某电站枢纽区地下洞室岩爆的特征与预防措施

马行东

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前 言

岩爆是由应变能释放而引发岩体发生破坏的一种地质灾害。岩爆多发生在埋藏深、整体、干燥和地质坚硬的岩层中。在地下洞室开挖时围岩形成新的临空面，初始应力由原来的三向应力状态变为两向应力状态，并在开挖壁面上产生局部应力集中，若局部应力达到某一临界应力时，岩爆就发生了，随之产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象。Ⅰ级岩爆表现为爆裂脱落型，破坏形式为劈裂破坏与剪切破坏两种;Ⅱ级岩爆表现为弹射现象。岩爆爆坑大多数呈“锅底”形，坑边沿多为阶梯形。强烈岩爆段爆坑多为“V”形。岩爆以新鲜破裂为主，少数沿原有裂隙面。爆落岩块多呈不规则的棱块状，也有呈中间厚边缘薄的椭圆状。断裂带两侧或软弱结构面附近往往形成局部应力集中区，故岩爆现象发生在两侧硬岩中，而在断层带部位一般不发生岩爆。岩爆区段一般较为干燥，有地下水出露的地方无岩爆产生。从二滩水电站洞室开挖中发生的岩爆可以认为，岩爆的潜能是开挖时由应力重分布所产生，而被大台阶爆破和地震所触发。

2 影响岩爆的因素

岩爆产生的条件:

(1)近代构造活动山体内地应力较高，岩体内储存着很大的应变能，当该部分能量超过了硬岩石自身的强度时。

(2)围岩坚硬新鲜完整，裂隙极少或仅有隐裂隙，且具有较高的脆性和弹性，能够储存能量，而其变形特性属于脆性破坏类型，当应力解除后，回弹变形很小。

(3)隧洞埋深较大(一般埋藏深度多大于200m)且远离沟谷切割的卸荷裂隙带。

(4)岩体干燥。

(5)开挖断面形状不规则，大型洞室群岔洞较多的地下工程，或断面变化造成局部应力集中的地带。

3 岩爆的判别方式

国内外在岩爆预测预报方面做了大量的研究工作，目前用来预测岩爆的方法包括强度理论、能量理论、刚度理论、冲击能理论、失稳理论，以及断裂、损伤、分形理论等众多理论。

(1)强度理论的应力条件法。一是用洞壁的最大环向应力σ0与围岩单轴抗压强度σc之比值进行分析;二是用天然应力中的最大主应力σ1与围岩单轴抗压强度σc之比值进行判断。经验公式:σc/σ1＞2.86～6.06的脆性岩体最易发生岩爆。

(2)能量理论的最大剪应力判据。当破坏一旦发生，滑动面上固有的剪切强度降为0，摩擦阻力也由静摩擦阻力降为动摩擦阻力，剪切或滑动破坏前后发生前后滑移面上的剪切应力差 ess=|τ|－σntanφ(φ为动摩擦角)称为超量剪应力。判别如下:ess≥20MPa(完整岩石)，极可能发生破坏性岩爆;ess≥15MPa(断层或节理)，极可能发生破坏性岩爆;5≤ess≤15MPa(20MPa)可能发生破坏性较小岩爆;ess＜5MPa，一般不发生岩爆;ess＜0MPa结构面稳定。

(3)脆性系数法。岩石的脆性破坏是岩爆发生的必不可少条件之一，因此岩爆倾向指数在很大程度上取决于岩石的脆性。岩石的脆性系数B(B=(σc－σt)/(σc+σt)，当 B≤3时无岩爆发生;3＜B＜5时发生轻微岩爆;B≥5时发生严重岩爆。

(4)弹性变形能系数法。弹性变形能系数是通过岩石单轴压缩试验得到的。当轴向荷载σ=(0.7～0.8)σc时，开始卸载，求出卸载过程中试样所释放的弹性变形能φsp及岩石发生塑性变形和微破坏所消耗的能量φst(见图1)。两者的比值F=φsp/φst称为弹性变形能指数。F越大，发生岩爆的强度越高。以下是根据煤岩试验得出的指标:当F≤2.0时，无岩爆;当2.0≤F＜5.0时，发生由弱至中等程度岩爆;当F≥5.0时，发生强岩爆。

