梁 大 中

(中國安能第三工程局成都分公司，四川 成都 611135)

1 概 述

葉巴灘水電站是金沙江上游13級水電梯級開發(fā)中的第7級，位于四川省白玉縣與西藏貢覺縣界河金沙江上，其上下游分別與波羅水電站、拉洼水電站相連。葉巴灘水電站為混凝土雙曲拱壩，庫區(qū)正常蓄水位高程為2 889 m，庫容為10.8億m3，死庫容為5.43億m3，調(diào)節(jié)庫容為5.37億m3，總裝機容量為2 240 MW。右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)采用首部式廠房、長尾水布置方案，尾水隧洞為兩條平行布置的圓型隧洞，尾水洞軸線間距為68 m，襯砌后的洞徑為14.4 m，開挖洞徑為16 m， 1號尾水主洞總體長度為3 172.39 m，2號尾水主洞長3 099.22 m。

該工程位于青藏高原東南部侵蝕高山山原區(qū)，地處金沙江斷裂帶內(nèi)，受地殼變化青藏高原向東部擠壓推移及山谷高陡，高差大，自重應(yīng)力值高等因素造成工區(qū)地應(yīng)力高，極易發(fā)生巖爆。現(xiàn)有研究結(jié)果表明：巖爆的發(fā)生規(guī)律與洞室埋深、洞向、巖體結(jié)構(gòu)、地下水、開挖方式等因素密切相關(guān)。

該電站尾水洞上半段巖性為石英閃長巖，尾水洞下半段為花崗閃長巖，巖石致密堅硬，以Ⅲ類圍巖為主。尾水隧洞的最大埋深可達709 m，具有地應(yīng)力高、巖石整體性好、局部破碎的特點，巖爆發(fā)生較為頻繁。

筆者對該工程通過合理安排施工方法和施工工序減少了巖爆發(fā)生的幾率、打設(shè)應(yīng)力釋放孔進行卸壓、采取“短進尺、弱爆破”、光面爆破減少了圍巖的局部應(yīng)力集中、噴霧灑水濕潤圍巖以釋放應(yīng)力、加強支護以減少巖層暴露的時間、加強施工人員和施工設(shè)備的防護等措施，有效地減少了巖爆的發(fā)生并確保了人身安全的過程進行了闡述，介紹了巖爆的研究現(xiàn)狀、特點及辨識方法。

2 巖爆的研究現(xiàn)狀

高地應(yīng)力條件下隧洞巖爆的研究與預(yù)防是當(dāng)前國內(nèi)外地下洞室施工的重大課題。引發(fā)巖爆的影響因素眾多，應(yīng)力釋放機制相對復(fù)雜，目前國內(nèi)外對于巖爆的預(yù)測防治、研究的方法較多，但對風(fēng)險評估和施工過程中所采取的預(yù)防措施目前還處于探索階段。

巖爆的預(yù)測和評估作為防治工作的重要環(huán)節(jié)對采取措施、選擇施工工藝及避免安全事故的發(fā)生至關(guān)重要。巖爆的預(yù)測包括巖爆區(qū)域位置、巖爆面積大小及巖爆可能發(fā)生的時間等。可通過經(jīng)驗分析、與類似巖層洞段進行對比總結(jié)，進而對巖爆可能發(fā)生的位置及大小進行預(yù)測；亦可通過鉆芯取樣、收斂觀測等方法分析研究該段巖石強度、應(yīng)力、變形等試驗參數(shù)，進而預(yù)測巖爆；也可通過現(xiàn)場巖石因臨近失穩(wěn)所發(fā)出的聲響進行判斷。在操作過程中以上幾種方法可同時采用以增加預(yù)測的可靠性。

