宝泉抽水蓄能电站地下洞室岩爆防治与处理

(中国水利水电第七工程局有限公司，成都，610081)

1 工程地质概况

河南宝泉抽水蓄能电站C4标地下厂房洞室群，主要建筑物包括主、副厂房系统、主变室、尾闸室及辅助洞室，进厂交通洞、通风兼厂顶施工支洞(1#施工支洞)、出线洞等。尾水系统主要建筑物包括尾水支管、尾水隧洞和尾水检修闸门井等。

地下厂房布置于下水库左岸的狼山山体内。狼山地形以元古界汝阳群(Pt22ry)陡崖为界，以上为中山斜坡地形，以下为峪河河谷，呈深切“U”型谷，谷底高程180m，与两侧山顶高差近1000m。厂房上覆岩体厚430m～540m，围岩涉及的地层主要为太古界登封群(Ar)，主要为灰、浅灰、灰白色黑云母斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩和花岗岩状片麻岩。厂房部分围岩为致密坚硬的花岗岩状片麻岩，无断层通过，节理不发育，局部发育，岩体较完整～完整，纵波速为4200m/s～5800m/s，RQD值在90%以上，围岩为基本稳定～稳定性好的Ⅰ～Ⅱ类岩体。

主变室位于主厂房下游，与厂房间的岩墙厚35m，工程地质条件与厂房相似，岩性为新鲜黑云母斜长片麻岩，无断层通过，节理裂隙不发育，岩石质量指标RQD加权平均值为95%，岩体纵波速4200m/s～5800m/s，岩体呈较完整～完整，围岩为基本稳定～稳定性好的Ⅰ～Ⅱ类围岩。

尾水隧洞围岩为花岗岩状片麻岩、黑云母斜长片麻岩，上覆山体厚60m～340m，岩石呈弱风化～新鲜，总体上断层不发育，节理裂隙较发育，见渗滴水，以整体块状结构居多，围岩以Ⅰ～Ⅱ类为主。

根据招标阶段的地质资料，新鲜完整的黑云母斜长片麻岩干抗压强度达138.33MPa。可行性研究阶段，在深1孔(地面高程777.67m，孔深362.4m)采用钻孔水压致裂法，PD05探洞采用洞壁应力解除法进行了地应力测试，试验成果分别见表1。

招标设计阶段，在PD05-1探洞内进行了两组水压致裂法三维地应力测试，在PD05-2探洞内进行了一组(ZKX11孔内)水压致裂法二维地应力测试，测试成果分别见表2和表3。

表1 深1孔水压致裂地应力测试成果

岩组孔深SHShSv(m)大小(MPa)方向(o)(MPa)(MPa)P2t2ry138 5211 893256 623 59153 729 4828 54 863 98171 468 233434 014 44196 689 67-4 955 09209 279 83324 925 42230 1712 21-6 185 96256 7910 3-5 106 65Ar287 458 98164 967 44308 2010 98338 56 007 98337 8010 49-5 758 75348 0511 71386 609 01

表2 PD05探洞应力解除法地应力测试成果

地应力σ1σ2σ3量值(MPa)方位(o)倾角(o)量值(MPa)方位(o)倾角(o)量值(MPa)方位(o)倾角(o)761m处17 42N67 1E86 712 45S24 3W2 47 61S65 7E-2 2827m处18 62N75 0E45 912 33S30 2W34 56 65N42 2W23 8

表3 ZKX11孔水压致裂地应力测试成果

序号测试段深度(m)压力参数(MPa)应力值(MPa)PbPrPsPhP0TShSHSH方向14 23～4 9717 5513 058 050 00504 508 0511 0928 73～9 4721 0916 0912 590 00905 0012 5921 68N35°E314 73～15 47/17 6514 150 150/14 1524 80419 23～19 9717 7015 2011 200 2002 5011 2018 39523 73～24 4715 8411 749 240 2404 109 2415 98N30°E629 73～30 4711 8010 306 300 3001 506 308 60734 23～34 9714 559 856 850 3504 706 8510 69N32°E840 23～40 9713 919 917 910 4104 007 9113 81945 23～45 9714 969 966 960 4605 006 9610 911050 73～51 4715 0110 017 510 5105 007 5112 521155 23～55 97/13 0610 060 560/10 0617 111259 73～60 4712 109 606 600 6002 506 6010 201365 73～66 4718 8614 6611 660 6604 2011 6620 32

