金平水电站地下洞室施工的岩爆预防及处理措施

薛 志, 郝利军, 谢仲文

(中国水利水电第五工程局有限公司,四川成都 610066)

1 工程概况

金平水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内的大渡河左岸支流金汤河干流中上游,为金汤河干流梯级开发的第一级水电站,混合式开发。工程区位于青藏高原向四川盆地的过渡地带,地势总体呈现出北西高、南东低的特点,山体展布方向与主要构造线走向相近。区内河谷深切,山势巍峨,两岸山脊高程一般为 3 500～5 500 m,相对高差 2 000～2 500 m,属高山峡谷地貌。

金平水电站引水隧洞下段及地下厂房洞室群主要包括引水隧洞及压力管道、气垫式调压室及交通洞、主副厂房、主变洞、主变运输洞、母线洞、尾闸室、进厂交通洞、尾水洞、出线洞、主厂房排风洞、尾闸室排风洞、公地沟引水副洞、上下层排水洞及施工支洞等洞室。厂区枢纽建筑物采用主副厂房、主变洞和尾闸室三大洞室平行布置,从上游向下游分别为主厂房、主变洞、尾闸室,洞室间岩壁厚度分别为 28 m和 21.5 m。主厂房纵轴线方向为 N 25°E,其与岩体主要结构面走向交角在50°～80°之间,与地应力的最大主应力夹角为42.15°。在主厂房与主变洞之间布置了两条母线洞和一条主变运输洞,其轴线方向与主厂房纵轴线方向垂直。

金平水电站引水隧洞下段及地下厂房洞室群埋深大于 300 m,围岩岩性主要为泥盆系中统下段浅灰色、灰白色厚层含生物骨屑结晶灰岩、白云石化结晶灰岩,厚 ～巨厚层结构,岩体呈 微 新状态,完整性好,围岩类别属于Ⅱ ～Ⅲ类。根据前期勘探平洞资料,上述几类岩体单轴抗压强度大于60 M P a,属坚硬岩石。在金平水电站地下厂房处实测最小主应力平均值为 5.85 M P a。

2 岩爆的破坏机理及产生条件

2.1 岩爆的破坏机理

当构造应力较大、岩体中有较高的脆性度和弹性时,一旦由于地下工程活动破坏了岩体原有的平衡状态、洞室开挖后围岩应力大于围岩强度时,岩体中积聚的能量将导致岩石破坏并将破坏岩石抛出。

2.2 岩爆产生的条件

岩爆形成的条件:高地应力区、具有足够的上覆岩体厚度(埋藏深度多大于 200 m)、围岩应力集中、岩体新鲜、坚硬完整、岩体中有较高的脆性度和弹性、无地下水。

在高应力地区开挖洞室,高应力和岩石坚硬完整、无水干燥是发生岩爆的主要因素。金平水电站地下厂房洞室群埋深较大,地质构造复杂,处于中高地应力区,局部高地应力可能产生轻微 ～中等岩爆。

因此,金平水电站地下洞室群具备产生岩爆的基本地质条件。事实上,金平水电站压力管道、引水隧洞、调压室交通洞、尾闸室排风洞、上层排水洞、三大洞室、尾水洞等洞室在开挖过程中都发生了不同程度的岩爆,几乎目前所有已开挖的洞室在开挖过程中均发生过岩爆。其中,压力管道及引水隧洞岩爆发生最为频繁、程度最为剧烈。

3 岩爆的特点

挪威的罗申斯(R u s s e n e s)将岩爆的活动性分为四级:无岩爆、低岩爆活动性(轻微岩爆)、中等岩爆活动性(中型岩爆)、高岩爆活动性。

就金平水电站地下洞室而言,主要岩爆为轻微岩爆和中型岩爆。低岩爆活动性(轻微岩爆)特征:有使岩石松弛和开裂的迹象,岩石中略有声音,局部有岩块剥落;中等岩爆活动性(中型岩爆)特征:岩石大量成片松弛,有随时间发生周界变形的趋势,岩石中有强烈的开裂声并伴有爆块坠下。

(1)在岩爆未发生前,并无明显的征兆,在一般认为不会掉落石块的地方,也会突然发生岩石爆裂声响,石块有时应声而下,有时暂不坠下。例如,在金平水电站主变洞、尾水洞开挖过程中,曾多次出现只听到空响、不见岩块爆落的情况出现,在一定程度上造成人心恐慌,施工受到很大影响。

(2)岩爆发生的地点多在新开挖的工作面附近,个别的也有距新开挖工作面较远。常见的岩爆部位以顶拱或拱腰部位为多;岩爆在开挖后陆续出现,多在爆破后的 2～3 h,24 h内最为明显,延续时间一般为 1～2个月,有的延长 1年以上,事前一般无明显征兆。该工程在调压室交通洞开挖完工两个月后、距离掌子面 10 m范围内发生过轻微岩爆,在很大程度上说明准确判断岩爆发生的时机是一件很难把握的事。

