錦屏輔助洞巖爆的爆破主動控制實踐

，，， ,3a,3b

(1.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，成都 610051；

2.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430070；

3.武漢大學(xué) a.水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室；b.教育部水工巖石力學(xué)重點實驗室，武漢 430072)

1 研究背景

巖爆是地應(yīng)力較高的地下工程開挖過程中常遇到的工程地質(zhì)問題之一，是一種人類活動誘發(fā)的圍巖的動力破壞現(xiàn)象，表現(xiàn)形式有巖石彈射、大量巖石坍塌或礦震等。巖爆的產(chǎn)生需要具備2方面的條件：高儲能體的存在，且其應(yīng)力接近巖體強度是巖爆產(chǎn)生的內(nèi)因，某些附加荷載的觸發(fā)是其產(chǎn)生的外因，這是迄今為止對巖爆機理的比較清晰的概括[1-2]。上述機理的另一種說法應(yīng)該是，處于高地應(yīng)力環(huán)境中的結(jié)構(gòu)完整的硬脆性圍巖，在隧道開挖后，切應(yīng)力(σθ)達到或接近圍巖單軸壓縮強度(Ucs)，在其它因素的誘發(fā)下，圍巖便以巖爆的形式失穩(wěn)，這可以被總結(jié)為巖爆形成機制的靜力學(xué)理論，它也是廣泛采用的巖爆預(yù)測判據(jù)(σθ/Ucs)的理論依據(jù)[3]。另外，巖爆預(yù)測的彈性應(yīng)變能指數(shù)判據(jù)也是以這一認識為基礎(chǔ)的。

然而巖爆終究是開挖誘發(fā)的一種人為地質(zhì)過程，不是純自然地質(zhì)現(xiàn)象。相同環(huán)境中采用不同開挖方式挖掘相同的地下空間時，圍巖可能表現(xiàn)出完全不同的響應(yīng)，因此，巖爆研究不僅要注重巖性及地應(yīng)力等條件，同時也應(yīng)注重開挖過程的細節(jié)。開挖過程的影響在鉆爆開挖條件下顯得尤其突出。在20世紀50年代就有過關(guān)于地下工程爆破、應(yīng)力波、巖爆及地震之間的關(guān)系的一些初步試驗成果的報道。后來，隨著鉆爆(新奧)法的不斷發(fā)展，特別是回次進尺及爆破裝藥量的不斷加大，開挖動力擾動對巖爆的貢獻越來越引起人們的關(guān)注。我國天生橋、太平驛、二灘及挪威Sima等大型水電站引水隧洞的巖爆一般在爆破以后的一定時間段內(nèi)發(fā)生，巖爆高發(fā)區(qū)一般距離掌子面2～50 m，強度隨著時間的推移而減弱[4-5]。

盡管對巖爆機理的研究取得了許多重要進展，但實際工程中巖爆的控制難度依然很大。本文以位于中國西部雅礱江大河灣上的錦屏輔助洞施工為背景，介紹輔助洞爆破開挖過程中巖爆發(fā)生的概況，并著重對施工過程中采用控制爆破、應(yīng)力解除爆破等技術(shù)對高等級強烈?guī)r爆的主動控制實踐及巖爆孕育的動力學(xué)機理等問題進行討論，對類似深埋隧洞開挖過程中的高應(yīng)力動力破壞控制具有一定的參考價值。

2 錦屏輔助洞巖爆發(fā)生的規(guī)律

錦屏輔助洞是錦屏一級、二級水電站前期工程的關(guān)鍵施工項目，其作用是溝通東、西雅礱江的交通，并作為錦屏二級水電站引水隧洞的施工輔助洞發(fā)揮了重要作用。該工程由2條平行的、中心距35 m的A，B兩線組成，分別長17 485,17 504 m。沿線埋深大于1 500的洞段長度12 875 m，占全洞長度的73.1 %，其中45 %洞段埋深大于2 000 m，最大埋深達到2 375 m。洞身走向N58°W，近似垂直穿越錦屏山脈，沿線巖性主要為三迭系大理巖。

