薛 志, 郝利軍, 謝仲文

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司,四川成都 610066)

1 工程概況

金平水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)的大渡河左岸支流金湯河干流中上游,為金湯河干流梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第一級(jí)水電站,混合式開(kāi)發(fā)。工程區(qū)位于青藏高原向四川盆地的過(guò)渡地帶,地勢(shì)總體呈現(xiàn)出北西高、南東低的特點(diǎn),山體展布方向與主要構(gòu)造線走向相近。區(qū)內(nèi)河谷深切,山勢(shì)巍峨,兩岸山脊高程一般為 3 500～5 500 m,相對(duì)高差 2 000～2 500 m,屬高山峽谷地貌。

金平水電站引水隧洞下段及地下廠房洞室群主要包括引水隧洞及壓力管道、氣墊式調(diào)壓室及交通洞、主副廠房、主變洞、主變運(yùn)輸洞、母線洞、尾閘室、進(jìn)廠交通洞、尾水洞、出線洞、主廠房排風(fēng)洞、尾閘室排風(fēng)洞、公地溝引水副洞、上下層排水洞及施工支洞等洞室。廠區(qū)樞紐建筑物采用主副廠房、主變洞和尾閘室三大洞室平行布置,從上游向下游分別為主廠房、主變洞、尾閘室,洞室間巖壁厚度分別為 28 m和 21.5 m。主廠房縱軸線方向?yàn)?N 25°E,其與巖體主要結(jié)構(gòu)面走向交角在50°～80°之間,與地應(yīng)力的最大主應(yīng)力夾角為42.15°。在主廠房與主變洞之間布置了兩條母線洞和一條主變運(yùn)輸洞,其軸線方向與主廠房縱軸線方向垂直。

金平水電站引水隧洞下段及地下廠房洞室群埋深大于 300 m,圍巖巖性主要為泥盆系中統(tǒng)下段淺灰色、灰白色厚層含生物骨屑結(jié)晶灰?guī)r、白云石化結(jié)晶灰?guī)r,厚 ～巨厚層結(jié)構(gòu),巖體呈 微 新?tīng)顟B(tài),完整性好,圍巖類別屬于Ⅱ ～Ⅲ類。根據(jù)前期勘探平洞資料,上述幾類巖體單軸抗壓強(qiáng)度大于60 M P a,屬堅(jiān)硬巖石。在金平水電站地下廠房處實(shí)測(cè)最小主應(yīng)力平均值為 5.85 M P a。

2 巖爆的破壞機(jī)理及產(chǎn)生條件

2.1 巖爆的破壞機(jī)理

當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力較大、巖體中有較高的脆性度和彈性時(shí),一旦由于地下工程活動(dòng)破壞了巖體原有的平衡狀態(tài)、洞室開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力大于圍巖強(qiáng)度時(shí),巖體中積聚的能量將導(dǎo)致巖石破壞并將破壞巖石拋出。

2.2 巖爆產(chǎn)生的條件

巖爆形成的條件:高地應(yīng)力區(qū)、具有足夠的上覆巖體厚度(埋藏深度多大于 200 m)、圍巖應(yīng)力集中、巖體新鮮、堅(jiān)硬完整、巖體中有較高的脆性度和彈性、無(wú)地下水。

在高應(yīng)力地區(qū)開(kāi)挖洞室,高應(yīng)力和巖石堅(jiān)硬完整、無(wú)水干燥是發(fā)生巖爆的主要因素。金平水電站地下廠房洞室群埋深較大,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,處于中高地應(yīng)力區(qū),局部高地應(yīng)力可能產(chǎn)生輕微 ～中等巖爆。

因此,金平水電站地下洞室群具備產(chǎn)生巖爆的基本地質(zhì)條件。事實(shí)上,金平水電站壓力管道、引水隧洞、調(diào)壓室交通洞、尾閘室排風(fēng)洞、上層排水洞、三大洞室、尾水洞等洞室在開(kāi)挖過(guò)程中都發(fā)生了不同程度的巖爆,幾乎目前所有已開(kāi)挖的洞室在開(kāi)挖過(guò)程中均發(fā)生過(guò)巖爆。其中,壓力管道及引水隧洞巖爆發(fā)生最為頻繁、程度最為劇烈。

3 巖爆的特點(diǎn)

挪威的羅申斯(R u s s e n e s)將巖爆的活動(dòng)性分為四級(jí):無(wú)巖爆、低巖爆活動(dòng)性(輕微巖爆)、中等巖爆活動(dòng)性(中型巖爆)、高巖爆活動(dòng)性。

