某電站樞紐區(qū)地下洞室?guī)r爆的特征與預(yù)防措施

馬行東

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 前 言

巖爆是由應(yīng)變能釋放而引發(fā)巖體發(fā)生破壞的一種地質(zhì)災(zāi)害。巖爆多發(fā)生在埋藏深、整體、干燥和地質(zhì)堅(jiān)硬的巖層中。在地下洞室開挖時(shí)圍巖形成新的臨空面，初始應(yīng)力由原來的三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)閮上驊?yīng)力狀態(tài)，并在開挖壁面上產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，若局部應(yīng)力達(dá)到某一臨界應(yīng)力時(shí)，巖爆就發(fā)生了，隨之產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象。Ⅰ級(jí)巖爆表現(xiàn)為爆裂脫落型，破壞形式為劈裂破壞與剪切破壞兩種;Ⅱ級(jí)巖爆表現(xiàn)為彈射現(xiàn)象。巖爆爆坑大多數(shù)呈“鍋底”形，坑邊沿多為階梯形。強(qiáng)烈?guī)r爆段爆坑多為“V”形。巖爆以新鮮破裂為主，少數(shù)沿原有裂隙面。爆落巖塊多呈不規(guī)則的棱塊狀，也有呈中間厚邊緣薄的橢圓狀。斷裂帶兩側(cè)或軟弱結(jié)構(gòu)面附近往往形成局部應(yīng)力集中區(qū)，故巖爆現(xiàn)象發(fā)生在兩側(cè)硬巖中，而在斷層帶部位一般不發(fā)生巖爆。巖爆區(qū)段一般較為干燥，有地下水出露的地方無巖爆產(chǎn)生。從二灘水電站洞室開挖中發(fā)生的巖爆可以認(rèn)為，巖爆的潛能是開挖時(shí)由應(yīng)力重分布所產(chǎn)生，而被大臺(tái)階爆破和地震所觸發(fā)。

2 影響巖爆的因素

巖爆產(chǎn)生的條件:

(1)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)。

(2)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破壞類型，當(dāng)應(yīng)力解除后，回彈變形很小。

(3)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。

(4)巖體干燥。

(5)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。

3 巖爆的判別方式

國內(nèi)外在巖爆預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方面做了大量的研究工作，目前用來預(yù)測(cè)巖爆的方法包括強(qiáng)度理論、能量理論、剛度理論、沖擊能理論、失穩(wěn)理論，以及斷裂、損傷、分形理論等眾多理論。

(1)強(qiáng)度理論的應(yīng)力條件法。一是用洞壁的最大環(huán)向應(yīng)力σ0與圍巖單軸抗壓強(qiáng)度σc之比值進(jìn)行分析;二是用天然應(yīng)力中的最大主應(yīng)力σ1與圍巖單軸抗壓強(qiáng)度σc之比值進(jìn)行判斷。經(jīng)驗(yàn)公式:σc/σ1＞2.86～6.06的脆性巖體最易發(fā)生巖爆。

(2)能量理論的最大剪應(yīng)力判據(jù)。當(dāng)破壞一旦發(fā)生，滑動(dòng)面上固有的剪切強(qiáng)度降為0，摩擦阻力也由靜摩擦阻力降為動(dòng)摩擦阻力，剪切或滑動(dòng)破壞前后發(fā)生前后滑移面上的剪切應(yīng)力差 ess=|τ|－σntanφ(φ為動(dòng)摩擦角)稱為超量剪應(yīng)力。判別如下:ess≥20MPa(完整巖石)，極可能發(fā)生破壞性巖爆;ess≥15MPa(斷層或節(jié)理)，極可能發(fā)生破壞性巖爆;5≤ess≤15MPa(20MPa)可能發(fā)生破壞性較小巖爆;ess＜5MPa，一般不發(fā)生巖爆;ess＜0MPa結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定。

(3)脆性系數(shù)法。巖石的脆性破壞是巖爆發(fā)生的必不可少條件之一，因此巖爆傾向指數(shù)在很大程度上取決于巖石的脆性。巖石的脆性系數(shù)B(B=(σc－σt)/(σc+σt)，當(dāng) B≤3時(shí)無巖爆發(fā)生;3＜B＜5時(shí)發(fā)生輕微巖爆;B≥5時(shí)發(fā)生嚴(yán)重巖爆。

(4)彈性變形能系數(shù)法。彈性變形能系數(shù)是通過巖石單軸壓縮試驗(yàn)得到的。當(dāng)軸向荷載σ=(0.7～0.8)σc時(shí)，開始卸載，求出卸載過程中試樣所釋放的彈性變形能φsp及巖石發(fā)生塑性變形和微破壞所消耗的能量φst(見圖1)。兩者的比值F=φsp/φst稱為彈性變形能指數(shù)。F越大，發(fā)生巖爆的強(qiáng)度越高。以下是根據(jù)煤巖試驗(yàn)得出的指標(biāo):當(dāng)F≤2.0時(shí)，無巖爆;當(dāng)2.0≤F＜5.0時(shí)，發(fā)生由弱至中等程度巖爆;當(dāng)F≥5.0時(shí)，發(fā)生強(qiáng)巖爆。

