周寧抽水蓄能電站地下廠房巖爆的預測及處理

林金洪，曾慶浪，陳冬冬

（中國電建華東勘測設計研究院福建區(qū)域總部，福建·福州 350003）

周寧抽水蓄能電站位于福建省寧德市周寧縣七步鎮(zhèn)境內(nèi)，裝機容量為1200MW（4×300MW），樞紐工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)及地面開關站等建筑物組成。前期交通隧洞工程于2015年12月23日開工，主體工程—輸水系統(tǒng)及地下廠房工程于2016年12月27日開工建設。地下廠房主要由主副廠房洞、主變洞、尾閘洞三大洞室組成。地下廠房（包括副廠房及安裝場）開挖尺寸為170m×25m×55m（長×寬×高），機組安裝高程為192.0m，廠房頂拱開挖高程233.5m，廠內(nèi)布置4臺單機300MW的單級混流可逆式水泵水輪機-發(fā)電電動機組；主變洞平行布置于主副廠房洞的下游，其間由母線洞、主變洞、電纜洞等相連通，主變洞開挖尺寸長寬高為161.0m×19.0m×22.3m；尾閘洞開挖尺寸長寬高為135.0m×7.8m×20.2m。地下廠房由中國電建第十二工程局有限公司承擔施工，由中國電建華東勘測設計研究院有限公司承擔勘測設計。2018年4月20日下水庫成功截流。截至2018年5月下旬，地下廠房已完成Ⅰ Ⅱ?qū)娱_挖及大部分支護（巖壁梁吊車梁支護及澆筑），Ⅲ層中間拉槽施工。地下廠房Ⅰ層上游側(cè)頂拱開挖時發(fā)生輕微巖爆現(xiàn)象，危及施工人員和進洞工作人員的安全和設備的安全，直接影響施工的進度及施工安全。因此，通過觀測，分析其特征和規(guī)律，初步總結(jié)了一套預防和治理巖爆的方法，供其他類似工程在施工時借鑒。

1 廠房工程地質(zhì)條件

周寧抽水蓄能電站地下廠房洞室深埋于山體內(nèi)，上覆巖體厚度約280～375m，圍巖為燕山晚期侵入的新鮮鉀長花崗巖，巖石致密堅硬。地應力量級屬中等偏低[1]（最大主應力σ1為8.56～13.30MPa，最小主應力σ3試驗值為3.68～5.75MPa），廠房軸線N23 W，與最大主應力方向交角3～26，交角相對較小，對廠房圍巖穩(wěn)定有利。地下廠房圍巖未見大的斷層破碎帶通過，但陡傾角的小規(guī)模斷層較發(fā)育、共揭露10條斷層，自北而南分別為f58、f65、f67、f64、f53、f61、f52、f63、f56、f69，前8條位于主廠房部位，后2條位于副廠房部位。上述以f61斷層規(guī)模最大，寬0.4～0.8m，帶內(nèi)為全風化碎塊巖及白色斷層泥，中間為弱風化碎塊巖，沿斷層面滴水；其次為f52、f58、f64、f67等斷層，寬0.3～0.6m，帶內(nèi)為全～強風化碎裂巖、碎塊巖及斷層泥，沿斷層面多滲滴水；其它斷層寬多在0.2m以下。斷層多為NE向、陡傾角、壓性，對廠房圍巖穩(wěn)定影響較小。廠房區(qū)發(fā)育q1和q2兩條石英脈，寬度0.2～0.6m，夾角大于60，與圍巖膠結(jié)較好，巖體較完整，對廠房圍巖穩(wěn)定影響較小。節(jié)理較發(fā)育～發(fā)育，局部發(fā)育緩傾角節(jié)理，巖體較完整—完整，局部完整性差，塊狀—次塊狀結(jié)構，巖體透水性微弱，總體干燥，圍巖以Ⅱ類為主，少量Ⅲ類。地下廠房洞圍巖基本穩(wěn)定，受斷層及節(jié)理切割組合影響，局部穩(wěn)定性差，采取噴錨支護措施。廠房頂拱圍巖巖體較完整為主，局部完整性差，廠頂北部發(fā)育f58、f65、f67等斷層，廠房中部頂拱發(fā)育f52、f53、f61～f64等斷層，南部頂拱發(fā)育f55、f56、f69等斷層。根據(jù)地下廠房頂拱斷層位置（圖1）分析，廠房北側(cè)f58與f65、廠房中部f53與f64、f52與f61之間組合可能形成上大下小的楔形體，其穩(wěn)定性差—不穩(wěn)定，可能產(chǎn)生坍塌、掉塊，需及時錨固處理。廠房頂拱節(jié)理發(fā)育，以中高傾角為主，多閉合，節(jié)理之間無大的不利組合，主要為局部節(jié)理間的不利組合形成的不穩(wěn)定小塊體，須及時工程處理[2]。

