錦屏輔助洞西端巖爆區(qū)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(guān)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(dú)頭掘進(jìn)。西端合同任務(wù)為K0+345-K8+000，今年調(diào)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(jìn)一步直接了解引水隧洞全線的地質(zhì)條件，并為引水隧洞施工積累經(jīng)驗(yàn)。

    輔助洞A線2004年1月1日進(jìn)洞、B線2月17日進(jìn)洞，截止2007年10月31日，A、8線獨(dú)頭掘進(jìn)雙過8600 m。

    1.2工程地質(zhì)情況

    工程區(qū)地質(zhì)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(qiáng)度30—210 MPa均質(zhì)大理巖的最大抗拉強(qiáng)度8MPa。圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主，少量Ⅳ、V類。

    工程區(qū)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(shí)，根據(jù)三維韌始地應(yīng)場反演回歸分析，最大主應(yīng)力A=60MPa，但在埋深1305m處實(shí)測最大主應(yīng)力為4418MPa。

    1.3工程特點(diǎn)

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

2.巖爆發(fā)育特征與規(guī)律

    2.1巖爆發(fā)育情況

    在已開挖的800Om中，巖爆主要發(fā)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(zhì)巖層中。

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

    從巖爆強(qiáng)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(qiáng)巖爆僅占19.93％-12.04％．極強(qiáng)巖爆主要在B線的BK6+096—106和BK6+723～755兩段。

    2.2特征與規(guī)律

    據(jù)已開挖洞線發(fā)生巖爆段調(diào)查及觀察，初步歸納有如下特征與規(guī)律。

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

    (2)巖石越致密堅(jiān)硬、性脆、完整性好、干燥無水或少水洞段，巖爆發(fā)生的機(jī)率越高。在上述基本地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，Ⅰ-Ⅱ級巖爆均發(fā)生在巖石單軸抗壓強(qiáng)度在59.2-71.5 MPa的中細(xì)粒結(jié)構(gòu)變質(zhì)砂巖和中一細(xì)晶結(jié)構(gòu)的白云質(zhì)大理巖層，而Ⅲ一Ⅳ級巖爆均發(fā)生在巖石單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)163～179 MPa的高強(qiáng)度細(xì)晶結(jié)構(gòu)白云質(zhì)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(fā)區(qū)。

    (4)在與滲水裂隙帶相鄰的完整巖石處也常發(fā)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(qiáng)巖爆達(dá)5-20h，間歇持續(xù)數(shù)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(jìn))擾動(dòng)仍可誘發(fā)巖爆。

    (6)巖爆多集中在洞室左側(cè)起拱線以上和右側(cè)邊墻發(fā)生．強(qiáng)一極強(qiáng)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(gè)別達(dá)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(fā)生表層有箔板狀彈射外。往探部發(fā)展時(shí)主要為板塊狀爆裂、劈裂崩落，單塊厚0.1-0.8，最大塊達(dá)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(dá)5m。

3.施工防治措施

    巖爆防治措施方法很多，應(yīng)根據(jù)工程進(jìn)展情況和巖爆等級采取不同方法。根據(jù)輔助洞西端巖爆發(fā)生原因，經(jīng)分析、研究，制定了改善圍巖物理性質(zhì)和應(yīng)力條件，加強(qiáng)初期支護(hù)等措施，經(jīng)施工實(shí)踐總結(jié)如下。

    3.1施作應(yīng)力釋放孔

    根據(jù)檢測，當(dāng)預(yù)示前方有中等及其以上強(qiáng)度的巖爆時(shí)，在鉆爆破孔前可根據(jù)巖爆可能發(fā)生的部位，施作超前應(yīng)力釋放孔，要求孔探大于掘進(jìn)進(jìn)尺的2倍；在錨桿的施工過程中，對可能生產(chǎn)巖爆的部位，作徑向應(yīng)力釋放孔，孔深不小于圍巖的松動(dòng)圈。應(yīng)力解除孔的孔徑原則上力求大些為好．但結(jié)合鉆孔考慮，不宜小于648mm，孔數(shù)現(xiàn)場靈活確定。

    3.2應(yīng)力解除法爆破

    根據(jù)檢測，當(dāng)預(yù)示前方可能產(chǎn)生強(qiáng)巖爆時(shí)，必須作應(yīng)力解除爆破。應(yīng)力解除法參數(shù)為：孔深不小于循環(huán)進(jìn)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(yīng)力解除爆破只是調(diào)整圍巖的應(yīng)力而不是消除應(yīng)力，因此必須根據(jù)實(shí)際情況和取得的教果來確定其參數(shù)。

    錦屏水電樞紐輔助洞西端方案是：沿掌子面布置l4個(gè)孔，布置如圖l。

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

    3.3控制爆破

    實(shí)踐證明．實(shí)施光面或預(yù)裂爆破．控制周邊輪廓平整圓順，是避免應(yīng)力集中，減輕巖爆發(fā)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(diào)整爆破參數(shù)，尤其是光爆參數(shù)，不能干篇一律。過程中可加密鉆孔，間隔一個(gè)孔進(jìn)行裝藥。通�？组g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(xiàn)場試驗(yàn)調(diào)整，一般控制在300g／m以內(nèi)。