圖1 巖石的加、卸荷曲線

(5)沖擊能指標(biāo)法。巖石的沖擊能指標(biāo)WCF是指巖石在單軸壓縮的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程曲線中，以應(yīng)力峰值為界的左右部分曲線與應(yīng)變坐標(biāo)所圍成的面積，亦即巖石加載過程中所吸收的能量F1與破壞過程中所消耗的能量F2之比，即WCF=F1/F2(見圖2)。沖擊能指標(biāo)WCF旨在建立巖石在破裂過程中釋放的能量與消耗能量的關(guān)系。當(dāng)WCF＞1時(shí)，巖石有發(fā)生巖爆的傾向。

(6)Russense法。Russense巖爆分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見表1)。

圖2 應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程曲線

表1 Russense巖爆分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

(7)剛度理論。剛度理論源于剛性壓力試驗(yàn)儀器的產(chǎn)生。根據(jù)剛性試驗(yàn)機(jī)原理，即對(duì)于用普通壓力機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)時(shí)發(fā)生猛烈破壞的巖石試件，若改用剛性壓力機(jī)試驗(yàn)，則破壞并不猛烈，而且可以得到應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程曲線。試件產(chǎn)生猛烈破壞的原因是試件剛度大于試驗(yàn)機(jī)剛度。剛度理論將這一結(jié)果用于探討巖爆的發(fā)生機(jī)制中。

(8)失穩(wěn)理論。失穩(wěn)理論是將圍巖當(dāng)作一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)，將巖爆看成是整個(gè)力學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)力失穩(wěn)過程，即巖爆的發(fā)生是圍巖組成的變形系統(tǒng)由不穩(wěn)定平衡狀態(tài)變成新的穩(wěn)定狀態(tài)的過程。按Dirichlet準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)變形系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于變形系統(tǒng)勢(shì)能即自由能極值的性質(zhì)，假定系統(tǒng)勢(shì)能為F，F(xiàn)的一次變分為δF，二次變分為δ2F，則當(dāng)δF=0時(shí)，系統(tǒng)勢(shì)能有極值。當(dāng)δ2F＞0系統(tǒng)勢(shì)能最小，穩(wěn)定;δ2F=0系統(tǒng)平衡;δ2F＜0系統(tǒng)勢(shì)能極大值，不穩(wěn)定。

(9)斷裂、損傷、分形理論。近年來，斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)的發(fā)展，對(duì)經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)產(chǎn)生了巨大影響，運(yùn)用斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)分析巖石的強(qiáng)度可以比較實(shí)際地評(píng)價(jià)巖體的開裂和失穩(wěn)。分形理論與損傷理論的觀點(diǎn)一致，它們都將巖石的破裂過程視為裂縫尖端微裂紋損傷發(fā)展的過程。由于微裂紋的分布特征是分形維，故可將微裂紋損傷演化過程理解成分形維的變化過程，通過裂紋分形維數(shù)值變化和巖爆現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系來預(yù)測(cè)巖爆的發(fā)生。

4 樞紐區(qū)地應(yīng)力分析

某電站樞紐區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主，實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力方向在N17°～48°W 之間，該方向與地質(zhì)構(gòu)造及局部地形地貌吻合。水電站地下廠房軸線方向的實(shí)測(cè)和回歸地應(yīng)力結(jié)果顯示，水平構(gòu)造應(yīng)力控制著廠房工程區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律。根據(jù)孔徑法測(cè)試以及孔壁法測(cè)試揭露的廠房區(qū)最大主應(yīng)力方向?yàn)?NNW ～NW 向，最大主應(yīng)力量級(jí)25～35MPa。應(yīng)力集中系數(shù)按3考慮時(shí)，二次應(yīng)力 σtan將達(dá)到75～105MPa，與圍巖單軸濕抗壓強(qiáng)度Rc=115～250MPa，σtan/Rc=0.42～0.65，按 Russense巖爆分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見表1)，廠房區(qū)地應(yīng)力大多為低～中等巖爆區(qū)，局部為高地應(yīng)力區(qū)。

