下坂地引水發(fā)電洞工程巖爆現(xiàn)象特征及處理措施

馬建衛(wèi)

摘要：巖爆是巖體中聚積的彈性變形能在地下工程開挖中突然猛烈釋放，使巖石爆裂并彈射出來(lái)或剝落現(xiàn)象。巖爆的發(fā)生主要由地應(yīng)力和巖性兩個(gè)因素決定，巖性條件要求巖石具有良好儲(chǔ)能性能的彈脆性巖體，隧洞初始應(yīng)力條件要求達(dá)到高應(yīng)力水平，還與地下空間的開挖剖面形狀，施工爆破方式有關(guān)。分析了下坂地水電樞紐引水發(fā)電洞工程巖爆現(xiàn)象的特征，發(fā)生的條件、巖爆類型及特征、提出預(yù)防、治理巖爆的實(shí)際措施，使巖爆危害降低到最小。

關(guān)鍵詞： 巖爆；安全；特征；處理措施

Abstract:：Rock burst is accumulated elastic deformation energy in rock mass in the underground engineering excavation suddenly released, the hard rock burst and eject or flaking off. The occurrence of rock burst is mainly composed of two factors determine geostress and lithology and rock lithology requirement with good storage performance of brittle rock mass, initial stress conditions of tunnel requirements to high stress levels, and the excavation of the underground space profile shapes, construction blasting method. Analyzed under tranship hub hydropower diversion hole engineering characteristics of rock burst phenomenon, the conditions, types and characteristics of rock burst, puts forward the practical measures of rock burst prevention and governance, make rock burst hazard is reduced to a minimum.

Key words: rock burst; Safety; Characteristic; Treatment measures

中圖分類號(hào)：TD23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

0 概 況

下坂地水利樞紐工程位于新疆塔里木河源流葉爾羌河主要支流之一的塔什庫(kù)爾干河中下游。樞紐工程地處喀什地區(qū)塔什庫(kù)爾干縣班迪爾鄉(xiāng)境內(nèi)，距烏魯木齊市1815km，距喀什市315km，距塔什庫(kù)爾干縣45km。

引水發(fā)電洞進(jìn)水口為2級(jí)建筑物，引水隧洞為3級(jí)建筑物。引水發(fā)電洞全長(zhǎng)4637m，由進(jìn)水口、引水洞、調(diào)壓室、三部分。0+000--1+400斷面為圓形，洞徑5.2m；洞室圍巖屬Ⅲ類巖體，采用全斷面鋼筋砼襯砌，襯砌厚度0.8m。1+400—4+637為馬蹄形，邊墻采用噴護(hù)C20砼襯砌，厚度如下：Ⅱ、Ⅲ類圍巖段0.5m；斷層破碎帶為Ⅴ類圍巖，襯砌厚度1.2m。引水發(fā)電洞設(shè)計(jì)最大流量89.69m3/s。

引水發(fā)電洞工程地質(zhì)條件

洞身穿越角閃黑云二長(zhǎng)片麻巖及華力西期片麻狀黑云斜長(zhǎng)花崗巖。花崗巖與片麻巖接合帶接觸緊密，蝕變不明顯，局部有10~20cm的黑色蝕變物質(zhì)，片麻巖進(jìn)口段產(chǎn)狀220°∠68°，拐點(diǎn)前后走向分別為310°及330°。洞室圍巖以Ⅱ（占68.3%）、Ⅲ（占30.5%）類為主，斷層及斷層影響帶為Ⅴ類（占1.2%）。從整個(gè)洞線的巖體來(lái)看，洞線方向與巖層走向及主要結(jié)構(gòu)面的夾角為84°(前段)及60°（后段），對(duì)洞室穩(wěn)定較有利，無(wú)大的不穩(wěn)定巖體存在。受斷層影響，部分?jǐn)鄬蛹皵鄬佑绊憥贅O不穩(wěn)定的Ⅴ類巖體，在施工中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)措施。洞室圍巖最大厚度1400m，屬深埋隧洞。

2 洞室水文地質(zhì)條件

工程區(qū)地下水主要靠季節(jié)性融雪補(bǔ)給，地下水以淺循環(huán)為主， 0+000～1+240m段，地下水位低于開挖高程，僅局部沿?cái)鄬訋В诙错敳坑猩倭苛严稘B水，滲水量q＝0.1～0.5L/min，開挖初期滲水量較大，后期逐漸減少。1+240～2+585m段，地下水位高于洞頂，沿部分?jǐn)鄬訋Ъ傲严队袧B、滴或流水現(xiàn)象，流量不一，相差較大。反映出基巖裂隙水受上部地表水源補(bǔ)給較近，水量較充分。2+585～4+550m段中的部分洞段地下水位高于開挖高程，沿?cái)鄬訋Ъ傲严稘B水明顯，在洞頂部有少量滲水，滲水量q＝0.1～2L/min，滲水量隨時(shí)間推移，逐漸變小。

