猴子岩水电站特殊高地应力地下洞室群岩爆防治关键技术研究

王 峻

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

川藏地区由于特殊的地理位置和地质构造使处于该区域的地下工程均面临施工环境复杂、环境恶劣、“三高一深”、安全风险突出等问题。

猴子岩水电站是大渡河干流水电规划调整推荐的22级开发方案中的第9座梯级电站，采用坝式开发，左岸为泄洪系统工程，右岸为引水发电系统工程。在三大洞室区域，有约近一半的山体将被挖除；各类洞室纵横交错，仅右岸引水发电系统即布置有40余条洞室，总长度达15 km。地下工程规模大，空间结构复杂，洞室布置的密集交错，猴子岩水电站地下洞室群三维图见图1。由于猴子岩水电站地下洞室群系统埋深大，自重应力大，加之复杂地质构造条件的作用，形成了该工程建设及赋存的极端复杂和恶劣的外在客观高地应力环境，导致隧洞施工期内高应力诱发围岩失稳、岩爆灾害问题突出，严重制约了工程的顺利施工和建设。结合猴子岩水电站地下洞室群高地应力显著的特点，从岩爆活动特征分析、监测成果反馈、防治技术等方面入手，结合已有工程案例经验，提出了具体的施工方法，解决了工程施工中存在的实际问题，所取得的经验具有较大的推广应用价值。

图1 猴子岩水电站地下洞室群三维图

2 存在的问题

2.1 特殊地应力对洞室稳定极为不利

三大洞室中的最大垂直埋深约660 m，最大水平埋深约300 m，围岩强度比为2～4，属于高～极高地应力区。实测最大主应力为36.4 MPa，第二主应力最大值达29.8 MPa，且与洞室轴向呈70°大角度相交，实测地应力值的水平面投影方位角与厂房轴线、岩层走向关系见图2。类比其他水电站，该工程第二主应力与第一主应力的比值约为0.82，远远高于锦屏水电站的0.56、拉西瓦水电站的0.69及白鹤滩水电站的0.48。猴子岩水电站与其他水电站地应力特征对比情况见表1。

图2 实测地应力值的水平面投影方位角与厂房轴线、岩层走向关系图

表1 猴子岩水电站与其他水电站地应力特征对比表

2.2 岩爆现象突出

由于猴子岩水电站所具有的特殊的地应力特征，使得开挖前岩体大围压积累的高变形能在开挖解除后将产生较大的临空向张拉变形，岩爆、掉块、松弛等现象突出，其地下洞室群岩爆现象见图3，严重威胁到地下工程的施工，迫切需要对岩爆特征和机理进行分析并制订相应的措施。

图3 地下洞室群岩爆现象

3 岩爆特征和机理分析

由于猴子岩水电站地下洞室特殊的地质条件，开挖后卸荷严重，岩爆现象频发，其主要存在以下问题：(1)复杂地质构造导致地应力场分布规律十分复杂；(2)猴子岩水电站高应力卸荷力学性质复杂；(3)施工方法和施工过程增加了岩爆形成条件的复杂性；(4)岩爆的发生时间、等级及影响范围难以预测。

技术人员通过对地下洞室群已发生的岩爆进行统计分析得知地下洞室群施工中岩爆的破坏模式主要有三种：结构控制重力驱动型、应力驱动型与复合驱动型[1]，且以应力驱动型为主。针对以上情况，猴子岩水电站开展了微震监测反馈。

微震监测技术在国外已应用多年，近些年在国内的矿山、边坡等岩土工程中也得到越来越广泛的认可和推广 ，其具有以下独特的优点[2]：(1)能够确定岩体内部破裂的位置和性质；(2)由于其可接收地震波信息，故可将传感器安装在远离岩体易破坏区域，可以保证监测系统长期运行而不易遭到破坏；(3)监测范围可以覆盖很大的区域。

在猴子岩水电站地下洞室群施工期间，构建了由加拿大ESG公司生产的矿山微震监测系统，实现了地下洞室群开挖卸荷过程围岩损伤的实时在线监测。通过微震活动分析，监测到个别工作面附近产生多个震级较强、能量较大且集中程度较高的微震事件，岩爆前兆较为明显，预测该工作面附近发生中等岩爆的风险较大。据此，最终划定了主要岩爆集中区域：厂房上游边墙、厂房与主变室隔墙顶部、主变室顶部和尾水管、尾水洞等部位。鉴于开挖卸荷松弛对围岩结构影响较大，因此，必需加强相关部位的施工节奏、应力应变、表观变化及安全管控等各方面工作。

4 所采取的岩爆防治技术

项目部技术人员结合监测数据进行分析、通过不断的实践和总结，提出了深层预裂、薄层开挖、随层支护的施工方法[3]，提前释放部分地应力并限制围岩结构的变形破坏；提出了快速加固策略[4]，形成了超前锚杆+快速随机支护+系统支护的岩爆主动防治措施，降低了岩爆造成的危害和突变风险。

