高地應力下大斷面隧洞施工巖爆工程對策

肖清華，秦 陽，代承勇，王洪濤

(西南交通大學，四川成都 610031)

巖爆是在深埋地下洞室施工掘進過程中經(jīng)常遇到的地質災害。發(fā)生時發(fā)出類似爆炸等聲響特征，并伴隨巖石剝落、巖塊彈射或崩塌掉塊等落體特征。錦屏二級水電站地下結構建筑主要包括地下廠房、4條引水隧洞、2條交通輔助洞、1條排水洞，其中隧洞長約16.67 km。引水隧洞群穿越錦屏山主峰山體且沿線上覆巖體埋深1 500～2 525m，受高地應力和地質條件等因素影響，巖爆發(fā)生頻繁。如4#引水隧洞開挖至埋深為1 300m的K15+295處時，從K15+370處開始出現(xiàn)較強巖爆現(xiàn)象。爆破開挖后3～4 h出現(xiàn)大片巖層剝落現(xiàn)象，剝落厚度在50～150 cm，超挖嚴重，排險后隧洞無洞形。在K15+315—K15+295處多次發(fā)生巖爆塌方，最大剝落巖坑可達6 m，導致臨時支護錨桿、鋼筋網(wǎng)隨落石掉下，且剝落范圍有向隧洞下游發(fā)展趨勢。K15+315—K15+300有松動的跡象，現(xiàn)場掌子面的鉆爆已停工，出渣、排險車輛及支護人員無法接近。另外，頂板和洞壁巖石在爆破和支護作業(yè)過程中不斷出現(xiàn)爆裂、松脫、剝落或拋擲現(xiàn)象，甚至多次出現(xiàn)大量頂板巖石塌落。巖爆如此頻繁，已使設備毀損，隧洞輪廓破壞，支護成本增加，施工人員心理亦出現(xiàn)障礙。如果考慮停工損失、支護成本和單循環(huán)進尺時間延長等因素，巖爆已對3#和4#引水隧洞施工造成了極大危害，甚至已經(jīng)影響到了整個工程建設的進程。由此可知，對錦屏二級水電站引水隧洞施工中出現(xiàn)的巖爆災害進行研究，已成為錦屏工程亟待解決的課題。

1 隧洞巖爆特征分析

1.1 巖爆形式

依據(jù)巖爆理論分析［1-3］，發(fā)生巖爆的巖性主要為條帶大理巖和灰黑大理巖，地層為鹽塘組T2y5，圍巖類別主要為Ⅱ～Ⅲ類，巖爆部位主要在拱頂、拱肩和隧洞邊墻，其破壞方式有片狀、層狀剝落與爆裂剝落，破壞性質為張性和張剪性，巖爆烈度基本為Ⅰ～Ⅱ級，屬于輕微巖爆。

錦屏隧洞施工中遇到的巖爆形式較為典型，多為掉塊甚至塌方。隧洞開挖后，圍巖中的應力重新分布并在某些區(qū)域集中，當集中應力超過巖石強度時，巖爆便會發(fā)生。引水隧洞巖爆的表現(xiàn)形式主要為拱頂和洞壁巖塊剝落、爆裂、彈射、片幫等，在不同的開挖地段，巖爆發(fā)生的數(shù)量和強度有所不同，不同強度的巖爆表現(xiàn)形式也有所不同。由目前4#引水隧洞東端開挖發(fā)生巖爆的實際情況看，巖爆類型可分別按運動及破壞方式劃分為剝落型、爆裂型兩種。剝落型巖爆中破裂的巖板部分呈貝殼狀或片狀與洞壁母巖剝離，巖板與母巖有裂隙，其余部分與母巖之間的整體性較好。爆裂型巖爆中巖體塊完全脫離母巖，已形成明顯的巖爆坑。如4#引水隧洞多次發(fā)生烈度較為強烈的巖爆，1次塌落巖體近20m3，另1次頂板剝落區(qū)域長×寬×厚達3 m×4 m×0.5m。

1.2 巖爆特征

在引水隧洞開挖過程中，發(fā)生巖爆經(jīng)常出現(xiàn)聲響特征。如在工作面剛鉆孔時可聽到巖體內部沉悶的巖體開裂聲，爆破后仍斷斷續(xù)續(xù)發(fā)出大如炮聲的聲響。在出渣和初期支護過程中，掌子面內部便發(fā)出沉悶如炮聲的巖體內部開裂聲，掌子面發(fā)生巖爆的聲響可以持續(xù)至10～24 h。掌子面后部一般輕微巖爆的聲音較為清脆，可以清晰地聽到“噼啪”的聲響。

