長(zhǎng)河壩水電站工程地質(zhì)缺陷段的洞室開挖

楊 多

(四川二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

1 前 言

長(zhǎng)河壩水電站工程洞室開挖爆破作業(yè)是一項(xiàng)技術(shù)含量很高的工作。水電站壩區(qū)兩岸自然邊坡陡峭，臨江坡高700.00m左右，岸坡中沖溝較發(fā)育。

壩址區(qū)域小斷層及層間擠壓帶較發(fā)育，其中規(guī)模較大的斷層主要分布于壩址右岸壩頂、溢洪道和尾水洞出口部位，共有9條，為Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面。

壩址區(qū)出露巖體為晉寧—澄江期的侵入巖，巖性以花崗石、閃長(zhǎng)巖為主。壩址區(qū)域右岸大致以高程1 680.00m為界，以下為淺灰色、灰白色塊狀中粒黑云母花崗巖，以上為灰色石英閃長(zhǎng)巖;左岸以淺灰色、灰白色花崗巖為主，夾少量灰色石英閃長(zhǎng)巖和深灰色輝長(zhǎng)巖團(tuán)塊。

長(zhǎng)河壩水電站工程目前已經(jīng)開工的地下洞室工程主要有:右岸1號(hào)、2號(hào)初期導(dǎo)流洞工程，左岸場(chǎng)內(nèi)1號(hào)、5號(hào)公路，3號(hào)、4號(hào)上壩公路隧道以及場(chǎng)外省道S211公路復(fù)建工程，總長(zhǎng)度約為12.3km。

隨著工程建設(shè)的進(jìn)展，后續(xù)工程將有中期導(dǎo)流洞、泄洪洞、廠房洞室群等洞室開挖工程。

在長(zhǎng)河壩工程特殊的地理環(huán)境條件和復(fù)雜的地質(zhì)條件下，找尋洞室開挖中存在的難點(diǎn)和共性問題，研究與實(shí)際相符的科學(xué)的施工方法和先進(jìn)的施工工藝，確保洞室開挖爆破作業(yè)安全和工程質(zhì)量以及工程施工進(jìn)度，是目前工作的重點(diǎn)。

2 隧道進(jìn)、出口開挖爆破作業(yè)

隧道進(jìn)、出口部位大部分處于淺埋區(qū)域，表面風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，層間受水蝕影響，無膠接;部分洞口為崩塌殘積體，結(jié)構(gòu)松散，有的洞口外薄內(nèi)厚，形成不均勻的側(cè)壓力，開挖后容易失穩(wěn)。

隧道進(jìn)、出口洞臉的支護(hù)是安全進(jìn)洞的必要條件，洞門鎖口錨桿造孔后，使開挖體與原狀巖體之間形成斷鏈層帶，使爆破能量不能直接傳遞，集中于爆破體內(nèi)作用，減少了對(duì)開挖界體以外母體巖的損害。

由于洞口部位的特殊地質(zhì)條件，要求在作爆破設(shè)計(jì)時(shí)留意爆破參數(shù)的選擇，采取用短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)的新奧法施工，針對(duì)不同類別巖體的軟、硬程度以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)面擇定不同造孔參數(shù)和裝藥參數(shù)，以保證開挖質(zhì)量和洞室的安全穩(wěn)定性。

水電站工程施工的洞口受不良地質(zhì)的影響段一般在直線距離30.00m左右，因此對(duì)洞口段的開挖要求制定專門的施工方案，根據(jù)不同圍巖類別采用不同的支護(hù)參數(shù)，提前預(yù)制必要的工字鋼支撐或剛格柵支撐，以保證安全處理和施工進(jìn)度的要求。

洞口地質(zhì)條件也有特殊的部位，如金康隧道出口，進(jìn)尺已逾250.00m，圍巖多呈鑲嵌狀結(jié)構(gòu)，局部是碎裂結(jié)構(gòu)，并且節(jié)理裂隙較發(fā)育。

3 受斷層、破碎帶影響的洞身開挖

長(zhǎng)河壩水電站工程已經(jīng)開挖和正在開挖的隧道洞身均不同程度地存在地質(zhì)缺陷，如1號(hào)、2號(hào)導(dǎo)流洞受 F0和 F9斷層的影響。金康隧道進(jìn)口0+858.00～1+602.00m圍巖屬于鑲嵌結(jié)構(gòu)，局部巖體已經(jīng)泥化;金康隧道出口在 K5+100.00～K5+200.00m圍巖破碎;5號(hào)公路隧道裂隙水發(fā)育，最大流量14 000m3/d;其他隧道洞身也不同程度地存在地質(zhì)缺陷。

