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        基于微震監(jiān)測的高地應力深埋地下廠房中下層開挖技術研究

        2018-02-22 03:50:52李紅心陳飛東
        水力發(fā)電 2018年11期
        關鍵詞:微震邊墻洞室

        嚴 波,李紅心,陳飛東

        (國電大渡河猴子巖水電建設有限公司,四川 康定 626005)

        1 工程概況

        猴子巖水電站地下廠房位于大渡河右岸山體內(nèi),共裝機4臺機組,總容量1 700 MW。安裝間、主廠房及第一副廠房并排布置,主廠房開挖輪廓尺寸為219.5 m×29.2 m×68.7 m(長×寬×高),垂直埋深400~660 m,水平埋深280~510 m。地下廠房巖體主要以白云質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r為主,巖體受次級小斷層、節(jié)理裂隙及擠壓破碎帶切割,存在不利組合塊體,對局部圍巖穩(wěn)定不利,廠區(qū)地下水不豐,以滲滴水為主;深埋地下廠房地應力為高地應力地區(qū),最大值達36.43 MPa,巖體局部地應力方向與地下廠房軸線大角度相交,巖爆、塌方現(xiàn)象尤為突出。

        2 微震監(jiān)測技術

        微震活動是地下洞室開挖卸荷失穩(wěn)破壞的前兆,根據(jù)微震活動規(guī)律特征可識別并圈定地下洞室潛在危險失穩(wěn)區(qū)域。針對傳統(tǒng)監(jiān)測(如錨桿測力計、多點位移計等)難以及時對巖石微破裂活動進行有效監(jiān)測,通過引入高精度的ESG微震監(jiān)測技術實時分析地下洞室失穩(wěn)破壞前的微震活動特征,從而實現(xiàn)深埋地下廠房開挖強卸荷過程中圍巖微破裂活動的實時定位和分析[1]。

        2.1 設備介紹

        高精度的ESG微震監(jiān)測系統(tǒng)采用加拿大ESG公司生產(chǎn)的礦山微震監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)主要由Hyperion與Paladin數(shù)字信號采集系統(tǒng)、電纜光纜、加速度傳感器、數(shù)據(jù)通訊調(diào)制解調(diào)器以及基于遠程網(wǎng)絡傳輸?shù)腗MS-View三維可視化軟件組成[2]。通過自動過濾和人工識別剔除干擾事件,運用波形觀察和頻譜分析,可將地下廠房開挖中識別到的微震分為開挖爆破、巖石破裂、噪音及機械振動等3大類別。

        2.2 傳感器布置與安裝

        主廠房周邊布置高中低三層排水平洞,利用超前施工的排水平洞,沿最高層排水平洞頂拱均勻布置6支微震監(jiān)測傳感器,對比傳統(tǒng)直接從地表向地下洞室監(jiān)測區(qū)域鉆孔的方法,直接在排水平洞鉆孔安裝,保證傳感器與巖壁耦合緊密,且永久性地被固定在鉆孔內(nèi),微震信號能夠直接被傳感器接收,同時提高安裝效率,節(jié)省安裝成本。

        傳感器鉆孔要求孔徑應在32~38 mm之間,鉆孔深度為3~5 m,為了便于安裝傳感器,應盡量往頂板上打孔,孔的傾角至少應大于70°,傳感器鉆孔示意如圖1所示,從而保證大仰角使孔內(nèi)積水及時自動排出,避免孔底樹脂的固定作用失效,同時,傳感器接收信號時不受到廠房施工產(chǎn)生的噪音干擾。

        圖1 傳感器鉆孔示意

        按傳感器布置方案進行鉆孔,結合現(xiàn)場條件,可以對傳感器的鉆孔位置稍作調(diào)整。安裝前預先至少要打好4個鉆孔,并量測到實際鉆孔的準確孔口三維坐標,通過幾何計算最終獲得各個孔底的三維坐標。這些孔底坐標輸入系統(tǒng)軟件參與定位計算,監(jiān)測中會直接影響到最后的微震事件定位。傳感器安裝于孔底,安裝傳感器前,應全面檢查孔底成孔情況并清理鉆孔殘渣,使傳感器與巖壁緊密耦合,同時,應在鉆孔口測試傳感器,確保傳感器工作正常。傳感器安裝組成示意如圖2所示。

