錦屏電站引水隧洞的巖爆特征及防治措施研究

盧小剛

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津　300222)

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錦屏電站引水隧洞的巖爆特征及防治措施研究

盧小剛

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津300222)

摘要：在高埋深、高地應(yīng)力地層中進(jìn)行大斷面引水隧洞施工中，巖爆的發(fā)生將危及施工安全和洞室成型質(zhì)量.基于此，結(jié)合錦屏二級(jí)水電站2#引水隧洞典型洞段的巖爆實(shí)例，總結(jié)了其時(shí)間、空間、烈度及形態(tài)方面的特征，提出了巖爆條件下支護(hù)設(shè)計(jì)的整體指導(dǎo)思想，給出了不同等級(jí)巖爆的支護(hù)參數(shù)，保證了后期開挖和支護(hù)的施工安全和施工進(jìn)度.

關(guān)鍵詞：地應(yīng)力;巖爆;水脹式錨桿;普通砂漿錨桿;能量釋放

1工程概況

錦屏二級(jí)水電站是國家開發(fā)投資公司和四川省投資集團(tuán)公司在雅礱江上投資興建的大型水電站，電站位于四川省涼山彝族自治州冕寧、木里和鹽源三縣交界處的雅礱江錦屏大河灣上，地理位置示意圖(見圖1)，系雅礱江卡拉至江口河段五級(jí)開發(fā)方式的第二個(gè)梯級(jí)電站.錦屏二級(jí)水電站利用雅礱江150 km錦屏大河灣的天然落差，截彎取直開挖隧洞引水發(fā)電，工程開挖平均長16.67 km、直徑12.4～3 m的引水隧洞4條，是目前世界埋深最深和規(guī)模最大的引水隧洞群.錦屏二級(jí)電站裝機(jī)60萬千瓦機(jī)組8臺(tái)，總裝機(jī)480萬kW，多年平均發(fā)電量242.3億kW·h.該電站是四川省除界河外最大水電站，也是雅礱江上西電東送工程的最大水電站.工程樞紐主要由首部攔河閘、引水系統(tǒng)、尾部地下廠房三大部分組成(見圖2引水洞布置圖)，錦屏電站具有305 m世界第一高壩(見圖3).

引水隧洞最大埋深2 525 m,全洞平均埋深1 610 m，其中埋深大于1 500 m的洞段長度為12 540～12 729 m.其中，2#引水隧洞采用鉆爆法，分上下臺(tái)階開挖的施工方案.2#引水隧洞段為馬蹄形斷面，開挖直徑13 m，斷面由三段圓弧曲線構(gòu)成.

圖1　地理位置示意圖

錦屏二級(jí)水電站2#引水隧洞的開挖洞段引(2)11+400～引(2)10+800巖爆最為頻發(fā)，出現(xiàn)了各種類型和各種烈度的巖爆，分析和總結(jié)該洞段的巖爆的宏觀特征能夠?yàn)楹罄m(xù)的開挖支護(hù)工作提供指導(dǎo).

圖2　引水洞布置圖

2錦屏二級(jí)水電站2#引水隧洞的巖爆特征

在巖爆發(fā)生頻次和巖爆強(qiáng)烈程度方面，都超過了相鄰的輔助洞與施工排水洞的相對(duì)應(yīng)洞段.該洞段主要巖性為T2b灰白色或灰黑色層厚狀細(xì)晶大理巖，局部洞斷為T2b灰黑色條帶狀細(xì)晶大理巖.巖爆區(qū)段長達(dá)195 m，占該洞段總長的32.5%.中等及以上強(qiáng)度的巖爆頻繁發(fā)生.統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該洞段巖爆在空間、時(shí)間及形態(tài)上均有一定的宏觀特征.