以上表中，钻孔静水位0.00m，Pb为岩石破裂压力，Pr为裂缝重张压力，Ps为裂缝瞬时关闭压力，Ph为静水压力，P0为孔隙水压力，T为岩石拉张强度，Sh为最小水平主应力，SH为最大水平主应力。

2 岩爆的现象、特征和规律

2.1 岩爆的产生、分级及分类

地下工程穿越坚硬围岩且处于高应力地区时，常常由于围岩的应力超过围岩的强度而使围岩发生突然破坏，并伴随产生块体的弹射、抛掷、震动、声响等释放内部较大的弹性应变能的现象，称为岩爆。岩爆是地下工程开挖施工中发生在高地应力、完整脆性岩体内的一种地质灾害，极大地威胁着施工人员和设备的安全。挪威的罗申斯(Russenes)将岩爆的活动性分为四级，其具体分级见表4。

表4 Russenes岩爆分级

岩爆分级现象描述零无岩爆。无岩石应力引起的不稳定问题，岩石中无声音。一低岩爆活动性。有使岩石松弛和开裂的迹象，岩石中略有声音。二中等岩爆活动性。岩石大量成片或松弛，有随时间发生周界变形的趋势，岩石中有强烈的开裂声。三高岩爆活动性。放炮后边顶拱即有严重的掉块，底板成片状破裂或拱起，洞壁有严重的破裂和变形，响声如枪声。

根据表4分级，结合我国的一些大中型水电工程所发生的岩爆特征，充分借鉴我局在四川冷竹关、瀑布沟、福堂水电站等工程的实际经验，分析岩爆发生的条件、特征，提出岩爆分类(见表5)。

表5 岩爆分类

岩爆分类特 征松动脱落型围岩呈块、板、片状松动掉落，声音细微，偶尔听见噼劈啪啪的响声，无弹射现象，顶板有岩块自由落体。爆裂弹射型岩块弹射或岩粉喷射，爆裂声响如枪声，弹射的岩块最大不超过0 5m3，弹射的岩石可伤人，对机械和隧洞结构无大的影响。爆炸冲击型巨石冲击，声响巨大，岩块体积达数立方米，岩块冲击抛投距离达20m左右，岩块对人员、机械和隧洞结构都有大的伤害，但其震动不会造成太大的损坏。深部地震型由于洞室开挖靠近断层、岩脉，从而引起能量聚集，在围岩深部产生地震。

2.2 岩爆的现象、特征和判别

f7断层地质带横穿进厂交通洞，围岩属Ⅲ、Ⅳ类围岩，自稳时间较短，早期围岩压力增长快。为避免产生岩爆，在开挖后，除立即采用锚喷系统支护外，根据实际情况，进行强支撑。通过超前锚杆支护、钢支撑与锚杆和喷混凝土的联合作用，可承受开挖后引起的松弛与变形压力。2004年10月7日上午10∶30，进厂交通洞桩号1+348.5m～1+353.5m左侧拱肩发生岩爆，在出完碴2h后，围岩发出噼啪声，施工人员立即撤至安全区域，采取待避措施；12min后，一声巨响，两、三块大石头掉落在施工平台架子上(石块长约1.5m，宽约1.2m，厚约0.6m)，将架子砸变形；以后大约每隔10min响一声，同时不时有小岩块掉落。直至2004年10月9日上午9∶30后，噼啪声减弱，岩爆区围岩趋于稳定，形成0.6m～1.0m深的岩爆坑，坑的影响半径为2m～3m，现场打钻平台被砸烂。

从弹射程度上看，交通洞岩爆基本上属于弱弹射或无弹射。从爆落的岩体看，有体积较大的块体和体积较小的薄片；薄片的形状呈中间厚、四周薄的贝壳状，其长与宽方向尺寸相差不悬殊，但周边厚度方向参差不齐；块体的形状多为有一至两组的平行裂面，岩块几何尺寸均较小，一般在40cm×45cm×(5～20)cm范围内。从岩爆坑的形态看，为窝状形，基本上为一次爆裂成窝状，破坏与声响基本同步。由上述表现分析，交通洞岩爆属于轻微、松动脱落型岩爆。