按巖爆劇烈程度的不同，其破壞程度和爆落體特征也有所不同。剝落型巖爆，巖爆體一般為貝殼狀或片狀且大多一邊薄一邊厚，片體大小不等。輕微彈射型巖爆，爆體常為細長的橢圓片體，該片體中心厚周邊簿。爆裂型巖爆體多呈塊狀，最大巖塊達0.5m×0.6 m×0.3 m。

總的來說，巖層埋深越大，開挖時產生巖爆的強度和頻率就越高。比如4#引水隧洞，按照目前的進尺，越往里面進，巖爆發(fā)生的機率越大。從巖性來看，巖爆多發(fā)生在堅硬性脆的巖層中，如花崗巖、石英巖、片麻巖、斑巖、閃長巖、輝綠巖、砂巖、灰?guī)r、硬煤等。圍巖劈裂、彈射石塊，有開縫聲響或尖銳的爆裂聲響。

2 隧洞巖爆地質條件分析

引水隧洞線以Ⅲ，Ⅱ類圍巖為主，分別占54.1%和36.7%，Ⅳ，Ⅴ類圍巖分別占8.3%和0.9%。其中因巖爆引起圍巖類別降級Ⅱb，Ⅲb，Ⅳb，Ⅴb所占的比例分別為18.3%，6.9%，5.4%和0.9%，說明引水隧洞的總體成洞條件較好。

由于引水隧洞埋深大、地應力高、巖石堅硬，且?guī)r體結構完整，因此存在高地應力環(huán)境下的巖爆問題，并存在高外水壓力問題。從統(tǒng)計表中可以看出，在各類巖體中，均由兩部分組成，即正常的不良地質段和巖爆段。各類巖體中巖爆段占了很大的比重，Ⅳ，Ⅴ類圍巖主要分布在高地應力區(qū)，是強(Ⅲ級)及極強(Ⅳ)巖爆產生的圍巖，正常的斷層破碎帶所占比例較少。因此，施工過程中，支護措施應充分考慮巖爆的影響。

由前述引水隧洞所處工程地質條件可知，工程施工區(qū)域中除了因大埋深引起的巖體自重應力外，還有地質構造產生的構造應力，這些應力值非常大，已經(jīng)使得巖爆具備了必要的條件。從圍巖類別看，巖石均較為堅硬且?guī)r體結構完整。當隧洞開挖時，圍巖原本存在的高地應力或因施工擾動造成的局部集中的高應力無法得到完全釋放，當集中應力超過巖石強度時，巖爆便會發(fā)生。

3 巖爆工程對策

引水隧洞沿線的高強度圍巖是否發(fā)生巖爆，受到兩方面因素的控制:一是開挖輪廓線附近的地應力分布格局和應力量級;二是開挖過程對圍巖的擾動。因此，巖爆控制的主要方法也因此可以分為兩類，一類以解除圍巖應力為途經(jīng)，另一類則以降低開挖擾動為途徑。

對巖爆宜以防為主，主要目的是防止巖爆發(fā)生或者降低巖爆發(fā)生的等級，以使損失降低到最?。?-8］。一般巖爆段采用短進尺，弱爆破開挖。強烈與極強巖爆段，要求配合應力解除爆破開挖→危石清理及高壓水沖洗→及時噴護鋼纖維覆蓋巖面→及時實施防巖爆錨固措施(包括快速錨桿、掛網(wǎng)、鋼拱肋等)→后續(xù)實施系統(tǒng)錨桿支護。所以及時掛網(wǎng)噴射混凝土和打錨桿能有效減少巖爆發(fā)生的機率。

基于巖爆實際情況，提出“短進尺、高壓注水;調整施工工藝，合理支護;爆破解除應力”的巖爆對策分別適合于隧洞掘進工作面和開挖成形的洞身段。

3.1 掌子面巖爆處理方案

1)短進尺、高壓注水

常采用短進尺掘進，減少藥量和爆破頻率，控制光爆效果，以減少圍巖表面層應力集中現(xiàn)象。對輕微巖爆、中等巖爆區(qū):一般進尺控制在2 m左右，盡量全斷面開挖，一次成形，以減少圍巖應力平衡狀態(tài)破壞。對強巖爆和極強巖爆區(qū)，開挖進尺不宜＞2 m。施工后立即向掌子面及附近洞壁噴灑高壓水或利用炮眼及錨桿孔向巖體深部注水，目的是降低圍巖強度，增強其塑性，減弱其脆性，最終降低巖爆的劇烈程度。

