雷登憲,李景玉

(瀑布溝水電站 714聯(lián)營體,四川 漢源 625300)

1 前 言

瀑布溝水電站位于四川大渡河中游、四川省漢源縣及甘洛縣境內(nèi),下游距已建的龔嘴、銅街子水電站分別為 103km和 136km。工程樞紐由礫石土心墻堆石壩、左岸地下廠房系統(tǒng)、左岸岸邊開敞式溢洪道、左岸泄洪洞、右岸放空洞及尼日河引水工程等工程項(xiàng)目和建筑物組成。工程等別為Ⅰ等,主要水工建筑物為 1級。左岸地下廠房系統(tǒng)包括進(jìn)水口、壓力管道、主副廠房、主變洞、尾水閘門室、尾水管和連接洞、尾水隧洞及開關(guān)站等建筑物。廠房裝機(jī)共 6臺(tái),單機(jī)容量 550MW,總裝機(jī)容量 3300MW。

2 巖爆的定義及分級

地下洞室穿越堅(jiān)硬、整體性較好、高應(yīng)力圍巖區(qū)域時(shí),由于開挖卸荷洞室周邊圍巖的應(yīng)力將重新調(diào)整、重新分布。當(dāng)重新調(diào)整的圍巖應(yīng)力超過圍巖本身的抗壓強(qiáng)度后,圍巖會(huì)發(fā)生突然破壞,并伴隨產(chǎn)生巖塊的彈射、拋擲、震動(dòng)、聲響等釋放內(nèi)部彈性應(yīng)變能量的現(xiàn)象,被稱為巖爆。巖爆發(fā)生時(shí),巖塊脫離圍巖母體,突然向臨空方向拋射或脫落,多發(fā)生于隧道新開挖工作面的拱肩和邊墻部位,對洞室開挖施工構(gòu)成無預(yù)兆性的安全威脅。因此,巖爆是地下工程開挖施工中發(fā)生在高地應(yīng)力、完整且呈脆性的巖體內(nèi)的一種地質(zhì)災(zāi)害,極大地威脅著施工人員和施工設(shè)備的安全。

目前,國內(nèi)許多地下工程都遇到破壞程度不同的巖爆,有許多科技論文探討了預(yù)防、治理巖爆的方法和手段。巖爆的發(fā)生受到巖性、構(gòu)造、地下水、圍巖類別、巖體構(gòu)造等條件的控制,主要發(fā)生在巖體完整性好、巖質(zhì)堅(jiān)硬致密且脆性大的Ⅰ、Ⅱ類圍巖中,Ⅲ、Ⅳ類圍巖中則較少出現(xiàn)。一般情況下,巖爆以弱—中等為主,強(qiáng)巖爆出現(xiàn)的頻率和幾率較小,弱 -中等巖爆的特征以連續(xù)、零星分布的松脫、片狀剝落為主。

挪威的羅申斯(Russenes)將巖爆的活動(dòng)性分為四級,其具體分級見表1。

表1 巖爆分級

3 巖爆的特征和規(guī)律

瀑布溝水電站地下廠房洞室群主要建筑物包括6條引水隧洞、主廠房和副廠房系統(tǒng)及安裝間、主變室、尾閘室、6條尾水管及連接洞、2條尾水隧洞、進(jìn)廠交通洞、多條施工支洞及排水廊道等。地下廠房系統(tǒng)所在區(qū)域的圍巖主要為致密、堅(jiān)硬、呈灰白色的中粗?；◢弾r(γ22)。山體內(nèi)地應(yīng)力高,最大主應(yīng)力σ1=21.1～27.3MPa,方向 N54°E～ N84°E,傾角一般小于20°,方向、量級、傾角均較穩(wěn)定,是以構(gòu)造應(yīng)力為主的地應(yīng)力場。巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc與最大主應(yīng)力σ1之比為 3.9～7.6,或σ1=(0.13～0.25)σc,巖體抗拉強(qiáng)度σt與最大主應(yīng)力σ1之比為 0.28～0。