因此，爆破開挖作業(yè)的技術(shù)難度更大，要求在爆破作業(yè)時(shí)，首先對(duì)特殊地質(zhì)缺陷段制定對(duì)應(yīng)的爆破設(shè)計(jì)，調(diào)整爆破參數(shù)，加密周邊孔的數(shù)量，減小線裝藥密度，使周邊孔的裝藥結(jié)構(gòu)更趨于均勻。由于不良地質(zhì)段屬軟巖或破碎斷帶，巖體致密性較差，在爆破網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接時(shí)縮小段差，將段間微差控制在50ms至100ms范圍，目的是使爆破能量盡快在軟弱爆體或松散爆體內(nèi)作用，減少能量外泄的時(shí)間及數(shù)量，達(dá)到“充分”爆破的效果。

4 沖溝對(duì)隧道洞室開挖的影響

沖溝的影響與隧道埋深成反比的關(guān)系，埋深越深，地表沖溝的影響越小;反之，埋深越淺，地表沖溝的影響越大。

自然沖溝的形成，除了特殊的地理原因而外，多數(shù)產(chǎn)生在匯水面積廣大、地形低洼、巖體軟弱的部位。由于溝底巖石軟弱，加上水力沖刷、長(zhǎng)期水蝕、沉淀淤積等因素，使溝體對(duì)周邊巖體產(chǎn)生不利影響，尤其是溝底部位對(duì)下層隧道洞室開挖影響很大。近沖溝底面的爆破開挖，安全技術(shù)難度很高，極易造成隧道拱頂部垮塌，甚至發(fā)生冒頂，引發(fā)重大安全事故。特別是大洞徑的洞室體，跨度大，自穩(wěn)能力差，在這種條件下的洞室開挖，切忌求快冒進(jìn)。該段落的洞體危險(xiǎn)主要來自于拱頂部，因此，要求有針對(duì)性地采用臺(tái)階式開挖法。先作上半洞的開挖支護(hù)，使用鋼支撐對(duì)洞頂進(jìn)行加強(qiáng)保護(hù)，并且必須將剛支撐連為整體、完成噴射混凝土保護(hù)層，增加拱頂部的抗壓、抗沖擊能力。穿越?jīng)_溝影響段后，再作下層開挖，及時(shí)將鋼支撐延伸至洞底部，完成連接噴護(hù)工作。

爆破作業(yè)仍然遵循“短進(jìn)尺，弱爆破”的原則。但是，也要結(jié)合埋深厚度、影響面大小、圍巖變化程度等，作出合理的爆破參數(shù)選擇和完善的爆破設(shè)計(jì)。

5 巖爆的影響

長(zhǎng)河壩水電站工程前期施工的臨時(shí)導(dǎo)流洞(右岸1號(hào)、2號(hào))和左岸1號(hào)底線公路隧道在開挖過程中發(fā)生巖爆的頻率是比較高的，但是均屬于小規(guī)模和小范圍的巖爆，巖爆多發(fā)生于爆破作業(yè)后2～48h的時(shí)間段，發(fā)生巖爆的范圍一般距掌子面5.00m以內(nèi)。在場(chǎng)內(nèi)1號(hào)公路金湯隧道左洞出口和2號(hào)導(dǎo)流洞中部所發(fā)生的爆破是在作業(yè)十多天后并且是在經(jīng)過錨噴支護(hù)的部位再次巖爆。根據(jù)統(tǒng)計(jì):場(chǎng)內(nèi)1號(hào)公路金湯隧道出口發(fā)生巖爆8次，1號(hào)導(dǎo)流洞發(fā)生巖爆4次，2號(hào)導(dǎo)流洞發(fā)生巖爆12次，巖爆產(chǎn)生的塊石最大粒徑為1.00m×0.70m×0.20m。

巖爆發(fā)生的內(nèi)在因素主要有:

(1)開挖隧洞的埋深厚度大于200.00m，場(chǎng)內(nèi)1號(hào)公路隧道和導(dǎo)流洞的實(shí)際埋深已經(jīng)大于或等于700.00m。

(2)無節(jié)理裂隙、不滲水、致密性高的巨厚巖體并且非常硬，巖石單軸抗壓強(qiáng)度大于150MPa。由于圍巖致密性高、無節(jié)理裂隙，使巖體內(nèi)應(yīng)力不易外泄，巨厚層巖體又提供了儲(chǔ)存內(nèi)應(yīng)力的條件。巖體內(nèi)存應(yīng)力主要來源于巖漿殘余應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力，同時(shí)也存在著較多的彈性應(yīng)變能。發(fā)生巖爆的區(qū)域，在外觀上可見在花崗巖體中有少量的石英巖脈或輝長(zhǎng)巖脈。

