下坂地水利枢纽工程引水发电洞岩爆及施工技术处理措施

吴中波

【摘要】下坂地工程引水发电洞位于塔什库尔干河左岸，包括进水口、引水洞、调压室、压力管道四部分。进水口位于大坝坝轴线上游左岸240m处，采用竖井式进水口，底板高程2 905m；引水发电洞全长4637m，引水隧洞设计最大流量为90 m3/s。施工阶段初期会出现明显的岩爆现象，预计随着开挖深入山体、地应力逐步升高，岩爆问题将越来越突出。结合下坂地引水发电洞工程建设过程中的岩爆预防实际，针对性地提出了措施，对预防岩爆、推动工程进度具有一定的借鉴作用。

【关键词】电洞岩爆；施工技术；处理措施

1、岩爆现象

1.1 岩爆现象描述

引水发电洞桩0+745.00--0+750.00、1+534.00--1+513.00、1+770. 00 --1+825. 00、l+829. 00--1+880. 00、1+950. 00--2+026. 00、2+091. 00 --2+ 103. 00等部位，隧洞埋深在800 --1250 m，这些地段岩性为第一岩性段（ Pta）角闪黑云二长片麻岩，呈微风化，围岩类别为Ⅱ类稳定完整岩体。

引水发电洞掘进到这些部位时，当连续掘进10 m左右时，便开始出现岩爆。爆破起爆后，该段洞室两侧起拱部分，就有“啪，啪”岩爆声响，刚开始响声此起彼伏，声音震耳欲聋，响声后伴随围岩裂缝，岩块脱落甚至弹出，脱落岩块最大单块超过1.2 m3。围岩由外到内层层裂缝，从里向外挤，外层裂缝岩石时有塌落，裂缝深度约1～3 m。持续时间一般7天左右，最长的已经持续一年，现在偶尔还有岩爆掉块。岩爆多发生在隧洞右拱角及边墙部位，其原因是围岩承受顶部围岩自重应力和构造应力的影响，形成了20～80 cm厚度的应力释放层，当顶部围岩压力超过应力释放层承受能力时，便发生了“岩爆”。施工实践证明下坂地引水发电洞发生的“岩爆”烈度要比初设阶段预测的强烈。

1.2 岩爆后果描述

引水发电洞洞室开挖过程中，爆破施工发生2—3 h后，岩壁发出爆裂响声3 ～5 min/次，石片有时应声掉落。岩爆脱落片石大的有3 m×1.8 m x0.45 m（厚），给洞挖施工人员造成极大的安全隐患，已有较多施工人员受伤，岩爆等待时间也极大地影响到了施工进度。岩爆产生区域共387 m，掉落石片造成超挖共627.5 m3，施工用时共203 天。

2、岩爆段施工技术措施

2.1 岩爆技术措施

岩爆处理措施首先，改善围岩应力。这种方法主要是降低围岩应力使围岩应力小于围岩强度，避免岩爆的发生。在施工中主要采取如下措施：（1）在洞身开挖爆破时，采用“短进尺、多循环”及光面爆破技术，尽量减少对围岩的扰动，改善围岩应力状态。（2）应力解除法，通过布设超前钻孔或在超前钻孔中进行松动爆破，在围岩内部造成一个破坏带，即形成一个低弹区，从而使洞壁和掌子面应力降低，使高应力转移至围岩深部，施工时可在掌子面上打设5—6个超前钻孔，深15—20 m左右，既可以起到超前钻探地质的作用，又可以起到释放掌子面应力的作用。超前钻孔的布置形式及参数，在施工过程中根据成型情况及时调整。

第二，改善围岩性质。在施工过程中，可采取对工作面附近隧洞岩壁喷水或钻孔注水来促进围岩软化，从而消除或减缓岩爆程度。

第三，对围岩进行加强支护和超前支护加固。其作用是，改善掌子面及1—2倍洞径洞段内围岩的应力状态，由于支护的作用不但改变了应力大小的分布，而且还使洞壁从单维应力状态变为三维应力状态。可采用的加固办法有：锚杆和超前锚杆支护、锚喷混凝土支护、钢纤维喷混凝土支护、钢支撑，二次衬砌。这些方法是施工中最为常用的，因此施工过程中，在发生岩爆的地段，要采取锚杆、超前锚杆支护、锚喷混凝土支护、钢纤维喷混凝土支护、钢支撑等多种支护方法有效的组合在一起来防止岩爆的发生。