2.1 輔助洞沿線巖爆分布

據(jù)統(tǒng)計，輔助洞A洞發(fā)生巖爆段累計長度3 259.5 m，占隧道總長的18.7 %，輔助洞B洞發(fā)生巖爆段累計長度2 957.2 m，占隧道總長的16.9 %。輔助洞A洞沿線所發(fā)生的巖爆烈度分布如圖1所示(圖中縱坐標0表示無巖爆段，1表示輕微(Ⅰ級)巖爆段，2表示中等(Ⅱ級)巖爆段，3表示強烈(Ⅲ級)巖爆段，4表示極強巖爆(Ⅳ級)段)[6]。

圖1 輔助洞A洞沿線巖爆烈度分布

從圖1可以看到，輔助洞進口和出口段巖爆等級都不高，高等級巖爆(Ⅲ，Ⅳ級)幾乎都發(fā)生在埋深最大的T2b地層中，樁號范圍大致為5+000至9+000。為了更加清楚地說明輔助洞巖爆的機理，圖2給出了沿線地應(yīng)力場的分布情況。

在輔助洞淺埋段用水壓致裂法，實測較大地應(yīng)力值高達42～44 MPa。根據(jù)實測地應(yīng)力值進行地應(yīng)力場反演所得到的輔助洞軸線典型地層的最大主應(yīng)力約為70 MPa，大概位于輔助洞西端進深9 km的位置，即輔助洞縱剖面埋深最大的位置(圖2)，從最大主應(yīng)力變化曲線來看，最大主應(yīng)力大體體現(xiàn)了輔助洞埋深的變化過程[6-7]。

圖2 輔助洞沿軸線主地應(yīng)力隨進深變化曲線[7]

2.2 輔助洞巖爆的時空分布

據(jù)巖爆現(xiàn)場實錄資料，對東端AK15+071至AK17+190 m的53個典型巖爆點統(tǒng)計，得出巖爆次數(shù)與掌子面距離以及開挖完成后發(fā)生時間的關(guān)系曲線(見圖3)。由此可見，巖爆多發(fā)生在距掌子面6～12 m的范圍內(nèi)，掌子面開挖后的5～20 h。

圖3 巖爆次數(shù)與距掌子面距離、開挖時間的關(guān)系

這一規(guī)律與國內(nèi)其他工程中巖爆發(fā)生的規(guī)律是類似的。例如天生橋二級水電站引水隧洞巖爆主要發(fā)生距離掌子面5～10 m的地方；二灘水電站左岸導(dǎo)流洞巖爆一般發(fā)生在距離掌子面2～10m的范圍內(nèi)；秦嶺終南山特長公路隧道巖爆發(fā)生時間規(guī)律見圖4，從圖4可以看到掌子面后面2至4倍洞徑地方即30 m左右地段位置，巖爆最強烈。

圖4 秦嶺隧道巖爆頻率與距掌子面的距離和滯后爆破時間的關(guān)系

通過對輔助洞巖爆時空統(tǒng)計和典型巖爆實例分析發(fā)現(xiàn)，巖爆活動可分為活躍期和持續(xù)期。在活躍期內(nèi)，巖爆多發(fā)生在掌子面掘進后幾小時內(nèi)，以5～20 h內(nèi)最為活躍，巖爆較多。大多數(shù)巖爆均發(fā)生在該段時間內(nèi)，距掌子面約6～12 m的范圍內(nèi)。在持續(xù)期內(nèi)，掌子面推進數(shù)天乃至數(shù)月后發(fā)生強烈?guī)r爆部位仍有可能再次剝落和發(fā)生巖爆。巖爆發(fā)生后，應(yīng)力得到釋放，但可能并未釋放完，隨著時間推移，圍巖應(yīng)力再次得到調(diào)整、積累，在外在荷載擾動下，可發(fā)生再次巖爆。因此，為了降低和控制巖爆發(fā)生的頻次和等級，深埋隧洞的開挖過程中應(yīng)特別注意對爆破擾動的控制。

