錦屏二級水電站引水隧洞巖爆洞段開挖技術(shù)措施

李金輝，徐茂華

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 611130)

1 工程概述

錦屏二級水電站引水系統(tǒng)采用4洞8機(jī)布置形式，四條平行布置的引水隧洞平均洞線長度約為16．7km，隧洞中心距60m。引水隧洞開挖直徑為12．4 ～14．4m。

2 巖爆發(fā)生的特點

錦屏二級水電站引水隧洞沿線地層巖性主要為三迭系(T)中、上統(tǒng)的大理巖、灰?guī)r及砂巖、板巖。引水隧洞線路區(qū)地處西南高地應(yīng)力區(qū)，洞群沿線上覆巖體一般埋深為1500～2000m，最大埋深約為2525m，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點。隧洞線高程的最大和最小主應(yīng)力值分別為70．1MPa 和30．1MPa。

巖爆發(fā)生具有以下規(guī)律和特點:

(1)巖爆以輕微巖爆、中等巖爆為主，次為強(qiáng)烈?guī)r爆和少量極強(qiáng)巖爆。受其影響圍巖破壞較嚴(yán)重，洞室坍塌普遍。在高地應(yīng)力作用下的巖體多呈層狀劈裂破壞，破壞方式有片/層狀剝落、彎曲鼓折破裂、穹狀/楔狀爆裂三種，破壞深度以15～40cm居多，最深達(dá)2～2．5m，個別大于2．5m以上。

(2)引水隧洞洞室開挖采用TBM與鉆爆開挖相結(jié)合的方式，在洞室開挖掘進(jìn)至約10km時進(jìn)入潛在強(qiáng)巖爆洞段，隨著掘進(jìn)埋深的增加，巖爆頻發(fā)、等級越來越高。

(3)白山組大理巖地層是錦屏二級水電站引水隧洞巖爆強(qiáng)度最大、巖爆洞段最長的巖層。巖爆發(fā)生部位主要包括:埋深大、應(yīng)力集中洞段;巖體完整干燥、致密細(xì)粒結(jié)構(gòu)巖石部位;軟弱圍巖及裂隙密集帶與完整圍巖過渡帶附近，洞室交岔部位附近和長大貫通性剛性結(jié)構(gòu)面附近;洞室的北側(cè)起拱線附近，局部拱頂以及底板、掌子面也常發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆。

(4)巖爆一般在爆破后2～5h發(fā)生(約占70%)，多發(fā)生在距掌子面2倍洞徑范圍內(nèi)。極強(qiáng)巖爆滯后爆破可達(dá)5～20h，有時間歇10d至數(shù)天不等，甚至幾個月，距離掌子面達(dá)20～30m。

(5)巖爆具有突發(fā)性，巖爆前一般無明顯的征兆，巖爆經(jīng)常引發(fā)應(yīng)力型的坍塌，致使其破壞性也增大。

3 開挖采用的施工技術(shù)措施

針對錦屏二級水電站引水隧洞開挖巖爆具有的特點和施工環(huán)境，現(xiàn)場組織相關(guān)人員收集、整理、分析、比較了國內(nèi)外有關(guān)巖爆治理的相關(guān)文獻(xiàn)資料，對各種技術(shù)方案進(jìn)行了分析、比較、論證，通過專家咨詢、參建各方充分討論研究，確定了隧洞巖爆段施工專項方案。

錦屏二級水電站引水隧洞在巖爆洞段開挖施工采取了主動預(yù)防、被動治理相結(jié)合的方式，遵照“預(yù)防為主、防治結(jié)合”原則，采取了有針對性的施工方法與處理措施，以解決和保證施工安全、工程安全并在實施中不斷地改進(jìn)和完善。

3．1 主動預(yù)防技術(shù)措施

(1)地質(zhì)預(yù)報技術(shù)。

在引水隧洞施工過程中，堅持預(yù)報在前，先探后掘，最大限度地查明前方地質(zhì)狀況，以指導(dǎo)施工，規(guī)避安全風(fēng)險。巖爆預(yù)報采用宏觀地質(zhì)預(yù)測、TSP中長距離預(yù)報、短距離表面雷達(dá)等方法進(jìn)行綜合地質(zhì)預(yù)報。

采用工程地質(zhì)法對地面不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)報，TSP技術(shù)進(jìn)行隧洞內(nèi)150m的長距離探測，每100m預(yù)報一次，重復(fù)段為50m，必要時采用超前鉆探方法，同時輔助采用HSP技術(shù)作為TSP預(yù)報成果的對比驗證手段。短距離超前地質(zhì)預(yù)報是在長期超前地質(zhì)預(yù)報的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，預(yù)報距掌子面前方50m范圍內(nèi)的工程地質(zhì)條件，判斷圍巖類別等。