2 巖爆分級和發(fā)育特征與規(guī)律

圖1 廠房頂拱斷層位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of roof arch fault location

2.1 巖爆分級

在地下洞室開挖過程中，洞室硬質(zhì)脆性完整性好的巖體受高應力作用，急劇釋放彈性應變能的動力破壞，圍巖以掉落、彈射方式產(chǎn)生破壞并伴隨聲響和震動，出現(xiàn)巖爆[3]。

巖爆烈度分輕微巖爆（Ⅰ級）、中等巖爆（Ⅱ級）、強烈?guī)r爆（Ⅲ）、極強巖爆（Ⅳ級）等四級。輕微巖爆表現(xiàn)零星間斷發(fā)生，影響深度小于50cm，表層有爆脫、剝離現(xiàn)象，內(nèi)部有噼啪、撕裂聲，但無彈射現(xiàn)象，對施工影響較小。周寧抽蓄工程地下廠房Ⅰ層上游邊墻拱頂處（圖1）發(fā)生巖爆現(xiàn)象即為輕微巖爆。

2.2 地下廠房巖爆發(fā)育特征

巖爆，是一種巖體中聚積的彈性變形勢能在一定條件下的突然猛烈釋放，導致巖石爆裂并彈射出來的現(xiàn)象[4]。

周寧抽蓄電站地下廠房采用導洞先行開挖，導洞開挖完成后再進行廠房Ⅰ層上、下游側(cè)擴挖，2017年7月24日下午在擴挖過程中（圖2），廠房Ⅰ層上游邊墻樁號廠左7～廠左15m段拱頂處發(fā)生輕微巖爆現(xiàn)象，巖爆處離廠頂中導洞邊墻2m左右范圍內(nèi)（圖3a），方量約2m3，主要表現(xiàn)為多次發(fā)生掉塊和碎、片狀巖塊脫落（圖3b），并伴隨著清脆劈裂聲響現(xiàn)象，每次間隔約1h，持續(xù)2～3min。發(fā)生巖爆現(xiàn)象后，施工單位對巖爆處巖體進行高壓水沖洗后，未見巖爆發(fā)生，并于次日進行初噴混凝土噴護，后續(xù)再進行系統(tǒng)支護。

巖爆處地質(zhì)條件：本次巖爆位置為地下廠房Ⅰ層，埋深約330m，根據(jù)勘探鉆孔地應力測試，地下廠房區(qū)地應力較低，但應力分布不均，不同測點間存在比較大差異。地下廠房整體圍巖為新鮮鉀長花崗巖，巖體較完整～完整，干燥，與廠房軸線大角度相交的陡傾角結(jié)構面發(fā)育，結(jié)構面多平直，巖爆處廠右側(cè)節(jié)理平行發(fā)育，間距0.5～1m/條，廠左側(cè)則較為密集，間距5～10cm/條，巖爆范圍約1m寬（圖3b）。