3.1 瀑布溝水電站巖爆的特征

9號施工支洞 K0+122～K 0+320m樁號段發(fā)生過 13次三級巖爆,巖爆起始于開挖 6h后,持續(xù)3h至一周時(shí)間不等;巖爆崩落的巖塊以片狀為主,大小不等,厚度 8～15cm,崩落水平距離 0.5～1.5m,崩落時(shí)伴有如堅(jiān)硬物質(zhì)被擠壓破裂的聲音;巖爆的位置大多發(fā)生在左側(cè)起拱至 1/8圓弧段。13次巖爆中有 5次巖爆形成直徑超過 200cm、深度超過 150cm鍋底狀的爆坑。

在廠房安裝間廠橫 0-60m～0+00m樁號段發(fā)生過 7次三級巖爆,巖爆起始于開挖 10h后,持續(xù)時(shí)間 3～48h不等;巖爆崩落的巖塊以片狀為主,大小不等,厚度 8～15cm,崩落水平距離 0.5～1.0m,崩落時(shí)伴有如堅(jiān)硬物質(zhì)被擠壓破裂的聲音;巖爆大多發(fā)生在邊墻和兩側(cè)起拱至 1/8圓弧段。7次巖爆中有 2次巖爆形成直徑超過 200cm、深度超過 150cm鍋底狀的爆坑。

在 2號尾水隧洞尾(2)0+238～0+298m樁號段發(fā)生過 10次三級巖爆,巖爆起始于開挖 8h后,持續(xù)時(shí)間 3～24h時(shí)間不等;巖爆崩落的巖塊以片狀為主,大小不等,厚度 8～15cm,崩落水平距離 0.5～1.5m,崩落時(shí)伴有如堅(jiān)硬物質(zhì)被擠壓破裂的聲音;巖爆大多發(fā)生在右側(cè)起拱至 1/8圓弧段。10次巖爆中有 3次巖爆形成直徑超過 200cm、深度超過150cm鍋底狀的爆坑。

3.2 巖爆發(fā)生后的處理措施

9號施工支洞發(fā)生巖爆后,聯(lián)營體立即通知業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理人員到達(dá)施工現(xiàn)場進(jìn)行觀察分析,商定處理方案,處理方案如下:

(1)立即停止鉆爆施工,撤退施工人員,派專人觀察,并作好巖爆記錄及攝像資料;

(2)當(dāng)大的巖爆消失后,采用 1.2m3反鏟敲擊巖爆范圍內(nèi)巖石,引誘余震盡快發(fā)生,并將松動(dòng)塊體清撬干凈;

(3)對 K 0+122～K 0+320m樁號段巖爆影響范圍拱肩以上部位進(jìn)行支護(hù),支護(hù)參數(shù):錨桿直徑φ22,L=250cm,@=150cm,外露 10cm;噴 C25鋼纖維混凝土 10cm,并掛機(jī)編網(wǎng)。在巖爆較強(qiáng)的部位打 φ42、L=250cm、間距 50 cm、排距 250cm的應(yīng)力釋放孔。支護(hù)工作須在巖爆發(fā)生后的 1～3天后進(jìn)行,以防余爆造成傷害事故。

3.3 對巖爆的特征分析

借鑒國內(nèi)一些地下工程處理巖爆的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)分析,聯(lián)營體工程技術(shù)人員認(rèn)為,瀑布溝水電站地下洞室?guī)r爆分布有以下 6個(gè)規(guī)律:

(1)巖爆是發(fā)生在新鮮、完整、堅(jiān)硬的巖體中,尤其在緩傾角、小斷層巖體的下緣更為突出;

(2)巖爆區(qū)段的洞室垂直埋深在 250～320m之間,埋深較大,山體由河谷深切形成,岸坡陡峻,沖溝地形;

(3)巖爆大多發(fā)生在邊墻、拱腳附近區(qū)域;

(4)巖爆頻率與距掌子面距離存在一定的聯(lián)系,通過現(xiàn)場觀察和對查閱到的巖爆資料分析得知,巖爆有兩個(gè)高發(fā)區(qū),第一個(gè)高發(fā)區(qū)是在距掌子面 3～9m以內(nèi),往后逐漸減少,至 1～1.5倍洞徑處形成第二個(gè)高發(fā)區(qū),隨后逐漸減弱;

(5)巖爆滯后開挖 6～8h發(fā)生,持續(xù)時(shí)間不等;

