金平水電站地下洞室施工的巖爆預防及處理措施

薛 志, 郝利軍, 謝仲文

(中國水利水電第五工程局有限公司,四川成都 610066)

1 工程概況

金平水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)的大渡河左岸支流金湯河干流中上游,為金湯河干流梯級開發(fā)的第一級水電站,混合式開發(fā)。工程區(qū)位于青藏高原向四川盆地的過渡地帶,地勢總體呈現(xiàn)出北西高、南東低的特點,山體展布方向與主要構(gòu)造線走向相近。區(qū)內(nèi)河谷深切,山勢巍峨,兩岸山脊高程一般為 3 500～5 500 m,相對高差 2 000～2 500 m,屬高山峽谷地貌。

金平水電站引水隧洞下段及地下廠房洞室群主要包括引水隧洞及壓力管道、氣墊式調(diào)壓室及交通洞、主副廠房、主變洞、主變運輸洞、母線洞、尾閘室、進廠交通洞、尾水洞、出線洞、主廠房排風洞、尾閘室排風洞、公地溝引水副洞、上下層排水洞及施工支洞等洞室。廠區(qū)樞紐建筑物采用主副廠房、主變洞和尾閘室三大洞室平行布置,從上游向下游分別為主廠房、主變洞、尾閘室,洞室間巖壁厚度分別為 28 m和 21.5 m。主廠房縱軸線方向為 N 25°E,其與巖體主要結(jié)構(gòu)面走向交角在50°～80°之間,與地應力的最大主應力夾角為42.15°。在主廠房與主變洞之間布置了兩條母線洞和一條主變運輸洞,其軸線方向與主廠房縱軸線方向垂直。

金平水電站引水隧洞下段及地下廠房洞室群埋深大于 300 m,圍巖巖性主要為泥盆系中統(tǒng)下段淺灰色、灰白色厚層含生物骨屑結(jié)晶灰?guī)r、白云石化結(jié)晶灰?guī)r,厚 ～巨厚層結(jié)構(gòu),巖體呈 微 新狀態(tài),完整性好,圍巖類別屬于Ⅱ ～Ⅲ類。根據(jù)前期勘探平洞資料,上述幾類巖體單軸抗壓強度大于60 M P a,屬堅硬巖石。在金平水電站地下廠房處實測最小主應力平均值為 5.85 M P a。

2 巖爆的破壞機理及產(chǎn)生條件

2.1 巖爆的破壞機理

當構(gòu)造應力較大、巖體中有較高的脆性度和彈性時,一旦由于地下工程活動破壞了巖體原有的平衡狀態(tài)、洞室開挖后圍巖應力大于圍巖強度時,巖體中積聚的能量將導致巖石破壞并將破壞巖石拋出。

2.2 巖爆產(chǎn)生的條件

巖爆形成的條件:高地應力區(qū)、具有足夠的上覆巖體厚度(埋藏深度多大于 200 m)、圍巖應力集中、巖體新鮮、堅硬完整、巖體中有較高的脆性度和彈性、無地下水。

在高應力地區(qū)開挖洞室,高應力和巖石堅硬完整、無水干燥是發(fā)生巖爆的主要因素。金平水電站地下廠房洞室群埋深較大,地質(zhì)構(gòu)造復雜,處于中高地應力區(qū),局部高地應力可能產(chǎn)生輕微 ～中等巖爆。

因此,金平水電站地下洞室群具備產(chǎn)生巖爆的基本地質(zhì)條件。事實上,金平水電站壓力管道、引水隧洞、調(diào)壓室交通洞、尾閘室排風洞、上層排水洞、三大洞室、尾水洞等洞室在開挖過程中都發(fā)生了不同程度的巖爆,幾乎目前所有已開挖的洞室在開挖過程中均發(fā)生過巖爆。其中,壓力管道及引水隧洞巖爆發(fā)生最為頻繁、程度最為劇烈。

