长河坝水电站工程地质缺陷段的洞室开挖

杨 多

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都 610072)

1 前 言

长河坝水电站工程洞室开挖爆破作业是一项技术含量很高的工作。水电站坝区两岸自然边坡陡峭，临江坡高700.00m左右，岸坡中冲沟较发育。

坝址区域小断层及层间挤压带较发育，其中规模较大的断层主要分布于坝址右岸坝顶、溢洪道和尾水洞出口部位，共有9条，为Ⅲ级结构面。

坝址区出露岩体为晋宁—澄江期的侵入岩，岩性以花岗石、闪长岩为主。坝址区域右岸大致以高程1 680.00m为界，以下为浅灰色、灰白色块状中粒黑云母花岗岩，以上为灰色石英闪长岩;左岸以浅灰色、灰白色花岗岩为主，夹少量灰色石英闪长岩和深灰色辉长岩团块。

长河坝水电站工程目前已经开工的地下洞室工程主要有:右岸1号、2号初期导流洞工程，左岸场内1号、5号公路，3号、4号上坝公路隧道以及场外省道S211公路复建工程，总长度约为12.3km。

随着工程建设的进展，后续工程将有中期导流洞、泄洪洞、厂房洞室群等洞室开挖工程。

在长河坝工程特殊的地理环境条件和复杂的地质条件下，找寻洞室开挖中存在的难点和共性问题，研究与实际相符的科学的施工方法和先进的施工工艺，确保洞室开挖爆破作业安全和工程质量以及工程施工进度，是目前工作的重点。

2 隧道进、出口开挖爆破作业

隧道进、出口部位大部分处于浅埋区域，表面风化严重，节理裂隙发育，层间受水蚀影响，无胶接;部分洞口为崩塌残积体，结构松散，有的洞口外薄内厚，形成不均匀的侧压力，开挖后容易失稳。

隧道进、出口洞脸的支护是安全进洞的必要条件，洞门锁口锚杆造孔后，使开挖体与原状岩体之间形成断链层带，使爆破能量不能直接传递，集中于爆破体内作用，减少了对开挖界体以外母体岩的损害。

由于洞口部位的特殊地质条件，要求在作爆破设计时留意爆破参数的选择，采取用短进尺、弱爆破、强支护的新奥法施工，针对不同类别岩体的软、硬程度以及地质结构面择定不同造孔参数和装药参数，以保证开挖质量和洞室的安全稳定性。

水电站工程施工的洞口受不良地质的影响段一般在直线距离30.00m左右，因此对洞口段的开挖要求制定专门的施工方案，根据不同围岩类别采用不同的支护参数，提前预制必要的工字钢支撑或刚格栅支撑，以保证安全处理和施工进度的要求。

洞口地质条件也有特殊的部位，如金康隧道出口，进尺已逾250.00m，围岩多呈镶嵌状结构，局部是碎裂结构，并且节理裂隙较发育。

3 受断层、破碎带影响的洞身开挖

长河坝水电站工程已经开挖和正在开挖的隧道洞身均不同程度地存在地质缺陷，如1号、2号导流洞受 F0和 F9断层的影响。金康隧道进口0+858.00～1+602.00m围岩属于镶嵌结构，局部岩体已经泥化;金康隧道出口在 K5+100.00～K5+200.00m围岩破碎;5号公路隧道裂隙水发育，最大流量14 000m3/d;其他隧道洞身也不同程度地存在地质缺陷。

因此，爆破开挖作业的技术难度更大，要求在爆破作业时，首先对特殊地质缺陷段制定对应的爆破设计，调整爆破参数，加密周边孔的数量，减小线装药密度，使周边孔的装药结构更趋于均匀。由于不良地质段属软岩或破碎断带，岩体致密性较差，在爆破网络联接时缩小段差，将段间微差控制在50ms至100ms范围，目的是使爆破能量尽快在软弱爆体或松散爆体内作用，减少能量外泄的时间及数量，达到“充分”爆破的效果。

4 冲沟对隧道洞室开挖的影响

冲沟的影响与隧道埋深成反比的关系，埋深越深，地表冲沟的影响越小;反之，埋深越浅，地表冲沟的影响越大。

自然冲沟的形成，除了特殊的地理原因而外，多数产生在汇水面积广大、地形低洼、岩体软弱的部位。由于沟底岩石软弱，加上水力冲刷、长期水蚀、沉淀淤积等因素，使沟体对周边岩体产生不利影响，尤其是沟底部位对下层隧道洞室开挖影响很大。近冲沟底面的爆破开挖，安全技术难度很高，极易造成隧道拱顶部垮塌，甚至发生冒顶，引发重大安全事故。特别是大洞径的洞室体，跨度大，自稳能力差，在这种条件下的洞室开挖，切忌求快冒进。该段落的洞体危险主要来自于拱顶部，因此，要求有针对性地采用台阶式开挖法。先作上半洞的开挖支护，使用钢支撑对洞顶进行加强保护，并且必须将刚支撑连为整体、完成喷射混凝土保护层，增加拱顶部的抗压、抗冲击能力。穿越冲沟影响段后，再作下层开挖，及时将钢支撑延伸至洞底部，完成连接喷护工作。

