白鶴灘水電站左岸導(dǎo)流隧洞施工巖爆分析與治理

摘 要：由于白鶴灘水電站左岸導(dǎo)流洞埋深大，巖性主要有柱狀節(jié)理玄武巖、隱晶質(zhì)玄武巖、杏仁狀玄武巖、斜斑玄武巖、角礫熔巖等，層間錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育有兩條，在開(kāi)挖過(guò)程中，巖爆頻發(fā)。文章對(duì)巖爆的分析及治理做出了介紹，為類(lèi)似工程處治巖爆提供了參考。

關(guān)鍵詞：白鶴灘水電站；導(dǎo)流隧洞；巖爆

1 工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，距巧家縣城45km，電站上接烏東德梯級(jí)，下鄰溪洛渡梯級(jí)。水電站左岸布置3條導(dǎo)流隧洞，導(dǎo)流隧洞進(jìn)口底板高程585.00m，出口底板高程579.00m。其中1#導(dǎo)流洞開(kāi)挖長(zhǎng)度2007.63m，縱坡0.762%；2#導(dǎo)流洞開(kāi)挖長(zhǎng)度1791.31m，縱坡0.851%；3#導(dǎo)流隧洞開(kāi)挖長(zhǎng)度1584.82m，縱坡0.947%。導(dǎo)流洞洞身開(kāi)挖斷面為城門(mén)洞形，襯砌后斷面尺寸為17.5m×22m（寬×高），開(kāi)挖斷面尺寸有寬×高分別為：進(jìn)口漸變段22.50m～28.50m×27.00m、19.70m×24.20（24.38）m、20.50m×25.00（25.16m）、21.50m×26.00m，共計(jì)7種類(lèi)型。

1#導(dǎo)流洞上覆巖體厚度30m～395m，水平埋深0～705m，其中埋深大于300m約占總段長(zhǎng)32%，最大埋深395m。2#導(dǎo)流洞上覆巖體厚度50m～377m，水平埋深0～765m，其中埋深大于300m的約占總段長(zhǎng)28%，最大埋深377m。3#導(dǎo)流洞上覆巖體厚度58m～349m，水平埋深0～825m，其中埋深大于300m的約占總段長(zhǎng)22%，最大埋深349m。導(dǎo)流洞地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層、層內(nèi)、層間錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育；玄武巖柱狀節(jié)理分布廣泛；埋深較深，地應(yīng)力較大，巖爆頻發(fā)。

2 巖爆發(fā)生的機(jī)理分析

2.1 巖爆形成的原因

巖爆是一種巖體中聚積的彈性變形勢(shì)能在一定條件下的突然猛烈釋放，導(dǎo)致巖石爆裂并彈射出來(lái)的現(xiàn)象。巖爆常表現(xiàn)為聲響、片狀剝落、片幫坍塌，巖片彈射、能量猛烈釋放、洞室豁然破壞，給地下洞室施工的質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本帶來(lái)一定風(fēng)險(xiǎn)。巖爆的發(fā)生主要由兩方面形成，一方面：巖石自身組成類(lèi)型及特性，巖石按成因分為巖漿巖（火成巖）、沉積巖（水成巖）和變質(zhì)巖三大類(lèi)。巖漿巖又分為：侵入巖（深成巖、淺成巖）和噴出巖，其中深成巖巖性單一，致密堅(jiān)硬，透水性弱，抗水性強(qiáng)，巖石自身穩(wěn)定強(qiáng)，如花崗巖、輝長(zhǎng)巖等。而噴出巖一般呈原生孔隙和節(jié)理發(fā)育，產(chǎn)狀不規(guī)則，巖性不均一，抗風(fēng)能力差，巖石自身穩(wěn)定性差，如玄武巖、火山碎屑巖等。另一方面：地下洞室施工對(duì)地應(yīng)力重新分布，圍巖應(yīng)力集中，在洞壁平行于最大初始應(yīng)力σ1的部位，切向應(yīng)力梯度顯著增大，洞壁受壓導(dǎo)致垂直洞壁方向產(chǎn)生張應(yīng)力，尤其埋深較大圍巖這種應(yīng)力的作用強(qiáng)，首先產(chǎn)生環(huán)向的張裂或劈裂，進(jìn)而發(fā)生剪切破壞。圍巖自身穩(wěn)定性較差時(shí)，巖塊被剪斷，且又具有較高的剩余能量時(shí)，致使巖塊發(fā)生彈射，完成彈性勢(shì)能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，即形成巖爆。