4.1 提前释放地应力

对于水电站大型地下洞室，其厂房第三层及主变室、尾调室梯段顶拱层以下均需分两层开挖，且单层厚度不大于5 m。为此，除了减小大量爆破对岩锚梁结构和岩体产生的扰动影响外，减小开挖层厚可以减小每次岩体应力释放的范围，给予其足够的二次应力调整时间，同时有利于支护的及时跟进，确保支护有效加固，防止开挖过程高边墙围岩卸荷损伤范围及岩体应力突增，避免岩爆突发现象。对于岩锚梁部位，为确保其结构稳定和岩台成型质量，在岩台开挖前提前进行了下一层的深孔预裂以提前释放应力，从而减少了后续爆破给岩锚梁下边墙带来的危害。

对于其他地下洞室，采用增设掌子面钻孔、注水等必要措施提前释放地应力，并结合超前锚杆、随机锚杆布孔进行。

4.2 超前支护

在地下厂房、主变洞、尾水调压室等大洞室中下层部位采用了设置斜孔(60°～75°)的超前加固措施，斜孔超前加固示意图见图4。提前加固下一层开挖岩体以提高岩体的完整性和抵抗力，提升预裂效果。

图4 斜孔超前加固示意图

对于岩锚梁等特殊结构部位，采用保护层增设锚杆及固结灌浆的方法，提前加固永久岩体和不利地质体以提高岩台的成型质量。岩锚梁保护层提前加固示意图见图5。

图5 岩锚梁保护层提前加固示意图

在其他地下洞室部位，设置了大仰角长锚杆超前支护，φ32 mm，L=9 m，外倾角为30°～45°，环向间距1 m，纵向间距4 m。一方面对掌子面前方未开挖岩体进行有效的加固，另一方面也起到了岩体的自身加固作用。

4.3 随机支护

浅层支护相对于系统支护其工作量、施工难度相对较低，可实现浅层岩体的快速加固。针对大型地下洞室，在顶拱层开挖期间，增设了浅层随机锚杆，φ25 mm，L=4.5 m，间排距参照设计支护参数确定，以便于后期系统锚杆直接内插设置。

针对微震监测反映的岩爆风险部位，除了采取有必要的应力释放措施外，亦需对其进行随机补强加固，增设随机锚杆、锚筋束等用以加固岩体。

4.4 快速支护

由于较高的第二主应力影响，洞室开挖后浅层岩体会迅速遭到破坏，因此，必须制定“先短后长，先易后难，先浅层支护，再深层支护”的支护策略，尽快施加支护。

由于该洞室群岩爆、岩体松弛现象突出，所有边墙锚杆均增设了钢垫板并与钢筋网焊接为一体以改善支护受力条件，提升边墙的支护作用；调整边墙锚杆施工工艺为“先插杆后注浆”，规避了岩体松弛造成的锚杆孔塌孔带来的锚杆安装困难、影响支护施工时间的问题。

预应力锚杆施工采用速凝锚固剂和缓凝砂浆一次注入、等强后即张拉的一次注浆施工工艺，节约了常规施工方法需进行二次注浆的施工，尽早施加了预应力，减缓了岩体卸荷向深层次发展。

5 结 语

经过统计，以尾水洞为例，采取有效的施工措施前，发生大小塌方共计45次，岩爆塌方量达2 800 m3，塌方频繁，规模大；采取有效的施工措施后，岩爆现象减少至2次，规模降低至15 m3，事实说明：治理效果明显。目前，该电站已投产发电并达到设计要求。项目部技术人员归纳并总结出以下结论：

(1)猴子岩水电站地下发电系统洞室群开挖施工过程中，由于围岩地应力较高、节理较破碎，随着开挖卸荷地应力重新分布，在临空面形成应力集中，洞壁受压导致垂直洞壁方向产生张应力，形成了结构控制重力驱动型岩爆、应力驱动型岩爆与复合驱动型岩爆，且以应力驱动型岩爆为主。

(2)根据洞室群地应力特征，中等主应力和最小主应力测值较大且与厂房轴线呈大角度相交，在洞室开挖解除σ2、σ3后，将产生拉张应力并使剪应力增大，从而造成围岩强烈劈裂破坏，这一点与现场统计的岩爆特征相符。

(3)为控制洞室开挖后强烈卸荷带来的岩爆影响，根据地应力特征，采取了提前释放地应力，设置超前锚杆的主动防治措施，加固了洞周岩体，在一定程度上抑制了开挖后强烈卸荷带来的洞室围岩破坏，进一步采取快速随机支护和系统支护措施，降低了厂房顶拱、尾水管、尾水洞等部位的岩爆危害，保障了工程安全和施工安全。