3 引水發(fā)電洞巖爆發(fā)生條件

巖爆的發(fā)生主要由地應(yīng)力和巖性兩個(gè)因素決定，巖性條件要求巖石具有良好儲(chǔ)能性能的彈脆性巖體，隧洞初始應(yīng)力條件要求達(dá)到高應(yīng)力水平。下坂地引水發(fā)電洞主要發(fā)生巖性為角閃黑云二長(zhǎng)片麻巖，巖層走向330°，傾向SW，傾角60°，洞線與巖層夾角60°，對(duì)洞室穩(wěn)定有利，該段巖體堅(jiān)硬完整，呈微風(fēng)化，洞頂圍巖厚度100~1380m，屬深埋隧洞的混合片麻巖段，混合片麻巖屬極硬巖，其彈性能量指數(shù)（Wet）和脆性指數(shù)（Kr）都高。圍巖埋深大，巖體完整性好，受構(gòu)造影響輕微，圍巖的初始地應(yīng)力及隧道開挖后形成的最大切向應(yīng)力都較高，最大主應(yīng)力大于30Mpa，屬于高地應(yīng)力水平，滿足發(fā)生巖爆的條件。根據(jù)下坂地引水發(fā)電洞施工實(shí)際調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室的研究成果，得出下坂地引水發(fā)電洞巖爆發(fā)生的臨界條件為：

Rc≥16Rt ⑴

Wet≥2.3 ⑵

σθ≥0.28 Rc ⑶

Kv≥0.56⑷

其中：Rc—巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)。

Rt—巖石的單軸抗拉強(qiáng)度，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)。

σθ—隧道洞壁最大切向應(yīng)力，σθ=(3σ1-σ3)。

Kv—巖體的完整性系數(shù)，由巖體和巖塊的縱波速計(jì)算得到。

4下坂地引水發(fā)電洞巖爆的表現(xiàn)特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)編錄，按巖爆的強(qiáng)烈程度可以把巖爆分為輕微、中等和強(qiáng)烈三級(jí)，輕微巖爆7段長(zhǎng)（總長(zhǎng)320為m）多呈零星分布，以破裂剝落為主，中等巖爆4段（總長(zhǎng)為230m）呈較大規(guī)模連續(xù)分布，為彈射型和強(qiáng)烈剝落型，強(qiáng)烈?guī)r爆2段（總長(zhǎng)為53m）呈連續(xù)分布型，為強(qiáng)烈彈射型，并造成大面積開裂失穩(wěn)坍塌。

從發(fā)生巖爆的巖性來(lái)看,14段巖爆中有4段，發(fā)生在黑云斜長(zhǎng)花崗巖中，其余發(fā)生在角閃黑云二長(zhǎng)片麻巖中，片麻巖片麻理構(gòu)造發(fā)育。節(jié)理不發(fā)育至較發(fā)育，巖體多成巨塊狀整體結(jié)構(gòu)或大塊狀結(jié)構(gòu)，幾乎所有巖爆段的巖體都呈干燥無(wú)水狀態(tài)。

從巖爆的垂直埋深來(lái)看最大埋深大于1050m，最小埋深300m，在洞室開挖到樁號(hào)1+513.8～1+534段，洞頂埋深約300m，發(fā)生巖爆。巖爆發(fā)生于洞室右壁中下部，為片麻理成薄片狀鼓起破裂后掉落，掉塊厚度0.2～0.5m，掉落后壁面巖體完整性較好，對(duì)洞室穩(wěn)定影響小。在洞室開挖到樁號(hào)K+513.8～2+585段埋深大于1050m，初期塌方發(fā)生于左側(cè)壁及左拱腳，起因于巖爆，發(fā)生于開挖后，大塌方前，巖爆聲音沉悶，似悶雷發(fā)于巖體深部，間斷有聲響發(fā)出，于開挖后約1天，發(fā)生第一次塌方，后在處理過(guò)程中塌方不斷加大，高度增加，最高處近11m，處理時(shí)間長(zhǎng)達(dá)兩月之久，塌方與巖爆有關(guān)。在洞室開挖到樁號(hào)K4+090～4+170埋深600m～650m，巖體完整，巖爆沿一組與洞線夾角小的裂隙（產(chǎn)狀185°∠87°）形成塌落，主要發(fā)生在右側(cè)拱腳以上至洞頂軸線，部分以軸線處為主，一般寬度2～2.5m，深0.5～1.5m，形成人字形長(zhǎng)凹槽。2段強(qiáng)烈?guī)r爆發(fā)生在1000m，輕微和中等巖爆可發(fā)生在300-900m左右埋深。

