猴子巖水電站特殊高地應(yīng)力地下洞室群巖爆防治關(guān)鍵技術(shù)研究

王 峻

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

川藏地區(qū)由于特殊的地理位置和地質(zhì)構(gòu)造使處于該區(qū)域的地下工程均面臨施工環(huán)境復(fù)雜、環(huán)境惡劣、“三高一深”、安全風(fēng)險(xiǎn)突出等問題。

猴子巖水電站是大渡河干流水電規(guī)劃調(diào)整推薦的22級(jí)開發(fā)方案中的第9座梯級(jí)電站，采用壩式開發(fā)，左岸為泄洪系統(tǒng)工程，右岸為引水發(fā)電系統(tǒng)工程。在三大洞室區(qū)域，有約近一半的山體將被挖除；各類洞室縱橫交錯(cuò)，僅右岸引水發(fā)電系統(tǒng)即布置有40余條洞室，總長(zhǎng)度達(dá)15 km。地下工程規(guī)模大，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，洞室布置的密集交錯(cuò)，猴子巖水電站地下洞室群三維圖見圖1。由于猴子巖水電站地下洞室群系統(tǒng)埋深大，自重應(yīng)力大，加之復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件的作用，形成了該工程建設(shè)及賦存的極端復(fù)雜和惡劣的外在客觀高地應(yīng)力環(huán)境，導(dǎo)致隧洞施工期內(nèi)高應(yīng)力誘發(fā)圍巖失穩(wěn)、巖爆災(zāi)害問題突出，嚴(yán)重制約了工程的順利施工和建設(shè)。結(jié)合猴子巖水電站地下洞室群高地應(yīng)力顯著的特點(diǎn)，從巖爆活動(dòng)特征分析、監(jiān)測(cè)成果反饋、防治技術(shù)等方面入手，結(jié)合已有工程案例經(jīng)驗(yàn)，提出了具體的施工方法，解決了工程施工中存在的實(shí)際問題，所取得的經(jīng)驗(yàn)具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖1 猴子巖水電站地下洞室群三維圖

2 存在的問題

2.1 特殊地應(yīng)力對(duì)洞室穩(wěn)定極為不利

三大洞室中的最大垂直埋深約660 m，最大水平埋深約300 m，圍巖強(qiáng)度比為2～4，屬于高～極高地應(yīng)力區(qū)。實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力為36.4 MPa，第二主應(yīng)力最大值達(dá)29.8 MPa，且與洞室軸向呈70°大角度相交，實(shí)測(cè)地應(yīng)力值的水平面投影方位角與廠房軸線、巖層走向關(guān)系見圖2。類比其他水電站，該工程第二主應(yīng)力與第一主應(yīng)力的比值約為0.82，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于錦屏水電站的0.56、拉西瓦水電站的0.69及白鶴灘水電站的0.48。猴子巖水電站與其他水電站地應(yīng)力特征對(duì)比情況見表1。

圖2 實(shí)測(cè)地應(yīng)力值的水平面投影方位角與廠房軸線、巖層走向關(guān)系圖

表1 猴子巖水電站與其他水電站地應(yīng)力特征對(duì)比表

2.2 巖爆現(xiàn)象突出

由于猴子巖水電站所具有的特殊的地應(yīng)力特征，使得開挖前巖體大圍壓積累的高變形能在開挖解除后將產(chǎn)生較大的臨空向張拉變形，巖爆、掉塊、松弛等現(xiàn)象突出，其地下洞室群巖爆現(xiàn)象見圖3，嚴(yán)重威脅到地下工程的施工，迫切需要對(duì)巖爆特征和機(jī)理進(jìn)行分析并制訂相應(yīng)的措施。

圖3 地下洞室群巖爆現(xiàn)象

3 巖爆特征和機(jī)理分析

由于猴子巖水電站地下洞室特殊的地質(zhì)條件，開挖后卸荷嚴(yán)重，巖爆現(xiàn)象頻發(fā)，其主要存在以下問題：(1)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)致地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律十分復(fù)雜；(2)猴子巖水電站高應(yīng)力卸荷力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜；(3)施工方法和施工過程增加了巖爆形成條件的復(fù)雜性；(4)巖爆的發(fā)生時(shí)間、等級(jí)及影響范圍難以預(yù)測(cè)。