3 應(yīng)力解除爆破

應(yīng)力解除爆破是一種圍巖弱化方法，通過超前鉆孔和適量裝藥對圍巖結(jié)構(gòu)進行改造，使設(shè)計部位的小部分巖體的剛度(變形模量等)降低，鉆孔及爆破影響范圍內(nèi)的巖體變?yōu)檩^弱的傳力介質(zhì)，變形加大，使局部圍巖內(nèi)的能量分布狀態(tài)得到調(diào)整，應(yīng)力集中程度得到改善，集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移，從而達到防治巖爆的目的。該技術(shù)是20上世紀50年代在南非的威特沃特斯蘭德(Witwatersrand)金礦中首次采用并獲得廣泛應(yīng)用[8]，國內(nèi)較早地是從天生橋引水隧洞開挖開始研究應(yīng)力解除爆破技術(shù)[9]。

3.1 應(yīng)力解除爆破設(shè)計

2007年1月底，輔助洞西端掌子面附近連續(xù)發(fā)生強烈?guī)r爆，造成掌子面后方施加的襯砌破壞以及鋼拱架變形，最大變形量達到30 cm，嚴重影響了施工進度。根據(jù)現(xiàn)場觀察，輔助洞中發(fā)生的高等級巖爆均與斷裂構(gòu)造有關(guān)，發(fā)生在掌子面逼近斷裂構(gòu)造的過程中，一旦開挖掌子面穿過斷裂，巖爆現(xiàn)象馬上減弱甚至消失。因此，輔助洞強巖爆的動力源很可能是掌子面前方的開挖應(yīng)力集中區(qū)和斷裂局部應(yīng)力集中區(qū)的重疊部位，故應(yīng)力解除爆破的目標是減弱或解除掌子面前方集中的高能量。根據(jù)上述基本認識，錦屏輔助洞的應(yīng)力解除爆破采用了如表1所示的2種設(shè)計方案，設(shè)計初衷是預(yù)裂掌子面前方的巖體[10-13]。

表1 錦屏輔助洞應(yīng)力解除爆破設(shè)計

3.2 應(yīng)力解除效果

上述2個應(yīng)力解除爆破方案在錦屏輔助洞共進行了3次試驗，其中輔助洞A洞1次，B洞2次。在輔助洞A洞掌子面采用9孔超前應(yīng)力解除爆破方案進行了試驗，每循環(huán)開挖進尺控制在1.8～2.0 m，通過應(yīng)用該方法，巖爆明顯減弱，并順利通過AK6+800至AK7+000段巖爆區(qū)。

B洞從BK6+757開始進行超前應(yīng)力解除爆破試驗，由于該洞段屬于強巖爆區(qū)，采用9孔超前應(yīng)力解除爆破方案后，與前段極強巖爆相比，巖爆的程度明顯減弱，但仍未達到預(yù)期效果，應(yīng)力解除爆破甚至還誘發(fā)了一次強烈?guī)r爆。其后，在BK6+759至BK6+767段實施14孔超前應(yīng)力解除爆破方案，循環(huán)進尺控制在1.5 m。超前應(yīng)力解除爆破后向前掘進，沒有發(fā)生巖爆現(xiàn)象[10-13]。

與9孔應(yīng)力解除爆破方案相比，14孔方案的應(yīng)力解除區(qū)域更大，除了對掌子面前方增加裝藥以加強破碎程度、增大破碎范圍外，更加重視對頂拱及兩側(cè)墻部位的預(yù)裂處理，因此14孔方案的應(yīng)力解除效果更好。

