长河坝水电站隧洞岩爆段施工控制措施探讨

杨 琴 杨 坤 哈宁刚

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司 成都 610072)

1 工程概况及特性

长河坝水电站位于四川省甘孜州康定县境内的大渡河上游干流上，为大渡河干流河段梯级开发的第10个梯级电站。由于工程区地形陡峭，同时受电站枢纽布置控制，沿线桥、隧工程量较大，全线共设计桥梁605m/4座，隧道4176m/1座。主要控制性工程为长河坝隧道(长4176m)。

长河坝隧道为顺坡隧道，隧道穿越地层为晋宁期—澄江期的侵入岩，花岗岩是工程区的主体岩石，花岗岩体内含有深灰色辉长岩捕虏体，岩体间呈焊接式接触关系，以浅灰色—灰白色花岗岩及石英长岩为主。隧道范围内无区域性大断层发育。隧道外侧坡体较厚，除洞口外，一般洞段外侧坡体厚度大于300m，基本不受卸荷及偏压影响。隧道洞身的地质条件较好，除宽度在数厘米到1～2m的破碎带和节理切割危险块体洞段外，洞身多为Ⅲ级围岩。但受新构造运动影响，隧道段构造应力相对集中而地应力较高。隧道最大埋深1070m，主要分布在桩号K16+350处。

隧道设计采用的主要技术标准如下:

a.公路等级:三级公路。

b.计算行车速度:30.0km/h。

c.路面宽度:7.5m。

d.路面结构型式:合成纤维水泥混凝土路面。

e.极限最小平曲线半径:30.00m。

f.最大纵坡:9.0%。

g.隧道净空:9.5m×5.0m。

h.地震烈度:Ⅷ级。

2 隧洞岩爆段的表现特征

长河坝水电站S211复建公路Ⅱ标长河坝隧道K16+448～K16+455m段自2009年12月29日凌晨3时20分开挖爆破后，开始频繁出现岩爆现象。截至2010年6月15日，有统计记录的岩爆共97次，发生的洞段主要在K16+600～K16+434m，其中以2010年1月12日及3月15日两次的规模较大，最高塌深达4m左右，最大一次塌方量约600余m3。开挖揭示的掌子面岩石较为完整、新鲜、干燥，且温度较高，岩爆时伴随“噼啪”声响，严重部位有片石弹出。

从现场有统计情况看，岩爆段一般发生在掌子面爆破后6～48h，多数发生在6～8h。爆落的岩块中，有薄片状、透镜体状、板状和块状，大小差别很大，小则数厘米，大至几米。轻微岩爆的爆块以薄片状居多。中等岩爆多为片状和透镜状爆块，大小不等，最大块长3m。在强烈岩爆中，各种形状的爆块均有，最大爆块5m多。轻微岩爆爆坑不明显，中等和强烈岩爆留下相当明显的岩爆坑。对于纵向延伸较短的岩爆段，岩爆坑呈“锅底状”;对于纵向延伸较长的岩爆段，岩爆坑断面呈三角形、弧形或梯形的长槽状，最长达8m，最宽4m，最深4m。

3 施工中对岩爆的控制措施

岩爆产生的前提条件为围岩的应力状态与围岩的岩性。在施工中控制和改变这两个因素就可能防止或者延缓岩爆的发生。因此，防治岩爆发生的措施主要有两个:强化围岩、弱化围岩。

强化围岩的措施很多，如喷射混凝土或者钢纤维混凝土、锚杆加固、锚喷支护、锚喷网联合或者紧跟混凝土衬砌等。这些措施的出发点是给围岩一定的径向约束，使围岩的应力状态较快地从平面转向三维，以达到延缓或者抑制岩爆发生的目的。

弱化围岩的主要措施是注水、超前预裂爆破、排孔法、切缝法等。注水的目的是改变岩石的物理性质，降低岩石的脆性和储存的能量。后三者的目的是解除能量，使能量向有利的方向转化和释放。切缝法和排孔法能将能量向深层转移，围岩内的应力，特别是在切缝或者排孔附近周边的切向应力显著降低。同时，围岩内所积蓄的弹性应变能也得以大幅度地释放，因此可有效地防止岩爆。

