錦屏輔助洞西端巖爆區段防治措施研究

楊家松，侯永和，王崇緒

(中鐵二局第二工程有限公司，四川成都610031)

1.工程背景

    1.1工程概況

    錦屏水電樞紐輔助洞工程位于四川省涼山彝族自治州的木里、鹽源、冕寧三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河灣上，是錦屏一緞、二級水電站前期的關鍵工程。輔助洞由A、B兩孔平行的單車道隧洞組成，單洞全長約175 km，中心距離35 m。人字坡單車道，與引水隧洞平行，分東西端獨頭掘進。西端合同任務為K0+345-K8+000，今年調整為KO+345、K9+800。其作用是溝通一級、二級水電站的交通和作為二級水電站引水隧洞的施工洞，并起到超前勘探作用。通過輔助洞施工可進一步直接了解引水隧洞全線的地質條件，并為引水隧洞施工積累經驗。

    輔助洞A線2004年1月1日進洞、B線2月17日進洞，截止2007年10月31日，A、8線獨頭掘進雙過8600 m。

    1.2工程地質情況

    工程區地質以可溶巖大理巖為主，其次為砂(板)巖和少量綠泥石片巖與千枚巖，圍巖的抗壓強度30—210 MPa均質大理巖的最大抗拉強度8MPa。圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主，少量Ⅳ、V類。

    工程區穿越錦屏山主山峰山體，埋探大于l500 m的洞段長度為l2875m，占輔助洞總長的73.1％，最大埋深2375m左右。在埋深2300m時，根據三維韌始地應場反演回歸分析，最大主應力A=60MPa，但在埋深1305m處實測最大主應力為4418MPa。

    1.3工程特點

    輔助洞具有埋深大，地應力高和高水頭，大流量地下水及獨頭掘進長等特點。輔助洞高壓大流量地下水預報與處理和超深埋條件下的高地應力巖爆洞段安全快速掘進，是地下工程施工中的兩太世界性技術難題，其中巖爆洞段占掘進洞長的22％，施工過程中以弱至中等巖爆為主，強至極強巖爆占約5％。

2.巖爆發育特征與規律

    2.1巖爆發育情況

    在已開挖的800Om中，巖爆主要發生在埋深860—1500m的AKI+1555和BKl+009里程以后三選系各地層的硬質巖層中。

    巖爆一般沿洞線斷續分布，多發生在洞線拱肩及拱頂．部分在拱肩以下邊墻。當巖爆發生時首先在洞壁拱部或掌子面出現爆裂聲，隨之發生片幫狀爆落或彈射。在強一極強巖爆漏段爆裂聲更大，似爆破響聲或雷鳴聲，巖塊彈射達5。并迅速向深部發展，最大爆坑達5m。在A、B兩洞中TH和L碳酸鹽地層發生的巖爆洞段累計達l4249 m和11321m．占巖爆洞段的86.67％-78.49％，其中T2b又強于 B，地層。而L和T硬質巖層的巖爆相對較低。

    從巖爆強度看，兩洞均以弱一中(Ⅰ-Ⅱ)等為主，分別占巖爆洞段的80.07％-84.63％；強巖爆僅占19.93％-12.04％．極強巖爆主要在B線的BK6+096—106和BK6+723～755兩段。

    2.2特征與規律

    據已開挖洞線發生巖爆段調查及觀察，初步歸納有如下特征與規律。

    (1)巖爆發生均在860-2200 m埋深洞段，并有隨埋深逐漸增大巖爆強度逐漸增大、頻率也隨之上升的趨勢。Ⅲ一Ⅳ級一極強巖爆均分布在高埋深地段。

    (2)巖石越致密堅硬、性脆、完整性好、干燥無水或少水洞段，巖爆發生的機率越高。在上述基本地質條件基礎上，Ⅰ-Ⅱ級巖爆均發生在巖石單軸抗壓強度在59.2-71.5 MPa的中細粒結構變質砂巖和中一細晶結構的白云質大理巖層，而Ⅲ一Ⅳ級巖爆均發生在巖石單軸抗壓強度達163～179 MPa的高強度細晶結構白云質大理巖層。

    (3)在軟硬巖層及裂隙密集(舍斷層)帶與整體性較好的巖層變換帶附近是巖爆的多發區。

    (4)在與滲水裂隙帶相鄰的完整巖石處也常發生弱至中等巖爆。

    (5)巖爆活躍期一般在爆破后2-5 h最頻繁、極強巖爆達5-20h，間歇持續數天至l0余天(離掌子面20～30 m)，若有外載(附近爆破或沖擊鉆進)擾動仍可誘發巖爆。