        圖2 傳感器安裝組成示意

        2.3 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

        微震活動事件的空間分布、頻次與震級能直觀、有效地反映巖體內(nèi)部發(fā)生微破裂的位置和大小,并進一步預測判斷地下廠房的潛在危險區(qū)域,據(jù)此可提前從設計方案、施工方案上制定相應的對策措施,比如臨近邊墻部位的開挖出渣采取有效的安全防護措施,及時對邊墻采取加強支護措施等。

        (1)地下廠房下游邊墻微震監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示,微震活動事件主要處于2號與3號母線洞之間,且形成條帶狀分布,該區(qū)域圍巖損傷主要受斷層控制,由爆破開挖誘導,建議加強該區(qū)域支護;上游邊墻微震監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)顯示,微震活動事件主要聚集在上游側4號機組段,且微震事件震級高、能量大,微震變形云圖也表明了該區(qū)域變形較大,圍巖應力、能量仍未充分釋放,建議開挖后及時支護,以免變形擴展。微震監(jiān)測預判潛在危險失穩(wěn)區(qū)域與傳統(tǒng)監(jiān)測變形基本吻合。

        (2)高地應力地下洞室圍巖開挖后卸荷松弛變形大、速度快。高地應力條件下洞室開挖后,洞周地應力釋放使裂隙巖體產(chǎn)生卸荷效應,同時也會引起巖體內(nèi)部地應力重新分布。通過監(jiān)測分析,大部分區(qū)域圍巖淺表層卸荷松弛變形1周內(nèi)基本完成,深層圍巖松弛變形大致1個月內(nèi)基本完成。

        (3)高地應力地下洞室開挖支護后的圍巖應力調(diào)整時間長。結合內(nèi)觀監(jiān)測和物探資料發(fā)現(xiàn),地下洞室開挖支護后變形及應力變化持續(xù)時間長,圍巖松弛深度也隨之持續(xù)增長,從開挖出露到最終收斂要1年左右,持續(xù)的變形破壞對施工影響非常大。

        3 深層預裂、薄層開挖、隨層支護施工工藝

        3.1 分層厚度參數(shù)

        為有利于進行開挖邊墻的及時支護,根據(jù)地下廠房的錨索分布情況及錨索施工工藝,確定廠房的開挖分層厚度與分層高程,一般開挖分層高度為錨索的排距,即4 m,分層高程比錨索高程低0.8~1.5 m左右。根據(jù)開挖分層高度確定預裂深度,一般預裂深度為2~3層開挖高度。

        3.2 預裂爆破

        預裂爆破試驗主要確定的參數(shù)為預裂爆破的孔距、孔深和線裝密度。預裂孔的間距一般為0.6~1.0 m,在廠房中部(梯段開挖范圍內(nèi))進行預裂爆破試驗,選定3種不同間距的預裂孔孔位(0.6、0.8、1.0 m);預裂孔的孔深一般超過開挖厚度約50 cm,若地質(zhì)情況較差(巖體松弛、裂隙發(fā)育),預裂孔孔深可以與開挖厚度一致;根據(jù)施工經(jīng)驗,借鑒同類水電站施工參數(shù),線密度一般在500~1 000 g/m之間,選定500、800、1 000 g/m 3種不同的線裝密度。

        對不同孔距、不同孔深及不同線裝密度進行排列組合并試驗,選定最適合地下廠房條件的預裂開挖爆破參數(shù);猴子巖水電站高地應力深埋地下廠房開挖施工最優(yōu)預裂爆破參數(shù)為:孔深12~20 m,孔距0.8 m,線裝藥密度1 000 g/m。

