陳祥榮，劉 寧，潘益斌，張 洋

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引言

深埋巖體開挖卸荷的一個典型且危害性極大的災(zāi)害類型是突發(fā)巖爆。在巖爆災(zāi)害的孕育演化和發(fā)生過程中，由于受到眾多復(fù)雜控制因素的影響與控制，高應(yīng)力條件下表現(xiàn)出更加復(fù)雜的力學(xué)行為，致使巖爆破壞類型和成因機(jī)制也更加復(fù)雜，給施工安全造成直接威脅。

1908年，南非Witwaterstrand金礦和印度Kolar Gold Field礦區(qū)開采過程中經(jīng)歷了地表震動和巖體破壞，最初直覺地認(rèn)為是天然地震導(dǎo)致。但深入研究后發(fā)現(xiàn)，這種震動和巖體破壞與采礦過程中的人工開挖密切相關(guān)，并不是天然地震的結(jié)果，這是人類對深部工程中巖爆災(zāi)害的最早認(rèn)識［1］。上世紀(jì)30年代，礦山業(yè)較發(fā)達(dá)的加拿大在安大略省的Kirkland Lake和Sudbury礦區(qū)開采過程中首次記錄到巖爆現(xiàn)象。隨著實踐的積累，人們對巖爆災(zāi)害形成了深入的認(rèn)識。1978年，加拿大《安大略省勞動安全法》對巖爆的定義為:“開挖面巖體的瞬時沖擊性破壞，或者是對開挖圍巖或地表的震動”。上世紀(jì)90年代中期，在加拿大聯(lián)邦政府和安大略省政府聯(lián)合資助的跨國性巖爆專項研究成果中，巖爆被定義為:“巖爆是開挖導(dǎo)致的一種與震動事件密切相關(guān)的突然性或劇烈性破壞現(xiàn)象”［2-4］。

我國地下工程尤其是水電工程建設(shè)領(lǐng)域?qū)τ趲r爆的認(rèn)識多停留在理論認(rèn)識層面，在工程實際中經(jīng)歷的較少，缺乏應(yīng)對措施，而深埋隧洞巖爆問題是工程建設(shè)期不可回避的現(xiàn)實問題。本文以錦屏二級水電站引水隧洞為例，深入分析了不同類型巖爆的發(fā)生破壞機(jī)理及關(guān)鍵控制因素，介紹了鉆爆法和TBM掘進(jìn)方式下巖爆風(fēng)險的控制措施。

1 工程概況

錦屏二級水電站位于我國西部高山峽谷地區(qū)，4條引水隧洞和2條輔助洞及1條施工排水洞組成了總長度超過120 km的大型隧洞群，是目前世界上規(guī)模最大的水工洞室群。引水隧洞橫穿錦屏山，沿線上覆巖體最大埋深約2 525 m，一般埋深1 500～2 000 m，平均埋深約1 610 m，埋深大于1 500 m的洞段占總長度的75.2%～76.4%。開挖洞徑12.4～14.6 m，單洞長16.67 km。具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點。引水隧洞的西段、中段和2、4號引水隧洞的東段均采用鉆爆法施工，1、3號引水隧洞的東段采用TBM施工。由于隧洞處于高地應(yīng)力地區(qū)，施工過程中不可避免發(fā)生各種等級的巖爆，對引水隧洞快速、安全施工提出了挑戰(zhàn)。

2 巖爆類型及發(fā)育特征

要明確巖爆的發(fā)生機(jī)理和應(yīng)對措施，必須先明確巖爆的類型、發(fā)生特征和關(guān)鍵控制因素，再根據(jù)其發(fā)生條件或規(guī)律尋求合理的理論，解釋其發(fā)生過程。根據(jù)國內(nèi)外研究積累和該工程巖爆災(zāi)害的主要特征，按其發(fā)生條件和機(jī)理可將巖爆劃分為2大類型，即應(yīng)變型巖爆和斷裂型巖爆。依據(jù)搜集的大量巖爆實例對其進(jìn)行深入的分析和研究，初步形成了一套體現(xiàn)深埋隧洞巖爆特點和發(fā)生機(jī)制的巖爆分類方法［5］。該方法既綜合考慮了國際上對巖爆分類問題的先進(jìn)研究成果，也融入了該工程引水隧洞巖爆發(fā)育特有的特性。錦屏二級水電站引水隧洞巖爆分類見表1。