(3)岩爆时围岩破坏的规模小者几厘米厚,大者可多达几十吨重。石块由母岩弹出,小者形状常呈中间厚、周边薄、不规则的片状脱落,脱落面多与岩壁平行。调压室交通洞、压力管道及引水隧洞顶拱部位曾多次发生中型岩爆,爆块块径由数公分 ～数十公分不等,沿结构面爆落,直至岩体稳定,岩爆停止,造成顶拱沿结构面形成 5～10 m3的空腔(图 1)。

(4)岩爆围岩的破坏过程。一般新鲜、坚硬的岩体先产生声响,伴随片状剥落的裂隙出现,裂隙一旦贯通即产生剥落或弹出,属于表面岩爆;强度较低的岩体则在离隧洞掌子面以里一定距离产生,造成向洞内临空面冲击力量最大,这种岩爆属于深部冲击型。金平水电站引水隧洞下段及地下厂房洞室群在开挖过程中发生的主要岩爆为表面岩爆,大多数岩爆发生在 3日内新开挖暴露出的顶拱围岩,发生过程中多数伴有响声,极少数岩爆没有声响,岩块突然坠落,让人猝不及防,人员设备来不及撤离躲避。

图 1 压力管道(桩号管 0+179.4～管 0+189.4段)因岩爆造成顶拱形成的空腔

4 岩爆的预防

(1)勤观察。在施工过程中,一方面应加强对周围围岩的观测,摸清围岩变化状况,指导工程施工。另一方面应加强对周围围岩的观察,一旦发现有异常声响或变化,立即组织施工人员撤离至安全地带,同时向有关单位汇报情况,以便采取相应的安全防护措施。针对岩爆无明显征兆的特点,勤于观察为本工程最普遍采用的手段,在很大程度上可以避免或减轻岩爆带来的损失和灾害。

图 2 引水隧洞(桩号引 7+765～引 7+753段)调整爆破参数后的断面图

(2)高压水喷射掌子面及新开挖洞段围岩(图 2)。针对金平水电站地下洞室围岩坚硬、脆性较大的特点,干燥洞段开挖后,立即向掌子面及以后约 10 m范围内的隧洞周边喷射高压水,以改变岩石表面的物理力学性质,降低岩石脆性、增强塑性,达到减弱岩爆剧烈程度的目的。根据目前金平水电站地下洞室的开挖情况看,渗水(或涌水)洞段发生岩爆的情况几乎没有,由此可以推断:在渗水(或涌水)洞段开挖过程中岩爆发生的几率很小;同时也说明对干燥洞段岩壁进行高压喷水湿润在一定程度上可减轻岩爆的剧烈程度甚至预防岩爆的发生。事实上,金平水电站地下洞室干燥洞段在采取高压喷水措施后,岩爆的剧烈程度明显降低。

(3)及时封闭岩面。针对开挖后可能出现岩爆的洞段,及时封闭岩面,减少岩壁在空气中的暴露时间。由于在前期金平水电站地下洞室施工过程中,部分干燥洞段在开挖后未及时封闭,围岩在空气中暴露时间较长而造成岩石性质发生变化、强度降低,围岩应力大于岩石自身强度,进而造成岩爆的发生;后期洞挖施工后采取喷 5 c m厚 C 20混凝土及时封闭岩面的措施,取得了较为理想的效果。

(4)切实提高光面爆破效果,按照“短进尺、弱爆破”原则进行洞挖,并保证洞室轮廓规则圆顺,避免应力集中;针对不同的围岩情况,适时调整爆破参数,尽可能减少爆破对围岩的影响。金平水电站引水隧洞及压力管道在前期施工过程中,由于光爆效果控制较差,开挖断面成型差,围岩应力集中造成岩爆发生;后期针对不同的围岩状况适时调整爆破参数,取得了明显效果:洞室成型好、岩爆程度减缓或岩爆消除,确保了施工安全,同时在一定程度上也降低了工程造价。

(5)在新开挖洞段围岩施打径向应力释放孔。由于金平水电站地下洞室发生岩爆的频率高,且造孔采用 Y T-28手风钻造孔,造孔扰动使得围岩稳定情况进一步受到影响,从安全及释放孔对岩爆的预防效果角度出发,本工程中很少采用该种预防措施。

(6)在应力集中区域打设锚杆。为了减轻因交叉洞段应力集中而发生岩爆,本工程在洞室交叉部位施工前均沿交叉洞口周边 50 c m进行锁口锚杆施工,锁住周边岩石以确保洞室成型,减轻应力集中的影响,从而减缓岩爆的剧烈程度或消除岩爆。