3.3 破碎帶的寬度

應(yīng)力解除爆破是通過爆炸荷載作用使應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的巖體產(chǎn)生裂紋或破碎來達到應(yīng)力解除和調(diào)整圍巖內(nèi)能量分布的目的，因此，炮孔內(nèi)炸藥爆炸所形成的裂隙區(qū)的大小及區(qū)內(nèi)巖體的性質(zhì)對應(yīng)力解除爆破的解除效果至關(guān)重要。一般地，當應(yīng)力解除孔內(nèi)的炸藥起爆時，炮孔內(nèi)壓力急劇升高，導(dǎo)致炮孔周圍巖體受壓破碎形成壓碎區(qū)，外圍區(qū)域受拉，同時受到爆生氣體的作用，形成裂隙區(qū)。

另外，天生橋二級水電站引水隧洞開挖過程中也遇到了較強烈的巖爆，該工程巖爆控制研究中估算應(yīng)力解除法所形成的破碎帶寬度時[3]，采用下式：

(1)

式中:R為破碎半徑(m)；kn為系數(shù)，其值為0.57～1.4，堅硬巖石kn=0.57；Q為標準炸藥量(kg)。

輔助洞巖爆應(yīng)力解除設(shè)計方案中，9孔方案的單孔裝藥量為1.4 kg，14孔方案中周邊孔及側(cè)孔的裝藥量也為1.4 kg，而中間孔裝藥量為4.8 kg，則根據(jù)式(1)，9孔裝藥方案的單孔破碎帶寬度為1.27 m，14孔方案的周邊孔破碎寬度1.27 m，中間孔破碎寬度1.92 m。式(1)的計算結(jié)果與上述裂隙圈寬度估計的結(jié)果相近。

由表1可知，錦屏輔助洞應(yīng)力解除爆破9孔方案中，解除孔的孔距均在2 m以上，另外邊孔還以10°的角度向外傾斜，因此，這9個解除孔所形成的裂隙區(qū)沒有互相貫通，因而解除效果較差；14孔方案中，周邊孔的布置較密，間距在1 m左右，中間孔雖間距較大(1.8～2.0 m)，但其裝藥量相應(yīng)較大，破碎帶寬度可達1.92 m，因此，14孔方案中各孔的裂隙區(qū)連成一片，大大地改善了應(yīng)力解除效果。

4 控制爆破技術(shù)的應(yīng)用

巖爆的時空分布特征表明爆破開挖擾動對巖爆的孕育具有重要影響。徐則民、黃潤秋等(2003)[14]的研究表明，巖爆應(yīng)該是處于非均勻應(yīng)力狀態(tài)的圍巖在爆炸加載波、卸載應(yīng)力波及巖爆應(yīng)力波等多次疊加擾動的條件下，裂紋發(fā)生大規(guī)模瞬時動力擴展的結(jié)果?；诖?，在錦屏輔助洞開挖巖爆控制實踐過程中，廣泛采用了控制爆破技術(shù)，通過改善洞室周邊輪廓形狀、調(diào)整鉆孔作業(yè)順序、嚴格控制爆破進尺和改變布孔方式，對控制強烈?guī)r爆和極強巖爆發(fā)生的頻率和等級起到了積極作用。

(1)實施光面或預(yù)裂爆破，控制周邊輪廓平整圓順，是避免應(yīng)力集中、減輕巖爆發(fā)生程度的最為有效的方法[13]。為了保證光面爆破的效果，提高半孔率，可進行加密鉆孔，間隔1個孔進行裝藥。加密后周邊孔間距為30～35 cm[13]。

(2)考慮到全斷面一次性鉆孔對掌子面圍巖擾動較大，易誘發(fā)巖爆，故鉆孔作業(yè)分2步進行：先進行上半部鉆孔，空孔能有效釋放拱部部分應(yīng)力，以降低巖爆出現(xiàn)的幾率，減少下半部鉆孔作業(yè)時對人和設(shè)備的威脅[12]；再進行正常爆破作業(yè)鉆孔。