3 巖爆孕育機(jī)理和誘發(fā)機(jī)制

3.1 應(yīng)變型巖爆

引水隧洞中應(yīng)變型巖爆非常常見，TBM和鉆爆法開挖的隧洞中均有大量發(fā)育，這類巖爆在發(fā)生時間上以即時型巖爆為主，即一般發(fā)生在掌子面后方1～2倍洞徑范圍內(nèi)，且以中等巖爆為主。與一般工程不同的是，該工程應(yīng)變型巖爆較少表現(xiàn)為巖片彈射破壞，在中低圍壓下，表層圍巖破壞主要表現(xiàn)為較為緩和的剝落、片幫破壞，以中等至強(qiáng)烈為主，這與大理巖特殊的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。試驗結(jié)果表明，隨著圍壓的升高，大理巖在峰值強(qiáng)度附近出現(xiàn)延性平臺，對緩和的破壞形式，延性平臺無疑增大了巖體的變形能力，有利于圍巖穩(wěn)定性的控制，同時這也意味著處于臨界狀態(tài)的應(yīng)變能儲量的增大。不同應(yīng)力應(yīng)變曲線的能量分析見圖1。右圖中，當(dāng)平臺處發(fā)生塑性變形，相應(yīng)的應(yīng)變能均由塑性變形消耗，在破壞前，巖石內(nèi)儲存的彈性應(yīng)變能與左圖相同，但實際這部分能量無法立刻由塑性變形消耗而積存在巖體中，造成大量能量的累積，這部分未耗散掉的能量與彈性應(yīng)變能合在一起，達(dá)到一定程度后瞬間釋放出來，從而造成強(qiáng)烈?guī)r爆。這與通常對應(yīng)變型巖爆的認(rèn)識是不同的。這類巖爆發(fā)生后，巖體剪切破碎成巖片或小巖塊，大塊較少。

圖1 不同應(yīng)力應(yīng)變曲線的能量分析

表1 引水隧洞巖爆分類方法

3.2 斷裂型巖爆

引水隧洞強(qiáng)烈?guī)r爆和極強(qiáng)巖爆絕大多數(shù)為斷裂型巖爆，主要由洞壁發(fā)育的剛性結(jié)構(gòu)面誘發(fā)。由于結(jié)構(gòu)面的存在造成附近巖體內(nèi)應(yīng)力分布的奇異性，局部高應(yīng)力集中造成應(yīng)變能累積超過其儲能能力而發(fā)生巖爆。該類型巖爆與巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與主應(yīng)力的相對關(guān)系等有關(guān)。在結(jié)構(gòu)巖體中發(fā)生巖爆的必要條件是巖體結(jié)構(gòu)能夠有利于能量的儲存和釋放，能量釋放越徹底，巖爆越強(qiáng)烈［6］。

2號引水隧洞在引(2)11+006～引(2)11+060洞段遭遇強(qiáng)烈?guī)r爆，此次巖爆主要發(fā)生在南側(cè)拱腳處，造成拱腳排水溝鼓起，底板產(chǎn)生縱向拉裂縫，南側(cè)邊墻巖體破壞彈出，噴層和掛網(wǎng)被摧毀，附近洞段南側(cè)邊墻鼓脹。在南側(cè)拱肩處揭露出1條NWW向結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面處圍巖已經(jīng)被彈出，該條結(jié)構(gòu)面的揭露意味著其可能一直延伸至底板。由于南側(cè)拱腳本來為應(yīng)力集中區(qū)和高能量聚集區(qū)［7］，結(jié)構(gòu)面的存在改變應(yīng)力集中區(qū)的位置，使其向底板延伸，從而導(dǎo)致在南側(cè)底拱處形成高能量集中區(qū)(見圖2a)。在超過結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度和巖體的儲能能力后，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面剪切破壞，結(jié)構(gòu)面以下集聚的能量則同時釋放，形成強(qiáng)烈?guī)r爆(見圖2b)。