2.1巖爆時(shí)間特征

從現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的巖爆時(shí)間情況來看，引(2)11+400～引(2)10+800段共發(fā)生32次巖爆，除5次巖爆發(fā)生掌子面后方1倍洞徑以外洞段，其余27次是發(fā)生在剛開挖揭露圍巖洞段，其中有18次巖爆是發(fā)生在開挖爆破后的進(jìn)行的開挖出渣工序施工中，3次發(fā)生在開挖鉆孔工序施工中，6次發(fā)生在初期支護(hù)工序施工過程中.從統(tǒng)計(jì)情況看，巖爆多發(fā)生在開挖爆破后到初期支護(hù)完成前，2#引水隧洞巖爆洞段的出渣工序是長占4 h，初期支護(hù)工序時(shí)間占6 h，也就是說開挖爆破后4 h內(nèi)是巖爆的高發(fā)期，4～10 h內(nèi)是巖爆的衰弱期.

2.2巖爆的空間特征

圖4為掌子面后各區(qū)段內(nèi)巖爆統(tǒng)計(jì)長度.從圖中可以看出，在掌子面后0～6 m范圍內(nèi)巖爆發(fā)生最為頻繁，統(tǒng)計(jì)長度達(dá)132 m.隨著斷面離掌子面的距離增加，巖爆發(fā)生的次數(shù)也逐漸降低.在掌子面后12 m的區(qū)段，巖爆發(fā)生次數(shù)較少，統(tǒng)計(jì)長度僅有10 m.這表明絕大多數(shù)巖爆發(fā)生在掌子面后1倍洞徑以內(nèi)，滯后性巖爆基本沒有.

圖3　錦屏電站305 m世界第一高壩

圖4　掌子面后各區(qū)段內(nèi)巖爆統(tǒng)計(jì)長度

2.3巖爆破壞形態(tài)

巖爆產(chǎn)生的破壞巖體主要呈片狀、整體塊狀和碎塊狀.整體上講，當(dāng)巖爆烈度較小時(shí)，破壞巖體多呈片狀，這種巖爆一般屬于自勵(lì)型巖爆，其能量源與巖爆發(fā)生位置基本一致(見圖5).此時(shí)的圍巖一般較完整，不見明顯發(fā)育的結(jié)構(gòu)面.

圖5　自勵(lì)型巖爆

圖6　遠(yuǎn)程激發(fā)型巖爆

相應(yīng)地，巖爆烈度較大時(shí)，對(duì)應(yīng)的破壞巖體一般呈整體塊狀或碎塊狀，這種巖爆的能量源一般在圍巖一定深度范圍內(nèi)，屬于遠(yuǎn)程激發(fā)型巖爆(見圖6)，在2#隧洞10+890～880斷面，巖性為T2b灰黑色條帶狀細(xì)晶大理巖，層面和結(jié)構(gòu)面均較發(fā)育，破壞巖體基本呈碎塊狀.當(dāng)圍巖表面巖體結(jié)構(gòu)面或?qū)用孑^發(fā)育時(shí)，破壞巖體一般呈碎塊狀；而當(dāng)表面巖體較完整，發(fā)育有一條或兩條結(jié)構(gòu)面時(shí)，巖爆產(chǎn)生的破壞巖體一般呈整體塊狀，且破壞深度較大.

2.4巖爆烈度特征

2#引水隧洞在11+400～10+800洞段，巖爆不僅發(fā)生次數(shù)較多，而且破壞深度大，中等級(jí)中等以上的巖爆頻繁出現(xiàn).從表1中可以看出，雖然該洞段主要發(fā)育的是中等巖爆和輕微巖爆，但破壞性極大的強(qiáng)烈?guī)r爆和極強(qiáng)巖爆的統(tǒng)計(jì)長度也占總巖爆區(qū)長度達(dá)20%.表1為各等級(jí)巖爆段統(tǒng)計(jì)長度.

表1　各等級(jí)巖爆洞段統(tǒng)計(jì)長度

3巖爆洞段的支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1支護(hù)設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

錦屏引水隧洞中巖爆活動(dòng)的共同特點(diǎn)就是在高應(yīng)力環(huán)境下自身能夠儲(chǔ)備大量的能量并具有快速釋放的條件[1].認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，對(duì)這類巖爆的防治應(yīng)該從根本上減少其儲(chǔ)存的能量或者減緩其破壞時(shí)能量釋放的速度、消耗所釋放的能量.