3 巖爆的特點

挪威的羅申斯(R u s s e n e s)將巖爆的活動性分為四級:無巖爆、低巖爆活動性(輕微巖爆)、中等巖爆活動性(中型巖爆)、高巖爆活動性。

就金平水電站地下洞室而言,主要巖爆為輕微巖爆和中型巖爆。低巖爆活動性(輕微巖爆)特征:有使巖石松弛和開裂的跡象,巖石中略有聲音,局部有巖塊剝落;中等巖爆活動性(中型巖爆)特征:巖石大量成片松弛,有隨時間發(fā)生周界變形的趨勢,巖石中有強烈的開裂聲并伴有爆塊墜下。

(1)在巖爆未發(fā)生前,并無明顯的征兆,在一般認為不會掉落石塊的地方,也會突然發(fā)生巖石爆裂聲響,石塊有時應聲而下,有時暫不墜下。例如,在金平水電站主變洞、尾水洞開挖過程中,曾多次出現(xiàn)只聽到空響、不見巖塊爆落的情況出現(xiàn),在一定程度上造成人心恐慌,施工受到很大影響。

(2)巖爆發(fā)生的地點多在新開挖的工作面附近,個別的也有距新開挖工作面較遠。常見的巖爆部位以頂拱或拱腰部位為多;巖爆在開挖后陸續(xù)出現(xiàn),多在爆破后的 2～3 h,24 h內(nèi)最為明顯,延續(xù)時間一般為 1～2個月,有的延長 1年以上,事前一般無明顯征兆。該工程在調(diào)壓室交通洞開挖完工兩個月后、距離掌子面 10 m范圍內(nèi)發(fā)生過輕微巖爆,在很大程度上說明準確判斷巖爆發(fā)生的時機是一件很難把握的事。

(3)巖爆時圍巖破壞的規(guī)模小者幾厘米厚,大者可多達幾十噸重。石塊由母巖彈出,小者形狀常呈中間厚、周邊薄、不規(guī)則的片狀脫落,脫落面多與巖壁平行。調(diào)壓室交通洞、壓力管道及引水隧洞頂拱部位曾多次發(fā)生中型巖爆,爆塊塊徑由數(shù)公分 ～數(shù)十公分不等,沿結(jié)構(gòu)面爆落,直至巖體穩(wěn)定,巖爆停止,造成頂拱沿結(jié)構(gòu)面形成 5～10 m3的空腔(圖 1)。

(4)巖爆圍巖的破壞過程。一般新鮮、堅硬的巖體先產(chǎn)生聲響,伴隨片狀剝落的裂隙出現(xiàn),裂隙一旦貫通即產(chǎn)生剝落或彈出,屬于表面巖爆;強度較低的巖體則在離隧洞掌子面以里一定距離產(chǎn)生,造成向洞內(nèi)臨空面沖擊力量最大,這種巖爆屬于深部沖擊型。金平水電站引水隧洞下段及地下廠房洞室群在開挖過程中發(fā)生的主要巖爆為表面巖爆,大多數(shù)巖爆發(fā)生在 3日內(nèi)新開挖暴露出的頂拱圍巖,發(fā)生過程中多數(shù)伴有響聲,極少數(shù)巖爆沒有聲響,巖塊突然墜落,讓人猝不及防,人員設備來不及撤離躲避。

圖 1 壓力管道(樁號管 0+179.4～管 0+189.4段)因巖爆造成頂拱形成的空腔

4 巖爆的預防

(1)勤觀察。在施工過程中,一方面應加強對周圍圍巖的觀測,摸清圍巖變化狀況,指導工程施工。另一方面應加強對周圍圍巖的觀察,一旦發(fā)現(xiàn)有異常聲響或變化,立即組織施工人員撤離至安全地帶,同時向有關(guān)單位匯報情況,以便采取相應的安全防護措施。針對巖爆無明顯征兆的特點,勤于觀察為本工程最普遍采用的手段,在很大程度上可以避免或減輕巖爆帶來的損失和災害。

