锦屏电站引水隧洞的岩爆特征及防治措施研究

卢小刚

(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津　300222)



锦屏电站引水隧洞的岩爆特征及防治措施研究

卢小刚

(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津300222)

摘要：在高埋深、高地应力地层中进行大断面引水隧洞施工中，岩爆的发生将危及施工安全和洞室成型质量.基于此，结合锦屏二级水电站2#引水隧洞典型洞段的岩爆实例，总结了其时间、空间、烈度及形态方面的特征，提出了岩爆条件下支护设计的整体指导思想，给出了不同等级岩爆的支护参数，保证了后期开挖和支护的施工安全和施工进度.

关键词：地应力;岩爆;水胀式锚杆;普通砂浆锚杆;能量释放

1工程概况

锦屏二级水电站是国家开发投资公司和四川省投资集团公司在雅砻江上投资兴建的大型水电站，电站位于四川省凉山彝族自治州冕宁、木里和盐源三县交界处的雅砻江锦屏大河湾上，地理位置示意图(见图1)，系雅砻江卡拉至江口河段五级开发方式的第二个梯级电站.锦屏二级水电站利用雅砻江150 km锦屏大河湾的天然落差，截弯取直开挖隧洞引水发电，工程开挖平均长16.67 km、直径12.4～3 m的引水隧洞4条，是目前世界埋深最深和规模最大的引水隧洞群.锦屏二级电站装机60万千瓦机组8台，总装机480万kW，多年平均发电量242.3亿kW·h.该电站是四川省除界河外最大水电站，也是雅砻江上西电东送工程的最大水电站.工程枢纽主要由首部拦河闸、引水系统、尾部地下厂房三大部分组成(见图2引水洞布置图)，锦屏电站具有305 m世界第一高坝(见图3).

引水隧洞最大埋深2 525 m,全洞平均埋深1 610 m，其中埋深大于1 500 m的洞段长度为12 540～12 729 m.其中，2#引水隧洞采用钻爆法，分上下台阶开挖的施工方案.2#引水隧洞段为马蹄形断面，开挖直径13 m，断面由三段圆弧曲线构成.

图1　地理位置示意图

锦屏二级水电站2#引水隧洞的开挖洞段引(2)11+400～引(2)10+800岩爆最为频发，出现了各种类型和各种烈度的岩爆，分析和总结该洞段的岩爆的宏观特征能够为后续的开挖支护工作提供指导.

图2　引水洞布置图

2锦屏二级水电站2#引水隧洞的岩爆特征

在岩爆发生频次和岩爆强烈程度方面，都超过了相邻的辅助洞与施工排水洞的相对应洞段.该洞段主要岩性为T2b灰白色或灰黑色层厚状细晶大理岩，局部洞断为T2b灰黑色条带状细晶大理岩.岩爆区段长达195 m，占该洞段总长的32.5%.中等及以上强度的岩爆频繁发生.统计发现，该洞段岩爆在空间、时间及形态上均有一定的宏观特征.

2.1岩爆时间特征

从现场统计的岩爆时间情况来看，引(2)11+400～引(2)10+800段共发生32次岩爆，除5次岩爆发生掌子面后方1倍洞径以外洞段，其余27次是发生在刚开挖揭露围岩洞段，其中有18次岩爆是发生在开挖爆破后的进行的开挖出渣工序施工中，3次发生在开挖钻孔工序施工中，6次发生在初期支护工序施工过程中.从统计情况看，岩爆多发生在开挖爆破后到初期支护完成前，2#引水隧洞岩爆洞段的出渣工序是长占4 h，初期支护工序时间占6 h，也就是说开挖爆破后4 h内是岩爆的高发期，4～10 h内是岩爆的衰弱期.

2.2岩爆的空间特征

图4为掌子面后各区段内岩爆统计长度.从图中可以看出，在掌子面后0～6 m范围内岩爆发生最为频繁，统计长度达132 m.随着断面离掌子面的距离增加，岩爆发生的次数也逐渐降低.在掌子面后12 m的区段，岩爆发生次数较少，统计长度仅有10 m.这表明绝大多数岩爆发生在掌子面后1倍洞径以内，滞后性岩爆基本没有.