3 巖爆的特點及辨識

巖爆機制復(fù)雜，受隧洞埋深、圍巖類別、巖石裂隙發(fā)育等多種因素影響其預(yù)測準(zhǔn)確率低，預(yù)測預(yù)報比較困難。

3.1 巖爆具有的特征

巖爆為在洞室開挖過程中因巖石受力改變、應(yīng)力集中、能量釋放導(dǎo)致巖體脆性破壞而發(fā)生的彈射、崩落現(xiàn)象，巖體在受到地應(yīng)力擠壓達到最大承載力后失穩(wěn)，在軸壓與圍壓共同作用下，巖體與圍壓相互作用，當(dāng)花崗巖應(yīng)力超過極限強度后，其承載能力逐漸降低，隨著圍壓的降低，大量能量釋放，當(dāng)能量超過裂隙及巖石所能承受的極限時，結(jié)構(gòu)裂隙加速發(fā)展，直至發(fā)生突然破壞，巖石從巖面彈射或崩落，發(fā)生巖爆現(xiàn)象。巖爆可分為輕微巖爆和嚴重巖爆，前者巖片表現(xiàn)為剝落、掉塊狀，后者表現(xiàn)為彈射狀。巖爆發(fā)生的時間具有不可預(yù)見性，一般在開挖作業(yè)完成一定時間后才會出現(xiàn)，其發(fā)生概率隨著時間的推移逐漸衰減。因巖爆具有突發(fā)性而無法有效預(yù)防，故其危害極大，對施工安全造成重大安全隱患。針對高地應(yīng)力洞室，必須提前采取安全技術(shù)措施，確保施工安全。

巖爆一般表現(xiàn)為：

(1)高地應(yīng)力洞段在開挖完成后短時間內(nèi)巖面會有因巖石擠壓造成的異常響動。

(2)鑒于巖爆準(zhǔn)確預(yù)測比較困難，發(fā)生時一般無明顯預(yù)兆，具有突發(fā)性。

(3)巖爆區(qū)域主要集中于剛開挖后的新鮮巖面，多見于隧洞起拱線及頂拱部位。

(4)巖爆是由開挖作業(yè)導(dǎo)致巖石受力環(huán)境改變、誘發(fā)巖石斷裂引起的，與隧洞采用的開挖支護方法有關(guān)。

(5)巖爆發(fā)生于洞室埋深大、地應(yīng)力高、巖石結(jié)構(gòu)單一的地下洞室。

(6)巖爆具有滯后性，大多發(fā)生于隧洞開挖完成后數(shù)小時，隨著時間推移，巖爆發(fā)生的概率相應(yīng)降低，也可能于數(shù)天、數(shù)十天之后發(fā)生。

3.2 巖爆產(chǎn)生的條件

(1)巖爆受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力大小與方向、圍巖地質(zhì)狀況變化影響產(chǎn)生，是在高地應(yīng)力環(huán)境下隧洞開挖作業(yè)造成巖石受力改變、應(yīng)力重新分布、在應(yīng)力集中及能量釋放等條件下造成的巖石失穩(wěn)現(xiàn)象。

(2)巖爆為脆性破壞。所發(fā)生的洞段一般巖石硬度大、整體性好、裂隙少、圍巖中有大量的能量儲存，彈性且脆性較高。

(3)巖爆發(fā)生的幾率與隧洞埋深相關(guān)：隧洞埋深越大，地應(yīng)力越高，發(fā)生巖爆的概率越大，破壞程度越強，當(dāng)埋深超過200 m時，巖爆較為常見。

(4)巖爆受隧洞水文地質(zhì)情況影響較大，多為地下水較少、巖層干燥的區(qū)域。

(5)巖爆受隧洞自身設(shè)計、施工形式影響，多發(fā)生于洞室結(jié)構(gòu)面變化、洞室交叉較多、應(yīng)力集中地段(如隧洞起拱線、掌子面等部位)。

(6)巖爆與巖石裂隙發(fā)育方向、隧洞開挖方向有關(guān)。當(dāng)?shù)貞?yīng)力方向與洞軸線方向一致或與洞軸線成較小夾角時圍巖相對穩(wěn)定，當(dāng)應(yīng)力與掌子面方向一致時，洞壁切向應(yīng)力較大，發(fā)生巖爆的幾率明顯提高。

(7)巖爆多發(fā)生于堅硬花崗巖、花崗閃長巖等堅硬巖石洞段，主要以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主。

3.3 由應(yīng)力條件判斷巖爆的發(fā)生

巖爆可通過天然最大主應(yīng)力與巖石抗壓強度比值進行判斷，當(dāng)應(yīng)力比值大于0.15時，巖爆發(fā)生的風(fēng)險大，故可根據(jù)地應(yīng)力分布情況分析地下洞室可能產(chǎn)生巖爆災(zāi)害的重點部位。

4 巖爆的預(yù)防及處理方案

4.1 總體施工方案

施工過程中的開挖程序及開挖工藝對巖體應(yīng)力具有較大影響。因此，在方案比選中要選取有利于應(yīng)力釋放的開挖斷面及開挖工藝，盡量避免應(yīng)力集中或疊加。在相同的地質(zhì)條件下，洞室開挖斷面越大、斷面變化越快的部位巖爆產(chǎn)生的風(fēng)險越大。開挖速度過快亦會造成巖石應(yīng)力變化、能量釋放加快，進而提高了巖爆發(fā)生的風(fēng)險。