图1 岩石的加、卸荷曲线

(5)冲击能指标法。岩石的冲击能指标WCF是指岩石在单轴压缩的应力—应变全过程曲线中，以应力峰值为界的左右部分曲线与应变坐标所围成的面积，亦即岩石加载过程中所吸收的能量F1与破坏过程中所消耗的能量F2之比，即WCF=F1/F2(见图2)。冲击能指标WCF旨在建立岩石在破裂过程中释放的能量与消耗能量的关系。当WCF＞1时，岩石有发生岩爆的倾向。

(6)Russense法。Russense岩爆分级标准(见表1)。

图2 应力—应变全过程曲线

表1 Russense岩爆分级标准

(7)刚度理论。刚度理论源于刚性压力试验仪器的产生。根据刚性试验机原理，即对于用普通压力机进行压缩试验时发生猛烈破坏的岩石试件，若改用刚性压力机试验，则破坏并不猛烈，而且可以得到应力—应变全过程曲线。试件产生猛烈破坏的原因是试件刚度大于试验机刚度。刚度理论将这一结果用于探讨岩爆的发生机制中。

(8)失稳理论。失稳理论是将围岩当作一个力学系统，将岩爆看成是整个力学系统的动力失稳过程，即岩爆的发生是围岩组成的变形系统由不稳定平衡状态变成新的稳定状态的过程。按Dirichlet准则，结构变形系统的稳定性取决于变形系统势能即自由能极值的性质，假定系统势能为F，F的一次变分为δF，二次变分为δ2F，则当δF=0时，系统势能有极值。当δ2F＞0系统势能最小，稳定;δ2F=0系统平衡;δ2F＜0系统势能极大值，不稳定。

(9)断裂、损伤、分形理论。近年来，断裂力学和损伤力学的发展，对经典连续介质力学产生了巨大影响，运用断裂力学和损伤力学分析岩石的强度可以比较实际地评价岩体的开裂和失稳。分形理论与损伤理论的观点一致，它们都将岩石的破裂过程视为裂缝尖端微裂纹损伤发展的过程。由于微裂纹的分布特征是分形维，故可将微裂纹损伤演化过程理解成分形维的变化过程，通过裂纹分形维数值变化和岩爆现象的内在联系来预测岩爆的发生。

4 枢纽区地应力分析

某电站枢纽区地应力场以水平应力为主，实测最大水平主应力方向在N17°～48°W 之间，该方向与地质构造及局部地形地貌吻合。水电站地下厂房轴线方向的实测和回归地应力结果显示，水平构造应力控制着厂房工程区域应力场的分布规律。根据孔径法测试以及孔壁法测试揭露的厂房区最大主应力方向为 NNW ～NW 向，最大主应力量级25～35MPa。应力集中系数按3考虑时，二次应力 σtan将达到75～105MPa，与围岩单轴湿抗压强度Rc=115～250MPa，σtan/Rc=0.42～0.65，按 Russense岩爆分级标准(见表1)，厂房区地应力大多为低～中等岩爆区，局部为高地应力区。

5 岩爆部位实例分析

5.1 尾调室

由计算以及实际开挖可以看出，尾调室开挖中地应力所造成的影响应属于无岩爆～弱岩爆。尾调室节理、错动带发育，岩体较完整～较破碎，以块、次块状～块裂状结构为主，局部裂隙密集带为镶嵌～碎裂结构。地下水较丰富，厂横0+125～0+165m全洞湿润顶拱多处滴水，其余洞室湿润，局部浸水、滴水。上述不良地质现象有利于释放地应力。在开挖过程中、开挖后及支护后也很少发生因地应力大而产生的不良现象。再根据岩爆分级局部可能发生低～中等岩爆以及裂缝的类型来看，也不是岩爆现象。但显而易见，地应力对裂缝肯定存在一定的影响。由于三维状况下的地下岩体，开挖破坏后至平衡的过程中，肯定会发生应力释放及松弛的现象，在这一初始地应力条件上的开挖引起围岩应力调整为顶拱喷层开裂提供了较强的应力基础。另外地应力荷载水平方向较大，且最大荷载方向与洞室轴线斜角约40°，洞室围岩就有可能产生环带状分层变形现象，造成开裂缝的发生。由此可见，地应力虽然没发生岩爆等破坏现象，但对裂缝的产生仍然起到很重要的原因。