就金平水電站地下洞室而言,主要巖爆為輕微巖爆和中型巖爆。低巖爆活動(dòng)性(輕微巖爆)特征:有使巖石松弛和開(kāi)裂的跡象,巖石中略有聲音,局部有巖塊剝落;中等巖爆活動(dòng)性(中型巖爆)特征:巖石大量成片松弛,有隨時(shí)間發(fā)生周界變形的趨勢(shì),巖石中有強(qiáng)烈的開(kāi)裂聲并伴有爆塊墜下。

(1)在巖爆未發(fā)生前,并無(wú)明顯的征兆,在一般認(rèn)為不會(huì)掉落石塊的地方,也會(huì)突然發(fā)生巖石爆裂聲響,石塊有時(shí)應(yīng)聲而下,有時(shí)暫不墜下。例如,在金平水電站主變洞、尾水洞開(kāi)挖過(guò)程中,曾多次出現(xiàn)只聽(tīng)到空響、不見(jiàn)巖塊爆落的情況出現(xiàn),在一定程度上造成人心恐慌,施工受到很大影響。

(2)巖爆發(fā)生的地點(diǎn)多在新開(kāi)挖的工作面附近,個(gè)別的也有距新開(kāi)挖工作面較遠(yuǎn)。常見(jiàn)的巖爆部位以頂拱或拱腰部位為多;巖爆在開(kāi)挖后陸續(xù)出現(xiàn),多在爆破后的 2～3 h,24 h內(nèi)最為明顯,延續(xù)時(shí)間一般為 1～2個(gè)月,有的延長(zhǎng) 1年以上,事前一般無(wú)明顯征兆。該工程在調(diào)壓室交通洞開(kāi)挖完工兩個(gè)月后、距離掌子面 10 m范圍內(nèi)發(fā)生過(guò)輕微巖爆,在很大程度上說(shuō)明準(zhǔn)確判斷巖爆發(fā)生的時(shí)機(jī)是一件很難把握的事。

(3)巖爆時(shí)圍巖破壞的規(guī)模小者幾厘米厚,大者可多達(dá)幾十噸重。石塊由母巖彈出,小者形狀常呈中間厚、周邊薄、不規(guī)則的片狀脫落,脫落面多與巖壁平行。調(diào)壓室交通洞、壓力管道及引水隧洞頂拱部位曾多次發(fā)生中型巖爆,爆塊塊徑由數(shù)公分 ～數(shù)十公分不等,沿結(jié)構(gòu)面爆落,直至巖體穩(wěn)定,巖爆停止,造成頂拱沿結(jié)構(gòu)面形成 5～10 m3的空腔(圖 1)。

(4)巖爆圍巖的破壞過(guò)程。一般新鮮、堅(jiān)硬的巖體先產(chǎn)生聲響,伴隨片狀剝落的裂隙出現(xiàn),裂隙一旦貫通即產(chǎn)生剝落或彈出,屬于表面巖爆;強(qiáng)度較低的巖體則在離隧洞掌子面以里一定距離產(chǎn)生,造成向洞內(nèi)臨空面沖擊力量最大,這種巖爆屬于深部沖擊型。金平水電站引水隧洞下段及地下廠房洞室群在開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生的主要巖爆為表面巖爆,大多數(shù)巖爆發(fā)生在 3日內(nèi)新開(kāi)挖暴露出的頂拱圍巖,發(fā)生過(guò)程中多數(shù)伴有響聲,極少數(shù)巖爆沒(méi)有聲響,巖塊突然墜落,讓人猝不及防,人員設(shè)備來(lái)不及撤離躲避。

圖 1 壓力管道(樁號(hào)管 0+179.4～管 0+189.4段)因巖爆造成頂拱形成的空腔

4 巖爆的預(yù)防

(1)勤觀察。在施工過(guò)程中,一方面應(yīng)加強(qiáng)對(duì)周圍圍巖的觀測(cè),摸清圍巖變化狀況,指導(dǎo)工程施工。另一方面應(yīng)加強(qiáng)對(duì)周圍圍巖的觀察,一旦發(fā)現(xiàn)有異常聲響或變化,立即組織施工人員撤離至安全地帶,同時(shí)向有關(guān)單位匯報(bào)情況,以便采取相應(yīng)的安全防護(hù)措施。針對(duì)巖爆無(wú)明顯征兆的特點(diǎn),勤于觀察為本工程最普遍采用的手段,在很大程度上可以避免或減輕巖爆帶來(lái)的損失和災(zāi)害。