5 巖爆部位實(shí)例分析

5.1 尾調(diào)室

由計(jì)算以及實(shí)際開挖可以看出，尾調(diào)室開挖中地應(yīng)力所造成的影響應(yīng)屬于無巖爆～弱巖爆。尾調(diào)室節(jié)理、錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育，巖體較完整～較破碎，以塊、次塊狀～塊裂狀結(jié)構(gòu)為主，局部裂隙密集帶為鑲嵌～碎裂結(jié)構(gòu)。地下水較豐富，廠橫0+125～0+165m全洞濕潤頂拱多處滴水，其余洞室濕潤，局部浸水、滴水。上述不良地質(zhì)現(xiàn)象有利于釋放地應(yīng)力。在開挖過程中、開挖后及支護(hù)后也很少發(fā)生因地應(yīng)力大而產(chǎn)生的不良現(xiàn)象。再根據(jù)巖爆分級(jí)局部可能發(fā)生低～中等巖爆以及裂縫的類型來看，也不是巖爆現(xiàn)象。但顯而易見，地應(yīng)力對(duì)裂縫肯定存在一定的影響。由于三維狀況下的地下巖體，開挖破壞后至平衡的過程中，肯定會(huì)發(fā)生應(yīng)力釋放及松弛的現(xiàn)象，在這一初始地應(yīng)力條件上的開挖引起圍巖應(yīng)力調(diào)整為頂拱噴層開裂提供了較強(qiáng)的應(yīng)力基礎(chǔ)。另外地應(yīng)力荷載水平方向較大，且最大荷載方向與洞室軸線斜角約40°，洞室圍巖就有可能產(chǎn)生環(huán)帶狀分層變形現(xiàn)象，造成開裂縫的發(fā)生。由此可見，地應(yīng)力雖然沒發(fā)生巖爆等破壞現(xiàn)象，但對(duì)裂縫的產(chǎn)生仍然起到很重要的原因。

5.2 過壩交通洞

5.3 進(jìn)場(chǎng)交通洞

進(jìn)場(chǎng)交通洞在樁號(hào)0+95～0+70m段發(fā)生開裂縫、錯(cuò)位及混凝土掉塊。該段巖體為二疊系上統(tǒng)玄武巖組下段第五層第二小層(P2β5－21)，中～厚層狀角礫集塊熔巖，灰綠色，堅(jiān)硬，角礫集塊結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。該開挖段巖體新鮮～微風(fēng)化，巖體完整，塊狀結(jié)構(gòu)，總體圍巖類別為Ⅱ類。該段發(fā)育對(duì)頂拱不利的中傾結(jié)構(gòu)面(產(chǎn)狀 N50°W/SW40°～45°)及局部發(fā)育緩傾錯(cuò)動(dòng)帶(產(chǎn)狀EW/S15°～20°);與洞軸線近平行的結(jié)構(gòu)面(產(chǎn)狀 N80°～85°E/SE80°～85°)以及左邊墻發(fā)育傾向洞內(nèi)的結(jié)構(gòu)面(產(chǎn)狀N80°～90°W(EW)/NE(N)40°～45°)，對(duì)邊墻穩(wěn)定不利。另外，該段洞室由于該段埋深較深，洞軸線與最大主應(yīng)力夾角較大，在開挖中頂拱及拱肩局部有輕微巖爆發(fā)生。

5.4 小 結(jié)

根據(jù)樞紐區(qū)交通洞以及引水發(fā)電系統(tǒng)地下洞室開挖情況來看:位于樞紐區(qū)附近的地下洞室在開挖中出現(xiàn)較多的巖爆，過壩交通洞、進(jìn)場(chǎng)交通洞、尾水洞、尾調(diào)室、主變室、廠房上一支洞、右岸導(dǎo)流洞都曾發(fā)生輕微巖爆問題。

由于引水發(fā)電系統(tǒng)各地下洞室圍巖為玄武巖，強(qiáng)度高、性脆、極易聚集能量，已相繼發(fā)生不同程度的巖爆，特別是未來隨著大埋深的地下洞室開挖、三大洞室的高邊墻、高壓洞下平端、尾水洞岔洞等部位的開挖，發(fā)生中等甚至高強(qiáng)度的巖爆可能性和概率增加，因此建議考慮處理巖爆的預(yù)防措施。

6 巖爆預(yù)防

對(duì)于上述不良地質(zhì)現(xiàn)象，開挖前應(yīng)高度重視并了解地質(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。在開挖過程中采用"短進(jìn)尺、多循環(huán)"的掘進(jìn)方法，并利用光面爆破技術(shù)，盡量降低應(yīng)力集中的發(fā)生，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。開挖后對(duì)開挖面多進(jìn)行噴水，降低圍巖應(yīng)力;在已開挖的洞壁進(jìn)行支護(hù)加固，其中包括隨機(jī)錨桿的支護(hù)以及系統(tǒng)錨桿掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù);對(duì)已形成的危巖體進(jìn)行清除后再進(jìn)行支護(hù)的措施，確保施工安全和洞壁的穩(wěn)定;對(duì)于嚴(yán)重部位應(yīng)采取超前打孔釋放應(yīng)力。另外，應(yīng)加強(qiáng)施工中的安全監(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。

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