強(qiáng)烈?guī)r爆多發(fā)生在掌子面后方1—2倍洞徑范圍內(nèi)。此范圍正是開挖后地應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整最強(qiáng)烈、地應(yīng)力高度集中的區(qū)域。強(qiáng)烈?guī)r爆發(fā)生時(shí)間一般在響炮后20分鐘—3小時(shí)左右出現(xiàn)，24小時(shí)后烈度及頻率開始不同程度降低。其特點(diǎn)是爆落的巖塊多，巖爆坑深、規(guī)模大，持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)。因此，這種類型的巖爆在隧道的正常掘進(jìn)、底部清渣、圍巖支護(hù)及出渣等作業(yè)都有很大的影響。

5工程防治處理措施

針對(duì)隧洞的巖性，埋深，有無(wú)地下水等特征、在施工中可能出現(xiàn)巖爆的地段采取積極主動(dòng)的預(yù)防措施和強(qiáng)有力的施工支護(hù)，確保巖爆地段的施工安全，將巖爆發(fā)生的可能性及巖爆的危害降到最低，使工程順利進(jìn)展。

5.1 調(diào)整施工方法

在洞身開挖爆破時(shí)，中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆地段采取短進(jìn)尺（2m/循環(huán)）、多循環(huán)、弱爆破措施采，采用光面爆破技術(shù)，保證開挖洞室輪廓圓順，避免造成局部應(yīng)力集中而加劇巖爆針對(duì)巖爆類型及大小，提前打應(yīng)力釋放孔或超前摩擦錨桿支護(hù)。超前摩擦錨桿采用Φ40鋼管，長(zhǎng)度3 m，用三臂液壓臺(tái)車施工，安設(shè)的位置主要在拱頂及左右邊墻的上部，間距1—1.5 m。在巖爆地段的洞壁上打應(yīng)力釋放孔，孔徑5cm，孔深2—3m，間距1—1.5m ，以達(dá)到減弱巖爆的強(qiáng)度。從而使動(dòng)壁和掌子面應(yīng)力降低，使高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圍巖深部，既可以起到超前鉆探地質(zhì)的作用，又可以起到釋放掌子面應(yīng)力的作用。

5.2 改善圍巖性質(zhì)

在施工過(guò)程中，可采取對(duì)工作面附近隧洞巖壁噴水或水鉆來(lái)促進(jìn)圍巖軟化，從而消除或減緩巖爆程度。

5.3 對(duì)圍巖進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)

樁號(hào)2+550～2+568m段由于巖爆引起的塌方最大高度在11m；對(duì)大塌方的處理方式先采用洞段封堵后用水泥砂漿充填塌方空間，然后重新進(jìn)行洞室開挖。為保證安全，開挖后及時(shí)采用鋼拱架支護(hù)，拱架間距視實(shí)際情況采用0.3～1.0m不等。對(duì)洞室兩拱腳各布設(shè)了4排φ25系統(tǒng)錨桿，長(zhǎng)3米，間距1.5米；拱架兩側(cè)各布4排φ25鎖腳錨桿，長(zhǎng)3.5米，間距0.5米。在樁號(hào)2+568m以后至樁號(hào)2+585m段施工中采用短進(jìn)尺2m/循環(huán)，預(yù)留2m厚的巖爆處理層，巖爆過(guò)后再進(jìn)行二次擴(kuò)挖爆破、支護(hù)，較好地通過(guò)強(qiáng)烈了巖爆段。由于支護(hù)得力，開挖方案較得當(dāng)，巖爆破壞勢(shì)頭基本得到控制。安全的通過(guò)了巖爆段。

5.4安全措施

在開挖巖爆段，應(yīng)該給工人配備安全帽，防彈背心。特別是強(qiáng)烈?guī)r爆段要設(shè)專人進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情應(yīng)及時(shí)撤施工人員，等待巖爆結(jié)束或變?nèi)酰龠M(jìn)入洞內(nèi)及時(shí)支護(hù)。

6結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)下坂地引水發(fā)電洞發(fā)生的巖爆研究、分析及處理，較好地通過(guò)了巖爆段，沒(méi)有發(fā)生人員傷亡事故。引水發(fā)電洞已經(jīng)通水4年多了 運(yùn)行良好，說(shuō)明對(duì)巖爆段的處理是合適的。盡管巖爆有不確定性，但是也有一定的規(guī)律和特征，施工過(guò)程中加強(qiáng)預(yù)測(cè)，防患為主，針對(duì)已有勘測(cè)資料，通過(guò)以往的工程經(jīng)驗(yàn)采取一定的措施，使巖爆的危害減小或消除。