爆破作业仍然遵循“短进尺，弱爆破”的原则。但是，也要结合埋深厚度、影响面大小、围岩变化程度等，作出合理的爆破参数选择和完善的爆破设计。

5 岩爆的影响

长河坝水电站工程前期施工的临时导流洞(右岸1号、2号)和左岸1号底线公路隧道在开挖过程中发生岩爆的频率是比较高的，但是均属于小规模和小范围的岩爆，岩爆多发生于爆破作业后2～48h的时间段，发生岩爆的范围一般距掌子面5.00m以内。在场内1号公路金汤隧道左洞出口和2号导流洞中部所发生的爆破是在作业十多天后并且是在经过锚喷支护的部位再次岩爆。根据统计:场内1号公路金汤隧道出口发生岩爆8次，1号导流洞发生岩爆4次，2号导流洞发生岩爆12次，岩爆产生的块石最大粒径为1.00m×0.70m×0.20m。

岩爆发生的内在因素主要有:

(1)开挖隧洞的埋深厚度大于200.00m，场内1号公路隧道和导流洞的实际埋深已经大于或等于700.00m。

(2)无节理裂隙、不渗水、致密性高的巨厚岩体并且非常硬，岩石单轴抗压强度大于150MPa。由于围岩致密性高、无节理裂隙，使岩体内应力不易外泄，巨厚层岩体又提供了储存内应力的条件。岩体内存应力主要来源于岩浆残余应力、构造应力和自重应力，同时也存在着较多的弹性应变能。发生岩爆的区域，在外观上可见在花岗岩体中有少量的石英岩脉或辉长岩脉。

由此可见，岩爆不可能在全洞段发生，只在局部区域存在岩爆的可能。

岩爆发生的外在因素主要有:洞室开挖爆破作业的影响。爆破扰动使岩体内应力重新分布，有的部位经过调整后，趋于稳定或者临界稳定，有的部分应力经再分配后更加集中，形成突发岩爆的因素。爆破开挖后，形成洞室空腔，为潜在的巨大能量集中外泄提供了条件，相当于爆破作业新增添了临空面，内应力集中外泄更加充分。岩体内应力的能量通过岩爆的形式宣泄后，内应力在岩爆的扰动下再次分配、再次调整。这就是在同一个岩爆区域、在不同时段发生多次岩爆的原因所在。

岩爆发生也有强有弱。在岩爆发生时伴有清脆的“啪、啪”声响，为弱岩爆，是围岩内弹性应变能外泄引发的弹射岩块发出的声音，产生小块状爆体，具有一定的冲击力;岩爆发生时，发出沉闷声响的，为强岩爆，强岩爆的爆块较大，外薄内厚。金汤隧道出口右洞产生于掌子面的岩爆最大块体为1.00m×0.70m ×0.20m。

发生岩爆的三大因素:(1)埋深厚度;(2)致密性高的坚硬巨厚岩体;(3)爆破开挖作业。第一种和第二种因素是不可改变的，唯有第三种因素可以人为改变。

要改变第三种因素，需要根据现场实际情况，改变原有的开挖施工工序和施工工艺，人为地在掌子面造成相当深度的破碎带，并且在开挖洞室周边打一定数量和合适深度的锚杆空孔，破坏围岩的整体性，使深层应力尽可能外泄，区域集中的能量尽快分散，达到控制岩爆的目的。

可能发生岩爆区域的施工工序和施工工艺:

(1)造孔参数。周边孔L=4.5m，塌落孔L=2.5～3.0m，掏槽孔个别孔L=3.5m，其余孔为正常施工孔，分别布置成为深浅不一的造孔深度。

(2)孔装药参数。采用参差不齐的孔装药深度，增加掌子面爆破后的不平整度，形成围岩内部微裂隙的扩展效应。爆破进尺控制在2.5m左右。

(3)孔装药结构。施爆药卷不能达到底部，采用水湿后的箱纸作30cm的底部堵塞层，周边孔作线装药控制，其余孔位满孔填装，孔口堵塞长度不少于40～50cm，并且要求严格孔口堵塞密实度，否则将会影响爆破效果。爆后在距离掌子面5m以外，用高压水枪对周围及掌子面洒水，以增加表面应力释放速度，2h后开始出渣。

完成以上工序后，立即按设计要求打系统锚杆孔，形成空孔后，等待3～5天再进行锚杆安装及喷护工作，目的是使空孔在此期间起到应力释放孔的作用，将深层应力尽量往外释放。这样形成了周边孔与掌子面人为的破碎体，破坏了三个条件中的主要条件，避免岩爆的发生。

总之，洞身除不良地质段外的其他洞段开挖爆破作业，要合理选择爆破参数，优化爆破设计，关键是作好爆破试验的比对工作，并且要求周边孔作光面爆破施工。