圖2 2號引水隧洞強(qiáng)烈?guī)r爆數(shù)值分析

4 巖爆防控措施

4.1 巖爆防控原則

從對巖爆機(jī)理研究可知，應(yīng)變型巖爆的成因在于應(yīng)變能量在開挖過程中的積聚、轉(zhuǎn)移和釋放;而斷裂型巖爆的成因包括結(jié)構(gòu)面控制下能量的積聚、轉(zhuǎn)移和釋放以及結(jié)構(gòu)面剪切滑移的誘發(fā)作用。因此，針對引水隧洞不同機(jī)制的巖爆需要制定不同的巖爆防治策略和選擇具體的防控方法，主要原則如下:

(1)快速維持圍壓，增加儲能能力。

(2)增加支護(hù)系統(tǒng)吸能和適應(yīng)變形能力。

(3)誘導(dǎo)能量釋放，消耗和轉(zhuǎn)移能量。

錦屏二級水電站引水隧洞采用TBM和鉆爆法相結(jié)合的施工方案，由于2種工法的不同施工特點，施工期隧洞巖爆控制方法也有所不同。

4.2 鉆爆法洞段

在引水隧洞鉆爆法施工實踐中，采用應(yīng)力解除爆破的方法是進(jìn)行巖爆控制的主動手段。應(yīng)力解除爆破的目的是解除或降低應(yīng)力集中區(qū)部位的高應(yīng)力，爆破區(qū)域應(yīng)位于應(yīng)力集中區(qū)范圍內(nèi)，并以能有效解除或降低應(yīng)力為原則。為盡可能降低施工干擾，現(xiàn)實中的應(yīng)力解除爆破多結(jié)合在正常的開挖爆破過程中實施。采用應(yīng)力解除爆破時，開挖進(jìn)尺原則上以不超過2 m為宜，孔深為進(jìn)尺的2～2.5倍。

鉆爆法開挖洞段巖爆防治采取了積極主動的預(yù)防措施和強(qiáng)有力的支護(hù)措施，確保巖爆洞段的施工安全。主要是采用控制爆破和錨噴支護(hù)，即短進(jìn)尺控制爆破開挖，強(qiáng)烈與極強(qiáng)巖爆洞段要求配合應(yīng)力解除爆破開挖。

(1)隧洞開挖必須采用光面爆破。必要時，應(yīng)力解除爆破技術(shù)作為高地應(yīng)力區(qū)日常性爆破作業(yè)的一部分。

(2)出渣后即對開挖掌子面和周邊洞壁進(jìn)行危石清除作業(yè)，隨后進(jìn)行高壓水沖洗。

(3)觀察現(xiàn)場狀況，根據(jù)巖爆預(yù)警監(jiān)測結(jié)果決定是否回避。強(qiáng)烈和極強(qiáng)巖爆洞段開挖前應(yīng)考慮超前錨桿預(yù)支護(hù)措施和掌子面的噴護(hù)。

(4)具備施工安全條件后，立即進(jìn)行鋼纖維混凝土施工，保證噴層的厚度和質(zhì)量，初噴厚度一般為8 cm。

(5)完成噴層施工后，立即進(jìn)行錨桿施工，如臨時支護(hù)，可采用水脹式錨桿。

(6)對已挖洞段圍巖應(yīng)力變化及深部圍巖破裂微震及時進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警工作，以指導(dǎo)現(xiàn)場加強(qiáng)支護(hù)施工或臨時撤退規(guī)避。