圖 2 引水隧洞(樁號(hào)引 7+765～引 7+753段)調(diào)整爆破參數(shù)后的斷面圖

(2)高壓水噴射掌子面及新開(kāi)挖洞段圍巖(圖 2)。針對(duì)金平水電站地下洞室圍巖堅(jiān)硬、脆性較大的特點(diǎn),干燥洞段開(kāi)挖后,立即向掌子面及以后約 10 m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。根據(jù)目前金平水電站地下洞室的開(kāi)挖情況看,滲水(或涌水)洞段發(fā)生巖爆的情況幾乎沒(méi)有,由此可以推斷:在滲水(或涌水)洞段開(kāi)挖過(guò)程中巖爆發(fā)生的幾率很小;同時(shí)也說(shuō)明對(duì)干燥洞段巖壁進(jìn)行高壓噴水濕潤(rùn)在一定程度上可減輕巖爆的劇烈程度甚至預(yù)防巖爆的發(fā)生。事實(shí)上,金平水電站地下洞室干燥洞段在采取高壓噴水措施后,巖爆的劇烈程度明顯降低。

(3)及時(shí)封閉巖面。針對(duì)開(kāi)挖后可能出現(xiàn)巖爆的洞段,及時(shí)封閉巖面,減少巖壁在空氣中的暴露時(shí)間。由于在前期金平水電站地下洞室施工過(guò)程中,部分干燥洞段在開(kāi)挖后未及時(shí)封閉,圍巖在空氣中暴露時(shí)間較長(zhǎng)而造成巖石性質(zhì)發(fā)生變化、強(qiáng)度降低,圍巖應(yīng)力大于巖石自身強(qiáng)度,進(jìn)而造成巖爆的發(fā)生;后期洞挖施工后采取噴 5 c m厚 C 20混凝土及時(shí)封閉巖面的措施,取得了較為理想的效果。

(4)切實(shí)提高光面爆破效果,按照“短進(jìn)尺、弱爆破”原則進(jìn)行洞挖,并保證洞室輪廓規(guī)則圓順,避免應(yīng)力集中;針對(duì)不同的圍巖情況,適時(shí)調(diào)整爆破參數(shù),盡可能減少爆破對(duì)圍巖的影響。金平水電站引水隧洞及壓力管道在前期施工過(guò)程中,由于光爆效果控制較差,開(kāi)挖斷面成型差,圍巖應(yīng)力集中造成巖爆發(fā)生;后期針對(duì)不同的圍巖狀況適時(shí)調(diào)整爆破參數(shù),取得了明顯效果:洞室成型好、巖爆程度減緩或巖爆消除,確保了施工安全,同時(shí)在一定程度上也降低了工程造價(jià)。

(5)在新開(kāi)挖洞段圍巖施打徑向應(yīng)力釋放孔。由于金平水電站地下洞室發(fā)生巖爆的頻率高,且造孔采用 Y T-28手風(fēng)鉆造孔,造孔擾動(dòng)使得圍巖穩(wěn)定情況進(jìn)一步受到影響,從安全及釋放孔對(duì)巖爆的預(yù)防效果角度出發(fā),本工程中很少采用該種預(yù)防措施。

(6)在應(yīng)力集中區(qū)域打設(shè)錨桿。為了減輕因交叉洞段應(yīng)力集中而發(fā)生巖爆,本工程在洞室交叉部位施工前均沿交叉洞口周邊 50 c m進(jìn)行鎖口錨桿施工,鎖住周邊巖石以確保洞室成型,減輕應(yīng)力集中的影響,從而減緩巖爆的劇烈程度或消除巖爆。

(7)對(duì)施工設(shè)備進(jìn)行必要的防護(hù)。在金平水電站主變洞一次挖機(jī)撬除危石排險(xiǎn)過(guò)程中,頂拱發(fā)生中型巖爆,爆塊墜下造成挖機(jī)頂棚被砸。由于事前對(duì)挖機(jī)頂棚進(jìn)行過(guò)防護(hù),災(zāi)害才未傷及到人,避免了一起人員傷害事故的發(fā)生。在很大程度上講,對(duì)洞內(nèi)施工設(shè)備采取必要的防護(hù),不僅可以減輕或避免機(jī)械設(shè)備因巖爆帶來(lái)的損壞,而且可以保證駕駛?cè)藛T的生命安全,對(duì)減少和避免事故的發(fā)生具有重大意義。

(8)加強(qiáng)圍巖變形觀測(cè)。針對(duì)金平水電站諸如主副廠房之類大斷面開(kāi)挖的洞室,在施工過(guò)程中及時(shí)進(jìn)行了圍巖變形觀測(cè),尤其是巖爆發(fā)生較為頻繁的洞段,針對(duì)圍巖變形做到防患于未然。本工程采用了 J S S 30A型系列數(shù)顯收斂?jī)x對(duì)圍巖進(jìn)行變形觀測(cè),經(jīng)過(guò)將近一個(gè)月連續(xù)對(duì)主副廠房圍巖進(jìn)行的變形觀測(cè),并及時(shí)將變形觀測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)提供給業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì),為主副廠房頂拱后期采取錨索支護(hù)手段及時(shí)提供了基礎(chǔ)性參考資料。