2)調整施工作業(yè)方案，施作臨時錨桿，噴射納米纖維混凝土

對于巖爆烈度大且危險程度高的巖爆地段，適當調整作業(yè)甚至停工，退后一定距離待避。待巖爆自然緩解后，橇除松裂巖石，及時噴納米纖維混凝土。在邊拱及頂拱成放射狀傾斜向巖體內部鉆孔，并向孔內灌高壓水，使巖體有一定程度軟化，加快圍巖內部的應力釋放后再施工。

3)爆破解除應力

在正常爆破起爆過程中先行起爆應力解除孔，以提前預裂掌子面前方巖體，使掌子面的前方形成一個預先爆破松弛區(qū)，以改善掌子面前方的圍巖應力狀態(tài)。避免或減緩強烈的能量集中，并可使每一循環(huán)開挖在先期解除過高應力的低應力巖體條件中進行，降低了開挖導致的應力變化程度，消除高應力可能造成的嚴重影響。

3.2 成形洞段巖爆工程對策

1)鋼筋格柵、鋼拱架、系統(tǒng)錨桿加強支護隧洞下游，防止巖爆發(fā)展，提供安全作業(yè)空間

對巖爆剝落并有松動跡象的洞段，架設間距為75 cm的格柵拱架，系統(tǒng)錨桿采用φ25中空注漿錨桿，間距1 m。在巖爆較為嚴重洞段，架設型鋼拱架，間距75 cm;采用φ32 mm，長6 m中空注漿錨桿鎖腳，每榀拱架鎖腳錨桿8根。

2)型鋼拱架背后空腔噴射納米纖維混凝土，進行拱上拱處理，回填混凝土并注漿。

在已發(fā)生巖層大面積剝落區(qū)段，為保證向前開挖的安全，減少前方掌子面巖層的縱向臨空面，提高掌子面圍巖的受力狀態(tài)，減弱前方巖爆的影響，對型鋼拱架上的空腔進行拱上拱處理，回填C25混凝土進行加強支護，具體如圖1和圖2所示。

圖1 拱上拱型回填

圖2 巖爆段加強支護

待下游拱架施工結束后，采用挖掘機在安全穩(wěn)定的環(huán)境下進行上方危巖的清理，排險后對巖面初噴20 cm納米纖維混凝土，充分利用納米纖維混凝土早期強度高且抗拉強度高的特點防止巖塊的剝落。而后進行型鋼拱架的架立，對拱架上空腔較大處進行拱上拱處理改變拱架的受力，確?；炷粱靥顣r拱架的穩(wěn)定。

基于上述技術，綜合各種巖爆等級的特點，具體措施列于表1。

表1 引水隧洞巖爆防治措施

錦屏隧洞在整個開挖過程中基本參考本文提出的巖爆工程對策進行施工。實踐表明，采取應力解除、控制爆破、合理的開挖方法以及個人防護等預防技術措施，可以有效地防止巖爆或在巖爆發(fā)生后保證施工操作人員及設備不被巖爆掉塊或石塊飛濺傷害，并能夠保證隧洞圍巖穩(wěn)定和地下結構安全。

4 結論

1)在大埋深、高地應力地質條件下進行大斷面地下結構工程施工時，容易產生巖爆和塌方等災害，必須對這些災害處理技術進行研究，以防患于未然。

2)錦屏工程引水隧洞發(fā)生巖爆的巖性主要為條帶大理巖和灰黑大理巖，圍巖類別主要為Ⅱ～Ⅲ類，巖爆部位主要在拱頂、拱肩和隧洞邊墻，具有聲響、爆落體和爆裂面等不同特征。

3)提出的“短進尺、高壓注水;調整施工工藝，合理支護;爆破解除應力”等措施，可以滿足錦屏隧洞掘進工作面和開挖成形的洞身段的不同巖爆處理需要，能夠保證施工人員、設備及工程結構安全。

4)鑒于工程的復雜性，對巖爆段隧道施工技術、支護結構及其參數(shù)和支護時機還有待于進一步研究。

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