2.3 巖爆原因分析

巖爆一般指在高地應力區(qū)地下洞室開挖過程中，由于巖體應力釋放導致巖塊驟然以爆裂形式，從洞室周邊巖體內(nèi)飛射出巖塊的現(xiàn)象。

圖2 地下廠房Ⅰ層開挖順序Fig.2 The underground powerhouse excavation sequence of layer

圖3 廠房Ⅰ層巖爆位置Fig. The location of rock burst in workshop

周寧抽蓄電站地下廠房區(qū)埋深280～375m，地應力較低，根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50287-2016），本工程地下洞室發(fā)生巖爆的臨界埋深為430m，而地下廠房區(qū)最大埋深均小于400m[4-5]，小于巖爆的臨界埋深。本次地下廠房發(fā)生輕微巖爆原因初步分析有以下幾個方面：

（1）巖體質(zhì)量好

本次巖爆部位巖性為鉀長花崗巖，巖體新鮮完整，洞室干燥，巖體飽和抗壓強度103MPa，為堅硬巖石、脆性巖石，強度高，地應力容易集中。

（2）人為因素形成應力集中

由于地下廠房中導洞幾乎為方形，中導洞開挖后，改變了廠房圍巖的應力分布，在其拱頂兩側(cè)形成應力高度集中區(qū)，本次巖爆部位正好位于此應力集中區(qū)。

（3）地質(zhì)構造應力集中

地質(zhì)構造也是應力集中的一個因素，地下廠房洞室結(jié)構面主要以與洞室大角度相交為主，本次巖爆部位正好是f52斷層附近，巖爆部位兩側(cè)發(fā)育近平行的與洞軸線大角度相交的多組結(jié)構面，受結(jié)構面擠壓，在結(jié)構面間的巖體應力易集中。

3 巖爆的預測

3.1 資料收集

收集巖爆資料主要從以下方面考慮：

（1）巖體特性：完整性、強度、構造發(fā)育程度、透水性、富水性、地下水位。

（2）地應力測試：主應力大小，方向。

（3）洞室開挖斷面、走向、埋深。

3.2 根據(jù)圍巖巖體特性與實測地應力資料進行預測

按照開挖后應力條件，評價巖爆發(fā)生的可能性。當圍巖周邊應力接近巖體強度時，巖爆現(xiàn)象將比較劇烈；當圍巖周邊應力小于巖體強度時，一般巖爆現(xiàn)象不太劇烈。

3.3 施工階段利用巖爆發(fā)生的響聲預報巖爆的位置

本次廠房內(nèi)局部發(fā)生輕微巖爆現(xiàn)象，根據(jù)上述原因分析，周寧抽蓄電站地下洞室群局部存在輕微巖爆的條件。尤其是以下部位：地下廠房、主變洞、尾閘洞平行布置，與主構造面大角度相交，且?guī)r體穩(wěn)定性好，存在結(jié)構面間巖體應力集中條件，尤其是f52斷層部位。目前主副廠房和主變洞均已采用近方形中導洞開挖，邊拱應力高度集中，在其擴挖后，邊拱部位應力突然釋放，可能發(fā)生輕微巖爆；尾水隧洞、引水下斜井及下平洞等大埋深洞室，應力將增加，其圍巖巖體為新鮮花崗巖，巖體質(zhì)量好，局部存在發(fā)生輕微巖爆的條件。

3.4 現(xiàn)場地質(zhì)經(jīng)驗判斷法(近距離預報)

根據(jù)每次開挖后掌子面所揭露的結(jié)構面發(fā)育程度，巖體的完整性，地下水發(fā)育情況等來預測巖爆的發(fā)生。

4 巖爆的防治措施和支護

巖爆原因一般是由于巖體應力釋放形成，新鮮完整的高強度堅硬巖應力易集中、平行掌子面的結(jié)構面間應力易集中、地下洞室形態(tài)對應力分布比較大影響。根據(jù)周寧抽蓄電站的地質(zhì)條件及洞室施工情況推測分析，提出以下處理要求即具體處理措施：

