瀑布沟水电站地下洞室开挖中岩爆的预防与治理

雷登宪,李景玉

(瀑布沟水电站 714联营体,四川 汉源 625300)

1 前 言

瀑布沟水电站位于四川大渡河中游、四川省汉源县及甘洛县境内,下游距已建的龚嘴、铜街子水电站分别为 103km和 136km。工程枢纽由砾石土心墙堆石坝、左岸地下厂房系统、左岸岸边开敞式溢洪道、左岸泄洪洞、右岸放空洞及尼日河引水工程等工程项目和建筑物组成。工程等别为Ⅰ等,主要水工建筑物为 1级。左岸地下厂房系统包括进水口、压力管道、主副厂房、主变洞、尾水闸门室、尾水管和连接洞、尾水隧洞及开关站等建筑物。厂房装机共 6台,单机容量 550MW,总装机容量 3300MW。

2 岩爆的定义及分级

地下洞室穿越坚硬、整体性较好、高应力围岩区域时,由于开挖卸荷洞室周边围岩的应力将重新调整、重新分布。当重新调整的围岩应力超过围岩本身的抗压强度后,围岩会发生突然破坏,并伴随产生岩块的弹射、抛掷、震动、声响等释放内部弹性应变能量的现象,被称为岩爆。岩爆发生时,岩块脱离围岩母体,突然向临空方向抛射或脱落,多发生于隧道新开挖工作面的拱肩和边墙部位,对洞室开挖施工构成无预兆性的安全威胁。因此,岩爆是地下工程开挖施工中发生在高地应力、完整且呈脆性的岩体内的一种地质灾害,极大地威胁着施工人员和施工设备的安全。

目前,国内许多地下工程都遇到破坏程度不同的岩爆,有许多科技论文探讨了预防、治理岩爆的方法和手段。岩爆的发生受到岩性、构造、地下水、围岩类别、岩体构造等条件的控制,主要发生在岩体完整性好、岩质坚硬致密且脆性大的Ⅰ、Ⅱ类围岩中,Ⅲ、Ⅳ类围岩中则较少出现。一般情况下,岩爆以弱—中等为主,强岩爆出现的频率和几率较小,弱 -中等岩爆的特征以连续、零星分布的松脱、片状剥落为主。

挪威的罗申斯(Russenes)将岩爆的活动性分为四级,其具体分级见表1。

表1 岩爆分级

3 岩爆的特征和规律

瀑布沟水电站地下厂房洞室群主要建筑物包括6条引水隧洞、主厂房和副厂房系统及安装间、主变室、尾闸室、6条尾水管及连接洞、2条尾水隧洞、进厂交通洞、多条施工支洞及排水廊道等。地下厂房系统所在区域的围岩主要为致密、坚硬、呈灰白色的中粗粒花岗岩(γ22)。山体内地应力高,最大主应力σ1=21.1～27.3MPa,方向 N54°E～ N84°E,倾角一般小于20°,方向、量级、倾角均较稳定,是以构造应力为主的地应力场。岩石单轴抗压强度σc与最大主应力σ1之比为 3.9～7.6,或σ1=(0.13～0.25)σc,岩体抗拉强度σt与最大主应力σ1之比为 0.28～0。

3.1 瀑布沟水电站岩爆的特征

9号施工支洞 K0+122～K 0+320m桩号段发生过 13次三级岩爆,岩爆起始于开挖 6h后,持续3h至一周时间不等;岩爆崩落的岩块以片状为主,大小不等,厚度 8～15cm,崩落水平距离 0.5～1.5m,崩落时伴有如坚硬物质被挤压破裂的声音;岩爆的位置大多发生在左侧起拱至 1/8圆弧段。13次岩爆中有 5次岩爆形成直径超过 200cm、深度超过 150cm锅底状的爆坑。