5 巖爆的處理

一般情況下,對(duì)地下洞室發(fā)生的巖爆應(yīng)采用行之有效的預(yù)防措施,降低巖爆的發(fā)生幾率,減小巖爆強(qiáng)度。對(duì)于巖爆較嚴(yán)重的部位,要先處理、后施工,以確保施工安全。金平水電站地下洞室工程針對(duì)不同程度的巖爆采取了不同的處理措施。由于巖爆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,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)人員的恐懼心理,保證開(kāi)挖和支護(hù)快速通過(guò)巖爆區(qū)域。

5.1 輕微巖爆的處理

就輕微巖爆而言,本工程主要采取了以下支護(hù)措施:

(1)素噴 C 20混凝土,厚 5 c m;

(2)隨機(jī)錨桿支護(hù),錨桿采用 φ 25鋼筋,L=3 m,外露 10 c m;

(3)支護(hù)范圍為頂拱范圍內(nèi)。

其中第(1)條多指上述“巖爆的預(yù)防”中混凝土封閉巖面。設(shè)置隨機(jī)錨桿的目的是為了鎖住較大的不穩(wěn)定石塊,防止由于巖爆造成石塊墜落甚至洞室垮塌。

5.2 中型巖爆的處理

至于中型巖爆,本工程主要采取了以下支護(hù)措施:

(1)素噴 C 20混凝土,厚 5 c m;

(2)系統(tǒng)錨桿支護(hù),錨桿采用 φ 25鋼筋,L=3 m,間距 1 m,排距 1.5 m,外露 10 c m;

(3)掛 φ 8鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距 15 c m×15 c m;

(4)再噴 C 20混凝土,厚 5 c m,總計(jì) 10 c m;

(5)支護(hù)范圍為頂拱范圍內(nèi)。

尾水隧洞在樁號(hào)W0+081～W0+071段施工過(guò)程中發(fā)生了中型巖爆,爆塊不斷,巖爆斷斷續(xù)續(xù)在發(fā)生 1 d后程度有所減緩,經(jīng)過(guò)施工單位現(xiàn)場(chǎng)勘查,采用了上述安全支護(hù)措施,取得了理想效果(圖 3)。

圖 3 尾水隧洞樁號(hào)W0+081～W0+071段掛網(wǎng)噴護(hù)

金平水電站主副廠房在開(kāi)挖過(guò)程中頂拱發(fā)生了中型巖爆、程度劇烈,遂對(duì)圍巖采取噴 5 c m厚C 25鋼纖維混凝土進(jìn)行支護(hù),但噴護(hù)后無(wú)明顯效果,巖爆依舊發(fā)生,巖爆將噴護(hù)的混凝土爆落。經(jīng)過(guò)業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)和施工單位現(xiàn)場(chǎng)勘查后,提出主副廠房人員設(shè)備撤離工作面暫停施工,待巖爆程度減緩后進(jìn)行掛網(wǎng)噴護(hù)施工。經(jīng)過(guò)將近 20 d的待避停工后,主副廠房巖爆程度大大減緩,在采取了掛網(wǎng)噴護(hù)措施后,取得了預(yù)期效果。由此可見(jiàn),在巖爆程度劇烈且噴護(hù)封閉巖面無(wú)明顯效果的情況下,采取待避的被動(dòng)措施也未嘗不是一種較為安全有效的措施(圖 4)。

6 結(jié) 語(yǔ)

圖 4 主副廠房采取掛網(wǎng)噴護(hù)

由于目前巖爆條件下施工沒(méi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,還不能完全避免巖爆的傷害,因此,巖爆防治應(yīng)以防為主,有效的預(yù)測(cè)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)惡化并保證施工人員及設(shè)備的安全。巖塊的爆落勢(shì)必會(huì)造成隧洞的超挖,所以,在施工中采取合理而有效的巖爆防治措施,減少巖爆發(fā)生的幾率和規(guī)模,對(duì)降低工程造價(jià)具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

金平水電站地下洞室的不同部位多次發(fā)生巖爆,施工單位通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察并經(jīng)不斷總結(jié)分析和實(shí)踐驗(yàn)證,上述施工措施對(duì)巖爆的預(yù)防和處理取得了一定經(jīng)驗(yàn),為工程創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,為類似施工項(xiàng)目提供了借鑒。

[1] 雷登憲,李景玉.瀑布溝水電站地下洞室開(kāi)挖中巖爆的預(yù)防與治理[J].水電站設(shè)計(jì).2010,26(1):80～82.

[2] 水電水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)范,D L/T5135-2001[S].?