技術(shù)人員通過對(duì)地下洞室群已發(fā)生的巖爆進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得知地下洞室群施工中巖爆的破壞模式主要有三種：結(jié)構(gòu)控制重力驅(qū)動(dòng)型、應(yīng)力驅(qū)動(dòng)型與復(fù)合驅(qū)動(dòng)型[1]，且以應(yīng)力驅(qū)動(dòng)型為主。針對(duì)以上情況，猴子巖水電站開展了微震監(jiān)測(cè)反饋。

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在國(guó)外已應(yīng)用多年，近些年在國(guó)內(nèi)的礦山、邊坡等巖土工程中也得到越來越廣泛的認(rèn)可和推廣 ，其具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[2]：(1)能夠確定巖體內(nèi)部破裂的位置和性質(zhì)；(2)由于其可接收地震波信息，故可將傳感器安裝在遠(yuǎn)離巖體易破壞區(qū)域，可以保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行而不易遭到破壞；(3)監(jiān)測(cè)范圍可以覆蓋很大的區(qū)域。

在猴子巖水電站地下洞室群施工期間，構(gòu)建了由加拿大ESG公司生產(chǎn)的礦山微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地下洞室群開挖卸荷過程圍巖損傷的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。通過微震活動(dòng)分析，監(jiān)測(cè)到個(gè)別工作面附近產(chǎn)生多個(gè)震級(jí)較強(qiáng)、能量較大且集中程度較高的微震事件，巖爆前兆較為明顯，預(yù)測(cè)該工作面附近發(fā)生中等巖爆的風(fēng)險(xiǎn)較大。據(jù)此，最終劃定了主要巖爆集中區(qū)域：廠房上游邊墻、廠房與主變室隔墻頂部、主變室頂部和尾水管、尾水洞等部位。鑒于開挖卸荷松弛對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)影響較大，因此，必需加強(qiáng)相關(guān)部位的施工節(jié)奏、應(yīng)力應(yīng)變、表觀變化及安全管控等各方面工作。

4 所采取的巖爆防治技術(shù)

項(xiàng)目部技術(shù)人員結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、通過不斷的實(shí)踐和總結(jié)，提出了深層預(yù)裂、薄層開挖、隨層支護(hù)的施工方法[3]，提前釋放部分地應(yīng)力并限制圍巖結(jié)構(gòu)的變形破壞；提出了快速加固策略[4]，形成了超前錨桿+快速隨機(jī)支護(hù)+系統(tǒng)支護(hù)的巖爆主動(dòng)防治措施，降低了巖爆造成的危害和突變風(fēng)險(xiǎn)。

4.1 提前釋放地應(yīng)力

對(duì)于水電站大型地下洞室，其廠房第三層及主變室、尾調(diào)室梯段頂拱層以下均需分兩層開挖，且單層厚度不大于5 m。為此，除了減小大量爆破對(duì)巖錨梁結(jié)構(gòu)和巖體產(chǎn)生的擾動(dòng)影響外，減小開挖層厚可以減小每次巖體應(yīng)力釋放的范圍，給予其足夠的二次應(yīng)力調(diào)整時(shí)間，同時(shí)有利于支護(hù)的及時(shí)跟進(jìn)，確保支護(hù)有效加固，防止開挖過程高邊墻圍巖卸荷損傷范圍及巖體應(yīng)力突增，避免巖爆突發(fā)現(xiàn)象。對(duì)于巖錨梁部位，為確保其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和巖臺(tái)成型質(zhì)量，在巖臺(tái)開挖前提前進(jìn)行了下一層的深孔預(yù)裂以提前釋放應(yīng)力，從而減少了后續(xù)爆破給巖錨梁下邊墻帶來的危害。

對(duì)于其他地下洞室，采用增設(shè)掌子面鉆孔、注水等必要措施提前釋放地應(yīng)力，并結(jié)合超前錨桿、隨機(jī)錨桿布孔進(jìn)行。

4.2 超前支護(hù)

在地下廠房、主變洞、尾水調(diào)壓室等大洞室中下層部位采用了設(shè)置斜孔(60°～75°)的超前加固措施，斜孔超前加固示意圖見圖4。提前加固下一層開挖巖體以提高巖體的完整性和抵抗力，提升預(yù)裂效果。

圖4 斜孔超前加固示意圖

對(duì)于巖錨梁等特殊結(jié)構(gòu)部位，采用保護(hù)層增設(shè)錨桿及固結(jié)灌漿的方法，提前加固永久巖體和不利地質(zhì)體以提高巖臺(tái)的成型質(zhì)量。巖錨梁保護(hù)層提前加固示意圖見圖5。