    (6)巖爆多集中在洞室左側起拱線以上和右側邊墻發生．強一極強巖爆還渡及到底板和邊墻。

    (7)Ⅰ一Ⅱ級巖爆破壞方式主要為片幫狀剝落或彈射，少量呈穹狀爆裂。單塊厚0.05一0.l5 m、個別達0.2—0.3m，破裂面較平直、粗糙、呈平行條紋，有的呈鍋底狀，以扁平狀塊體為多；m—IV級巖爆破壞方式除初發生表層有箔板狀彈射外。往探部發展時主要為板塊狀爆裂、劈裂崩落，單塊厚0.1-0.8，最大塊達0.8m×1.5m×3.2m，多呈板塊狀、彎曲鼓拆、楔形爆裂，邊緣參差不齊或呈梯狀斷裂。爆坑一般1—3m，最深達5m。

3.施工防治措施

    巖爆防治措施方法很多，應根據工程進展情況和巖爆等級采取不同方法。根據輔助洞西端巖爆發生原因，經分析、研究，制定了改善圍巖物理性質和應力條件，加強初期支護等措施，經施工實踐總結如下。

    3.1施作應力釋放孔

    根據檢測，當預示前方有中等及其以上強度的巖爆時，在鉆爆破孔前可根據巖爆可能發生的部位，施作超前應力釋放孔，要求孔探大于掘進進尺的2倍；在錨桿的施工過程中，對可能生產巖爆的部位，作徑向應力釋放孔，孔深不小于圍巖的松動圈。應力解除孔的孔徑原則上力求大些為好．但結合鉆孔考慮，不宜小于648mm，孔數現場靈活確定。

    3.2應力解除法爆破

    根據檢測，當預示前方可能產生強巖爆時，必須作應力解除爆破。應力解除法參數為：孔深不小于循環進尺的2倍，解脒孔布置原則是離隧洞輪廓有一定安全距離。應力解除爆破只是調整圍巖的應力而不是消除應力，因此必須根據實際情況和取得的教果來確定其參數。

    錦屏水電樞紐輔助洞西端方案是：沿掌子面布置l4個孔，布置如圖l。

    圖中應力釋放孔主要是針對掌子面進行布置的，但根據巖爆發生的實際情況和斷面尺寸，邊墻可增加些超前應力釋放孔，并按相同原則裝炸藥。

    3.3控制爆破

    實踐證明．實施光面或預裂爆破．控制周邊輪廓平整圓順，是避免應力集中，減輕巖爆發生程度的最為有效的方法施工中要正確掌握掌子面圍巖的特性．調整爆破參數，尤其是光爆參數，不能干篇一律。過程中可加密鉆孔，間隔一個孔進行裝藥。通常孔間距在30-35，并保證鉆孔精度，提高半孔保存率。周邊孔的裝藥量現場試驗調整，一般控制在300g／m以內。

    強巖爆洞段，必須嚴格控制掘進孔深度并與掌子面的錨扦長度使用相匹配。孔深不得大干20m，掌子面錨桿長度40 m。

嚴格控制裝藥量，盡量減少爆破對周邊圍巖的擾動，以提高圍巖的完整性。控制好內圈和周邊孔的裝藥量尤為重要，并控制好同段起爆的炮孔數有利降低爆破對圍巖的擾動。通常到外圈2—3排孔已用到較高的段位因此僅需安排好起爆順序對同段起爆的炮孔可不作具體限制，但原則t不超過l0個孔為宜。

    3.4噴、注水軟化圍巖

    在工作面和附近洞壁上打孔(也可利用炮孔和錨桿孔)，向巖層表面噴水或向深部巖體注水，使水滲到巖體內部的空隙中，起到降低巖石強度和彈性模量，提高其塑性變形能力，減緩巖爆的發生。

    3.5水脹式錨桿

    水脹式錨桿具有安裝快速、全長受力的特點，可很好地解決在危險條件下，盡快對圍巖實施臨時加固措施。根據現場對比分析，水脹式錨桿較普通砂漿錨桿的安裝速度提高5倍以上，平均安裝l根2～3 min。

    一般正常出碴時間120—150 min．加上錨桿掛網施工時間，全過程能在巖爆發生前的最佳時間4—5h范圍內予以完成。根據統計水脹錨桿個支護段完成僅需椰rain(20根計)，更為關鍵的是降低了在危險環境條件下的作業時間，極大地提高了工作環境的安全度，能在強巖爆發生前作好對圍巖的加固處理。

