高地应力下大断面隧洞施工岩爆工程对策

肖清华，秦 阳，代承勇，王洪涛

(西南交通大学，四川成都 610031)

岩爆是在深埋地下洞室施工掘进过程中经常遇到的地质灾害。发生时发出类似爆炸等声响特征，并伴随岩石剥落、岩块弹射或崩塌掉块等落体特征。锦屏二级水电站地下结构建筑主要包括地下厂房、4条引水隧洞、2条交通辅助洞、1条排水洞，其中隧洞长约16.67 km。引水隧洞群穿越锦屏山主峰山体且沿线上覆岩体埋深1 500～2 525m，受高地应力和地质条件等因素影响，岩爆发生频繁。如4#引水隧洞开挖至埋深为1 300m的K15+295处时，从K15+370处开始出现较强岩爆现象。爆破开挖后3～4 h出现大片岩层剥落现象，剥落厚度在50～150 cm，超挖严重，排险后隧洞无洞形。在K15+315—K15+295处多次发生岩爆塌方，最大剥落岩坑可达6 m，导致临时支护锚杆、钢筋网随落石掉下，且剥落范围有向隧洞下游发展趋势。K15+315—K15+300有松动的迹象，现场掌子面的钻爆已停工，出渣、排险车辆及支护人员无法接近。另外，顶板和洞壁岩石在爆破和支护作业过程中不断出现爆裂、松脱、剥落或抛掷现象，甚至多次出现大量顶板岩石塌落。岩爆如此频繁，已使设备毁损，隧洞轮廓破坏，支护成本增加，施工人员心理亦出现障碍。如果考虑停工损失、支护成本和单循环进尺时间延长等因素，岩爆已对3#和4#引水隧洞施工造成了极大危害，甚至已经影响到了整个工程建设的进程。由此可知，对锦屏二级水电站引水隧洞施工中出现的岩爆灾害进行研究，已成为锦屏工程亟待解决的课题。

1 隧洞岩爆特征分析

1.1 岩爆形式

依据岩爆理论分析［1-3］，发生岩爆的岩性主要为条带大理岩和灰黑大理岩，地层为盐塘组T2y5，围岩类别主要为Ⅱ～Ⅲ类，岩爆部位主要在拱顶、拱肩和隧洞边墙，其破坏方式有片状、层状剥落与爆裂剥落，破坏性质为张性和张剪性，岩爆烈度基本为Ⅰ～Ⅱ级，属于轻微岩爆。

锦屏隧洞施工中遇到的岩爆形式较为典型，多为掉块甚至塌方。隧洞开挖后，围岩中的应力重新分布并在某些区域集中，当集中应力超过岩石强度时，岩爆便会发生。引水隧洞岩爆的表现形式主要为拱顶和洞壁岩块剥落、爆裂、弹射、片帮等，在不同的开挖地段，岩爆发生的数量和强度有所不同，不同强度的岩爆表现形式也有所不同。由目前4#引水隧洞东端开挖发生岩爆的实际情况看，岩爆类型可分别按运动及破坏方式划分为剥落型、爆裂型两种。剥落型岩爆中破裂的岩板部分呈贝壳状或片状与洞壁母岩剥离，岩板与母岩有裂隙，其余部分与母岩之间的整体性较好。爆裂型岩爆中岩体块完全脱离母岩，已形成明显的岩爆坑。如4#引水隧洞多次发生烈度较为强烈的岩爆，1次塌落岩体近20m3，另1次顶板剥落区域长×宽×厚达3 m×4 m×0.5m。

1.2 岩爆特征

在引水隧洞开挖过程中，发生岩爆经常出现声响特征。如在工作面刚钻孔时可听到岩体内部沉闷的岩体开裂声，爆破后仍断断续续发出大如炮声的声响。在出渣和初期支护过程中，掌子面内部便发出沉闷如炮声的岩体内部开裂声，掌子面发生岩爆的声响可以持续至10～24 h。掌子面后部一般轻微岩爆的声音较为清脆，可以清晰地听到“噼啪”的声响。

