锦屏辅助洞岩爆的爆破主动控制实践

，，， ,3a,3b

(1.雅砻江流域水电开发有限公司，成都 610051；

2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430070；

3.武汉大学 a.水资源与水电工程科学国家重点实验室；b.教育部水工岩石力学重点实验室，武汉 430072)

1 研究背景

岩爆是地应力较高的地下工程开挖过程中常遇到的工程地质问题之一，是一种人类活动诱发的围岩的动力破坏现象，表现形式有岩石弹射、大量岩石坍塌或矿震等。岩爆的产生需要具备2方面的条件：高储能体的存在，且其应力接近岩体强度是岩爆产生的内因，某些附加荷载的触发是其产生的外因，这是迄今为止对岩爆机理的比较清晰的概括[1-2]。上述机理的另一种说法应该是，处于高地应力环境中的结构完整的硬脆性围岩，在隧道开挖后，切应力(σθ)达到或接近围岩单轴压缩强度(Ucs)，在其它因素的诱发下，围岩便以岩爆的形式失稳，这可以被总结为岩爆形成机制的静力学理论，它也是广泛采用的岩爆预测判据(σθ/Ucs)的理论依据[3]。另外，岩爆预测的弹性应变能指数判据也是以这一认识为基础的。

然而岩爆终究是开挖诱发的一种人为地质过程，不是纯自然地质现象。相同环境中采用不同开挖方式挖掘相同的地下空间时，围岩可能表现出完全不同的响应，因此，岩爆研究不仅要注重岩性及地应力等条件，同时也应注重开挖过程的细节。开挖过程的影响在钻爆开挖条件下显得尤其突出。在20世纪50年代就有过关于地下工程爆破、应力波、岩爆及地震之间的关系的一些初步试验成果的报道。后来，随着钻爆(新奥)法的不断发展，特别是回次进尺及爆破装药量的不断加大，开挖动力扰动对岩爆的贡献越来越引起人们的关注。我国天生桥、太平驿、二滩及挪威Sima等大型水电站引水隧洞的岩爆一般在爆破以后的一定时间段内发生，岩爆高发区一般距离掌子面2～50 m，强度随着时间的推移而减弱[4-5]。

尽管对岩爆机理的研究取得了许多重要进展，但实际工程中岩爆的控制难度依然很大。本文以位于中国西部雅砻江大河湾上的锦屏辅助洞施工为背景，介绍辅助洞爆破开挖过程中岩爆发生的概况，并着重对施工过程中采用控制爆破、应力解除爆破等技术对高等级强烈岩爆的主动控制实践及岩爆孕育的动力学机理等问题进行讨论，对类似深埋隧洞开挖过程中的高应力动力破坏控制具有一定的参考价值。

2 锦屏辅助洞岩爆发生的规律

锦屏辅助洞是锦屏一级、二级水电站前期工程的关键施工项目，其作用是沟通东、西雅砻江的交通，并作为锦屏二级水电站引水隧洞的施工辅助洞发挥了重要作用。该工程由2条平行的、中心距35 m的A，B两线组成，分别长17 485,17 504 m。沿线埋深大于1 500的洞段长度12 875 m，占全洞长度的73.1 %，其中45 %洞段埋深大于2 000 m，最大埋深达到2 375 m。洞身走向N58°W，近似垂直穿越锦屏山脉，沿线岩性主要为三迭系大理岩。

2.1 辅助洞沿线岩爆分布

据统计，辅助洞A洞发生岩爆段累计长度3 259.5 m，占隧道总长的18.7 %，辅助洞B洞发生岩爆段累计长度2 957.2 m，占隧道总长的16.9 %。辅助洞A洞沿线所发生的岩爆烈度分布如图1所示(图中纵坐标0表示无岩爆段，1表示轻微(Ⅰ级)岩爆段，2表示中等(Ⅱ级)岩爆段，3表示强烈(Ⅲ级)岩爆段，4表示极强岩爆(Ⅳ级)段)[6]。

图1 辅助洞A洞沿线岩爆烈度分布

从图1可以看到，辅助洞进口和出口段岩爆等级都不高，高等级岩爆(Ⅲ，Ⅳ级)几乎都发生在埋深最大的T2b地层中，桩号范围大致为5+000至9+000。为了更加清楚地说明辅助洞岩爆的机理，图2给出了沿线地应力场的分布情况。

在辅助洞浅埋段用水压致裂法，实测较大地应力值高达42～44 MPa。根据实测地应力值进行地应力场反演所得到的辅助洞轴线典型地层的最大主应力约为70 MPa，大概位于辅助洞西端进深9 km的位置，即辅助洞纵剖面埋深最大的位置(图2)，从最大主应力变化曲线来看，最大主应力大体体现了辅助洞埋深的变化过程[6-7]。

图2 辅助洞沿轴线主地应力随进深变化曲线[7]