        地下廠房邊墻預裂孔采用100E潛孔鉆機(反向鉆機)進行造孔,主爆孔采用100B或液壓鉆進行造孔,預裂孔開孔部位上部1.5 m范圍內(nèi)(鉆機位置)需提前進行技術性超挖10 cm,以便鉆機充分就位,減少超欠挖現(xiàn)象的發(fā)生[3]。

        3.3 梯段爆破

        梯段爆破試驗主要確定的參數(shù)為梯段爆破的孔距、孔深和裝藥量??拙喔鶕?jù)出渣、裝渣設備的性能及渣料粒徑等要求確定爆破孔的孔距,通常爆破孔孔距為1.8~2.2 m;孔深綜合考慮液壓鉆的鉆孔性能、多臂鉆錨桿施工高度、錨索的排距等因素確定分層開挖高度和梯段爆破的孔深,通常開挖高度為4.0 m,梯段爆破孔深一般超過開挖高度約50 cm;裝藥量根據(jù)爆破震動控制速度、抵抗線等計算梯段爆破孔裝藥量。爆破孔平面布置如圖3所示。

        圖3 爆破孔平面布置(單位:cm)

        3.4 出渣及支護

        巖體爆破15 min后安排有經(jīng)驗的施工安全員對開挖面進行檢查,根據(jù)微震監(jiān)測系統(tǒng)判定爆破前后潛在危險區(qū)域的位置和范圍,從設計與施工兩方面制定相應的安全對策措施,按全斷面薄層順序依次由上向下進行開挖爆破作業(yè)。出渣后用反鏟對掌子面危石進行安全處理,并將底板松渣清理干凈,平整工作面,使之滿足下一循環(huán)的作業(yè)要求。

        邊墻開挖后,根據(jù)圈定的潛在失穩(wěn)區(qū)域,及時加強重點關注區(qū)域的支護,應注意錨桿、錨索等支護需跨越卸荷松弛范圍。

        針對高地應力地下洞室開挖后圍巖變形特點,對支護的及時性進行分析、總結,得出地下洞室邊墻開挖后3~5 h內(nèi)(當班)必須素噴封閉,系統(tǒng)錨桿及網(wǎng)噴1周內(nèi)完成,錨索等深層支護最優(yōu)在20天內(nèi)完成。實際施工過程中,及時支護的參數(shù)量化要求,有效降低因圍巖裸露時間過長而發(fā)生松弛、片幫的破壞幾率。

        3.5 工藝特點評價

        (1)針對猴子巖水電站深埋地下廠房的高地應力特征,通過采取沿邊墻結構線預裂的爆破方式,使結構線提前形成一道爆破縫隙達到提前釋放高地應力的目的。

        (2)根據(jù)已有的開挖支護設備、錨索分布等因素合理進行開挖分層、分區(qū),可提高開挖支護設備使用效率。

        (3)采取薄層開挖并形成全斷面開挖施工作業(yè),并及時進行兩側邊墻的錨桿噴護、錨索等系統(tǒng)支護施工,結合微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析出潛在失穩(wěn)區(qū)域,采取隨機錨桿等重點加強支護措施,能有效控制高邊墻巖體松弛,減小廠房邊墻圍巖變形,從而提高高地應力地下洞室邊墻成型質(zhì)量,同時降低巖爆、塌方的風險,節(jié)約了施工工期。

        4 結 語

        基于微震監(jiān)測的“深層預裂、薄層開挖、隨層支護”施工工藝,創(chuàng)新大型地下洞室開挖支護的程序與施工方法。對比傳統(tǒng)的“梯段中部拉槽、兩側邊墻光爆”的大型地下洞室開挖施工方法,該工藝優(yōu)化了傳統(tǒng)梯段開挖爆破的開挖程序與施工工藝,結合微震監(jiān)測技術,通過其預測潛在的失穩(wěn)區(qū)域,有效解決了邊墻加強支護范圍與支護參數(shù)的問題,同時為后續(xù)同類地下工程開挖施工提供相關的經(jīng)驗,尤其適用于地應力較高、圍巖容易發(fā)生巖爆和大變形的洞室開挖施工。

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