周宁抽水蓄能电站地下厂房岩爆的预测及处理

林金洪，曾庆浪，陈冬冬

（中国电建华东勘测设计研究院福建区域总部，福建·福州 350003）

周宁抽水蓄能电站位于福建省宁德市周宁县七步镇境内，装机容量为1200MW（4×300MW），枢纽工程主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房系统及地面开关站等建筑物组成。前期交通隧洞工程于2015年12月23日开工，主体工程—输水系统及地下厂房工程于2016年12月27日开工建设。地下厂房主要由主副厂房洞、主变洞、尾闸洞三大洞室组成。地下厂房（包括副厂房及安装场）开挖尺寸为170m×25m×55m（长×宽×高），机组安装高程为192.0m，厂房顶拱开挖高程233.5m，厂内布置4台单机300MW的单级混流可逆式水泵水轮机-发电电动机组；主变洞平行布置于主副厂房洞的下游，其间由母线洞、主变洞、电缆洞等相连通，主变洞开挖尺寸长宽高为161.0m×19.0m×22.3m；尾闸洞开挖尺寸长宽高为135.0m×7.8m×20.2m。地下厂房由中国电建第十二工程局有限公司承担施工，由中国电建华东勘测设计研究院有限公司承担勘测设计。2018年4月20日下水库成功截流。截至2018年5月下旬，地下厂房已完成Ⅰ Ⅱ层开挖及大部分支护（岩壁梁吊车梁支护及浇筑），Ⅲ层中间拉槽施工。地下厂房Ⅰ层上游侧顶拱开挖时发生轻微岩爆现象，危及施工人员和进洞工作人员的安全和设备的安全，直接影响施工的进度及施工安全。因此，通过观测，分析其特征和规律，初步总结了一套预防和治理岩爆的方法，供其他类似工程在施工时借鉴。

1 厂房工程地质条件

周宁抽水蓄能电站地下厂房洞室深埋于山体内，上覆岩体厚度约280～375m，围岩为燕山晚期侵入的新鲜钾长花岗岩，岩石致密坚硬。地应力量级属中等偏低[1]（最大主应力σ1为8.56～13.30MPa，最小主应力σ3试验值为3.68～5.75MPa），厂房轴线N23 W，与最大主应力方向交角3～26，交角相对较小，对厂房围岩稳定有利。地下厂房围岩未见大的断层破碎带通过，但陡倾角的小规模断层较发育、共揭露10条断层，自北而南分别为f58、f65、f67、f64、f53、f61、f52、f63、f56、f69，前8条位于主厂房部位，后2条位于副厂房部位。上述以f61断层规模最大，宽0.4～0.8m，带内为全风化碎块岩及白色断层泥，中间为弱风化碎块岩，沿断层面滴水；其次为f52、f58、f64、f67等断层，宽0.3～0.6m，带内为全～强风化碎裂岩、碎块岩及断层泥，沿断层面多渗滴水；其它断层宽多在0.2m以下。断层多为NE向、陡倾角、压性，对厂房围岩稳定影响较小。厂房区发育q1和q2两条石英脉，宽度0.2～0.6m，夹角大于60，与围岩胶结较好，岩体较完整，对厂房围岩稳定影响较小。节理较发育～发育，局部发育缓倾角节理，岩体较完整—完整，局部完整性差，块状—次块状结构，岩体透水性微弱，总体干燥，围岩以Ⅱ类为主，少量Ⅲ类。地下厂房洞围岩基本稳定，受断层及节理切割组合影响，局部稳定性差，采取喷锚支护措施。厂房顶拱围岩岩体较完整为主，局部完整性差，厂顶北部发育f58、f65、f67等断层，厂房中部顶拱发育f52、f53、f61～f64等断层，南部顶拱发育f55、f56、f69等断层。根据地下厂房顶拱断层位置（图1）分析，厂房北侧f58与f65、厂房中部f53与f64、f52与f61之间组合可能形成上大下小的楔形体，其稳定性差—不稳定，可能产生坍塌、掉块，需及时锚固处理。厂房顶拱节理发育，以中高倾角为主，多闭合，节理之间无大的不利组合，主要为局部节理间的不利组合形成的不稳定小块体，须及时工程处理[2]。