在交通洞完成岩爆段处理后，继续进占，掘进至1+460m～1+370m区域，岩石裂隙发育，节理切割，出现多处点状渗水，并在1+369m～1+372m段出现断层。

2.3 岩爆发生后的处理措施

2.3.1 立即停止钻爆施工，撤退施工人员，派专人观察，并作好岩爆记录及摄像资料。

2.3.2 当大的岩爆消失后，采用反铲敲击岩爆范围内岩石，引诱余震尽快发生，并将松动块体清撬干净。

2.3.3 对桩号1+348.5m～1+353.5m处岩爆影响范围、桩号1+341m～1+343m拱肩以上部位进行支护，支护参数：锚杆直径φ25mm，L=450cm，@=150cm，外露10cm；喷钢纤维混凝土CF30厚8cm+2cmC30混凝土。支护工作必须在岩爆发生后的2d～3d后进行，防止余爆造成伤害事故。

2.4 对交通洞岩爆的分析

通过对交通洞1+348.5m～1+353.5m岩爆的分析，结合我局在其他地下工程的经验，认为交通洞岩爆分布有以下几个规律：

2.4.1 岩爆均发生在干燥无水、新鲜、完整、坚硬的岩体中。

2.4.2 岩爆区段的洞室垂直埋深在450m～700m之间，埋深大。河谷下切，岸坡陡峻的地形亦可能形成较高的地应力(尽管侧向埋深不大)。

2.4.3 岩爆可能大多发生在洞顶拱以下、拱脚以上区域。

2.4.4 岩爆频率与距掌子面距离存在一定的联系。通过查阅到的岩爆资料分析得知，岩爆有两个高发区，第一个高发区是在距掌子面2m～3m以内，往后逐渐减少，至1倍～1.5倍洞径处形成第二个高发区，随后逐渐减弱；但也有距掌子面数百米距离发生岩爆的例子。

2.4.5 在岩爆区域后，可能会出现裂隙、节理发育、断层等地质缺陷。

3 防治岩爆的施工措施

鉴于宝泉地下厂房洞室群岩石新鲜完整、地应力高的特点，所采用的防治岩爆的方法立足于减轻或避免岩爆伤人毁机及导致围岩大面积失稳的目标。按照“科学识辩、稳扎稳打、步步为营、安全第一、不盲目冒进”的指导思想，遵循“以防为主、防治结合、多种手段综合治理”的原则进行施工和防治岩爆。

3.1 开挖爆破方法

3.1.1 采用光面控制爆破，保证隧道开挖轮廓整齐圆顺，以避免应力集中。

3.1.2 采用“短进尺，弱爆破”。顶拱采用小药卷光面爆破，拉大不同部分炮眼的雷管段位间隔，从而延长爆破时间，减少对围岩的爆破扰动，减少爆破动应力的叠加，控制爆破裂隙的生成，避免由于爆破诱发岩爆，从而降低岩爆频率和强度。岩爆严重的地段，将全断面开挖改为小导洞开挖，以使应力逐步释放，到达降低岩爆危害程度的目的。

3.1.3 在岩爆多发易发段，考虑到全断面一次钻孔对围岩扰动大，易诱发岩爆，故钻孔作业分两步进行。先进行上半部钻孔，既能让工人提高警惕性，防止岩爆伤人(距掌子面2m～3m以内为岩爆高发区)，又能使拱部空孔释放部分应力，以减少下半部钻孔作业时对人的威胁。较小断面采用中导洞领先一个钻孔进尺。

3.1.4 岩爆具有突发的特点，极易对人机造成伤害。因此，施工中采用凿岩台车造孔、喷混凝土机械手喷浆等较先进的手段，可减少岩爆对作业人员的伤害。

3.1.5 岩爆发生后，伴随着巨大的响声和飞石，会使作业人员产生恐惧的心理。因此，在岩爆减弱后，采用反铲到达岩爆区，用反铲敲击爆区四周，并清理松动岩石，引诱岩爆尽快彻底发生，消除作业人员恐惧心理、加快通过爆区的效果明显。