(3)強巖爆洞段應(yīng)嚴格控制爆破掘進的進尺，炮孔深度≤2.0 m，同時，應(yīng)嚴格控制裝藥量，并控制好同段起爆的炮孔數(shù)，有利降低爆破對圍巖的擾動，以最大程度地保證圍巖結(jié)構(gòu)的完整性[15]。

2008年5月30日，輔助洞A洞AK9+(665～673) m掌子面右側(cè)邊墻發(fā)生極強巖爆，如圖5(a)所示。此后該洞段用上述控制爆破設(shè)計和爆破進尺，開挖完成后掌子面采用掛鋼筋網(wǎng)，4 m長水脹式錨桿，并噴10 cm厚CF30鋼纖維混凝土對其封閉。7月6日，輔助洞A洞AK9+689m掌子面后方5 m洞段右側(cè)邊墻發(fā)生極強巖爆，具體情況見圖5(b)。這2次極強巖爆發(fā)生時間相隔約40 d，巖爆的頻次和等級均有所下降。除了采用上述的控制爆破技術(shù)外，開挖后立即對圍巖進行強支護，提高圍巖的抗沖擊能力，也是錦屏輔助洞巖爆傾向性最強的洞段得以順利通過的有力保證。

(a) AK9+(665～673) m洞段(2008年5月30日)

5 結(jié) 論

本文總結(jié)了錦屏輔助洞基于控制爆破技術(shù)的巖爆主動控制實踐，得到了如下結(jié)論：

(1)錦屏輔助洞巖爆的沿線分布十分明確地表明巖爆發(fā)生的基本條件為高地應(yīng)力和高儲能巖體，因此，巖爆的防治應(yīng)該一方面改善圍巖應(yīng)力集中的程度，另一方面降低巖體的儲能能力。另外輔助洞巖爆的時空分布規(guī)律則說明了控制爆破擾動對降低巖爆頻次和等級的重要性。

(2)應(yīng)力解除爆破可以有效降低掌子面前方圍巖應(yīng)力集中的程度，降低巖爆風(fēng)險。錦屏輔助洞的實踐表明，對強烈和極強巖爆洞段進行應(yīng)力解除爆破設(shè)計時，除應(yīng)特別重視掌子面前方巖體中應(yīng)力集中區(qū)的解除外，還應(yīng)加強對洞身圍巖一定深度內(nèi)應(yīng)力集中區(qū)的處理。應(yīng)力解除爆破設(shè)計時，相鄰解除孔之間的間距宜在1～2 m之間，不宜過大，否則將影響應(yīng)力解除的效率和效果。

(3)在錦屏輔助洞開挖巖爆控制實踐過程中，廣泛采用了控制爆破技術(shù)，通過改善洞室周邊輪廓形狀和調(diào)整鉆孔作業(yè)順序等措施，從一定程度上改善了圍巖的應(yīng)力集中狀態(tài)，同時將錦屏輔助洞強烈?guī)r爆洞段爆破掘進進尺控制在2 m以內(nèi)，對控制強烈?guī)r爆和極強巖爆發(fā)生的頻率和等級起到了積極作用。

參考文獻：

[1] 張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].北京：地質(zhì)出版社，1980.(ZHANG Zhuo-yuan，WANG Shi-tian，WANG Lan-sheng.Principles of Engineering Geology Analysis [M].Beijing：Geological Publishing House，1980.(in Chinese))

[2] 張咸恭，王思敬,張倬元，等.中國工程地質(zhì)學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社，2000.(ZHANG Xian-gong，WANG Si-jing，ZHANG Zhuo-yuan，etal.China Engineering Geology [M].Beijing：Science Press，2000.(in Chinese))

[3] 徐則民，黃潤秋.長大隧道巖爆災(zāi)害研究進展[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2004，13(2)：16-24.(XU Ze-min，HUANG Run-qiu.Progress in Research on Rock Burst Hazard of Long Tunnel with Large Section[J].Journal of Natural Disasters，2004，13(2)：16-24.(in Chinese))

[4] 陶振宇.若干電站地下工程建設(shè)中的巖爆問題[J].水力發(fā)電,1988, (7)：40-45.(TAO Zhen-yu.Some Problems of Rockburst in Power Station Underground Construction[J].Water Power，1988，(7)：40-45.(in Chinese))

[5] DOWDING C H，ANDERSSON C A.Potential for Rock Bursting and Stability in Deep Caverns [J] .Engineering Geology，1986，22(3)：265-279.