(6)巖爆發(fā)生區(qū)域伴有裂隙、斷層等地質(zhì)缺陷。

4 防治巖爆的施工措施

鑒于瀑布溝水電站地下廠房洞室群部分巖石新鮮完整、地應(yīng)力高的特點(diǎn),聯(lián)營體制訂了巖爆防治的專項(xiàng)施工措施和專項(xiàng)安全預(yù)防措施,采用的防治巖爆的方法立足于減輕或避免巖爆傷人、毀機(jī)以及導(dǎo)致洞室圍巖大面積失穩(wěn)的思路。按照“科學(xué)識辨、穩(wěn)扎穩(wěn)打、步步為營、安全第一、不盲目冒進(jìn)”的指導(dǎo)思想,遵循“以防為主、防治結(jié)合、多種手段綜合治理”的原則進(jìn)行施工和防治巖爆,具體方法簡述如下。

4.1 開挖爆破方法

(1)采用光面控制爆破,盡量保證隧道開挖輪廓平整圓順,以避免應(yīng)力調(diào)整后應(yīng)力過分集中。

(2)采用“短進(jìn)尺、弱爆破”,頂拱采用小藥卷光面爆破,拉大不同孔圈炮眼的雷管段位,從而延長爆破時(shí)間,減少對圍巖的爆破擾動(dòng),減少爆破振動(dòng)應(yīng)力的疊加,控制爆破裂隙的生成,避免爆破誘發(fā)巖爆,降低巖爆頻率和強(qiáng)度。

(3)考慮到全斷面一次鉆孔對圍巖擾動(dòng)大,易誘發(fā)巖爆,故將巖爆嚴(yán)重地段的全斷面開挖改小導(dǎo)洞開挖,使應(yīng)力逐釋放,到達(dá)降低巖爆危害程度的目的。

(4)針對巖爆具有突發(fā)性,極易對人、機(jī)造成傷害的特點(diǎn),施工中采用鑿巖臺(tái)車造孔、噴混凝土機(jī)械手噴漿等較先進(jìn)的手段,減少巖爆對作業(yè)人員的傷害。

(5)巖爆發(fā)生后,伴隨著巨大的響聲和飛石,會(huì)使作業(yè)人員產(chǎn)生恐懼心理,因此在巖爆減弱后,在巖爆區(qū)用反鏟敲擊爆區(qū)四周,引誘巖爆盡快徹底發(fā)生,并清理松動(dòng)巖石,以消除作業(yè)人員恐懼心理,保證開挖和支護(hù)快速通過爆區(qū)。

4.2 支護(hù)型式

巖爆的成因主要取決于地質(zhì)條件、地應(yīng)力條件和施工觸發(fā)因素。為減輕巖爆的危害,很重要的一條就是在洞室開挖前和開挖后對圍巖采取支護(hù)措施,防止巖石彈射和剝落造成事故,從而達(dá)到減輕巖爆危害的目的。施工期間,根據(jù)圍巖變化,由地質(zhì)人員分析推測前方圍巖狀況,根據(jù)圍巖完整性、強(qiáng)度、地下水、是否存在斷層等情況,超前預(yù)報(bào)掌子面前方圍巖是否會(huì)有巖爆產(chǎn)生。開挖后,根據(jù)已發(fā)生巖爆特征,結(jié)合現(xiàn)場觀察巖塊形狀、爆坑大小、彈射強(qiáng)度、人工聽聲等手段,判定巖爆強(qiáng)度,并有針對性地采取支護(hù)措施。

(1)徑向錨桿支護(hù)。為防止這種類型巖爆的發(fā)生,減少巖爆對施工人員和設(shè)備的安全威脅,設(shè)置徑向錨桿。錨桿為 φ22,梅花形布置,間排距 1～1.5m,長度為 2.5m。

(2)徑向錨桿 +噴鋼纖維混凝土支護(hù)。為快速形成支護(hù)屏障,縮短掛網(wǎng)時(shí)間,采用此類支護(hù)形式。鋼纖維采用江西贛州大業(yè)產(chǎn)鋼纖維,摻量 30～40 kg/m3,采用 TK961濕噴機(jī)噴混凝土。鋼纖維混凝土較普通混凝土顯著提高了噴混凝土的抗拉強(qiáng)度和韌度系數(shù),在防治巖爆支護(hù)中可取代鋼筋網(wǎng),減薄噴混凝土層的厚度,技術(shù)上安全可行,總造價(jià)比掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土省 10%,而且還因取消掛網(wǎng)節(jié)省了時(shí)間。