2.2 巖爆發(fā)生時(shí)的特征

根據(jù)前期導(dǎo)流洞一期導(dǎo)洞開(kāi)挖情況，導(dǎo)流洞圍巖地質(zhì)情況如下特征：

2.2.1 圍巖堅(jiān)硬新鮮完整，裂隙極少或僅有隱裂隙，且具有較高的脆性和彈性，能儲(chǔ)存能量，而其變形特征屬于脆性破壞類(lèi)型，導(dǎo)流洞以玄武巖柱狀節(jié)理為主。

2.2.2 平均埋深較大（洞身段一般埋藏深度大于300m）且遠(yuǎn)離溝谷切割的卸荷裂隙帶。巖爆發(fā)生的地點(diǎn)多在新開(kāi)挖的掌子面及距離掌子面1～3倍洞徑范圍內(nèi)，個(gè)別的也有距新開(kāi)挖工作面較遠(yuǎn)。

2.2.3 地下水較少，巖體干燥。在巖爆未發(fā)生前，無(wú)明顯征兆，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到一定值時(shí)，突然發(fā)生巖石爆裂聲響，石塊彈射、坍塌。

2.2.4 開(kāi)挖斷面形狀不規(guī)則或斷面變化造成局部應(yīng)力集中的地帶。巖爆時(shí)圍巖破壞的規(guī)模，小者幾厘米厚，大者可達(dá)數(shù)噸重。小者形狀常呈中間厚、周邊薄、不規(guī)則的魚(yú)鱗片狀脫落，脫落面多與巖壁平行。

3 巖爆發(fā)生的治理

3.1 巖爆的預(yù)測(cè)

巖爆的預(yù)測(cè)是導(dǎo)流洞工程施工中的重要步驟，主要采取了以下預(yù)測(cè)措施：

3.1.1 通過(guò)地質(zhì)探洞對(duì)已經(jīng)開(kāi)挖洞段地質(zhì)構(gòu)造，巖石特性進(jìn)行分析，或?qū)ζ叫械牧硪欢炊蔚刭|(zhì)情況進(jìn)行橫向延伸，可大致判斷出前方未開(kāi)挖洞段的地質(zhì)情況。

3.1.2 采用先進(jìn)的物探手段，如TSP前地質(zhì)預(yù)報(bào)、表面雷達(dá)超前預(yù)報(bào)，可分析出前方圍巖是否完整性良好，是否有大的結(jié)理構(gòu)造等。

通過(guò)對(duì)白鶴灘電站左岸導(dǎo)流洞已開(kāi)挖一期導(dǎo)洞、地質(zhì)探洞巖爆發(fā)生特點(diǎn)，設(shè)計(jì)單位提供相應(yīng)地質(zhì)預(yù)報(bào)，巖爆一般在隱晶質(zhì)玄武巖發(fā)生較多，斜斑玄武巖在距大斷層20～30m范圍發(fā)生巖爆幾率也較高。

3.2 巖爆的治理

3.2.1 從設(shè)計(jì)方面考慮

根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)情況，可能發(fā)生巖爆的洞段集中在中段（1#、2#、3#導(dǎo)流洞樁號(hào)分別大致在0+692～1+450m、0+589～1+304m、0+471～1+145m）和后段（樁號(hào)分別大致在1+450、1+304m、1+145m以后）。針對(duì)存在巖爆洞段加強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)主要參數(shù)：“頂拱及邊墻（初噴50mm厚C25鋼纖維砼+？準(zhǔn)8mm@200mm×200mm掛網(wǎng)+復(fù)噴150mmC25素砼+L=6m，？準(zhǔn)28mm、L=9m，？準(zhǔn)32mm砂漿錨桿間隔對(duì)稱(chēng)布置，間距為1.5m），兩側(cè)拱角增加兩排L=9m，？準(zhǔn)32mm預(yù)應(yīng)力砂漿錨桿，間距為1m”。在遇到斷層、層間錯(cuò)動(dòng)帶處，頂拱支護(hù)參數(shù)調(diào)整為：“初噴50mm厚C25鋼纖維砼+？準(zhǔn)8mm@200mm×200mm掛網(wǎng)+鋼筋拱架+復(fù)噴150mmC25素砼+L=6m，？準(zhǔn)28mm普通砂漿錨桿、L=9m，？準(zhǔn)32mm預(yù)應(yīng)力錨桿間隔對(duì)稱(chēng)布置，間距為1.5m”。