在大埋深隧洞開挖方案確定前，應(yīng)合理控制隧洞斷面及分幅開挖的形式，根據(jù)巖爆情況適時調(diào)整開挖方案，采取相應(yīng)的措施。在施工組織過程中一定要規(guī)范施工程序，提高安全意識，當(dāng)存在巖爆風(fēng)險時，必須采取規(guī)避措施，降低施工人員及設(shè)備的安全風(fēng)險。

4.2 超前地質(zhì)預(yù)報

超前地質(zhì)預(yù)報可獲得第一手地質(zhì)資料，對了解施工洞段的巖性及斷層、裂隙等節(jié)理發(fā)育、巖石破碎、地下水分布情況、確定開挖支護施工方案、技術(shù)措施參數(shù)、調(diào)整現(xiàn)場施工方法、采取安全防護措施提供重要依據(jù)。對巖爆的預(yù)防和施工人員的安全意義重大。有效防治巖爆能對施工進度及經(jīng)濟效益的提升起到明顯的作用。

4.3 超前應(yīng)力釋放

爆破作業(yè)后，及時對掌子面、邊墻及頂拱部位進行噴淋作業(yè)，對干燥巖面進行軟化處理。淋水作業(yè)可進行多次，每次間隔10 min左右。噴淋后在側(cè)墻、頂拱、起拱線、洞壁環(huán)向等位置打設(shè)應(yīng)力釋放孔并在孔內(nèi)注入高壓水以降低巖石脆性，亦可通過在巖壁切槽的方式釋放應(yīng)力，降低巖爆的發(fā)生率。根據(jù)鉆孔位置、深度等情況進行數(shù)據(jù)對比、地質(zhì)分析，調(diào)整并優(yōu)化鉆孔參數(shù)(孔深、孔距、孔數(shù))，進而指導(dǎo)現(xiàn)場施工，降低巖爆發(fā)生的風(fēng)險。

4.4 鉆芯取樣分析

洞室開挖完成后，垂直掌子面在待開挖區(qū)域進行鉆芯取樣，通過芯樣破損情況分析未開挖部分巖石、斷層等地質(zhì)與圍巖應(yīng)力情況。

4.5 地質(zhì)素描

地質(zhì)素描在洞室開挖作業(yè)完成后進行，用于分析開挖段待開挖區(qū)域揭露的巖石產(chǎn)狀及裂隙分布情況，預(yù)測掌子面地質(zhì)情況。根據(jù)分析結(jié)果，及時采取有效措施，優(yōu)化施工方案。

4.6 地質(zhì)監(jiān)測

在施工過程中每隔一定距離設(shè)置收斂觀測點，做好頂拱下沉變形及邊墻水平收斂量監(jiān)測。可按照Ⅱ類圍巖每40～100 m布置1個斷面，Ⅲ類圍巖每20～40 m布置1個斷面，Ⅳ、Ⅴ類圍巖每10～20 m布置1個斷面，測點可根據(jù)隧洞尺寸及形狀進行布置，一般中導(dǎo)洞可在頂拱和起拱線位置布置3個測點，圓形隧洞全斷面可在頂拱及側(cè)墻位置布置7個測點。

4.7 加強支護

尾水隧洞光面爆破開挖的進尺不宜過大，可將其控制在4 m范圍內(nèi)，必要時進行掛網(wǎng)噴混凝土支護。洞室拱線附近常出現(xiàn)二次或三次剝落現(xiàn)象，可將噴混凝土替換為鋼纖維混凝土，鋼纖維一般為冷拉高強鋼絲，直徑可選擇0.3～0.5 mm，長度為20～25 mm，長細比為55～65，兩端帶彎鉤，可選擇抗拉強度不低于600 MPa、攪拌時分散性良好的鋼纖維材料。鋼纖維噴射混凝土韌度系數(shù)Re>0.7。鋼纖維摻量根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。必要時，可在掌子面打超前錨桿、起拱線位置打隨機錨桿(應(yīng)力較大區(qū)域增加墊板以增強支護效果)、在邊墻及頂拱位置進行鋼筋掛網(wǎng)、架設(shè)鋼格柵、鋼拱架等方式進行加強支護。