4.1 巖爆的防治措施

（1）對廠房Ⅰ層未擴挖段的中導洞邊拱下方進行淺孔施工，并對未擴挖部位進行噴水保濕，以釋放中導洞的邊拱應力。

（2）對主變洞中導洞兩側(cè)邊拱下方進行淺孔施工，并對未擴挖部位進行噴水保濕，以釋放中導洞的邊拱應力。

（3）各洞室每次開挖后，盡可能對靠近掌子面50m范圍內(nèi)進行噴水沖洗。每循環(huán)放炮后，對工作面附近巖壁噴射高壓水沖洗，促進圍巖應力釋放。

（4）后續(xù)洞室開挖優(yōu)化施工方案，如中導洞形狀，盡量減少人為地造成應力集中。

（5）加強作業(yè)人員的巖爆基本知識和防護教育，危險期（如開挖后有輕微聲響或巖體掉落現(xiàn)象時）作業(yè)人員穿防砸背心、防砸鞋，可有效預防巖爆產(chǎn)生的飛石擊傷。作業(yè)時派有經(jīng)驗的人員進行監(jiān)護，發(fā)生異常時及時撤離作業(yè)人員。

（6）改善圍巖受力狀態(tài)及物理力學性質(zhì)，降低對圍巖的擾動，應“短進尺、弱爆破”掘進，及時噴錨支護?？刂票?，施工中采用淺孔多循環(huán)，嚴格控制最大單響藥量，以減輕對圍巖的擾動。嚴格控制光爆孔造孔質(zhì)量，減少局部地段發(fā)生突變，從而改善圍巖的應力條件，以防止破壞性巖爆的發(fā)生[6]。

4.2 廠房洞頂支護措施

錨桿28，L=8m@1.5m×@1.5m，入巖7.85m；

錨桿25，L=6m@3m×@1.5m，入巖5.85m；兩種錨桿交錯布置。

系統(tǒng)掛網(wǎng)噴混凝土厚15cm。

4.3 廠房拱座處理措施

錨桿28，L=8m@1.5m×@1.5m，入巖7.85m，3排拱座加強錨桿。

系統(tǒng)掛網(wǎng)噴混凝土厚15cm。

5 結(jié)論與建議

（1）細化施工組織，對未擴挖部位進行噴水保濕，各洞室每次開挖后，盡可能對掌子面之前50m范圍內(nèi)進行噴水沖洗，人為地造成中導洞的邊拱應力擴散。

（2）加強作業(yè)人員的巖爆基本知識和防護教育，危險期（如開挖后有輕微聲響或巖體掉落現(xiàn)象時）作業(yè)人員穿防砸背心、防砸鞋，可有效預防巖爆產(chǎn)生的飛石擊傷。作業(yè)時派有經(jīng)驗的人員進行監(jiān)護，發(fā)生異常時及時撤離作業(yè)人員。

（3）控制爆破，施工中采用淺孔多循環(huán)，嚴格控制最大單響藥量，以減輕對圍巖的擾動；嚴格控制光爆孔造孔質(zhì)量，減少局部地段發(fā)生突變，從而改善圍巖的應力條件，以防止破壞性巖爆的發(fā)生。

（4）巖爆洞段初期安全支護后，在有條件的情況下，應及時跟進二次永久襯砌支護，以免該洞段因暴露時間過長而重新出現(xiàn)二次巖爆現(xiàn)象，危及人員及設備的安全，并造成支護費用的增加。

（5）巖爆發(fā)生后，出現(xiàn)巖塊的爆落或彈射，勢必會造成隧洞的“超挖”，“超挖值”的大小有待研究。如果掌握了不同強度巖爆的具體“超挖值”，那么，可以在施工中采取更為合理而有效的對策措施，這對降低工程造價將有一定的現(xiàn)實意義。

（6）現(xiàn)場施工人員的現(xiàn)場觀察和施工地質(zhì)技術人員的提前預測、預報：通過觀察分析資料，找出巖爆發(fā)生的前兆與規(guī)律，逐步積累經(jīng)驗，關鍵做好巖爆預報，減少巖爆產(chǎn)生的危害。