[6] SHAN Zhi-gang，YAN Peng.Management of Rock Bursts during Excavation of the Deep Tunnels in Jinping II Hydropower Station [J].Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2010，69(3)：353-363.

[7] WANG Ji-min，ZENG Xiong-hui，ZHOU Ji-fang.Practices on Rock Burst Prevention and Control in Headrace Tunnels of Jinping II Hydropower Station [J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2012，4(3)：258-268.

[8] TANG Bao-yao.Rock-burst Control Using Distress Blasting [D].Montreal, Canada:McGill University, 2000.

[9] 張津生，陸家佑，賈愚如.天生橋二級水電站引水隧洞巖爆研究[J].水力發(fā)電，1991,(10): 34-37(ZHANG Jin-sheng, LU Jia-you, JIA Yu-ru.Study on Rockburst in Diversion Tunnel of Tianshengqiao Secondary Hydropower Station[J].Water Power，1991,(10): 34-37.(in Chinese))

[10] 侯永和，胡威東，陳壽根.超前爆破應(yīng)力解除法及其應(yīng)用[J].東北水利水電，2008，26(11)：17-20.(HOU Yong-he，HU Wei-dong，CHEN Shou-gen.Advance Blasting Stress Relieving Method and Its Application[J].Water Resources & Hydropower of Northeast China，2008，26(11)：17-20.(in Chinese ))

[11] 吳建福.錦屏輔助洞巖爆洞段施工技術(shù)措施[J].西部探礦工程,2008，(10):199-201.(WU Jian-fu.Construction Technical Measures in the Rockburst Tunnel Section of Jinping Assistant Tunnel[J].West-china Exploration Engineering, 2008, (10): 199-201.(in Chinese))

[12] 楊家松，侯永和，王崇緒.錦屏輔助洞西端巖爆區(qū)段防治措施研究[J].四川建筑，2008，28(1)：166-169.(YANG Jia-song,HOU Yong-he，WANG Chong-xu.Research on Prevention of Rock Burst in the West End of Jinping Assistant Tunnel[J].Sichuan Architecture，2008，28(1)：166-169.(in Chinese))

[13] 武選正，李名川，伍宇騰.錦屏水電樞紐輔助洞工程巖爆現(xiàn)象分析及防治措施[J].山東大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2008，38(3)：28-33.(WU Xuan-zheng，LI Ming-chuan，WU Yu-teng.Analysis and Prevention Measures for Rock-burst in the Auxiliary Tunnel of the Jinping Hydropower Station[J].Journal of Shandong University (Engineering Science)，2008，38(3)：28-33.(in Chinese))

[14] 徐則民，黃潤秋，羅杏春，等.靜荷載理論在巖爆研究中的局限性及巖爆巖石動力學(xué)機理的初步分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(8)：1255-1262.(XU Ze-min，HUANG Run-qiu，LUO Xin-chun，etal.Limitations of Static Load Theory in Rockburst Research and Preliminary Analysis on Dynamics Mechanism of Rockburst [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(8)：1255-1262.(in Chinese))

[15] 倪自玉，王 博.錦屏輔助洞巖爆防治技術(shù)研究[J].山西建筑，2009，35(26)：97-99.(NI Zi-yu，WANG Bo.Research on Prevention of Rock Burst in Jinping Assistant Tunnel[J].Shanxi Architecture，2009，35(26)：97-99.(in Chinese))