(2)微震監(jiān)測技術(shù)。

在大的應(yīng)力和巖爆地帶，應(yīng)力集中范圍始終難以確定，更無法確定在何部位會出現(xiàn)巖爆。錦屏工程在多次研究高地應(yīng)力下的圍巖狀態(tài)后，引進(jìn)了微震監(jiān)測技術(shù)，對有潛在巖爆的洞段進(jìn)行監(jiān)測，對掌子面前方40m的應(yīng)力范圍及程度做出了描述。

2010年10月23日～2011年11月21日，共獲得現(xiàn)場巖爆信息237次。其中191次提前進(jìn)行了比較準(zhǔn)確的巖爆范圍和等級預(yù)測，占80．6%;22次預(yù)測等級偏低，占9．3%;10次預(yù)測范圍偏離，占4．2%;14次未能提前預(yù)測(其中有9次主要是由于設(shè)備被盜、線纜受損過多無法定位事件、設(shè)備故障等原因造成，5次由于巖爆沒有出現(xiàn)明顯的巖爆前兆或監(jiān)測設(shè)備沒有采集到巖爆前兆信息)。

根據(jù)巖爆預(yù)測和發(fā)生情況，大多數(shù)巖爆具有前兆信息，通過微震監(jiān)測系統(tǒng)拾取并經(jīng)技術(shù)人員及時合理分析處理后大部分可提前預(yù)測。不少預(yù)測有巖爆風(fēng)險的區(qū)域，在監(jiān)理工程師督促承包人采取及時有效的支護(hù)措施后，避免了巖爆發(fā)生或降低了巖爆造成的破壞程度。只有少數(shù)巖爆前兆信息不明顯，加之設(shè)備線纜等出現(xiàn)意外原因，造成少數(shù)實際發(fā)生的巖爆未能被提前預(yù)測或預(yù)測的等級或范圍不準(zhǔn)確。

(3)爆破控制技術(shù)。

引水隧洞開挖斷面較大，采用上下臺階法開挖，先進(jìn)行上半斷面開挖，然后再進(jìn)行下半斷面開挖。

引水隧洞開挖施工采用光面爆破控制，盡可能使開挖面平順，可以避免因開挖面不平順引起圍巖局部應(yīng)力高度集中而導(dǎo)致的巖爆發(fā)生。

強(qiáng)～極強(qiáng)巖爆洞段采用短進(jìn)尺、弱爆破，減少每個開挖循環(huán)的進(jìn)尺，盡量減小發(fā)生巖爆的尺寸效應(yīng)，具體爆破參數(shù)見表1。

(4)應(yīng)力解除爆破技術(shù)。

表1 上斷面爆破參數(shù)對比表

應(yīng)力解除爆破的目的是解除或降低應(yīng)力集中區(qū)部位的高應(yīng)力。通過微震監(jiān)測判斷前方有應(yīng)力集中時，應(yīng)力解除爆破是最為有效的減輕或解除巖爆的手段。由于應(yīng)力解除爆破技術(shù)在錦屏二級水電站引水隧洞巖爆及潛在強(qiáng)巖爆洞段開挖施工中防巖爆效果較好，因此是被較普遍采用的技術(shù)。應(yīng)力解除爆破技術(shù)即在掌子面開挖鉆孔的同時，施打應(yīng)力解除爆破孔，孔深至少保證在2倍循環(huán)進(jìn)尺以上，根據(jù)實際使用效果，孔深在2．5倍循環(huán)進(jìn)尺以上應(yīng)力解除效果更好。鉆孔以10°～15°角向外成扇形分布，孔底接近但不超過開挖邊界，以爆破后不對開挖邊界造成破壞為宜。裝藥位置在2．5～3．5m位置，封堵50cm左右。

強(qiáng)～極強(qiáng)巖爆洞段開挖后根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用多臂鉆在巖爆部位施工徑向應(yīng)力釋放孔，用以釋放較高的地應(yīng)力，減輕巖爆強(qiáng)度。

(5)開挖后掌子面形態(tài)修正技術(shù)。

隧洞開挖后掌子面一帶的應(yīng)力集中區(qū)空間形態(tài)為“渦殼狀”區(qū)域，當(dāng)開挖面形態(tài)適應(yīng)這種應(yīng)力分布形態(tài)時，有利于維持圍巖的圍巖水平和圍巖強(qiáng)度，達(dá)到利用圍巖強(qiáng)度控制巖爆的目的。為此，監(jiān)理工程師建議承包人在巖爆多發(fā)地段將掌子面形態(tài)也修正為“渦殼狀”，中心部位凹進(jìn)，從中央到周邊平順過渡，形成總體上的弧形形態(tài)。但該開挖技術(shù)對測量、現(xiàn)場施工人員操作技術(shù)、鉆孔質(zhì)量要求較高、精細(xì)化管理程度要求較高且需施工人員在掌子面內(nèi)凹部位作業(yè)，危險系數(shù)較大，故不宜大規(guī)模普及應(yīng)用。