圖5 巖錨梁保護(hù)層提前加固示意圖

在其他地下洞室部位，設(shè)置了大仰角長(zhǎng)錨桿超前支護(hù)，φ32 mm，L=9 m，外傾角為30°～45°，環(huán)向間距1 m，縱向間距4 m。一方面對(duì)掌子面前方未開挖巖體進(jìn)行有效的加固，另一方面也起到了巖體的自身加固作用。

4.3 隨機(jī)支護(hù)

淺層支護(hù)相對(duì)于系統(tǒng)支護(hù)其工作量、施工難度相對(duì)較低，可實(shí)現(xiàn)淺層巖體的快速加固。針對(duì)大型地下洞室，在頂拱層開挖期間，增設(shè)了淺層隨機(jī)錨桿，φ25 mm，L=4.5 m，間排距參照設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)確定，以便于后期系統(tǒng)錨桿直接內(nèi)插設(shè)置。

針對(duì)微震監(jiān)測(cè)反映的巖爆風(fēng)險(xiǎn)部位，除了采取有必要的應(yīng)力釋放措施外，亦需對(duì)其進(jìn)行隨機(jī)補(bǔ)強(qiáng)加固，增設(shè)隨機(jī)錨桿、錨筋束等用以加固巖體。

4.4 快速支護(hù)

由于較高的第二主應(yīng)力影響，洞室開挖后淺層巖體會(huì)迅速遭到破壞，因此，必須制定“先短后長(zhǎng)，先易后難，先淺層支護(hù)，再深層支護(hù)”的支護(hù)策略，盡快施加支護(hù)。

由于該洞室群巖爆、巖體松弛現(xiàn)象突出，所有邊墻錨桿均增設(shè)了鋼墊板并與鋼筋網(wǎng)焊接為一體以改善支護(hù)受力條件，提升邊墻的支護(hù)作用；調(diào)整邊墻錨桿施工工藝為“先插桿后注漿”，規(guī)避了巖體松弛造成的錨桿孔塌孔帶來的錨桿安裝困難、影響支護(hù)施工時(shí)間的問題。

預(yù)應(yīng)力錨桿施工采用速凝錨固劑和緩凝砂漿一次注入、等強(qiáng)后即張拉的一次注漿施工工藝，節(jié)約了常規(guī)施工方法需進(jìn)行二次注漿的施工，盡早施加了預(yù)應(yīng)力，減緩了巖體卸荷向深層次發(fā)展。

5 結(jié) 語

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，以尾水洞為例，采取有效的施工措施前，發(fā)生大小塌方共計(jì)45次，巖爆塌方量達(dá)2 800 m3，塌方頻繁，規(guī)模大；采取有效的施工措施后，巖爆現(xiàn)象減少至2次，規(guī)模降低至15 m3，事實(shí)說明：治理效果明顯。目前，該電站已投產(chǎn)發(fā)電并達(dá)到設(shè)計(jì)要求。項(xiàng)目部技術(shù)人員歸納并總結(jié)出以下結(jié)論：

(1)猴子巖水電站地下發(fā)電系統(tǒng)洞室群開挖施工過程中，由于圍巖地應(yīng)力較高、節(jié)理較破碎，隨著開挖卸荷地應(yīng)力重新分布，在臨空面形成應(yīng)力集中，洞壁受壓導(dǎo)致垂直洞壁方向產(chǎn)生張應(yīng)力，形成了結(jié)構(gòu)控制重力驅(qū)動(dòng)型巖爆、應(yīng)力驅(qū)動(dòng)型巖爆與復(fù)合驅(qū)動(dòng)型巖爆，且以應(yīng)力驅(qū)動(dòng)型巖爆為主。

(2)根據(jù)洞室群地應(yīng)力特征，中等主應(yīng)力和最小主應(yīng)力測(cè)值較大且與廠房軸線呈大角度相交，在洞室開挖解除σ2、σ3后，將產(chǎn)生拉張應(yīng)力并使剪應(yīng)力增大，從而造成圍巖強(qiáng)烈劈裂破壞，這一點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的巖爆特征相符。

(3)為控制洞室開挖后強(qiáng)烈卸荷帶來的巖爆影響，根據(jù)地應(yīng)力特征，采取了提前釋放地應(yīng)力，設(shè)置超前錨桿的主動(dòng)防治措施，加固了洞周巖體，在一定程度上抑制了開挖后強(qiáng)烈卸荷帶來的洞室圍巖破壞，進(jìn)一步采取快速隨機(jī)支護(hù)和系統(tǒng)支護(hù)措施，降低了廠房頂拱、尾水管、尾水洞等部位的巖爆危害，保障了工程安全和施工安全。