2.2 辅助洞岩爆的时空分布

据岩爆现场实录资料，对东端AK15+071至AK17+190 m的53个典型岩爆点统计，得出岩爆次数与掌子面距离以及开挖完成后发生时间的关系曲线(见图3)。由此可见，岩爆多发生在距掌子面6～12 m的范围内，掌子面开挖后的5～20 h。

图3 岩爆次数与距掌子面距离、开挖时间的关系

这一规律与国内其他工程中岩爆发生的规律是类似的。例如天生桥二级水电站引水隧洞岩爆主要发生距离掌子面5～10 m的地方；二滩水电站左岸导流洞岩爆一般发生在距离掌子面2～10m的范围内；秦岭终南山特长公路隧道岩爆发生时间规律见图4，从图4可以看到掌子面后面2至4倍洞径地方即30 m左右地段位置，岩爆最强烈。

图4 秦岭隧道岩爆频率与距掌子面的距离和滞后爆破时间的关系

通过对辅助洞岩爆时空统计和典型岩爆实例分析发现，岩爆活动可分为活跃期和持续期。在活跃期内，岩爆多发生在掌子面掘进后几小时内，以5～20 h内最为活跃，岩爆较多。大多数岩爆均发生在该段时间内，距掌子面约6～12 m的范围内。在持续期内，掌子面推进数天乃至数月后发生强烈岩爆部位仍有可能再次剥落和发生岩爆。岩爆发生后，应力得到释放，但可能并未释放完，随着时间推移，围岩应力再次得到调整、积累，在外在荷载扰动下，可发生再次岩爆。因此，为了降低和控制岩爆发生的频次和等级，深埋隧洞的开挖过程中应特别注意对爆破扰动的控制。

3 应力解除爆破

应力解除爆破是一种围岩弱化方法，通过超前钻孔和适量装药对围岩结构进行改造，使设计部位的小部分岩体的刚度(变形模量等)降低，钻孔及爆破影响范围内的岩体变为较弱的传力介质，变形加大，使局部围岩内的能量分布状态得到调整，应力集中程度得到改善，集中区向深部转移，从而达到防治岩爆的目的。该技术是20上世纪50年代在南非的威特沃特斯兰德(Witwatersrand)金矿中首次采用并获得广泛应用[8]，国内较早地是从天生桥引水隧洞开挖开始研究应力解除爆破技术[9]。

3.1 应力解除爆破设计

2007年1月底，辅助洞西端掌子面附近连续发生强烈岩爆，造成掌子面后方施加的衬砌破坏以及钢拱架变形，最大变形量达到30 cm，严重影响了施工进度。根据现场观察，辅助洞中发生的高等级岩爆均与断裂构造有关，发生在掌子面逼近断裂构造的过程中，一旦开挖掌子面穿过断裂，岩爆现象马上减弱甚至消失。因此，辅助洞强岩爆的动力源很可能是掌子面前方的开挖应力集中区和断裂局部应力集中区的重叠部位，故应力解除爆破的目标是减弱或解除掌子面前方集中的高能量。根据上述基本认识，锦屏辅助洞的应力解除爆破采用了如表1所示的2种设计方案，设计初衷是预裂掌子面前方的岩体[10-13]。

表1 锦屏辅助洞应力解除爆破设计

3.2 应力解除效果

上述2个应力解除爆破方案在锦屏辅助洞共进行了3次试验，其中辅助洞A洞1次，B洞2次。在辅助洞A洞掌子面采用9孔超前应力解除爆破方案进行了试验，每循环开挖进尺控制在1.8～2.0 m，通过应用该方法，岩爆明显减弱，并顺利通过AK6+800至AK7+000段岩爆区。

B洞从BK6+757开始进行超前应力解除爆破试验，由于该洞段属于强岩爆区，采用9孔超前应力解除爆破方案后，与前段极强岩爆相比，岩爆的程度明显减弱，但仍未达到预期效果，应力解除爆破甚至还诱发了一次强烈岩爆。其后，在BK6+759至BK6+767段实施14孔超前应力解除爆破方案，循环进尺控制在1.5 m。超前应力解除爆破后向前掘进，没有发生岩爆现象[10-13]。

与9孔应力解除爆破方案相比，14孔方案的应力解除区域更大，除了对掌子面前方增加装药以加强破碎程度、增大破碎范围外，更加重视对顶拱及两侧墙部位的预裂处理，因此14孔方案的应力解除效果更好。

3.3 破碎带的宽度

应力解除爆破是通过爆炸荷载作用使应力集中区内的岩体产生裂纹或破碎来达到应力解除和调整围岩内能量分布的目的，因此，炮孔内炸药爆炸所形成的裂隙区的大小及区内岩体的性质对应力解除爆破的解除效果至关重要。一般地，当应力解除孔内的炸药起爆时，炮孔内压力急剧升高，导致炮孔周围岩体受压破碎形成压碎区，外围区域受拉，同时受到爆生气体的作用，形成裂隙区。

另外，天生桥二级水电站引水隧洞开挖过程中也遇到了较强烈的岩爆，该工程岩爆控制研究中估算应力解除法所形成的破碎带宽度时[3]，采用下式：

(1)