图3　锦屏电站305 m世界第一高坝

图4　掌子面后各区段内岩爆统计长度

2.3岩爆破坏形态

岩爆产生的破坏岩体主要呈片状、整体块状和碎块状.整体上讲，当岩爆烈度较小时，破坏岩体多呈片状，这种岩爆一般属于自励型岩爆，其能量源与岩爆发生位置基本一致(见图5).此时的围岩一般较完整，不见明显发育的结构面.

图5　自励型岩爆

图6　远程激发型岩爆

相应地，岩爆烈度较大时，对应的破坏岩体一般呈整体块状或碎块状，这种岩爆的能量源一般在围岩一定深度范围内，属于远程激发型岩爆(见图6)，在2#隧洞10+890～880断面，岩性为T2b灰黑色条带状细晶大理岩，层面和结构面均较发育，破坏岩体基本呈碎块状.当围岩表面岩体结构面或层面较发育时，破坏岩体一般呈碎块状；而当表面岩体较完整，发育有一条或两条结构面时，岩爆产生的破坏岩体一般呈整体块状，且破坏深度较大.

2.4岩爆烈度特征

2#引水隧洞在11+400～10+800洞段，岩爆不仅发生次数较多，而且破坏深度大，中等级中等以上的岩爆频繁出现.从表1中可以看出，虽然该洞段主要发育的是中等岩爆和轻微岩爆，但破坏性极大的强烈岩爆和极强岩爆的统计长度也占总岩爆区长度达20%.表1为各等级岩爆段统计长度.

表1　各等级岩爆洞段统计长度

3岩爆洞段的支护设计

3.1支护设计指导思想

锦屏引水隧洞中岩爆活动的共同特点就是在高应力环境下自身能够储备大量的能量并具有快速释放的条件[1].认识到这一点，对这类岩爆的防治应该从根本上减少其储存的能量或者减缓其破坏时能量释放的速度、消耗所释放的能量.

在针对强至极强岩爆问题进行支护控制设计时，必须明确一点，即对于极强岩爆，仅依赖支护系统很难达到完全控制的效果，因此，要求在极强岩爆发生时，支护系统能够有较好的韧性和抗冲击能力，很大程度上降低岩爆的级别，岩爆发生后岩块可脱离母岩，但可被吊住或兜住.不同等级岩爆下对系统支护的要求(见表2).支护系统的效果可以根据岩爆发生后各支护单元的破坏现象来评价，比如，如锚杆未出现拉断或剪断，而是整体的脱离母岩，可能存在两点原因：(1)锚杆与岩体间粘结强度不够；(2)锚杆长度不够.因此，极强岩爆支护设计的目标是尽可能的保证岩爆发生时系统的整体性而不溃散[2].

表2　不同等级岩爆下对系统支护的要求

3.2支护型式与支护参数

3.2.1锚杆支护

在岩爆洞段，要求锚杆具有一定的抗剪切能力，能够有效提高岩体在高应力作用下的抗剪切破坏能力.对强烈及以上岩爆问题，还要求锚杆具有一定抵抗能量冲击的能力，或者具有吸能机制，这就要求锚杆具有一定的延性，能在屈服状态下工作.岩爆条件下对锚杆的要求包括以下五个方面：

(1)快速作用；

(2)支护力高；

(3)延性较好，能在屈服状态下工作；

(4)具有吸能机制；

(5)能作为永久支护长期作用.

图7为各种锚杆的荷载特征曲线，普通砂浆锚杆延性较差，说明吸收能量的能力较差.锥形锚杆的承载能力和延展性都较好，但普通砂浆锚杆和锥形锚杆都是注浆后才起作用.水胀式锚杆承载能力较普通砂浆锚杆差，但其屈服性能较好，具有良好的吸能能力.各种锚杆的吸能能力(见图8)，可见，在这些类型的锚杆中，水胀式锚杆具有优异的吸能能力，而普通砂浆锚杆和机械式锚杆吸能能力较差.因此，没有一种锚杆能同时满足这五个方面的要求，故在选取锚杆类型时，采用水胀式锚杆和普通砂浆锚杆的两步支护法相对比较现实.