下面以四川大渡河长河坝水电站省道S211复建公路长河坝隧道岩爆段施工为例，重点进行阐述。

3.1 岩爆段开挖支护参数

从掌子面K16+433桩号开始至后续开挖支护按照长河坝隧道Ⅳ2型断面进行开挖支护，其中将仰拱取消，将原设计仰拱改为路基，按路基断面尺寸开挖，拱墙支护参数如下:

a.在拱顶120°范围施作φ25、L=4.5m超前锚杆，间距40cm、排距3m。

b.在拱墙范围环向施作φ22、L=4.5m系统锚杆，间排距为1m×1m，梅花形布置。

c.在拱墙范围环向布置φ6.5钢筋网，间排距为20cm×20cm。

d.在拱墙范围环向布置Ⅰ18型钢拱架，排距为0.8m/榀，设置22连接筋，环间间距1.0m，内外交错布置，每榀钢拱架设置8根φ22、L=4.5m锁脚锚杆。

e.在拱墙范围喷护C20混凝土，厚度为25cm。

f.在拱顶开挖轮廓线180°范围设置斜向应力释放孔，孔径50mm，环距1.2m，排距1.5m，孔深3m;施工采用25°～30°偏向开挖方向的倾角。

g.在拱顶开挖轮廓线180°范围设置水平应力释放孔，环向间距35cm，孔深4.5m;该孔在施工时可作为预裂爆破孔使用。

h.在拱顶开挖轮廓线内侧50cm、拱顶180°范围设置一排水平应力释放孔，孔径50mm，环向间距2～3m，孔深4.5m。

3.2 岩爆段施工方案

岩爆洞段主要的施工程序为:掌子面洒水→掌子面及四周安全处理→应力释放孔施工→钻爆施工→通风散烟、出渣→系统支护。

3.2.1 掌子面洒水

施工前对掌子面用高压水进行湿润，高压水可由系统水增压而成，亦可安装小型高压水泵直接抽取隧道渗水。施工全过程中，应随时对掌子面及周围进行观察、用手触摸，随时保持掌子面及周围处于湿润状态。经常对掌子面进行测温，如发现温度过高，必须停止施工，人员、设备撤离，且在安全区域继续对其进行长时间洒水降温。

3.2.2 掌子面及四周安全处理

在钻孔施工前，采用CAT320C液压反铲对掌子面及周围进行扒面、清理松动岩石等安全处理，清理过程中由安全人员看护，清理完毕之后，台车就位，施工人员对掌子面及周围进行洒水湿润，并人工对施工面采用钻杆、铁钎等进行安全处理。

3.2.3 应力释放孔施工

根据设计文件，应力释放孔分为水平应力释放孔和斜向应力释放孔。

先由测量人员对开挖轮廓线进行准确放点，水平应力释放孔A在拱圈180°范围设置，环向间距35cm，分布于隧道开挖轮廓周边，孔深方向与隧道轴向平行，钻孔深度4.5m，孔径50mm，该孔施工完成之后可作为预裂爆破孔使用。斜向应力释放孔在拱顶180°范围设置，分布于隧道开挖轮廓周边，环向间距120cm、排距150cm，梅花形布置，孔径50mm，按照25°～30°偏向开挖方向的倾角，钻进深度3m。如需进一步加强应力释放，在开挖轮廓内侧50cm范围，孔深方向与隧道轴向平行，钻孔深度4.5m，孔径50mm，环向间距2～3m再布置水平应力释放孔。应力释放孔布置详见下图。

应力释放孔布置图(单位:cm)

施工中为保证安全，加快施工进度，经过积极组织，所有应力释放孔造孔均采用多臂钻组织实施，钻孔完成后要向孔内间歇性注水，以改善围岩应力和性质。

3.2.4 钻爆施工

3.2.4.1 施工程序

施工程序为:测量放样→定位钻孔→装药爆破→安全处理→出渣→断面检查→系统支护。

3.2.4.2 施工方法

a.测量。采用全站仪进行断面和炮孔放线。每循环都由测量技术人员在掌子面标出开挖轮廓和炮孔位置。

b.定位钻孔。采用YT28手风钻在钻爆台车上对掏槽孔和塌落孔组织施工，钻机就位后按炮孔布置图正确钻孔。预裂孔采用多臂钻造孔，掏槽孔和预裂孔的钻眼精度要求比其他孔眼要高，应严格控制预裂孔位偏差。钻机摆放角度准确，除掏槽孔外其余均要求平行于隧道洞轴线，预裂孔孔深控制在4.5m以内，掏槽孔孔深3.5m，在爆破后使其掌子面形成不规则形状，以达到释放应力的效果，减少岩爆的弹射危害。为使掌子面周边孔能达到超前应力释放的目的，塌落孔孔深控制在2.5m以内，严格控制爆破进尺在2.0m以内。

c.装药爆破。钻孔结束后，用高压风吹孔，检查合格后装药。分片分组自上而下按爆破设计进行装药，雷管段号要“对号入座”，采用塑料导爆管、非电毫秒雷管作为起爆系统。

d.安全处理。爆破完毕后爆破人员进入爆破现场检查爆破效果以及是否存在瞎炮等安全隐患，如发现瞎炮按照相关的处理程序进行处理。

e.出碴。出碴前对掌子面进行洒水，采用ZL50装载机在已做支护区域配合4辆20t自卸汽车将石渣运输至响水沟渣场。出渣完毕后，采用CAT320C反铲对开挖面进行安全处理，清除施工作业面的虚渣、浮石。

f.断面检查。在进行下一循环开挖施工之前对上一循环开挖断面进行检查，及时掌握超欠情况，对欠挖部位明确标示，在下一施工循环中进行处理;出现较大超挖时及时向项目部工程技术人员反映，查找超挖原因并在下一施工循环中进行改进。