    通過現場實驗，強巖爆洞段水脹錨桿的間距控制在@100mm×l00mm，其它情況可放寬至@150mm×l50mm。錨桿長度3—4 m選擇；當要對掌子面進行加固時，錨桿長度不短于進尺的2倍，原則上要求錨桿長度大于40m。

    錨扦的正確安裝是水脹式錨桿的關鍵工藝。大量灌水試驗表明，一般在水壓7 mm時就可以脹開并承受較高的拉力。但現場實際操作時，因實際條件多變，注水壓力按說明書的壓力l5～20 MPa控制。

    巖爆發生時．尤其是強巖爆，錨桿將承受瞬間荷載。巖石產生位移。因錨桿相對剛性，為確保錨桿一直承受約束力，現場可在水脹錨桿墊板前加木墊板或橡膠墊，使得強巖爆發生時，承受巖體表面開裂所引起的位移而發揮其應有的作用。

    3.6噴射砼中摻特殊外加劑(XPM納米灌注劑)

    噴射砼可以改善圍巖受力狀態，約束圍巖的變形，尤其是厚層噴射砼可以作為連續構件支護圍巖并給予圍巖變形的支持力，使圍巖保持近于三維受力狀態，以控制圍巖的應力釋放。

    普通噴射砼包括摻微硅粉，一次性噴射厚度受到限制，通常不大干5cm而且回彈宰較大，而在噴射砼中摻納米特殊外加劑，不但可大大提高一次性噴護厚度至30—70mm，同時與圍巖的粘結力、強度均遠高于前者。當摻量達到水泥用量的l0％時，其強度平均可達402 MPa，粘結力達到 1.23 MPa．回彈率平均值低于11％。而普通噴射砼強度平均 僅達28.7 MPa、粘結力0.57 MP8、回彈高達l7 8％。

    根據要求，分不摻、單摻，雙摻幾種情況，進行對比試驗．從現場情況觀察，單摻XPM納米灌漿劑，能盡快終凝受力,且一次噴護厚度大于30cm。

    3.7聯合處理措施

    對強巖爆和極強巖爆洞段，系統地采取應力釋放孔、應力解除爆破、水脹錨桿，噴CF30砼、掛鋼筋網片或鋼絲網、立型鋼拱架支撐、系統錨桿和二次襯砌進行聯合支護。該法安全但進度緩慢。現場也可將立拱架、掛鋼筋網片變為敷設鋼筋拱肋，可加快處理進度。

    (1)拱架設置：采用116工字鋼，@100 cm．緊貼圍巖并用  錨桿固定固定時特別注意鎖腳，確保二次砼施工時不脹模。

    (2)鋼筋網掛設：采用φ8鋼筋預制150 cm×150 cm網片，網格l5cm×l5 cm，緊貼圍巖，網片重疊不小于1—2個網格范圍并用錨桿墊板固定。

    (3)村砌砼施工：采用l l6工字鋼作立柱，掛模施工，過程中嚴格控制灌注速度。防止脹模；有條件時可采用移動襯砌臺車施工，可提高灌注速度和質量。

    3.8增設設備臨時酵護

    對現場使用的設備應安裝鋼絲網和加厚鋼板及對薄弱部位予以加固，以確保施工過程中的設備和人員安全。

    3.9避讓及找頂

    對付強巖爆或極強巖爆最為安全的措施手段就是避讓，待巖爆發生平息過后再進行施工。

    一定要做好找頂工作，對松動巖石必須予以清除。尤其是對破裂松脫型巖爆，因有彈射危害，要進行徹底清理，確保安全。

4.結束語

    輔助洞西端在已開挖的約8000 m洞段．經歷了由弱到強的巖爆漏段累計超過30cm(兩洞)。在1-Ⅱ級巖爆洞段的開挖和處理方案基本得當，達到和滿足控制巖爆再次發生的要求。在強一極強巖爆洞段，通過對BK6+096—106、 BK6+723～755和AK7+124-192三處施工處理經驗教訓的總結，并在2007年初巖爆專題會和巖爆專家咨詢組的現場試驗指導下，根據西端實際情況制定出“高地應力潛在洞段的應力解除爆破和柔性支護系統組成的巖爆控制”施工方案。通過落實、摸索、據情完善，對巖爆的發生取得了一定控制，降低了巖爆對施工的影響，在強巖爆洞段基本確保每天達到二個循環的開挖，日進度由3—4 m提高到4—6 m。

參考文獻

[1]邱道宏．陳劍平張秉鶴，等耀埋長大公路隧道巖爆預及防治研究地下空間與工程學報，2006，2(6)950—955

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)