圖 2 引水隧洞(樁號引 7+765～引 7+753段)調(diào)整爆破參數(shù)后的斷面圖

(2)高壓水噴射掌子面及新開挖洞段圍巖(圖 2)。針對金平水電站地下洞室圍巖堅硬、脆性較大的特點,干燥洞段開挖后,立即向掌子面及以后約 10 m范圍內(nèi)的隧洞周邊噴射高壓水,以改變巖石表面的物理力學性質(zhì),降低巖石脆性、增強塑性,達到減弱巖爆劇烈程度的目的。根據(jù)目前金平水電站地下洞室的開挖情況看,滲水(或涌水)洞段發(fā)生巖爆的情況幾乎沒有,由此可以推斷:在滲水(或涌水)洞段開挖過程中巖爆發(fā)生的幾率很小;同時也說明對干燥洞段巖壁進行高壓噴水濕潤在一定程度上可減輕巖爆的劇烈程度甚至預防巖爆的發(fā)生。事實上,金平水電站地下洞室干燥洞段在采取高壓噴水措施后,巖爆的劇烈程度明顯降低。

(3)及時封閉巖面。針對開挖后可能出現(xiàn)巖爆的洞段,及時封閉巖面,減少巖壁在空氣中的暴露時間。由于在前期金平水電站地下洞室施工過程中,部分干燥洞段在開挖后未及時封閉,圍巖在空氣中暴露時間較長而造成巖石性質(zhì)發(fā)生變化、強度降低,圍巖應力大于巖石自身強度,進而造成巖爆的發(fā)生;后期洞挖施工后采取噴 5 c m厚 C 20混凝土及時封閉巖面的措施,取得了較為理想的效果。

(4)切實提高光面爆破效果,按照“短進尺、弱爆破”原則進行洞挖,并保證洞室輪廓規(guī)則圓順,避免應力集中;針對不同的圍巖情況,適時調(diào)整爆破參數(shù),盡可能減少爆破對圍巖的影響。金平水電站引水隧洞及壓力管道在前期施工過程中,由于光爆效果控制較差,開挖斷面成型差,圍巖應力集中造成巖爆發(fā)生;后期針對不同的圍巖狀況適時調(diào)整爆破參數(shù),取得了明顯效果:洞室成型好、巖爆程度減緩或巖爆消除,確保了施工安全,同時在一定程度上也降低了工程造價。

(5)在新開挖洞段圍巖施打徑向應力釋放孔。由于金平水電站地下洞室發(fā)生巖爆的頻率高,且造孔采用 Y T-28手風鉆造孔,造孔擾動使得圍巖穩(wěn)定情況進一步受到影響,從安全及釋放孔對巖爆的預防效果角度出發(fā),本工程中很少采用該種預防措施。

(6)在應力集中區(qū)域打設錨桿。為了減輕因交叉洞段應力集中而發(fā)生巖爆,本工程在洞室交叉部位施工前均沿交叉洞口周邊 50 c m進行鎖口錨桿施工,鎖住周邊巖石以確保洞室成型,減輕應力集中的影響,從而減緩巖爆的劇烈程度或消除巖爆。

(7)對施工設備進行必要的防護。在金平水電站主變洞一次挖機撬除危石排險過程中,頂拱發(fā)生中型巖爆,爆塊墜下造成挖機頂棚被砸。由于事前對挖機頂棚進行過防護,災害才未傷及到人,避免了一起人員傷害事故的發(fā)生。在很大程度上講,對洞內(nèi)施工設備采取必要的防護,不僅可以減輕或避免機械設備因巖爆帶來的損壞,而且可以保證駕駛?cè)藛T的生命安全,對減少和避免事故的發(fā)生具有重大意義。

(8)加強圍巖變形觀測。針對金平水電站諸如主副廠房之類大斷面開挖的洞室,在施工過程中及時進行了圍巖變形觀測,尤其是巖爆發(fā)生較為頻繁的洞段,針對圍巖變形做到防患于未然。本工程采用了 J S S 30A型系列數(shù)顯收斂儀對圍巖進行變形觀測,經(jīng)過將近一個月連續(xù)對主副廠房圍巖進行的變形觀測,并及時將變形觀測數(shù)據(jù)及時提供給業(yè)主、監(jiān)理、設計,為主副廠房頂拱后期采取錨索支護手段及時提供了基礎(chǔ)性參考資料。