按岩爆剧烈程度的不同，其破坏程度和爆落体特征也有所不同。剥落型岩爆，岩爆体一般为贝壳状或片状且大多一边薄一边厚，片体大小不等。轻微弹射型岩爆，爆体常为细长的椭圆片体，该片体中心厚周边簿。爆裂型岩爆体多呈块状，最大岩块达0.5m×0.6 m×0.3 m。

总的来说，岩层埋深越大，开挖时产生岩爆的强度和频率就越高。比如4#引水隧洞，按照目前的进尺，越往里面进，岩爆发生的机率越大。从岩性来看，岩爆多发生在坚硬性脆的岩层中，如花岗岩、石英岩、片麻岩、斑岩、闪长岩、辉绿岩、砂岩、灰岩、硬煤等。围岩劈裂、弹射石块，有开缝声响或尖锐的爆裂声响。

2 隧洞岩爆地质条件分析

引水隧洞线以Ⅲ，Ⅱ类围岩为主，分别占54.1%和36.7%，Ⅳ，Ⅴ类围岩分别占8.3%和0.9%。其中因岩爆引起围岩类别降级Ⅱb，Ⅲb，Ⅳb，Ⅴb所占的比例分别为18.3%，6.9%，5.4%和0.9%，说明引水隧洞的总体成洞条件较好。

由于引水隧洞埋深大、地应力高、岩石坚硬，且岩体结构完整，因此存在高地应力环境下的岩爆问题，并存在高外水压力问题。从统计表中可以看出，在各类岩体中，均由两部分组成，即正常的不良地质段和岩爆段。各类岩体中岩爆段占了很大的比重，Ⅳ，Ⅴ类围岩主要分布在高地应力区，是强(Ⅲ级)及极强(Ⅳ)岩爆产生的围岩，正常的断层破碎带所占比例较少。因此，施工过程中，支护措施应充分考虑岩爆的影响。

由前述引水隧洞所处工程地质条件可知，工程施工区域中除了因大埋深引起的岩体自重应力外，还有地质构造产生的构造应力，这些应力值非常大，已经使得岩爆具备了必要的条件。从围岩类别看，岩石均较为坚硬且岩体结构完整。当隧洞开挖时，围岩原本存在的高地应力或因施工扰动造成的局部集中的高应力无法得到完全释放，当集中应力超过岩石强度时，岩爆便会发生。

3 岩爆工程对策

引水隧洞沿线的高强度围岩是否发生岩爆，受到两方面因素的控制:一是开挖轮廓线附近的地应力分布格局和应力量级;二是开挖过程对围岩的扰动。因此，岩爆控制的主要方法也因此可以分为两类，一类以解除围岩应力为途经，另一类则以降低开挖扰动为途径。

对岩爆宜以防为主，主要目的是防止岩爆发生或者降低岩爆发生的等级，以使损失降低到最小［4-8］。一般岩爆段采用短进尺，弱爆破开挖。强烈与极强岩爆段，要求配合应力解除爆破开挖→危石清理及高压水冲洗→及时喷护钢纤维覆盖岩面→及时实施防岩爆锚固措施(包括快速锚杆、挂网、钢拱肋等)→后续实施系统锚杆支护。所以及时挂网喷射混凝土和打锚杆能有效减少岩爆发生的机率。

基于岩爆实际情况，提出“短进尺、高压注水;调整施工工艺，合理支护;爆破解除应力”的岩爆对策分别适合于隧洞掘进工作面和开挖成形的洞身段。

3.1 掌子面岩爆处理方案

1)短进尺、高压注水

常采用短进尺掘进，减少药量和爆破频率，控制光爆效果，以减少围岩表面层应力集中现象。对轻微岩爆、中等岩爆区:一般进尺控制在2 m左右，尽量全断面开挖，一次成形，以减少围岩应力平衡状态破坏。对强岩爆和极强岩爆区，开挖进尺不宜＞2 m。施工后立即向掌子面及附近洞壁喷洒高压水或利用炮眼及锚杆孔向岩体深部注水，目的是降低围岩强度，增强其塑性，减弱其脆性，最终降低岩爆的剧烈程度。