在厂房安装间厂横 0-60m～0+00m桩号段发生过 7次三级岩爆,岩爆起始于开挖 10h后,持续时间 3～48h不等;岩爆崩落的岩块以片状为主,大小不等,厚度 8～15cm,崩落水平距离 0.5～1.0m,崩落时伴有如坚硬物质被挤压破裂的声音;岩爆大多发生在边墙和两侧起拱至 1/8圆弧段。7次岩爆中有 2次岩爆形成直径超过 200cm、深度超过 150cm锅底状的爆坑。

在 2号尾水隧洞尾(2)0+238～0+298m桩号段发生过 10次三级岩爆,岩爆起始于开挖 8h后,持续时间 3～24h时间不等;岩爆崩落的岩块以片状为主,大小不等,厚度 8～15cm,崩落水平距离 0.5～1.5m,崩落时伴有如坚硬物质被挤压破裂的声音;岩爆大多发生在右侧起拱至 1/8圆弧段。10次岩爆中有 3次岩爆形成直径超过 200cm、深度超过150cm锅底状的爆坑。

3.2 岩爆发生后的处理措施

9号施工支洞发生岩爆后,联营体立即通知业主、设计、监理人员到达施工现场进行观察分析,商定处理方案,处理方案如下:

(1)立即停止钻爆施工,撤退施工人员,派专人观察,并作好岩爆记录及摄像资料;

(2)当大的岩爆消失后,采用 1.2m3反铲敲击岩爆范围内岩石,引诱余震尽快发生,并将松动块体清撬干净;

(3)对 K 0+122～K 0+320m桩号段岩爆影响范围拱肩以上部位进行支护,支护参数:锚杆直径φ22,L=250cm,@=150cm,外露 10cm;喷 C25钢纤维混凝土 10cm,并挂机编网。在岩爆较强的部位打 φ42、L=250cm、间距 50 cm、排距 250cm的应力释放孔。支护工作须在岩爆发生后的 1～3天后进行,以防余爆造成伤害事故。

3.3 对岩爆的特征分析

借鉴国内一些地下工程处理岩爆的实际经验和相关分析,联营体工程技术人员认为,瀑布沟水电站地下洞室岩爆分布有以下 6个规律:

(1)岩爆是发生在新鲜、完整、坚硬的岩体中,尤其在缓倾角、小断层岩体的下缘更为突出;

(2)岩爆区段的洞室垂直埋深在 250～320m之间,埋深较大,山体由河谷深切形成,岸坡陡峻,冲沟地形;

(3)岩爆大多发生在边墙、拱脚附近区域;

(4)岩爆频率与距掌子面距离存在一定的联系,通过现场观察和对查阅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 3～9m以内,往后逐渐减少,至 1～1.5倍洞径处形成第二个高发区,随后逐渐减弱;

(5)岩爆滞后开挖 6～8h发生,持续时间不等;

(6)岩爆发生区域伴有裂隙、断层等地质缺陷。

4 防治岩爆的施工措施

鉴于瀑布沟水电站地下厂房洞室群部分岩石新鲜完整、地应力高的特点,联营体制订了岩爆防治的专项施工措施和专项安全预防措施,采用的防治岩爆的方法立足于减轻或避免岩爆伤人、毁机以及导致洞室围岩大面积失稳的思路。按照“科学识辨、稳扎稳打、步步为营、安全第一、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,具体方法简述如下。

4.1 开挖爆破方法

(1)采用光面控制爆破,尽量保证隧道开挖轮廓平整圆顺,以避免应力调整后应力过分集中。

(2)采用“短进尺、弱爆破”,顶拱采用小药卷光面爆破,拉大不同孔圈炮眼的雷管段位,从而延长爆破时间,减少对围岩的爆破扰动,减少爆破振动应力的叠加,控制爆破裂隙的生成,避免爆破诱发岩爆,降低岩爆频率和强度。

(3)考虑到全断面一次钻孔对围岩扰动大,易诱发岩爆,故将岩爆严重地段的全断面开挖改小导洞开挖,使应力逐释放,到达降低岩爆危害程度的目的。

(4)针对岩爆具有突发性,极易对人、机造成伤害的特点,施工中采用凿岩台车造孔、喷混凝土机械手喷浆等较先进的手段,减少岩爆对作业人员的伤害。

(5)岩爆发生后,伴随着巨大的响声和飞石,会使作业人员产生恐惧心理,因此在岩爆减弱后,在岩爆区用反铲敲击爆区四周,引诱岩爆尽快彻底发生,并清理松动岩石,以消除作业人员恐惧心理,保证开挖和支护快速通过爆区。