5 巖爆的處理

一般情況下,對地下洞室發(fā)生的巖爆應采用行之有效的預防措施,降低巖爆的發(fā)生幾率,減小巖爆強度。對于巖爆較嚴重的部位,要先處理、后施工,以確保施工安全。金平水電站地下洞室工程針對不同程度的巖爆采取了不同的處理措施。由于巖爆伴隨著巨大的響聲和飛石,會使作業(yè)人員產(chǎn)生恐懼心理,因此,巖爆減弱后,在巖爆區(qū)用反鏟敲擊爆區(qū)四周,引誘巖爆盡快徹底發(fā)生并清理松動巖石,以消除作業(yè)人員的恐懼心理,保證開挖和支護快速通過巖爆區(qū)域。

5.1 輕微巖爆的處理

就輕微巖爆而言,本工程主要采取了以下支護措施:

(1)素噴 C 20混凝土,厚 5 c m;

(2)隨機錨桿支護,錨桿采用 φ 25鋼筋,L=3 m,外露 10 c m;

(3)支護范圍為頂拱范圍內(nèi)。

其中第(1)條多指上述“巖爆的預防”中混凝土封閉巖面。設置隨機錨桿的目的是為了鎖住較大的不穩(wěn)定石塊,防止由于巖爆造成石塊墜落甚至洞室垮塌。

5.2 中型巖爆的處理

至于中型巖爆,本工程主要采取了以下支護措施:

(1)素噴 C 20混凝土,厚 5 c m;

(2)系統(tǒng)錨桿支護,錨桿采用 φ 25鋼筋,L=3 m,間距 1 m,排距 1.5 m,外露 10 c m;

(3)掛 φ 8鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距 15 c m×15 c m;

(4)再噴 C 20混凝土,厚 5 c m,總計 10 c m;

(5)支護范圍為頂拱范圍內(nèi)。

尾水隧洞在樁號W0+081～W0+071段施工過程中發(fā)生了中型巖爆,爆塊不斷,巖爆斷斷續(xù)續(xù)在發(fā)生 1 d后程度有所減緩,經(jīng)過施工單位現(xiàn)場勘查,采用了上述安全支護措施,取得了理想效果(圖 3)。

圖 3 尾水隧洞樁號W0+081～W0+071段掛網(wǎng)噴護

金平水電站主副廠房在開挖過程中頂拱發(fā)生了中型巖爆、程度劇烈,遂對圍巖采取噴 5 c m厚C 25鋼纖維混凝土進行支護,但噴護后無明顯效果,巖爆依舊發(fā)生,巖爆將噴護的混凝土爆落。經(jīng)過業(yè)主、監(jiān)理、設計和施工單位現(xiàn)場勘查后,提出主副廠房人員設備撤離工作面暫停施工,待巖爆程度減緩后進行掛網(wǎng)噴護施工。經(jīng)過將近 20 d的待避停工后,主副廠房巖爆程度大大減緩,在采取了掛網(wǎng)噴護措施后,取得了預期效果。由此可見,在巖爆程度劇烈且噴護封閉巖面無明顯效果的情況下,采取待避的被動措施也未嘗不是一種較為安全有效的措施(圖 4)。

6 結(jié) 語

圖 4 主副廠房采取掛網(wǎng)噴護

由于目前巖爆條件下施工沒有成熟的經(jīng)驗可以借鑒,還不能完全避免巖爆的傷害,因此,巖爆防治應以防為主,有效的預測和安全防護才能確保施工安全。巖爆發(fā)生后的支護措施主要是防止巖石狀況持續(xù)惡化并保證施工人員及設備的安全。巖塊的爆落勢必會造成隧洞的超挖,所以,在施工中采取合理而有效的巖爆防治措施,減少巖爆發(fā)生的幾率和規(guī)模,對降低工程造價具有較大的現(xiàn)實意義。

金平水電站地下洞室的不同部位多次發(fā)生巖爆,施工單位通過現(xiàn)場觀察并經(jīng)不斷總結(jié)分析和實踐驗證,上述施工措施對巖爆的預防和處理取得了一定經(jīng)驗,為工程創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益和社會效益,為類似施工項目提供了借鑒。

[1] 雷登憲,李景玉.瀑布溝水電站地下洞室開挖中巖爆的預防與治理[J].水電站設計.2010,26(1):80～82.

[2] 水電水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)范,D L/T5135-2001[S].?