2 岩爆分级和发育特征与规律

图1 厂房顶拱断层位置示意图Fig.1 Schematic diagram of roof arch fault location

2.1 岩爆分级

在地下洞室开挖过程中，洞室硬质脆性完整性好的岩体受高应力作用，急剧释放弹性应变能的动力破坏，围岩以掉落、弹射方式产生破坏并伴随声响和震动，出现岩爆[3]。

岩爆烈度分轻微岩爆（Ⅰ级）、中等岩爆（Ⅱ级）、强烈岩爆（Ⅲ）、极强岩爆（Ⅳ级）等四级。轻微岩爆表现零星间断发生，影响深度小于50cm，表层有爆脱、剥离现象，内部有噼啪、撕裂声，但无弹射现象，对施工影响较小。周宁抽蓄工程地下厂房Ⅰ层上游边墙拱顶处（图1）发生岩爆现象即为轻微岩爆。

2.2 地下厂房岩爆发育特征

岩爆，是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象[4]。

周宁抽蓄电站地下厂房采用导洞先行开挖，导洞开挖完成后再进行厂房Ⅰ层上、下游侧扩挖，2017年7月24日下午在扩挖过程中（图2），厂房Ⅰ层上游边墙桩号厂左7～厂左15m段拱顶处发生轻微岩爆现象，岩爆处离厂顶中导洞边墙2m左右范围内（图3a），方量约2m3，主要表现为多次发生掉块和碎、片状岩块脱落（图3b），并伴随着清脆劈裂声响现象，每次间隔约1h，持续2～3min。发生岩爆现象后，施工单位对岩爆处岩体进行高压水冲洗后，未见岩爆发生，并于次日进行初喷混凝土喷护，后续再进行系统支护。

岩爆处地质条件：本次岩爆位置为地下厂房Ⅰ层，埋深约330m，根据勘探钻孔地应力测试，地下厂房区地应力较低，但应力分布不均，不同测点间存在比较大差异。地下厂房整体围岩为新鲜钾长花岗岩，岩体较完整～完整，干燥，与厂房轴线大角度相交的陡倾角结构面发育，结构面多平直，岩爆处厂右侧节理平行发育，间距0.5～1m/条，厂左侧则较为密集，间距5～10cm/条，岩爆范围约1m宽（图3b）。

2.3 岩爆原因分析

岩爆一般指在高地应力区地下洞室开挖过程中，由于岩体应力释放导致岩块骤然以爆裂形式，从洞室周边岩体内飞射出岩块的现象。

图2 地下厂房Ⅰ层开挖顺序Fig.2 The underground powerhouse excavation sequence of layer

图3 厂房Ⅰ层岩爆位置Fig. The location of rock burst in workshop

周宁抽蓄电站地下厂房区埋深280～375m，地应力较低，根据《水力发电工程地质勘察规范》（GB 50287-2016），本工程地下洞室发生岩爆的临界埋深为430m，而地下厂房区最大埋深均小于400m[4-5]，小于岩爆的临界埋深。本次地下厂房发生轻微岩爆原因初步分析有以下几个方面：

（1）岩体质量好

本次岩爆部位岩性为钾长花岗岩，岩体新鲜完整，洞室干燥，岩体饱和抗压强度103MPa，为坚硬岩石、脆性岩石，强度高，地应力容易集中。

（2）人为因素形成应力集中

由于地下厂房中导洞几乎为方形，中导洞开挖后，改变了厂房围岩的应力分布，在其拱顶两侧形成应力高度集中区，本次岩爆部位正好位于此应力集中区。

（3）地质构造应力集中

地质构造也是应力集中的一个因素，地下厂房洞室结构面主要以与洞室大角度相交为主，本次岩爆部位正好是f52断层附近，岩爆部位两侧发育近平行的与洞轴线大角度相交的多组结构面，受结构面挤压，在结构面间的岩体应力易集中。

3 岩爆的预测

3.1 资料收集

收集岩爆资料主要从以下方面考虑：

（1）岩体特性：完整性、强度、构造发育程度、透水性、富水性、地下水位。

（2）地应力测试：主应力大小，方向。

（3）洞室开挖断面、走向、埋深。

3.2 根据围岩岩体特性与实测地应力资料进行预测

按照开挖后应力条件，评价岩爆发生的可能性。当围岩周边应力接近岩体强度时，岩爆现象将比较剧烈；当围岩周边应力小于岩体强度时，一般岩爆现象不太剧烈。

3.3 施工阶段利用岩爆发生的响声预报岩爆的位置

本次厂房内局部发生轻微岩爆现象，根据上述原因分析，周宁抽蓄电站地下洞室群局部存在轻微岩爆的条件。尤其是以下部位：地下厂房、主变洞、尾闸洞平行布置，与主构造面大角度相交，且岩体稳定性好，存在结构面间岩体应力集中条件，尤其是f52断层部位。目前主副厂房和主变洞均已采用近方形中导洞开挖，边拱应力高度集中，在其扩挖后，边拱部位应力突然释放，可能发生轻微岩爆；尾水隧洞、引水下斜井及下平洞等大埋深洞室，应力将增加，其围岩岩体为新鲜花岗岩，岩体质量好，局部存在发生轻微岩爆的条件。