3．2 支護(hù)防護(hù)技術(shù)措施

(1)錨桿支護(hù)。

水脹式錨桿具備快速發(fā)揮作用的優(yōu)點，但其缺點是抗拉力、抗剪力較弱。因此，本工程在輕微、中等巖爆開挖洞段開挖完成后及時采用水脹式錨桿臨時支護(hù)，能快速發(fā)揮穩(wěn)定圍巖的作用。

漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿在施加應(yīng)力后即能發(fā)揮作用，同時比水脹式錨桿具有更好的抗拉和抗剪能力。中等及以上強(qiáng)巖爆洞段開挖施工，采用同系統(tǒng)普通砂漿錨桿等長度、等直徑、等間距漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿進(jìn)行巖爆治理，并將預(yù)應(yīng)力錨桿布置在掌子面后方15m范圍內(nèi)。

錨桿均配套安裝錨墊板，錨墊板的大小根據(jù)微震監(jiān)測所測到的應(yīng)力大小進(jìn)行調(diào)整，墊板尺寸一般采用20cm×20cm，最大達(dá)到30cm×30 cm。墊板與鋼筋網(wǎng)或柔性網(wǎng)連為一體，在巖爆或應(yīng)力釋放時，墊板起到保護(hù)效果，網(wǎng)片兜住塌落的巖石，以緩解應(yīng)力釋放的沖擊力度，可以有效地增加抗巖爆的能力。

(2)噴混凝土。

納米鋼纖維混凝土的應(yīng)用。在高地應(yīng)力巖爆坍塌洞段，對出露的圍巖需及時進(jìn)行封閉，以盡快起到支護(hù)效果。初噴混凝土強(qiáng)度需要盡快達(dá)到支護(hù)強(qiáng)度，納米混凝土在30min內(nèi)強(qiáng)度可達(dá)到至少15MPa以上。鋼纖維具有增加噴混凝土的抗剪和抗折能力的作用，納米鋼纖維噴混凝土能夠承受圍巖較大的變形而不致破壞。在巖爆強(qiáng)烈部位采用納米鋼纖維混凝土進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)，以起到保證現(xiàn)場安全、快速開挖的作用。

仿鋼纖維混凝土的應(yīng)用。鋼纖維的剛性大于仿鋼纖維，其拌制和長距離運輸后輸送泵泵送困難，極易堵管，并且優(yōu)質(zhì)的仿鋼纖維性能不低于鋼纖維，為減少對現(xiàn)場施工造成不必要的影響，在巖爆等級不高且引水隧洞內(nèi)長距離的部位，采用噴仿鋼纖維混凝土取代鋼纖維混凝土進(jìn)行支護(hù)。

現(xiàn)場噴射混凝土性能檢測結(jié)果見表2。

表2 現(xiàn)場噴射混凝土性能試驗成果統(tǒng)計表(大板試驗)

(3)施工作業(yè)安全防護(hù)。

引水隧洞巖爆洞段的開挖爆破、支護(hù)鉆孔設(shè)備采用機(jī)械造孔，如三臂鉆，并對三臂臺車采用鋼板進(jìn)行加固防護(hù)并嚴(yán)禁采用人工手風(fēng)鉆造孔。所有裝藥人員均佩戴鋼盔、身穿防彈背心等措施以盡量減小巖爆發(fā)生時帶來的危害。

(4)嚴(yán)格落實施工程序。

在輕微～極強(qiáng)等級巖爆段，其中強(qiáng)巖爆、極強(qiáng)巖爆一旦發(fā)生，破壞性較大，對工程影響較大，是巖爆段掘進(jìn)施工防治的重要監(jiān)控點。為保證強(qiáng)巖爆、極強(qiáng)巖爆段安全掘進(jìn)，研究制定了強(qiáng)巖爆、極強(qiáng)巖爆段安全施工流程，即巖爆預(yù)測預(yù)報、超前錨桿支護(hù)、應(yīng)力解除爆破、危石清理及其它、初噴納米鋼纖維混凝土、防巖爆臨時錨固支護(hù)、系統(tǒng)支護(hù)。在開挖施工過程中，監(jiān)理工程師要求承包商現(xiàn)場施工必須按照工序流程開展，上道工序未經(jīng)驗收簽字確認(rèn)，不得進(jìn)入下道工序施工，以保證工序環(huán)環(huán)緊扣及支護(hù)的及時性、完整性，最大程度降低了巖爆危害。

4 結(jié)語

在錦屏二級水電站引水隧洞開挖過程中，通過采取上述技術(shù)措施，在參建各方的共同努力下，四條引水隧洞均較合同工期提前實現(xiàn)了貫通，施工過程中未發(fā)生安全責(zé)任事故，開挖質(zhì)量滿足設(shè)計規(guī)范要求。

錦屏二級水電站引水隧洞開挖過程表明，在強(qiáng)巖爆洞段開挖過程中采用“事前預(yù)控、事中過程控制、事后糾偏控制”的科學(xué)控制手段，主動預(yù)防與被動防護(hù)相結(jié)合，有效降低了巖爆造成的危害，最大程度地減少了巖爆對現(xiàn)場施工的影響。