(7)采用多臂臺鉆機(jī)械化作業(yè)，嚴(yán)禁采用人工鉆爆方式，避免強(qiáng)烈?guī)r爆引發(fā)人員傷亡事故。

4.3 TBM掘進(jìn)洞段

受TBM設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制，幾乎無法對掌子面前方3 m和掌子面后方5 m的微震源主要分布區(qū)域和巖爆高風(fēng)險區(qū)實施有效的人工干預(yù)措施，也無法對這一范圍的圍巖實施有效支護(hù)。TBM掘進(jìn)條件下一般只限于對巖爆發(fā)生后的事故處理。

(1)輕微巖爆。①TBM按正常的速率掘進(jìn);②掘進(jìn)后盡快對新開挖面進(jìn)行納米鋼纖維混凝土等噴護(hù)處理，確保TBM掘進(jìn)掌子面后未支護(hù)長度不超過3 m;③對噴護(hù)段圍巖立即實施系統(tǒng)錨桿處理，局部可采用機(jī)械式脹殼預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行快速加固，隨機(jī)配合槽鋼拱架或鋼筋拱肋加固;④及時完成其他系統(tǒng)支護(hù)。

(2)中等巖爆。①降低TBM掘進(jìn)速度;②掘進(jìn)后立即對新開挖面進(jìn)行納米仿鋼纖維混凝土等噴護(hù)處理，確保TBM掘進(jìn)掌子面后未支護(hù)長度不超過護(hù)盾長度;③對噴護(hù)段圍巖立即實施掛網(wǎng)處理，使用預(yù)制鋼筋網(wǎng)，采用墊板與錨桿連接的方式固定，與錨桿系統(tǒng)形成完整的支護(hù)系統(tǒng);④在掛網(wǎng)施工的同時進(jìn)行防巖爆快速錨固處理，視現(xiàn)場潛在巖爆程度，采用機(jī)械式脹殼預(yù)應(yīng)力錨桿，配合系統(tǒng)型鋼拱架進(jìn)行系統(tǒng)初期支護(hù)，并與表面支護(hù)措施(網(wǎng)、噴層和鋼拱架)構(gòu)成支護(hù)系統(tǒng);⑤完成初期快速錨固后，盡快進(jìn)行系統(tǒng)性永久錨桿的安裝。

(3)強(qiáng)烈?guī)r爆或極強(qiáng)巖爆。施工時應(yīng)在這些洞段加強(qiáng)微震監(jiān)測和巖爆預(yù)測工作，一旦進(jìn)入潛在強(qiáng)巖爆高發(fā)洞段，需要采取非常措施提前解除掌子面前方巖爆風(fēng)險，利用鉆爆法在TBM掌子面前方預(yù)先開挖超前導(dǎo)洞，配合使用應(yīng)力解除爆破，提前釋放能量，為TBM安全掘進(jìn)創(chuàng)造條件。本方案實質(zhì)上是把TBM開挖施工的巖爆風(fēng)險轉(zhuǎn)移給鉆爆法，利用鉆爆法掘進(jìn)時可以采取人工干預(yù)的優(yōu)點通過強(qiáng)巖爆風(fēng)險洞段。

5 工程應(yīng)用

在引水隧洞開挖支護(hù)施工中，根據(jù)TBM和鉆爆法不同巖爆控制原則，引水隧洞巖爆防治參考結(jié)構(gòu)抗震“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)計思想，制定了具體的巖爆防治措施，避免發(fā)生重大的施工安全和人員傷亡事故，取得了良好的效果，確保了隧洞的安全掘進(jìn)。

5.1 2號引水隧洞極強(qiáng)巖爆處理

2號引水隧洞引(2)11+017位于高深埋洞段，潛在巖爆風(fēng)險高。開挖過程中，嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)行開挖、初噴CF30納米鋼纖維混凝土和臨時支護(hù)(水脹式錨桿)，并在兩側(cè)邊墻加強(qiáng)支護(hù)(脹殼式預(yù)應(yīng)力錨桿)，掌子面后方40 m左右系統(tǒng)支護(hù)緊跟(普通砂漿錨桿，掛網(wǎng)噴混凝土)。2號引水隧洞巖爆防治支護(hù)流程見圖3。

圖3 2號引水隧洞巖爆防治支護(hù)流程(單位:m)