3.2 支护型式

岩爆的成因主要取决于地质条件、地应力条件和施工触发因素。为减轻岩爆的危害，很重要的一条就是在洞室开挖前和开挖后对围岩采取支护措施，改善其应力大小和分布，并且还能起到防护作用，防止岩石弹射和剥落造成事故，从而达到减轻岩爆危害的目的。施工期间，根据围岩变化，由地质人员分析推测前方围岩状况，从围岩完整性、强度、地下水、是否存在断层等情况，超前预报掌子面前方围岩是否会有岩爆产生。开挖后，根据已发生岩爆特征，结合现场观察岩块形状、爆坑大小、弹射强度、人工听声等手段，判定岩爆强度，并有针对性地采取了支护措施。

3.2.1 径向锚杆+素喷混凝土支护。对于滞后型和重复型岩爆，为防止岩爆的发生，减少岩爆对施工人员和设备的安全威胁，设置了径向锚杆，必要时补喷了素混凝土5cm～8cm。锚杆直径φ22mm，呈梅花型布置，间距1m～1.5m，长度为3.0m。

3.2.2 径向锚杆+钢筋网+喷混凝土支护。岩爆发生后围岩会产生一个松动圈，厚度1m～2m。为防止地质环境继续恶化，发生坍塌，采用这种支护型式可防治较大规模的滞后型岩爆。本支护类型维护围岩能力强，其弹模与天然岩体弹模接近，与围岩密贴，可有效地使应力向围岩深部转移，是一种经济有效的防治岩爆的支护措施。

3.2.3 径向锚杆+喷钢纤维混凝土。为快速形成支护屏障，缩短挂网时间，采用此类支护形式。钢纤维采用江西赣州大业产钢纤维，掺量(30～40)kg/m3，喷混凝土采用TK961湿喷机。较普通混凝土，钢纤维混凝土显著提高了喷混凝土的抗拉强度和韧度系数，在防治岩爆支护中可取代钢筋网、减薄喷混凝土层的厚度，技术上安全可行，总造价比挂钢筋网喷混凝土节约10%，而且还因取消挂网而节省了时间。

3.3 其他辅助措施

3.3.1 喷洒高压水。爆破后立即向工作面及之后约15m范围内的隧洞周边喷洒高压水，改变岩石的表面物理力学性质，降低岩石脆性、增强塑面性，达到减弱岩爆剧烈程度的目的。此法适用于轻微或中等程度的岩爆。

3.3.2 预先在可能发生岩爆的部位，有规则地打一些空孔，以便释放应力，阻止围岩达到极限应力而产生岩爆。

3.3.3 当判定岩爆即将发生时，施工人员和机械立即撤离作业现场待避。

3.3.4 强化作业人员的安全纪律教育及岩爆常识、防护知识的学习；严格执行有关技术和安全规程；危险地段增设照明并设醒目标志。

4 总结

4.1 地下洞室开挖后，由于卸载的回弹，释放了一部分能量，使洞室周边切向产生挤压形成加载，并产生应力集中，这种不利的应力分布和能量积聚，导致洞室局部地方发生破坏。因此，假如能够在岩爆部位减缓应力集中和能量积聚，使之向围岩深部转移或释放，就可以减轻或避免岩爆。

4.2 根据现场经验表明，在开挖后0～4h时段内，即顶拱安全处理和装渣时因扰动围岩，岩爆活动的频率较高，岩石破坏厚度也较大；开挖后15h～20h时段内，岩爆发生的频率也较高，此时正值掌子面15m范围内施作锚杆、挂网支护期间，对作业工人安全威胁极大，可采取“躲”的策略，有意识地避让岩爆的高发时段和地段。

4.3 岩爆发生后，出现岩块的爆落势必会造成隧洞的超挖。在施工中采取合理而有效的岩爆防治措施，对于降低工程造价将有一定的现实意义。

5 结语

由于岩爆能够造成开挖工作面严重破坏、设备损坏乃至人员伤亡，故已成为岩石地下工程和岩石力学领域的世界性难题。目前，针对岩爆的预防及处理经验尚不成熟，并不能完全避免岩爆的伤害。通过对宝泉抽水蓄能电站地下洞室在岩爆处理方面的经验总结，可为类似地下洞室工程施工提供借鉴。