    強(qiáng)巖爆洞段，必須嚴(yán)格控制掘進(jìn)孔深度并與掌子面的錨扦長度使用相匹配�？咨畈坏么蟾�20m，掌子面錨桿長度40 m。

嚴(yán)格控制裝藥量，盡量減少爆破對周邊圍巖的擾動(dòng)，以提高圍巖的完整性。控制好內(nèi)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(shù)有利降低爆破對圍巖的擾動(dòng)。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?qū)ν�段起爆的炮孔可不作具體限制，但原則t不超過l0個(gè)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(nèi)部的空隙中，起到降低巖石強(qiáng)度和彈性模量，提高其塑性變形能力，減緩巖爆的發(fā)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(diǎn)，可很好地解決在危險(xiǎn)條件下，盡快對圍巖實(shí)施臨時(shí)加固措施。根據(jù)現(xiàn)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(shí)間120—150 min．加上錨桿掛網(wǎng)施工時(shí)間，全過程能在巖爆發(fā)生前的最佳時(shí)間4—5h范圍內(nèi)予以完成。根據(jù)統(tǒng)計(jì)水脹錨桿個(gè)支護(hù)段完成僅需椰rain(20根計(jì))，更為關(guān)鍵的是降低了在危險(xiǎn)環(huán)境條件下的作業(yè)時(shí)間，極大地提高了工作環(huán)境的安全度，能在強(qiáng)巖爆發(fā)生前作好對圍巖的加固處理。

    通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)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(dāng)要對掌子面進(jìn)行加固時(shí)，錨桿長度不短于進(jìn)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(guān)鍵工藝。大量灌水試驗(yàn)表明，一般在水壓7 mm時(shí)就可以脹開并承受較高的拉力。但現(xiàn)場實(shí)際操作時(shí)，因?qū)嶋H條件多變，注水壓力按說明書的壓力l5～20 MPa控制。

    巖爆發(fā)生時(shí)．尤其是強(qiáng)巖爆，錨桿將承受瞬間荷載。巖石產(chǎn)生位移。因錨桿相對剛性，為確保錨桿一直承受約束力，現(xiàn)場可在水脹錨桿墊板前加木墊板或橡膠墊，使得強(qiáng)巖爆發(fā)生時(shí)，承受巖體表面開裂所引起的位移而發(fā)揮其應(yīng)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(tài)，約束圍巖的變形，尤其是厚層噴射砼可以作為連續(xù)構(gòu)件支護(hù)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(tài)，以控制圍巖的應(yīng)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(hù)厚度至30—70mm，同時(shí)與圍巖的粘結(jié)力、強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于前者。當(dāng)摻量達(dá)到水泥用量的l0％時(shí)，其強(qiáng)度平均可達(dá)402 MPa，粘結(jié)力達(dá)到 1.23 MPa．回彈率平均值低于11％。而普通噴射砼強(qiáng)度平均 僅達(dá)28.7 MPa、粘結(jié)力0.57 MP8、回彈高達(dá)l7 8％。

    根據(jù)要求，分不摻、單摻，雙摻幾種情況，進(jìn)行對比試驗(yàn)．從現(xiàn)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(hù)厚度大于30cm。

    3.7聯(lián)合處理措施

    對強(qiáng)巖爆和極強(qiáng)巖爆洞段，系統(tǒng)地采取應(yīng)力釋放孔、應(yīng)力解除爆破、水脹錨桿，噴CF30砼、掛鋼筋網(wǎng)片或鋼絲網(wǎng)、立型鋼拱架支撐、系統(tǒng)錨桿和二次襯砌進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。該法安全但進(jìn)度緩慢�，F(xiàn)場也可將立拱架、掛鋼筋網(wǎng)片變?yōu)榉笤O(shè)鋼筋拱肋，可加快處理進(jìn)度。

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

    (2)鋼筋網(wǎng)掛設(shè)：采用φ8鋼筋預(yù)制150 cm×150 cm網(wǎng)片，網(wǎng)格l5cm×l5 cm，緊貼圍巖，網(wǎng)片重疊不小于1—2個(gè)網(wǎng)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(yán)格控制灌注速度。防止脹模；有條件時(shí)可采用移動(dòng)襯砌臺車施工，可提高灌注速度和質(zhì)量。

    3.8增設(shè)設(shè)備臨時(shí)酵護(hù)

    對現(xiàn)場使用的設(shè)備應(yīng)安裝鋼絲網(wǎng)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(shè)備和人員安全。

    3.9避讓及找頂

    對付強(qiáng)巖爆或極強(qiáng)巖爆最為安全的措施手段就是避讓，待巖爆發(fā)生平息過后再進(jìn)行施工。

    一定要做好找頂工作，對松動(dòng)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(jìn)行徹底清理，確保安全。

4.結(jié)束語

    輔助洞西端在已開挖的約8000 m洞段．經(jīng)歷了由弱到強(qiáng)的巖爆漏段累計(jì)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(dāng)，達(dá)到和滿足控制巖爆再次發(fā)生的要求。在強(qiáng)一極強(qiáng)巖爆洞段，通過對BK6+096—106、 BK6+723～755和AK7+124-192三處施工處理經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的總結(jié)，并在2007年初巖爆專題會和巖爆專家咨詢組的現(xiàn)場試驗(yàn)指導(dǎo)下，根據(jù)西端實(shí)際情況制定出“高地應(yīng)力潛在洞段的應(yīng)力解除爆破和柔性支護(hù)系統(tǒng)組成的巖爆控制”施工方案。通過落實(shí)、摸索、據(jù)情完善，對巖爆的發(fā)生取得了一定控制，降低了巖爆對施工的影響，在強(qiáng)巖爆洞段基本確保每天達(dá)到二個(gè)循環(huán)的開挖，日進(jìn)度由3—4 m提高到4—6 m。

參考文獻(xiàn)

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

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)