由此可見，巖爆不可能在全洞段發(fā)生，只在局部區(qū)域存在巖爆的可能。

巖爆發(fā)生的外在因素主要有:洞室開挖爆破作業(yè)的影響。爆破擾動(dòng)使巖體內(nèi)應(yīng)力重新分布，有的部位經(jīng)過調(diào)整后，趨于穩(wěn)定或者臨界穩(wěn)定，有的部分應(yīng)力經(jīng)再分配后更加集中，形成突發(fā)巖爆的因素。爆破開挖后，形成洞室空腔，為潛在的巨大能量集中外泄提供了條件，相當(dāng)于爆破作業(yè)新增添了臨空面，內(nèi)應(yīng)力集中外泄更加充分。巖體內(nèi)應(yīng)力的能量通過巖爆的形式宣泄后，內(nèi)應(yīng)力在巖爆的擾動(dòng)下再次分配、再次調(diào)整。這就是在同一個(gè)巖爆區(qū)域、在不同時(shí)段發(fā)生多次巖爆的原因所在。

巖爆發(fā)生也有強(qiáng)有弱。在巖爆發(fā)生時(shí)伴有清脆的“啪、啪”聲響，為弱巖爆，是圍巖內(nèi)彈性應(yīng)變能外泄引發(fā)的彈射巖塊發(fā)出的聲音，產(chǎn)生小塊狀爆體，具有一定的沖擊力;巖爆發(fā)生時(shí)，發(fā)出沉悶聲響的，為強(qiáng)巖爆，強(qiáng)巖爆的爆塊較大，外薄內(nèi)厚。金湯隧道出口右洞產(chǎn)生于掌子面的巖爆最大塊體為1.00m×0.70m ×0.20m。

發(fā)生巖爆的三大因素:(1)埋深厚度;(2)致密性高的堅(jiān)硬巨厚巖體;(3)爆破開挖作業(yè)。第一種和第二種因素是不可改變的，唯有第三種因素可以人為改變。

要改變第三種因素，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，改變?cè)械拈_挖施工工序和施工工藝，人為地在掌子面造成相當(dāng)深度的破碎帶，并且在開挖洞室周邊打一定數(shù)量和合適深度的錨桿空孔，破壞圍巖的整體性，使深層應(yīng)力盡可能外泄，區(qū)域集中的能量盡快分散，達(dá)到控制巖爆的目的。

可能發(fā)生巖爆區(qū)域的施工工序和施工工藝:

(1)造孔參數(shù)。周邊孔L=4.5m，塌落孔L=2.5～3.0m，掏槽孔個(gè)別孔L=3.5m，其余孔為正常施工孔，分別布置成為深淺不一的造孔深度。

(2)孔裝藥參數(shù)。采用參差不齊的孔裝藥深度，增加掌子面爆破后的不平整度，形成圍巖內(nèi)部微裂隙的擴(kuò)展效應(yīng)。爆破進(jìn)尺控制在2.5m左右。

(3)孔裝藥結(jié)構(gòu)。施爆藥卷不能達(dá)到底部，采用水濕后的箱紙作30cm的底部堵塞層，周邊孔作線裝藥控制，其余孔位滿孔填裝，孔口堵塞長(zhǎng)度不少于40～50cm，并且要求嚴(yán)格孔口堵塞密實(shí)度，否則將會(huì)影響爆破效果。爆后在距離掌子面5m以外，用高壓水槍對(duì)周圍及掌子面灑水，以增加表面應(yīng)力釋放速度，2h后開始出渣。

完成以上工序后，立即按設(shè)計(jì)要求打系統(tǒng)錨桿孔，形成空孔后，等待3～5天再進(jìn)行錨桿安裝及噴護(hù)工作，目的是使空孔在此期間起到應(yīng)力釋放孔的作用，將深層應(yīng)力盡量往外釋放。這樣形成了周邊孔與掌子面人為的破碎體，破壞了三個(gè)條件中的主要條件，避免巖爆的發(fā)生。

總之，洞身除不良地質(zhì)段外的其他洞段開挖爆破作業(yè)，要合理選擇爆破參數(shù)，優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是作好爆破試驗(yàn)的比對(duì)工作，并且要求周邊孔作光面爆破施工。