁向圍巖深部依次重復(fù)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(gè)條帶。 4 拉西瓦水電站尾水洞巖爆的特點(diǎn)拉西瓦水

7、電站尾水洞的巖爆一般具有以下特點(diǎn)：（1）巖石以花崗巖為主，巖石堅(jiān)硬干燥，在未發(fā)生前，無明顯的征兆，雖經(jīng)過仔細(xì)尋找，并無空響聲，一般認(rèn)為不會(huì)掉落石塊的地方，會(huì)突然發(fā)生巖石爆裂聲響，石塊一般應(yīng)聲而下。（2）巖爆發(fā)生的地點(diǎn)多在新開挖的掌子面及距離掌子面13倍洞徑范圍內(nèi)，個(gè)別的也有距新開挖工作面較遠(yuǎn)；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(shí)，24小時(shí)內(nèi)最為明顯，延續(xù)時(shí)間一般12個(gè)月，有的甚至長(zhǎng)達(dá)1年以上，事前一般無明顯預(yù)兆。（3）巖爆時(shí)圍巖破壞的規(guī)模，小者幾厘米厚，大者可達(dá)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(jiān)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(qiáng)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(dòng)產(chǎn)生的沖擊波影響，造成已開挖洞段應(yīng)力重新分布，也會(huì)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(yù)防措施為了確保高應(yīng)力地區(qū)開挖、支護(hù)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(jìn)尺、多循環(huán)”，在巖爆多發(fā)地

9、段的開挖進(jìn)尺嚴(yán)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(yīng)力條件，嚴(yán)格控制線裝藥密度及單耗，降低爆破動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的疊加，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，改善圍巖的應(yīng)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(yīng)力并防止劈裂型巖爆；（3）開挖完成后，及時(shí)向巖面灑水，以釋放應(yīng)力；（4）灑水后及時(shí)噴混凝土進(jìn)行封閉，成拱支持，盡可能減少圍巖暴露時(shí)間，并起到了初期支護(hù)的作用；（5）在初期支護(hù)完成后，及時(shí)進(jìn)行永久支護(hù)，以確保圍巖穩(wěn)定，必要時(shí)進(jìn)行隨機(jī)錨桿支護(hù)及鋼支撐支護(hù)；由于支護(hù)的作用不但改善了掌子面及12倍洞徑范圍內(nèi)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，還改善了應(yīng)力的分布。（6）加強(qiáng)施工中的安全

10、監(jiān)測(cè)工作，通過圍巖收斂監(jiān)測(cè)、錨桿應(yīng)力計(jì)及多點(diǎn)變位計(jì)監(jiān)測(cè)等原型觀測(cè)的手段，來預(yù)測(cè)巖爆發(fā)生的可能性，從而指導(dǎo)開挖和支護(hù)施工，確保安全。6 巖爆部位實(shí)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(hù)的情況下，由于地應(yīng)力較高等原因造成巖爆塌方，巖爆掉塊重達(dá)幾十噸。業(yè)主、地質(zhì)、設(shè)計(jì)、施工等單位經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘察后分析確定其原因如下：（1）本地區(qū)屬高應(yīng)力區(qū)，洞室開挖應(yīng)力經(jīng)過多次調(diào)整，圍巖卸荷回彈，形成應(yīng)力松弛圈，導(dǎo)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(shí)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(yīng)力集中；（2）由于隧洞斷面較大，尚未進(jìn)行混凝土襯砌施工，洞內(nèi)開挖一定時(shí)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(yīng)力釋放導(dǎo)致這兩組裂隙進(jìn)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(dāng)時(shí)正在進(jìn)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(jìn)至與塌方段相對(duì)應(yīng)的尾10+320m樁號(hào)時(shí)，由于爆破振動(dòng)產(chǎn)生沖擊波，導(dǎo)致2#尾水洞尾20+425m尾20+495m段應(yīng)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(duì)塌方部位噴C

12、20素混凝土進(jìn)行封閉，以盡可能減少新鮮圍巖的暴露時(shí)間；（2）掛6.5，1515cm鋼筋網(wǎng)，并復(fù)噴10cm厚C20素混凝土；（3）在上述支護(hù)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(yán)格控制爆破參數(shù)，加強(qiáng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)；（5）在尾水洞增加施工期圍巖觀測(cè)和變形觀測(cè)，以便及時(shí)采取相應(yīng)措施。6.2 6#尾水管擴(kuò)散段廠下0+26廠下0+17左側(cè)拱肩巖爆我們?cè)?#擴(kuò)散段上層施工中，由于應(yīng)力集中，巖爆較頻繁，特別是6#擴(kuò)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(tái)車