2)调整施工作业方案，施作临时锚杆，喷射纳米纤维混凝土

对于岩爆烈度大且危险程度高的岩爆地段，适当调整作业甚至停工，退后一定距离待避。待岩爆自然缓解后，橇除松裂岩石，及时喷纳米纤维混凝土。在边拱及顶拱成放射状倾斜向岩体内部钻孔，并向孔内灌高压水，使岩体有一定程度软化，加快围岩内部的应力释放后再施工。

3)爆破解除应力

在正常爆破起爆过程中先行起爆应力解除孔，以提前预裂掌子面前方岩体，使掌子面的前方形成一个预先爆破松弛区，以改善掌子面前方的围岩应力状态。避免或减缓强烈的能量集中，并可使每一循环开挖在先期解除过高应力的低应力岩体条件中进行，降低了开挖导致的应力变化程度，消除高应力可能造成的严重影响。

3.2 成形洞段岩爆工程对策

1)钢筋格栅、钢拱架、系统锚杆加强支护隧洞下游，防止岩爆发展，提供安全作业空间

对岩爆剥落并有松动迹象的洞段，架设间距为75 cm的格栅拱架，系统锚杆采用φ25中空注浆锚杆，间距1 m。在岩爆较为严重洞段，架设型钢拱架，间距75 cm;采用φ32 mm，长6 m中空注浆锚杆锁脚，每榀拱架锁脚锚杆8根。

2)型钢拱架背后空腔喷射纳米纤维混凝土，进行拱上拱处理，回填混凝土并注浆。

在已发生岩层大面积剥落区段，为保证向前开挖的安全，减少前方掌子面岩层的纵向临空面，提高掌子面围岩的受力状态，减弱前方岩爆的影响，对型钢拱架上的空腔进行拱上拱处理，回填C25混凝土进行加强支护，具体如图1和图2所示。

图1 拱上拱型回填

图2 岩爆段加强支护

待下游拱架施工结束后，采用挖掘机在安全稳定的环境下进行上方危岩的清理，排险后对岩面初喷20 cm纳米纤维混凝土，充分利用纳米纤维混凝土早期强度高且抗拉强度高的特点防止岩块的剥落。而后进行型钢拱架的架立，对拱架上空腔较大处进行拱上拱处理改变拱架的受力，确保混凝土回填时拱架的稳定。

基于上述技术，综合各种岩爆等级的特点，具体措施列于表1。

表1 引水隧洞岩爆防治措施

锦屏隧洞在整个开挖过程中基本参考本文提出的岩爆工程对策进行施工。实践表明，采取应力解除、控制爆破、合理的开挖方法以及个人防护等预防技术措施，可以有效地防止岩爆或在岩爆发生后保证施工操作人员及设备不被岩爆掉块或石块飞溅伤害，并能够保证隧洞围岩稳定和地下结构安全。

4 结论

1)在大埋深、高地应力地质条件下进行大断面地下结构工程施工时，容易产生岩爆和塌方等灾害，必须对这些灾害处理技术进行研究，以防患于未然。

2)锦屏工程引水隧洞发生岩爆的岩性主要为条带大理岩和灰黑大理岩，围岩类别主要为Ⅱ～Ⅲ类，岩爆部位主要在拱顶、拱肩和隧洞边墙，具有声响、爆落体和爆裂面等不同特征。

3)提出的“短进尺、高压注水;调整施工工艺，合理支护;爆破解除应力”等措施，可以满足锦屏隧洞掘进工作面和开挖成形的洞身段的不同岩爆处理需要，能够保证施工人员、设备及工程结构安全。

4)鉴于工程的复杂性，对岩爆段隧道施工技术、支护结构及其参数和支护时机还有待于进一步研究。

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