水胀式锚杆作为重要的岩爆防治手段，主要利用其对能量的吸收能力，因此，其间距要根据岩爆所释放能量的大小来确定[3].根据国内外岩爆实录统计结果，极强岩爆时，以岩块动能形式释放的能量可达到100 kJ/m2.假设水胀式锚杆的最大抗拔力为80 kN，锚杆失效时的最大变形量为200 mm，则每根锚杆失效后所能吸收的能量为16 kJ.若锚杆间距为1.0 m×1.0 m，则系统布置的水涨式锚杆失效时所吸收的能量为16 kJ/m2，若锚杆间距为0.5 m×0.5 m，所吸收的能量为64 kJ/m2，但锚杆间距不应小于0.5 m，控制岩爆灾害还需结合其他柔性支护结构.

图7　各种锚杆的荷载特征曲线

图8　各种锚杆的吸能能力

据上节分析可知，岩爆多发生掌子面后一倍洞径以内，所以隧洞开挖后，应及时施作水胀式锚杆，喷射混凝土与挂设钢筋网.正因为钢纤维混凝土具有比普通混凝土大得多的柔性，并且能够承受大的变形而不会导致表面开裂，所以当岩爆破坏程度较小时，它可以控制围岩劈裂时裂纹向临空面扩展，使其不至于脱落.当然岩爆烈度较高时，单靠它是无能为力的，但它也能吸收一定的能量，降低岩块弹射速度.所以岩爆洞段应采用钢纤维混凝土代替素混凝土[4].

3.3.3支护参数

根据上述分析，结合前期的现场支护经验和以往工程经验，为保证施工安全，降低岩爆灾害，2#洞在强至极强岩爆洞段各支护单元采用的参数(见表3).

表3　强岩爆洞段各种支护结构的参数及支护时机

4结论

本论文根据锦屏二级水电站2#引水隧洞的岩爆发育情况研究了岩爆洞段下的支护参数，得出以下几点结论及经验：

(1)岩爆多发生在开挖爆破后的进行的开挖出渣工序施工中，且掌子面后0～6 m范围内岩爆发生最为频繁，岩爆产生的破坏岩体主要呈片状、整体块状和碎块状[5].

(2)岩爆条件下支护结构要求具有一定的延性，支护目的不是为了遏制岩爆发生，而是控制岩爆的破坏程度.采用柔性是减少岩爆破坏程度正确方向.

(3)岩爆条件下，支护应采用水胀式锚杆和普通砂浆锚杆相结合的办法.水胀式锚杆主要起临时支护作用.砂浆锚杆可以作为永久支护加固围岩.锦屏2#引水隧洞在岩爆段的支护参数可作为参考，针对不同岩爆烈度调整水胀式锚杆及砂浆锚杆的间距和锚固长度等.

参考文献：

[1]胡威东,杨家松,陈寿根.锦屏辅助洞(西端)岩爆分析及其防治措施[J].地下空间与工程学报,2009(4):11-12.

[2]徐林生.地下工程岩爆发生条件研究[J].重庆交通学院学报,2005(3):44-45.

[3]谭以安.岩爆特征及岩体结构效应[J].中国科学(B辑化学生命科学地学),1991(9):36-37.

[4]曹强,贾海波,廖卓.锦屏辅助洞岩爆特征及防治措施研究[J].隧道建设,2009(5):21-23.

[5]朱宏锐.锦屏引水隧洞岩爆特征及其影响因素分析[J].铁道建筑,2009(5):67-68.

Characteristics of Rock Burst and Prevention Measures for Diversion Tunnel in Jinping Hydropower Station

LU Xiao-gang

(China Railway 18th Bureau Group the 4th Engineering Co., Ltd., Tianjin 300222, China)

Abstract:In the construction of large cross section diversion tunnel in high buried depth and high ground stress stratum, the rock burst occurs, which endangers the safety of construction and the quality of tunnel forming. In this paper, the characteristics of time, space, intensity and shape of the typical tunnel in the 2# diversion tunnel of the two stage hydropower station in Jinping are summarized, and the overall guiding ideology of the supporting design is proposed, as well as the support parameters for rock bursts at different brackets, to ensure the constructing safety and progress in the future excavation and supporting.

Key words:ground stress; rock burst; water expansion bolt; ordinary mortar bolt; energy release

中图分类号：TV542

文献标志码：A

文章编号：1008-536X(2016)02-0023-05

作者简介：卢小刚(1981-),甘肃省平凉市人,工程师，从事水利水电地下工程施工技术管理.

收稿日期：2015-10-08