13、噴10cm厚鋼纖維混凝土加系統(tǒng)錨桿支護(hù)，暫時(shí)保證了施工安全。但是在2006年1月16日，由于爆破振動(dòng)、地應(yīng)力高等諸多因素影響還是在6#擴(kuò)散段下層開挖左側(cè)時(shí)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(chǎng)，分析后認(rèn)為其原因如下：（1）該段地處河谷應(yīng)力包過渡帶，加之其斷面由大到小漸變，產(chǎn)生應(yīng)力集中，是導(dǎo)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(jìn)行了系統(tǒng)錨桿的施工，預(yù)應(yīng)力錨桿未全部完工，即進(jìn)一步支護(hù)的力度不夠，是導(dǎo)致此次巖爆發(fā)生的另一個(gè)原因。（3）開挖爆破也是誘發(fā)巖爆塌方的原因之一。當(dāng)時(shí)6#尾水管正在進(jìn)行廠下0+26廠下0+17m段的中下層開挖，

14、爆破振動(dòng)產(chǎn)生沖擊波，導(dǎo)致本段應(yīng)力重新調(diào)整分布，進(jìn)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(shí)對(duì)巖爆塌方部位噴5cm厚的CF30鋼纖維混凝土進(jìn)行封閉，以盡可能減少圍巖暴露時(shí)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(jìn)行加固，復(fù)噴10cm厚CF30鋼纖維混凝土；（3）及時(shí)完成預(yù)應(yīng)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(yù)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(jìn)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(yīng)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(yàn)，供同行借鑒。了解其地質(zhì)特征，針對(duì)可能出現(xiàn)巖爆的地段采取積極主動(dòng)的預(yù)防措施和強(qiáng)有力的支護(hù)方案，確保巖爆地段的施工安全；技術(shù)人員、安全人員等應(yīng)充分理解巖爆的特點(diǎn)及其危害的嚴(yán)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(yīng)力地段施工中可采用以下技術(shù)措施：（1）在施工前，及時(shí)和地質(zhì)工程師聯(lián)系，收集已有的勘測(cè)資料，建立數(shù)學(xué)模型，通過三維有限元數(shù)值分析、反演分析以及對(duì)隧道不同開挖工序的模擬，初步確定施工區(qū)域地應(yīng)力的數(shù)量級(jí)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(hù)程序，為施工中巖爆的防治提供初步的理論依據(jù)。這一點(diǎn)由于我們對(duì)巖爆認(rèn)識(shí)不足及

16、其他方面原因未曾開展。（2）在施工過程中，加強(qiáng)超前地質(zhì)探測(cè)，預(yù)報(bào)巖爆發(fā)生的可能性及地應(yīng)力的大小。采用上述超前鉆探方法，同時(shí)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(yùn)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(dá)到超前地質(zhì)探測(cè)。同時(shí)加強(qiáng)與設(shè)代地質(zhì)工程師聯(lián)系，對(duì)收集的資料進(jìn)行分析，及時(shí)對(duì)即將施工部位進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。（3）打設(shè)超前鉆孔調(diào)整隧道掌子面的地應(yīng)力分布，必要時(shí)也可以打設(shè)部分徑向應(yīng)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(shí)進(jìn)行一期支護(hù)和鉆安隨機(jī)錨桿來調(diào)整隧洞的高地應(yīng)力，從而避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。 （4）在

17、施工中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)工作，通過對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)觀察、通過對(duì)圓形觀測(cè)、兩維收斂以及錨桿測(cè)力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)讀數(shù)的變化，可以定量地分析預(yù)測(cè)滯后發(fā)生的深部沖擊型巖爆，用于指導(dǎo)開挖和支護(hù)的施工，以確保安全。 （5）在開挖過程中采用“短進(jìn)尺、多循環(huán)”，同時(shí)利用光面爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制用藥量，以盡可能減少爆破對(duì)圍巖的影響并使開挖斷面盡可能規(guī)則，減小局部應(yīng)力集中的可能性。在巖爆地段的開挖進(jìn)尺嚴(yán)格控制在2.5m以內(nèi)。（6）完善施工支護(hù)工作支護(hù)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(jìn)行封閉以減少圍巖暴露時(shí)間，及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)錨桿的施工。新奧法早就提出了圍巖支護(hù)的原則：適時(shí)地對(duì)圍巖進(jìn)行必要的支護(hù)，其時(shí)效性是非常關(guān)鍵的。必要時(shí)還要架設(shè)鋼拱架和打設(shè)超前錨桿進(jìn)行支護(hù)。如果有條件的話，襯砌工作要緊跟開挖工序