2.2 下坂地引水发电洞岩爆段施工处理

针对下坂地引水发电洞开挖隧洞的地质特征，在施工中对出现岩爆的地段应采取积极主动的预防措施和强有力的施工支护，确保岩爆地段的施工安全，将岩爆发生的可能性及岩爆的危害降到最低。在高地应力地段施工中可采用以下技术措施：

1. 在施工前，针对已有勘测资料，首先进行概念模型建模及数学模型建模工作，通过三维有限元数值运算、反演分析以及对隧洞不同开挖工序的模拟，初步确定施工区域地应力的数量级以及施工过程中哪些部位及里程容易出现岩爆现象，优化施工开挖和支护顺序，为施工中岩爆的防治提供初步的理论依据。

2. 在施工过程中，加强超前地质探测，预报岩爆发生的可能性及地应力的大小。采用上述超前钻探、声反射、地温探测方法，同时利用隧洞内地质编录观察岩石特性，将几种方法综合运用判断可能发生岩爆的高地应力的范围。

3. 打设超前钻孔转移隧道掌子面的高地应力或注水降低围岩表面张力，超前钻孔可以利用钻探孔，在掌子面上利用地质钻机或液压钻孔台车打设超前钻孔，钻孔直径为45 mm，每循环可布置4-8个孔，深度5-10 m，必要时也可以打设部分径向应力释放孔，钻孔方向应至直岩面，间距数十厘米，深度1—3 m不等。必要时，若预测到的地应力较高，可在超前探孔中进行松动爆破或将完整岩体用小炮震裂，或向孔内压水，以避免应力集中现象的出现。

4. 在施工中应加强监测工作，通过对围岩和支护结构的现场观察、通过对辅助洞拱顶下沉、两维收敛以及锚杆测力计、多点位移计读数的变化，可以定量化地预测滞后发生的深部冲击型岩爆，用手指导开挖和支护的施工，以确保安全。

5. 在开挖过程中采用“短进尺、多循环”，同时利用光面爆破技术，严格控制用药量，以尽可能减少爆破对围岩的影响并使开挖断面尽可能规则，减小局部应力集中发生的可能性。在岩爆地段的开挖进尺严格控制在2.5 m以内。

6. 加强施工支护工作，支护的方法是在爆破后立即向拱部及侧壁喷射钢纤维或塑料纤维混凝土，再加设锚杆及钢筋网，必要时还要架设钢拱架和打设超前锚杆进行支护。衬砌工作要紧跟开挖工序进行，以尽可能减少岩层暴露的时间，减少岩爆的发生和确保人身安全，必要时可采取跳段衬砌。同时应准备好临时钢木排架等，在听到爆裂响声后，立即进行支护，以防发生事故。

7. 对发生岩爆的地段，可采取在岩壁切槽的方法来释放应力。以降低岩爆的强地段施工时，对人员和设备进行必要的防护，以保证施工安全。

8. 引水发电洞现场岩爆段施工处理措施：在开挖过程中采用短进尺、多循环（每循环2m）方式，同时剩用光面爆破技术，严格控制用药量，以尽可能减少爆破对围岩的影响并使开挖断面尽可能规则，减小局部应力集中发生的可能性。 （1）周边钻孔孔深3m，间距0.5 m改为0.3 m，由34个孔增加到57个孔，增加23个孔；（2）线装药由200 g/m，改为满孔装药600 g/m，炸药增加82.2 kg； （3）顶部直径25mm超前锚杆，间距0.5 m.长4m共10根；（4）应力释放孔，间距1.5 m xl.5 m.长4m锚杆，共20根；（5）挂钢丝网并用3.5 kW水泵向岩爆段掌子面喷水。经现场观测，前述四项措施有一定成效，同时在岩爆洞段，按照爆破设计要求进行爆破开挖施工，并紧跟系统锚喷支护，顶拱边墙喷C20混凝土10 cm.系统锚杆直径22mm，L=3 m，1.5 mxl.5 m梅花形布置，以上措施的实施，减轻了岩爆的影响并缩短了岩爆段单循环作业时间。

2.3 现场安全防护措施

洞挖随着双作业面掘进的逐步深入，埋深逐步加大，岩爆情况趋于严重，现场配置了满足施工需要的安全防护用品，保障作业面照明，鉴于岩爆一般在爆破后1 h左右比較猛烈，逐步趋于缓和，多数发生在1--2倍洞径的范围内，每个爆破循环之后，让工人躲避在安全处，待岩爆基本平息之后再进行施工。另外过程中应加强排险检查和危石处理，认真防护观察围岩动态，如发现爆裂声，立即撤离人员与机具，以保障施工人员和设备的安全。