在針對(duì)強(qiáng)至極強(qiáng)巖爆問題進(jìn)行支護(hù)控制設(shè)計(jì)時(shí)，必須明確一點(diǎn)，即對(duì)于極強(qiáng)巖爆，僅依賴支護(hù)系統(tǒng)很難達(dá)到完全控制的效果，因此，要求在極強(qiáng)巖爆發(fā)生時(shí)，支護(hù)系統(tǒng)能夠有較好的韌性和抗沖擊能力，很大程度上降低巖爆的級(jí)別，巖爆發(fā)生后巖塊可脫離母巖，但可被吊住或兜住.不同等級(jí)巖爆下對(duì)系統(tǒng)支護(hù)的要求(見表2).支護(hù)系統(tǒng)的效果可以根據(jù)巖爆發(fā)生后各支護(hù)單元的破壞現(xiàn)象來評(píng)價(jià)，比如，如錨桿未出現(xiàn)拉斷或剪斷，而是整體的脫離母巖，可能存在兩點(diǎn)原因：(1)錨桿與巖體間粘結(jié)強(qiáng)度不夠；(2)錨桿長度不夠.因此，極強(qiáng)巖爆支護(hù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是盡可能的保證巖爆發(fā)生時(shí)系統(tǒng)的整體性而不潰散[2].

表2　不同等級(jí)巖爆下對(duì)系統(tǒng)支護(hù)的要求

3.2支護(hù)型式與支護(hù)參數(shù)

3.2.1錨桿支護(hù)

在巖爆洞段，要求錨桿具有一定的抗剪切能力，能夠有效提高巖體在高應(yīng)力作用下的抗剪切破壞能力.對(duì)強(qiáng)烈及以上巖爆問題，還要求錨桿具有一定抵抗能量沖擊的能力，或者具有吸能機(jī)制，這就要求錨桿具有一定的延性，能在屈服狀態(tài)下工作.巖爆條件下對(duì)錨桿的要求包括以下五個(gè)方面：

(1)快速作用；

(2)支護(hù)力高；

(3)延性較好，能在屈服狀態(tài)下工作；

(4)具有吸能機(jī)制；

(5)能作為永久支護(hù)長期作用.

圖7為各種錨桿的荷載特征曲線，普通砂漿錨桿延性較差，說明吸收能量的能力較差.錐形錨桿的承載能力和延展性都較好，但普通砂漿錨桿和錐形錨桿都是注漿后才起作用.水脹式錨桿承載能力較普通砂漿錨桿差，但其屈服性能較好，具有良好的吸能能力.各種錨桿的吸能能力(見圖8)，可見，在這些類型的錨桿中，水脹式錨桿具有優(yōu)異的吸能能力，而普通砂漿錨桿和機(jī)械式錨桿吸能能力較差.因此，沒有一種錨桿能同時(shí)滿足這五個(gè)方面的要求，故在選取錨桿類型時(shí)，采用水脹式錨桿和普通砂漿錨桿的兩步支護(hù)法相對(duì)比較現(xiàn)實(shí).

水脹式錨桿作為重要的巖爆防治手段，主要利用其對(duì)能量的吸收能力，因此，其間距要根據(jù)巖爆所釋放能量的大小來確定[3].根據(jù)國內(nèi)外巖爆實(shí)錄統(tǒng)計(jì)結(jié)果，極強(qiáng)巖爆時(shí)，以巖塊動(dòng)能形式釋放的能量可達(dá)到100 kJ/m2.假設(shè)水脹式錨桿的最大抗拔力為80 kN，錨桿失效時(shí)的最大變形量為200 mm，則每根錨桿失效后所能吸收的能量為16 kJ.若錨桿間距為1.0 m×1.0 m，則系統(tǒng)布置的水漲式錨桿失效時(shí)所吸收的能量為16 kJ/m2，若錨桿間距為0.5 m×0.5 m，所吸收的能量為64 kJ/m2，但錨桿間距不應(yīng)小于0.5 m，控制巖爆災(zāi)害還需結(jié)合其他柔性支護(hù)結(jié)構(gòu).