5.2 过坝交通洞

5.3 进场交通洞

进场交通洞在桩号0+95～0+70m段发生开裂缝、错位及混凝土掉块。该段岩体为二叠系上统玄武岩组下段第五层第二小层(P2β5－21)，中～厚层状角砾集块熔岩，灰绿色，坚硬，角砾集块结构，块状构造。该开挖段岩体新鲜～微风化，岩体完整，块状结构，总体围岩类别为Ⅱ类。该段发育对顶拱不利的中倾结构面(产状 N50°W/SW40°～45°)及局部发育缓倾错动带(产状EW/S15°～20°);与洞轴线近平行的结构面(产状 N80°～85°E/SE80°～85°)以及左边墙发育倾向洞内的结构面(产状N80°～90°W(EW)/NE(N)40°～45°)，对边墙稳定不利。另外，该段洞室由于该段埋深较深，洞轴线与最大主应力夹角较大，在开挖中顶拱及拱肩局部有轻微岩爆发生。

5.4 小 结

根据枢纽区交通洞以及引水发电系统地下洞室开挖情况来看:位于枢纽区附近的地下洞室在开挖中出现较多的岩爆，过坝交通洞、进场交通洞、尾水洞、尾调室、主变室、厂房上一支洞、右岸导流洞都曾发生轻微岩爆问题。

由于引水发电系统各地下洞室围岩为玄武岩，强度高、性脆、极易聚集能量，已相继发生不同程度的岩爆，特别是未来随着大埋深的地下洞室开挖、三大洞室的高边墙、高压洞下平端、尾水洞岔洞等部位的开挖，发生中等甚至高强度的岩爆可能性和概率增加，因此建议考虑处理岩爆的预防措施。

6 岩爆预防

对于上述不良地质现象，开挖前应高度重视并了解地质特征，针对可能出现岩爆的地段采取积极主动的预防措施和强有力的支护方案。在开挖过程中采用"短进尺、多循环"的掘进方法，并利用光面爆破技术，尽量降低应力集中的发生，改善围岩应力状态。开挖后对开挖面多进行喷水，降低围岩应力;在已开挖的洞壁进行支护加固，其中包括随机锚杆的支护以及系统锚杆挂网喷混凝土支护;对已形成的危岩体进行清除后再进行支护的措施，确保施工安全和洞壁的稳定;对于严重部位应采取超前打孔释放应力。另外，应加强施工中的安全监测工作，通过围岩收敛监测、锚杆应力计及多点变位计监测等原型观测的手段，来预测岩爆发生的可能性，从而指导开挖和支护施工，确保安全。

［1］冯建军.二郎山隧道岩爆特征与防治［J］.西部探矿工程，2005(7).

［2］徐林生.国内外岩爆研究现状综述［J］.长江科学院院报，1999，16(4).

［3］顾金才.深部开挖洞室围岩分层断裂破坏机制模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2008(3).

［4］杨天俊.拉西瓦水电站地下硐室岩爆现象典型实例分析［J］.西北水电，2008(3).

［5］万姜林.太平驿水电站引水隧洞的岩爆及其防治［J］.西部探矿工程，1999，7(1).

［6］周青春，李海波，杨春和.地下工程岩爆及其风险评估综述［J］. 岩土力学，2003，10(增刊):669－673.

［7］董志高，吴继敏，刘成君.地下洞室岩爆预测计算方法综述［J］.地质灾害与环境保护，2006，13(2):6－9.

［8］康勇.深埋隧道围岩破坏机理相关问题研究［D］.重庆:重庆大学，2006.

［9］郭立.深部硬岩岩爆倾向性动态预测模型及其应用［D］.长沙:中南大学，2004.

［10］朱江棚.长大引水隧洞岩爆机理分析及防治研究［D］.南京:河海大学，2007.