目前岩爆段断面共布置136个孔，孔径42mm。其中，预裂孔112个，孔深4.5m，孔距35～40cm，光爆抵抗线70～80cm;掏槽孔24个，孔深2.5m，留残孔，抵抗线80～100cm。

3.2.5 支护施工

隧道初期支护紧跟开挖工作面后进行，施工程序为:先对开挖面初喷4cm混凝土进行封闭，然后施作砂浆锚杆、挂钢筋网，立钢拱架，再喷射混凝土封闭。

3.2.5.1 砂浆锚杆施工

根据要求，岩爆地段系统锚杆采用φ22砂浆锚杆，长4.5m，间排距为1m×1m，梅花形布置;每榀钢拱架要求施工8根锁脚锚杆，锚杆型号为φ22，长4.5m，锚杆施工要求孔向垂直于岩面，在遇到裂隙断层时要求垂直于节理面。

钻孔前根据受喷面情况和设计要求布置孔位，为保证施工安全、加快施工进度，所有锚杆造孔均采用多臂钻实施。造孔完成注浆前将孔眼吹净，把注浆管插入孔底，然后拉出5～10cm，同时将把拌制好的浆液输送至灌浆泵上，采用GS20EC灌浆泵灌注水泥砂浆，注浆管随砂浆的注入缓慢均匀拔出，拔到孔口时用编制袋将孔口封住，立即向孔内插入已下好的钢筋，最后将孔口用锚固剂或水泥砂浆封闭。

锚杆垫板在明线段钢筋加工场制作，垫板为尺寸15cm×15cm×0.6cm的钢板，锚杆灌注完成后安装垫板，垫板必须紧贴岩面。

3.2.5.2 钢筋网施工

钢筋网采用φ6.5圆钢，间排距为20cm×20cm。先初喷4cm后再进行挂网施工，挂网钢筋采用20t自卸汽车拉直后运输至施工现场，在钢筋加工场将钢筋切割为合适尺寸后，人工将钢筋搬运至挂网施工平台，由人工在挂网面上进行编网。

编网过程中，钢筋网应与锚杆连接牢固，并尽可能地多点连接，以减少喷混凝土时使钢筋网发生振动现象。

3.2.5.3 钢拱架施工

由测量人员根据拱架间距放出拱架安设点，先进行拱架底脚一节的安装，架设底脚一节时，工作平台上先放下底脚一节，随后进行底脚调整，按照提前埋设的参照点调整底脚拱架，使拱架准确定位，严格控制底部高程，底部有超欠挖的地方必须处理，拱架底脚必须垫实，以防围岩变形引起拱架下沉。拱架架设的同时，根据设计文件进行锁脚锚杆的施工，锁脚锚杆采用φ22、长4.5m的砂浆锚杆，采用多臂钻钻孔，锚杆孔必须垂直岩面，锚杆先在钢筋加工场将尾部弯折长约30cm的90°折角，以便锚固拱架，待拱架安装调试到位之后与锁脚锚杆焊接，并用连接钢筋与上一榀拱架进行连接，连接钢筋尺寸为φ25、长100～130cm，两根钢筋的间距为0.8m。

拱架对称架设，架设完底脚一节后，进行拱顶一节的架设。架设拱顶一节时，先上好连接螺栓(不上紧)，用临时支撑撑住拱架，用连接钢筋与上一榀拱架连接，再对称安装另一节拱顶单元。安装完成后检查拱顶、两拱脚与测量参照点引线的误差，再进行局部调整，最后拧紧螺栓。作业人员首先进行自检，自检合格后，通知值班技术人员进行检查。

3.2.5.4 喷混凝土

喷混凝土料由JS500强制式搅拌机在S211洞口段拌制，20t自卸汽车运送至施工现场，PZ—5B喷射机喷护，初喷4cm后挂钢筋网，待验收合格后安装钢拱架再喷护21cm，喷护必须达到规定厚度，且要将网格全部覆盖，并将钢拱架完全包裹。喷射时，按分段、分片由下而上顺序进行。喷嘴应与受喷面保持垂直，同时与受喷面保持一定的距离，一般取0.6～1.0m;后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行，若终凝后间隔1h以上再次喷射时，受喷面应用风、水清冼干净;对新喷射的混凝土按规定进行养护。

4 结语

长河坝隧道岩爆段施工安全、顺利完成，其采取的相应预测、防治、监测及处理措施，为后续岩爆隧道的安全施工有极其重要的借鉴意义，对确保建设工程质量、缩短工期、减少造价、避免出现重大安全事故等具有重要的现实意义。◆