設(shè)計(jì)單位地質(zhì)人員及時(shí)了解施工現(xiàn)場(chǎng)情況，形成快速反映機(jī)制，對(duì)于已開(kāi)挖掌子面巖爆非常嚴(yán)重的情況，一方面根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況增加隨機(jī)錨桿（L=4.5m，？準(zhǔn)25mm錨桿），另一方面將原有L=6m，？準(zhǔn)25mm普通砂漿錨桿改為L(zhǎng)=6m，？準(zhǔn)25mm錨墊板砂漿錨桿。

3.2.2 從施工方面考慮

根據(jù)左岸導(dǎo)流洞施工特點(diǎn)，洞室開(kāi)挖分三層施工，而巖爆主要存在于Ⅰ層開(kāi)挖施工中，在導(dǎo)流洞Ⅰ層開(kāi)挖中采取先中導(dǎo)后邊墻方式施工。以中導(dǎo)洞已發(fā)生巖爆的洞段作為重點(diǎn)防治對(duì)象，導(dǎo)流洞Ⅰ層采取分3區(qū)開(kāi)挖方法，中導(dǎo)洞（寬12m×高10m）超前兩側(cè)（寬4.55m，含技術(shù)超挖30cm）擴(kuò)挖2～3個(gè)循環(huán)。導(dǎo)流洞Ⅱ?qū)臃謱痈叨?2m，第Ⅲ層開(kāi)挖至導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)底板，Ⅱ、Ⅲ層邊墻采用一次性預(yù)裂到底，底部預(yù)留50cm以避免超鉆破壞底板結(jié)構(gòu)面。導(dǎo)流洞Ⅱ、Ⅲ層邊墻預(yù)裂在第Ⅰ層開(kāi)挖、支護(hù)期間進(jìn)行施工。為滿(mǎn)足Ⅱ、Ⅲ層預(yù)裂孔樣架搭設(shè)，在Ⅰ層開(kāi)挖中兩側(cè)邊墻技術(shù)超挖30cm，導(dǎo)流洞分層分區(qū)開(kāi)挖示意圖詳見(jiàn)圖1。針對(duì)導(dǎo)流洞Ⅰ層施工中應(yīng)對(duì)巖爆采取如下治理的方法。

（1）短進(jìn)尺，弱爆破

在導(dǎo)流洞Ⅰ層施工中進(jìn)入巖爆地段采取短進(jìn)尺、弱爆破、超前錨桿施工、打徑向應(yīng)力釋放孔，中導(dǎo)洞開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺控制在3m以?xún)?nèi)，兩側(cè)邊墻擴(kuò)挖循環(huán)進(jìn)尺控制在5m以?xún)?nèi)。中導(dǎo)洞已發(fā)生巖爆部位用多臂鉆施打徑向應(yīng)力釋放孔，孔深6m，間排距1.5m×1.5m。未開(kāi)挖中導(dǎo)洞部位進(jìn)行個(gè)性化爆破設(shè)計(jì)，在爆破孔外布置6個(gè)超深3m的超前孔，作為下一循環(huán)應(yīng)力釋放孔。通過(guò)生產(chǎn)性爆破試驗(yàn)，確定巖爆地段開(kāi)挖爆破的最佳參數(shù)。利用光面爆破技術(shù)，減小爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的影響，控制洞壁成型質(zhì)量，減小因成形不規(guī)則帶來(lái)的圍巖表層應(yīng)力集中而導(dǎo)致巖爆發(fā)生的幾率。

（2）加強(qiáng)排險(xiǎn)，及時(shí)支護(hù)