圖7　各種錨桿的荷載特征曲線

圖8　各種錨桿的吸能能力

據(jù)上節(jié)分析可知，巖爆多發(fā)生掌子面后一倍洞徑以內(nèi)，所以隧洞開挖后，應(yīng)及時(shí)施作水脹式錨桿，噴射混凝土與掛設(shè)鋼筋網(wǎng).正因?yàn)殇摾w維混凝土具有比普通混凝土大得多的柔性，并且能夠承受大的變形而不會(huì)導(dǎo)致表面開裂，所以當(dāng)巖爆破壞程度較小時(shí)，它可以控制圍巖劈裂時(shí)裂紋向臨空面擴(kuò)展，使其不至于脫落.當(dāng)然巖爆烈度較高時(shí)，單靠它是無能為力的，但它也能吸收一定的能量，降低巖塊彈射速度.所以巖爆洞段應(yīng)采用鋼纖維混凝土代替素混凝土[4].

3.3.3支護(hù)參數(shù)

根據(jù)上述分析，結(jié)合前期的現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)經(jīng)驗(yàn)和以往工程經(jīng)驗(yàn)，為保證施工安全，降低巖爆災(zāi)害，2#洞在強(qiáng)至極強(qiáng)巖爆洞段各支護(hù)單元采用的參數(shù)(見表3).

表3　強(qiáng)巖爆洞段各種支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)及支護(hù)時(shí)機(jī)

4結(jié)論

本論文根據(jù)錦屏二級(jí)水電站2#引水隧洞的巖爆發(fā)育情況研究了巖爆洞段下的支護(hù)參數(shù)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論及經(jīng)驗(yàn)：

(1)巖爆多發(fā)生在開挖爆破后的進(jìn)行的開挖出渣工序施工中，且掌子面后0～6 m范圍內(nèi)巖爆發(fā)生最為頻繁，巖爆產(chǎn)生的破壞巖體主要呈片狀、整體塊狀和碎塊狀[5].

(2)巖爆條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)要求具有一定的延性，支護(hù)目的不是為了遏制巖爆發(fā)生，而是控制巖爆的破壞程度.采用柔性是減少巖爆破壞程度正確方向.

(3)巖爆條件下，支護(hù)應(yīng)采用水脹式錨桿和普通砂漿錨桿相結(jié)合的辦法.水脹式錨桿主要起臨時(shí)支護(hù)作用.砂漿錨桿可以作為永久支護(hù)加固圍巖.錦屏2#引水隧洞在巖爆段的支護(hù)參數(shù)可作為參考，針對(duì)不同巖爆烈度調(diào)整水脹式錨桿及砂漿錨桿的間距和錨固長度等.

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Characteristics of Rock Burst and Prevention Measures for Diversion Tunnel in Jinping Hydropower Station

LU Xiao-gang

(China Railway 18th Bureau Group the 4th Engineering Co., Ltd., Tianjin 300222, China)

Abstract:In the construction of large cross section diversion tunnel in high buried depth and high ground stress stratum, the rock burst occurs, which endangers the safety of construction and the quality of tunnel forming. In this paper, the characteristics of time, space, intensity and shape of the typical tunnel in the 2# diversion tunnel of the two stage hydropower station in Jinping are summarized, and the overall guiding ideology of the supporting design is proposed, as well as the support parameters for rock bursts at different brackets, to ensure the constructing safety and progress in the future excavation and supporting.

Key words:ground stress; rock burst; water expansion bolt; ordinary mortar bolt; energy release

中圖分類號(hào)：TV542

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-536X(2016)02-0023-05

作者簡介：盧小剛(1981-),甘肅省平?jīng)鍪腥?工程師，從事水利水電地下工程施工技術(shù)管理.

收稿日期：2015-10-08