2010年2月4日，當(dāng)開挖至引(2)11+006時，在引(2)11+017發(fā)生了極強(qiáng)巖爆。主爆區(qū)位于引(2)11+017南側(cè)拱腳。受該部位極強(qiáng)巖爆擾動影響，引(2)11+017～引(2)11+060洞段南側(cè)拱腳發(fā)生巖爆，圍巖彈出。停放在引(2)11+017位置的出渣車受強(qiáng)烈沖擊振動移位，十幾噸重的裝載機(jī)被彈起3次。該洞段已經(jīng)掛設(shè)的鋼筋網(wǎng)受巖爆碎石沖擊與圍巖表面完全脫離。南側(cè)拱腳的巖爆除造成南側(cè)邊墻、拱腳部位巖體彈出、垮塌外，還造成上臺階底板出現(xiàn)3條裂縫，其中1條裂縫從南側(cè)拱腳延伸至北側(cè)拱腳，完全橫向貫穿隧洞，裂縫可見深度約1 m，寬約10 cm。本次巖爆釋放的能量巨大，但經(jīng)避險后對系統(tǒng)支護(hù)進(jìn)行了修復(fù)和加強(qiáng)，該洞段圍巖整體穩(wěn)定，在下臺階開挖過程中未產(chǎn)生巖爆。

5.2 3號引水隧洞強(qiáng)巖爆處理

3號引水隧洞TBM掘進(jìn)至引(3)9+900以西時進(jìn)入了強(qiáng)巖爆風(fēng)險區(qū)，根據(jù)相鄰4號引水隧洞開挖過程中的巖爆跡象推測，TBM掘進(jìn)將遭遇強(qiáng)巖爆風(fēng)險，遂決定在引(3)9+665～引(3)9+909段采用先導(dǎo)洞方案進(jìn)行應(yīng)力解除，確保TBM設(shè)備掘進(jìn)安全。綜合考慮TBM設(shè)備在先導(dǎo)洞擴(kuò)挖掘進(jìn)中的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)比較分析，采用上、中導(dǎo)洞進(jìn)行應(yīng)力解除，導(dǎo)洞斷面形狀和布置見圖4。導(dǎo)洞施工過程中，嚴(yán)格按鉆爆法巖爆防治措施進(jìn)行開挖和噴錨支護(hù)，對導(dǎo)洞邊墻TBM開挖輪廓線以內(nèi)的圍巖支護(hù)采用樹脂錨桿或玻璃纖維錨桿。導(dǎo)洞開挖完成后，TBM采用后續(xù)擴(kuò)挖跟進(jìn)，安全地通過了巖爆高風(fēng)險洞段。

圖4 TBM洞段導(dǎo)洞方案(單位:m)

6 結(jié)語

本文詳細(xì)論述了錦屏二級水電站引水隧洞的巖爆類型、發(fā)育特征、發(fā)生機(jī)理及防治措施，主要結(jié)論如下:

(1)參考國際上對巖爆分類問題的研究成果和錦屏二級水電站引水隧洞巖爆特有的特性，將巖爆分為2大類6小類，即應(yīng)變型和斷裂性2大類，具體細(xì)分為劇烈應(yīng)變型、鼓脹應(yīng)變型、鼓脹擴(kuò)展應(yīng)變型、端部斷裂型、滑移斷裂型、應(yīng)變斷裂性。

(2)強(qiáng)烈?guī)r爆主要受到局部異常地應(yīng)力場的影響。而導(dǎo)致地應(yīng)力異常的原因主要是洞壁發(fā)育的剛性結(jié)構(gòu)面誘發(fā)。斷裂空間分布的隨機(jī)性使得錦屏二級水電站巖爆也存在空間分布上的強(qiáng)烈隨機(jī)性。

(3)基于對錦屏二級水電站引水隧洞巖爆的機(jī)理和對現(xiàn)場巖爆特征的認(rèn)識，提出了鉆爆法和TBM掘進(jìn)條件下巖爆的防控策略，現(xiàn)場實施效果好。

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