在導(dǎo)流洞Ⅰ層中導(dǎo)洞掌子面爆破后先通風(fēng)散煙15min，施工人員進(jìn)入檢查安全時(shí)采用高壓水沖洗掌子面，為巖體降溫和不穩(wěn)定圍巖釋放地應(yīng)力，這樣時(shí)間一般持續(xù)6小時(shí)左右。待掌子面溫度降為常溫，無(wú)巖爆現(xiàn)象時(shí)，排險(xiǎn)完成后方能進(jìn)行出渣，但在出渣過(guò)程中時(shí)刻觀察掌子面圍巖情況。由于巖爆導(dǎo)致巖體破壞，出現(xiàn)片邦、掉塊、崩塌等現(xiàn)象，存在安全隱患，因此需要進(jìn)行多次排險(xiǎn)。

中導(dǎo)洞掌子面出渣完成后，及時(shí)進(jìn)行隨機(jī)支護(hù)。采用濕噴臺(tái)車(chē)對(duì)洞頂已開(kāi)挖面噴護(hù)100mm厚C25鋼釬維混凝土作為臨時(shí)防護(hù)措施，噴護(hù)完成后3小時(shí)，采用多臂鉆對(duì)洞頂已開(kāi)挖面進(jìn)行隨機(jī)支護(hù)和超前支護(hù)：隨機(jī)錨桿采用？準(zhǔn)25，L=4.5m，外露50cm，間、排距1.5m×1.5m，梅花形布置，角度為水平向上45°～60°。超前錨桿采用？準(zhǔn)25，L=4.5m，外露20cm，間距1m，角度沿著頂拱開(kāi)挖結(jié)構(gòu)線(xiàn)為水平向上30°～45°。如在柱狀節(jié)理段、層間錯(cuò)動(dòng)帶，還需在錨桿灌注后掛網(wǎng)（？準(zhǔn)8為200mm×200mm）再?lài)娮o(hù)100mm厚C25素混凝土。隨機(jī)支護(hù)完成后方能進(jìn)行下一循環(huán)鉆爆施工，正常情況系統(tǒng)支護(hù)滯后掌子面不大于15m，特殊情況系統(tǒng)支護(hù)跟進(jìn)掌子面，在下一爆破前需考慮錨桿等強(qiáng)時(shí)間。

（3）勤觀測(cè)

加強(qiáng)圍巖變形監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，及時(shí)處理。在導(dǎo)流洞開(kāi)挖過(guò)程中，針對(duì)已開(kāi)挖洞段通過(guò)量測(cè)與目測(cè)相結(jié)合的手段來(lái)監(jiān)視圍巖和支護(hù)的穩(wěn)定性，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：圍巖的巖質(zhì)和分布、節(jié)理裂隙發(fā)育程度和方向，接觸面填充物的性質(zhì)、狀態(tài)，涌水量和涌水壓力，隧洞頂部、側(cè)部的穩(wěn)定狀態(tài)等。量測(cè)就是在巖爆區(qū)已開(kāi)挖段安裝變形檢測(cè)儀器，定期觀察圍巖變形數(shù)據(jù)，出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)及時(shí)分析研究。目測(cè)就是專(zhuān)職安全員每天巡察巖爆區(qū)已開(kāi)挖段圍巖情況，巡察內(nèi)容主要包括：錨桿是否被拉斷、噴射混凝土層是否有裂隙、剝離和剪切破壞、鋼架有無(wú)壓屈變形等。當(dāng)圍巖變形明顯時(shí)，及時(shí)采取輔助施工方法加固圍巖，避免二次巖爆危害。

4 結(jié)束語(yǔ)

巖爆對(duì)地下洞室施工的影響：開(kāi)挖質(zhì)量控制難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，施工進(jìn)度較緩慢，施工成本增加。只有采取有效治理措施，才能將巖爆對(duì)施工影響降到最低。白鶴灘水電站左岸導(dǎo)流隧洞復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)，洞室跨度大，巖爆頻發(fā)，在開(kāi)挖施工過(guò)程中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)為處治類(lèi)似巖爆工程得以推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]李慧民.土木工程施工技術(shù)[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2002.

作者簡(jiǎn)介：倪華軍（1983-），男，四川樂(lè)至人，助理工程師，從事水利水電工程施工與管理工作。