3.4 现场地质经验判断法(近距离预报)

根据每次开挖后掌子面所揭露的结构面发育程度，岩体的完整性，地下水发育情况等来预测岩爆的发生。

4 岩爆的防治措施和支护

岩爆原因一般是由于岩体应力释放形成，新鲜完整的高强度坚硬岩应力易集中、平行掌子面的结构面间应力易集中、地下洞室形态对应力分布比较大影响。根据周宁抽蓄电站的地质条件及洞室施工情况推测分析，提出以下处理要求即具体处理措施：

4.1 岩爆的防治措施

（1）对厂房Ⅰ层未扩挖段的中导洞边拱下方进行浅孔施工，并对未扩挖部位进行喷水保湿，以释放中导洞的边拱应力。

（2）对主变洞中导洞两侧边拱下方进行浅孔施工，并对未扩挖部位进行喷水保湿，以释放中导洞的边拱应力。

（3）各洞室每次开挖后，尽可能对靠近掌子面50m范围内进行喷水冲洗。每循环放炮后，对工作面附近岩壁喷射高压水冲洗，促进围岩应力释放。

（4）后续洞室开挖优化施工方案，如中导洞形状，尽量减少人为地造成应力集中。

（5）加强作业人员的岩爆基本知识和防护教育，危险期（如开挖后有轻微声响或岩体掉落现象时）作业人员穿防砸背心、防砸鞋，可有效预防岩爆产生的飞石击伤。作业时派有经验的人员进行监护，发生异常时及时撤离作业人员。

（6）改善围岩受力状态及物理力学性质，降低对围岩的扰动，应“短进尺、弱爆破”掘进，及时喷锚支护。控制爆破，施工中采用浅孔多循环，严格控制最大单响药量，以减轻对围岩的扰动。严格控制光爆孔造孔质量，减少局部地段发生突变，从而改善围岩的应力条件，以防止破坏性岩爆的发生[6]。

4.2 厂房洞顶支护措施

锚杆28，L=8m@1.5m×@1.5m，入岩7.85m；

锚杆25，L=6m@3m×@1.5m，入岩5.85m；两种锚杆交错布置。

系统挂网喷混凝土厚15cm。

4.3 厂房拱座处理措施

锚杆28，L=8m@1.5m×@1.5m，入岩7.85m，3排拱座加强锚杆。

系统挂网喷混凝土厚15cm。

5 结论与建议

（1）细化施工组织，对未扩挖部位进行喷水保湿，各洞室每次开挖后，尽可能对掌子面之前50m范围内进行喷水冲洗，人为地造成中导洞的边拱应力扩散。

（2）加强作业人员的岩爆基本知识和防护教育，危险期（如开挖后有轻微声响或岩体掉落现象时）作业人员穿防砸背心、防砸鞋，可有效预防岩爆产生的飞石击伤。作业时派有经验的人员进行监护，发生异常时及时撤离作业人员。

（3）控制爆破，施工中采用浅孔多循环，严格控制最大单响药量，以减轻对围岩的扰动；严格控制光爆孔造孔质量，减少局部地段发生突变，从而改善围岩的应力条件，以防止破坏性岩爆的发生。

（4）岩爆洞段初期安全支护后，在有条件的情况下，应及时跟进二次永久衬砌支护，以免该洞段因暴露时间过长而重新出现二次岩爆现象，危及人员及设备的安全，并造成支护费用的增加。

（5）岩爆发生后，出现岩块的爆落或弹射，势必会造成隧洞的“超挖”，“超挖值”的大小有待研究。如果掌握了不同强度岩爆的具体“超挖值”，那么，可以在施工中采取更为合理而有效的对策措施，这对降低工程造价将有一定的现实意义。

（6）现场施工人员的现场观察和施工地质技术人员的提前预测、预报：通过观察分析资料，找出岩爆发生的前兆与规律，逐步积累经验，关键做好岩爆预报，减少岩爆产生的危害。