(3)徑向錨桿 +應(yīng)力釋放孔支護(hù)。巖爆發(fā)生后圍巖會(huì)產(chǎn)生一個(gè)松動(dòng)圈,厚度 1～2m。為防止地質(zhì)環(huán)境繼續(xù)惡化而發(fā)生坍塌,采用這種支護(hù)型式目的是加固巖體,釋放巖體應(yīng)力,防治巖體較大規(guī)模的掉塊,是一種較有效的防治巖爆的支護(hù)措施。應(yīng)力釋放孔成排布置,間距 50 cm、排距 250 cm、深度 250 cm。

(4)徑向錨桿 +機(jī)編網(wǎng)支護(hù)。為防止巖爆發(fā)生后圍巖掉塊傷及人員和設(shè)備,用錨桿固定機(jī)編網(wǎng),兜住爆落巖塊。這是一種經(jīng)濟(jì)有效、被動(dòng)的防治巖爆的支護(hù)措施。

4.3 其他輔助措施

(1)高壓水噴射掌子面。爆破后立即向掌子面及以后約 15m范圍內(nèi)的隧洞周邊噴射高壓水,以改變巖石表面的物理力學(xué)性質(zhì),降低巖石脆性、增強(qiáng)塑性,達(dá)到減弱巖爆劇烈程度的目的。此法適用于輕微或中等程度的巖爆。

(2)預(yù)先在掌子面附近有可能發(fā)生巖爆的部位有規(guī)則地打一些空孔,以便釋放應(yīng)力,阻止圍巖因達(dá)到極限應(yīng)力而產(chǎn)生巖爆。

(3)當(dāng)判定巖爆即將發(fā)生時(shí),施工人員和機(jī)械立即撤離作業(yè)現(xiàn)場。

(4)強(qiáng)化作業(yè)人員的安全紀(jì)律教育及巖爆常識、防護(hù)知識的學(xué)習(xí),嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)技術(shù)和安全規(guī)程,危險(xiǎn)地段增設(shè)照明設(shè)備并設(shè)醒目標(biāo)志。

5 幾點(diǎn)體會(huì)

(1)由于受洞室開挖的影響,洞室保留巖體將產(chǎn)生應(yīng)力重新調(diào)整和集中,這種不利的能量變化、積聚,可能導(dǎo)致洞室局部地方發(fā)生破壞。因此,假如能夠在巖爆部位減緩應(yīng)力集中和能量積聚,使之向圍巖深部轉(zhuǎn)移或釋放,就可以減輕或避免巖爆。

(2)根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)表明,在開挖后 0～6h時(shí)段內(nèi)(即頂拱安全處理和出渣時(shí)),巖爆出現(xiàn)的幾率就較小,在該時(shí)段內(nèi)應(yīng)加快防巖爆的施工作業(yè);在開挖后 10～24h時(shí)段內(nèi),巖爆發(fā)生的頻率很高,此時(shí)正值掌子面 10m范圍內(nèi)進(jìn)行支護(hù)作業(yè),對作業(yè)人員安全威脅極大,應(yīng)采取“躲”的策略,有意識地避讓巖爆的高發(fā)時(shí)段和地段。

(3)巖爆防治應(yīng)以防為主,有效的預(yù)測和安全防護(hù)才能確保施工安全。巖爆發(fā)生后的支護(hù)措施主要是防止巖石狀況持續(xù)惡化和保證施工人員,以及設(shè)備的安全。

(4)巖爆發(fā)生后,出現(xiàn)巖塊的爆落勢必會(huì)造成隧洞的超挖。在施工中采取合理而有效的巖爆防治措施,減少巖爆發(fā)生幾率和規(guī)模,對降低工程造價(jià)有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

6 結(jié) 語

瀑布溝水電站地下廠房地下洞室群的不同部位多次發(fā)生巖爆,業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理和施工單位通過現(xiàn)場觀察、分析編制出防止巖爆的施工措施,經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證,該施工措施能有效地防止和減小巖爆造成的損失,為工程創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,也可為類似施工項(xiàng)目提供借鑒。