(7)对施工设备进行必要的防护。在金平水电站主变洞一次挖机撬除危石排险过程中,顶拱发生中型岩爆,爆块坠下造成挖机顶棚被砸。由于事前对挖机顶棚进行过防护,灾害才未伤及到人,避免了一起人员伤害事故的发生。在很大程度上讲,对洞内施工设备采取必要的防护,不仅可以减轻或避免机械设备因岩爆带来的损坏,而且可以保证驾驶人员的生命安全,对减少和避免事故的发生具有重大意义。

(8)加强围岩变形观测。针对金平水电站诸如主副厂房之类大断面开挖的洞室,在施工过程中及时进行了围岩变形观测,尤其是岩爆发生较为频繁的洞段,针对围岩变形做到防患于未然。本工程采用了 J S S 30A型系列数显收敛仪对围岩进行变形观测,经过将近一个月连续对主副厂房围岩进行的变形观测,并及时将变形观测数据及时提供给业主、监理、设计,为主副厂房顶拱后期采取锚索支护手段及时提供了基础性参考资料。

5 岩爆的处理

一般情况下,对地下洞室发生的岩爆应采用行之有效的预防措施,降低岩爆的发生几率,减小岩爆强度。对于岩爆较严重的部位,要先处理、后施工,以确保施工安全。金平水电站地下洞室工程针对不同程度的岩爆采取了不同的处理措施。由于岩爆伴随着巨大的响声和飞石,会使作业人员产生恐惧心理,因此,岩爆减弱后,在岩爆区用反铲敲击爆区四周,引诱岩爆尽快彻底发生并清理松动岩石,以消除作业人员的恐惧心理,保证开挖和支护快速通过岩爆区域。

5.1 轻微岩爆的处理

就轻微岩爆而言,本工程主要采取了以下支护措施:

(1)素喷 C 20混凝土,厚 5 c m;

(2)随机锚杆支护,锚杆采用 φ 25钢筋,L=3 m,外露 10 c m;

(3)支护范围为顶拱范围内。

其中第(1)条多指上述“岩爆的预防”中混凝土封闭岩面。设置随机锚杆的目的是为了锁住较大的不稳定石块,防止由于岩爆造成石块坠落甚至洞室垮塌。

5.2 中型岩爆的处理

至于中型岩爆,本工程主要采取了以下支护措施:

(1)素喷 C 20混凝土,厚 5 c m;

(2)系统锚杆支护,锚杆采用 φ 25钢筋,L=3 m,间距 1 m,排距 1.5 m,外露 10 c m;

(3)挂 φ 8钢筋网,网格间距 15 c m×15 c m;

(4)再喷 C 20混凝土,厚 5 c m,总计 10 c m;

(5)支护范围为顶拱范围内。

尾水隧洞在桩号W0+081～W0+071段施工过程中发生了中型岩爆,爆块不断,岩爆断断续续在发生 1 d后程度有所减缓,经过施工单位现场勘查,采用了上述安全支护措施,取得了理想效果(图 3)。

图 3 尾水隧洞桩号W0+081～W0+071段挂网喷护

金平水电站主副厂房在开挖过程中顶拱发生了中型岩爆、程度剧烈,遂对围岩采取喷 5 c m厚C 25钢纤维混凝土进行支护,但喷护后无明显效果,岩爆依旧发生,岩爆将喷护的混凝土爆落。经过业主、监理、设计和施工单位现场勘查后,提出主副厂房人员设备撤离工作面暂停施工,待岩爆程度减缓后进行挂网喷护施工。经过将近 20 d的待避停工后,主副厂房岩爆程度大大减缓,在采取了挂网喷护措施后,取得了预期效果。由此可见,在岩爆程度剧烈且喷护封闭岩面无明显效果的情况下,采取待避的被动措施也未尝不是一种较为安全有效的措施(图 4)。

6 结 语

图 4 主副厂房采取挂网喷护

由于目前岩爆条件下施工没有成熟的经验可以借鉴,还不能完全避免岩爆的伤害,因此,岩爆防治应以防为主,有效的预测和安全防护才能确保施工安全。岩爆发生后的支护措施主要是防止岩石状况持续恶化并保证施工人员及设备的安全。岩块的爆落势必会造成隧洞的超挖,所以,在施工中采取合理而有效的岩爆防治措施,减少岩爆发生的几率和规模,对降低工程造价具有较大的现实意义。

金平水电站地下洞室的不同部位多次发生岩爆,施工单位通过现场观察并经不断总结分析和实践验证,上述施工措施对岩爆的预防和处理取得了一定经验,为工程创造了较好的经济效益和社会效益,为类似施工项目提供了借鉴。

[1] 雷登宪,李景玉.瀑布沟水电站地下洞室开挖中岩爆的预防与治理[J].水电站设计.2010,26(1):80～82.

[2] 水电水利工程爆破施工技术规范,D L/T5135-2001[S].?