4.2 支护型式

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采取支护措施,防止岩石弹射和剥落造成事故,从而达到减轻岩爆危害的目的。施工期间,根据围岩变化,由地质人员分析推测前方围岩状况,根据围岩完整性、强度、地下水、是否存在断层等情况,超前预报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,结合现场观察岩块形状、爆坑大小、弹射强度、人工听声等手段,判定岩爆强度,并有针对性地采取支护措施。

(1)径向锚杆支护。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,设置径向锚杆。锚杆为 φ22,梅花形布置,间排距 1～1.5m,长度为 2.5m。

(2)径向锚杆 +喷钢纤维混凝土支护。为快速形成支护屏障,缩短挂网时间,采用此类支护形式。钢纤维采用江西赣州大业产钢纤维,掺量 30～40 kg/m3,采用 TK961湿喷机喷混凝土。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,技术上安全可行,总造价比挂钢筋网喷混凝土省 10%,而且还因取消挂网节省了时间。

(3)径向锚杆 +应力释放孔支护。岩爆发生后围岩会产生一个松动圈,厚度 1～2m。为防止地质环境继续恶化而发生坍塌,采用这种支护型式目的是加固岩体,释放岩体应力,防治岩体较大规模的掉块,是一种较有效的防治岩爆的支护措施。应力释放孔成排布置,间距 50 cm、排距 250 cm、深度 250 cm。

(4)径向锚杆 +机编网支护。为防止岩爆发生后围岩掉块伤及人员和设备,用锚杆固定机编网,兜住爆落岩块。这是一种经济有效、被动的防治岩爆的支护措施。

4.3 其他辅助措施

(1)高压水喷射掌子面。爆破后立即向掌子面及以后约 15m范围内的隧洞周边喷射高压水,以改变岩石表面的物理力学性质,降低岩石脆性、增强塑性,达到减弱岩爆剧烈程度的目的。此法适用于轻微或中等程度的岩爆。

(2)预先在掌子面附近有可能发生岩爆的部位有规则地打一些空孔,以便释放应力,阻止围岩因达到极限应力而产生岩爆。

(3)当判定岩爆即将发生时,施工人员和机械立即撤离作业现场。

(4)强化作业人员的安全纪律教育及岩爆常识、防护知识的学习,严格执行相关技术和安全规程,危险地段增设照明设备并设醒目标志。

5 几点体会

(1)由于受洞室开挖的影响,洞室保留岩体将产生应力重新调整和集中,这种不利的能量变化、积聚,可能导致洞室局部地方发生破坏。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,就可以减轻或避免岩爆。

(2)根据现场经验表明,在开挖后 0～6h时段内(即顶拱安全处理和出渣时),岩爆出现的几率就较小,在该时段内应加快防岩爆的施工作业;在开挖后 10～24h时段内,岩爆发生的频率很高,此时正值掌子面 10m范围内进行支护作业,对作业人员安全威胁极大,应采取“躲”的策略,有意识地避让岩爆的高发时段和地段。

(3)岩爆防治应以防为主,有效的预测和安全防护才能确保施工安全。岩爆发生后的支护措施主要是防止岩石状况持续恶化和保证施工人员,以及设备的安全。

(4)岩爆发生后,出现岩块的爆落势必会造成隧洞的超挖。在施工中采取合理而有效的岩爆防治措施,减少岩爆发生几率和规模,对降低工程造价有较大的现实意义。

6 结 语

瀑布沟水电站地下厂房地下洞室群的不同部位多次发生岩爆,业主、设计、监理和施工单位通过现场观察、分析编制出防止岩爆的施工措施,经过实践验证,该施工措施能有效地防止和减小岩爆造成的损失,为工程创造了较好的经济效益和社会效益,也可为类似施工项目提供借鉴。