式中:R为破碎半径(m)；kn为系数，其值为0.57～1.4，坚硬岩石kn=0.57；Q为标准炸药量(kg)。

辅助洞岩爆应力解除设计方案中，9孔方案的单孔装药量为1.4 kg，14孔方案中周边孔及侧孔的装药量也为1.4 kg，而中间孔装药量为4.8 kg，则根据式(1)，9孔装药方案的单孔破碎带宽度为1.27 m，14孔方案的周边孔破碎宽度1.27 m，中间孔破碎宽度1.92 m。式(1)的计算结果与上述裂隙圈宽度估计的结果相近。

由表1可知，锦屏辅助洞应力解除爆破9孔方案中，解除孔的孔距均在2 m以上，另外边孔还以10°的角度向外倾斜，因此，这9个解除孔所形成的裂隙区没有互相贯通，因而解除效果较差；14孔方案中，周边孔的布置较密，间距在1 m左右，中间孔虽间距较大(1.8～2.0 m)，但其装药量相应较大，破碎带宽度可达1.92 m，因此，14孔方案中各孔的裂隙区连成一片，大大地改善了应力解除效果。

4 控制爆破技术的应用

岩爆的时空分布特征表明爆破开挖扰动对岩爆的孕育具有重要影响。徐则民、黄润秋等(2003)[14]的研究表明，岩爆应该是处于非均匀应力状态的围岩在爆炸加载波、卸载应力波及岩爆应力波等多次叠加扰动的条件下，裂纹发生大规模瞬时动力扩展的结果。基于此，在锦屏辅助洞开挖岩爆控制实践过程中，广泛采用了控制爆破技术，通过改善洞室周边轮廓形状、调整钻孔作业顺序、严格控制爆破进尺和改变布孔方式，对控制强烈岩爆和极强岩爆发生的频率和等级起到了积极作用。

(1)实施光面或预裂爆破，控制周边轮廓平整圆顺，是避免应力集中、减轻岩爆发生程度的最为有效的方法[13]。为了保证光面爆破的效果，提高半孔率，可进行加密钻孔，间隔1个孔进行装药。加密后周边孔间距为30～35 cm[13]。

(2)考虑到全断面一次性钻孔对掌子面围岩扰动较大，易诱发岩爆，故钻孔作业分2步进行：先进行上半部钻孔，空孔能有效释放拱部部分应力，以降低岩爆出现的几率，减少下半部钻孔作业时对人和设备的威胁[12]；再进行正常爆破作业钻孔。

(3)强岩爆洞段应严格控制爆破掘进的进尺，炮孔深度≤2.0 m，同时，应严格控制装药量，并控制好同段起爆的炮孔数，有利降低爆破对围岩的扰动，以最大程度地保证围岩结构的完整性[15]。

2008年5月30日，辅助洞A洞AK9+(665～673) m掌子面右侧边墙发生极强岩爆，如图5(a)所示。此后该洞段用上述控制爆破设计和爆破进尺，开挖完成后掌子面采用挂钢筋网，4 m长水胀式锚杆，并喷10 cm厚CF30钢纤维混凝土对其封闭。7月6日，辅助洞A洞AK9+689m掌子面后方5 m洞段右侧边墙发生极强岩爆，具体情况见图5(b)。这2次极强岩爆发生时间相隔约40 d，岩爆的频次和等级均有所下降。除了采用上述的控制爆破技术外，开挖后立即对围岩进行强支护，提高围岩的抗冲击能力，也是锦屏辅助洞岩爆倾向性最强的洞段得以顺利通过的有力保证。

(a) AK9+(665～673) m洞段(2008年5月30日)

5 结 论

本文总结了锦屏辅助洞基于控制爆破技术的岩爆主动控制实践，得到了如下结论：

(1)锦屏辅助洞岩爆的沿线分布十分明确地表明岩爆发生的基本条件为高地应力和高储能岩体，因此，岩爆的防治应该一方面改善围岩应力集中的程度，另一方面降低岩体的储能能力。另外辅助洞岩爆的时空分布规律则说明了控制爆破扰动对降低岩爆频次和等级的重要性。

(2)应力解除爆破可以有效降低掌子面前方围岩应力集中的程度，降低岩爆风险。锦屏辅助洞的实践表明，对强烈和极强岩爆洞段进行应力解除爆破设计时，除应特别重视掌子面前方岩体中应力集中区的解除外，还应加强对洞身围岩一定深度内应力集中区的处理。应力解除爆破设计时，相邻解除孔之间的间距宜在1～2 m之间，不宜过大，否则将影响应力解除的效率和效果。

(3)在锦屏辅助洞开挖岩爆控制实践过程中，广泛采用了控制爆破技术，通过改善洞室周边轮廓形状和调整钻孔作业顺序等措施，从一定程度上改善了围岩的应力集中状态，同时将锦屏辅助洞强烈岩爆洞段爆破掘进进尺控制在2 m以内，对控制强烈岩爆和极强岩爆发生的频率和等级起到了积极作用。

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