4.8 加強光面爆破效果

光面爆破過程中一定要提升殘孔率，盡量保證巖面平整，避免因巖面不平造成應(yīng)力集中?？梢愿鶕?jù)爆破試驗確定爆破孔距及藥量。亦可以通過綁竹片、堵炮泥、短進尺、弱爆破等方式提高爆破效果，也可在排險作業(yè)過程中將突出部位的巖石及時進行清理，盡量保證巖面平整，降低巖爆發(fā)生的概率。

4.9 盡早啟動襯砌作業(yè)

巖爆經(jīng)常會出現(xiàn)二次或三次剝落現(xiàn)象，對后期施工進度及安全造成較大隱患。因此，一定要盡量減少巖層的裸露時間，盡快進行二襯作業(yè)，襯砌可采用跳倉方式進行。在襯砌施工過程中，若發(fā)現(xiàn)巖層異常應(yīng)采取必要的躲避措施。

4.10 改變開挖作業(yè)形式

通過巖爆洞段時，可將全斷面開挖優(yōu)化為分幅或中導(dǎo)洞方式開挖，亦可采用分層的方式進行開挖，進而降低隧洞尺寸、增加應(yīng)力釋放的時間，將能量逐步釋放。也可通過短進尺減少能量釋放的總量，減少藥量以降低爆破對周圍巖層的擾動，降低巖爆發(fā)生的概率。

4.11 加強對處理過程的總結(jié)

巖爆處理要按照先釋放應(yīng)力、后進行防治、釋放與防治相結(jié)合的方式進行。以上措施實施后，一定要分析相關(guān)數(shù)據(jù)，及時總結(jié)歸納。通過大量的施工實踐，總結(jié)經(jīng)驗。在施工中，通過對所實施措施進行研究使用，對比分析施工生產(chǎn)效率、現(xiàn)場組織、生產(chǎn)效益，總結(jié)施工對策。通過總結(jié)，研究應(yīng)力和能量集中可能轉(zhuǎn)移的位置和途徑，將能量集中轉(zhuǎn)移到適當(dāng)區(qū)域，為下一步措施的調(diào)整提供依據(jù)，進而減少進度等損失，降低巖爆引起的安全風(fēng)險。

4.12 巖爆的安全防護措施

(1)成立應(yīng)急救援組。針對巖爆，項目部一定要開展專題培訓(xùn)，編制專項應(yīng)急預(yù)案，成立專門的預(yù)防及救護小組，定期組織安全應(yīng)急演練。對巖爆造成的設(shè)備與人員傷亡事故及時進行處置，降低損失的程度。

(2)在鉆爆臺車及裝載機、挖掘機等設(shè)備上安裝制作必要的防護棚或防護罩。在巖面掛設(shè)鋼筋網(wǎng)或柔性防護網(wǎng)，防止因巖石彈射砸傷施工人員，損傷施工機具。

(3)施工人員要嚴格按照施工要求佩戴安全帽等防護用品。

(4)當(dāng)預(yù)測到可能要發(fā)生巖爆時，應(yīng)立即停止開挖、支護等相關(guān)作業(yè)。將人員及設(shè)備退至已支護的安全區(qū)域，待巖爆發(fā)生或危險解除后方可繼續(xù)作業(yè)。

(5)施工現(xiàn)場應(yīng)配備專職安全員并時刻關(guān)注巖石情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時應(yīng)及時發(fā)出預(yù)警信息通知施工人員及設(shè)備撤離。

5 結(jié) 語

葉巴灘水電站尾水隧洞在高地應(yīng)力條件下針對巖爆采取的防范措施，通過鉆孔加快應(yīng)力釋放、加強初期支護、改進方案、合理安排施工組織、做好安全防護、加強應(yīng)急演練等措施降低巖爆產(chǎn)生帶來的風(fēng)險，提高施工效率，改善高地應(yīng)力下隧洞的施工條件，為項目提升進度及經(jīng)濟效益提供有力的保證。經(jīng)實施檢驗得知：采用中導(dǎo)洞及分幅、分層開挖比全斷面開挖巖爆發(fā)生的概率有所降低。在相同的地質(zhì)條件下，通過巖面灑水、打設(shè)應(yīng)力釋放孔將有效減少巖爆發(fā)生的次數(shù)。加強初期支護對減少巖爆的破壞效果明顯。整體預(yù)防措施的實施取得了預(yù)期效果，對同類工程施工具有一定的參考價值。