下坂地水利樞紐工程引水發(fā)電洞巖爆及施工技術(shù)處理措施

吳中波

【摘要】下坂地工程引水發(fā)電洞位于塔什庫爾干河左岸，包括進(jìn)水口、引水洞、調(diào)壓室、壓力管道四部分。進(jìn)水口位于大壩壩軸線上游左岸240m處，采用豎井式進(jìn)水口，底板高程2 905m；引水發(fā)電洞全長4637m，引水隧洞設(shè)計(jì)最大流量為90 m3/s。施工階段初期會(huì)出現(xiàn)明顯的巖爆現(xiàn)象，預(yù)計(jì)隨著開挖深入山體、地應(yīng)力逐步升高，巖爆問題將越來越突出。結(jié)合下坂地引水發(fā)電洞工程建設(shè)過程中的巖爆預(yù)防實(shí)際，針對(duì)性地提出了措施，對(duì)預(yù)防巖爆、推動(dòng)工程進(jìn)度具有一定的借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】電洞巖爆；施工技術(shù)；處理措施

1、巖爆現(xiàn)象

1.1 巖爆現(xiàn)象描述

引水發(fā)電洞樁0+745.00--0+750.00、1+534.00--1+513.00、1+770. 00 --1+825. 00、l+829. 00--1+880. 00、1+950. 00--2+026. 00、2+091. 00 --2+ 103. 00等部位，隧洞埋深在800 --1250 m，這些地段巖性為第一巖性段（ Pta）角閃黑云二長片麻巖，呈微風(fēng)化，圍巖類別為Ⅱ類穩(wěn)定完整巖體。

引水發(fā)電洞掘進(jìn)到這些部位時(shí)，當(dāng)連續(xù)掘進(jìn)10 m左右時(shí)，便開始出現(xiàn)巖爆。爆破起爆后，該段洞室兩側(cè)起拱部分，就有“啪，啪”巖爆聲響，剛開始響聲此起彼伏，聲音震耳欲聾，響聲后伴隨圍巖裂縫，巖塊脫落甚至彈出，脫落巖塊最大單塊超過1.2 m3。圍巖由外到內(nèi)層層裂縫，從里向外擠，外層裂縫巖石時(shí)有塌落，裂縫深度約1～3 m。持續(xù)時(shí)間一般7天左右，最長的已經(jīng)持續(xù)一年，現(xiàn)在偶爾還有巖爆掉塊。巖爆多發(fā)生在隧洞右拱角及邊墻部位，其原因是圍巖承受頂部圍巖自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力的影響，形成了20～80 cm厚度的應(yīng)力釋放層，當(dāng)頂部圍巖壓力超過應(yīng)力釋放層承受能力時(shí)，便發(fā)生了“巖爆”。施工實(shí)踐證明下坂地引水發(fā)電洞發(fā)生的“巖爆”烈度要比初設(shè)階段預(yù)測的強(qiáng)烈。

1.2 巖爆后果描述

引水發(fā)電洞洞室開挖過程中，爆破施工發(fā)生2—3 h后，巖壁發(fā)出爆裂響聲3 ～5 min/次，石片有時(shí)應(yīng)聲掉落。巖爆脫落片石大的有3 m×1.8 m x0.45 m（厚），給洞挖施工人員造成極大的安全隱患，已有較多施工人員受傷，巖爆等待時(shí)間也極大地影響到了施工進(jìn)度。巖爆產(chǎn)生區(qū)域共387 m，掉落石片造成超挖共627.5 m3，施工用時(shí)共203 天。

2、巖爆段施工技術(shù)措施

2.1 巖爆技術(shù)措施

巖爆處理措施首先，改善圍巖應(yīng)力。這種方法主要是降低圍巖應(yīng)力使圍巖應(yīng)力小于圍巖強(qiáng)度，避免巖爆的發(fā)生。在施工中主要采取如下措施：（1）在洞身開挖爆破時(shí)，采用“短進(jìn)尺、多循環(huán)”及光面爆破技術(shù)，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。（2）應(yīng)力解除法，通過布設(shè)超前鉆孔或在超前鉆孔中進(jìn)行松動(dòng)爆破，在圍巖內(nèi)部造成一個(gè)破壞帶，即形成一個(gè)低彈區(qū)，從而使洞壁和掌子面應(yīng)力降低，使高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圍巖深部，施工時(shí)可在掌子面上打設(shè)5—6個(gè)超前鉆孔，深15—20 m左右，既可以起到超前鉆探地質(zhì)的作用，又可以起到釋放掌子面應(yīng)力的作用。超前鉆孔的布置形式及參數(shù)，在施工過程中根據(jù)成型情況及時(shí)調(diào)整。

第二，改善圍巖性質(zhì)。在施工過程中，可采取對(duì)工作面附近隧洞巖壁噴水或鉆孔注水來促進(jìn)圍巖軟化，從而消除或減緩巖爆程度。

第三，對(duì)圍巖進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)和超前支護(hù)加固。其作用是，改善掌子面及1—2倍洞徑洞段內(nèi)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，由于支護(hù)的作用不但改變了應(yīng)力大小的分布，而且還使洞壁從單維應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槿S應(yīng)力狀態(tài)?？刹捎玫募庸剔k法有：錨桿和超前錨桿支護(hù)、錨噴混凝土支護(hù)、鋼纖維噴混凝土支護(hù)、鋼支撐，二次襯砌。這些方法是施工中最為常用的，因此施工過程中，在發(fā)生巖爆的地段，要采取錨桿、超前錨桿支護(hù)、錨噴混凝土支護(hù)、鋼纖維噴混凝土支護(hù)、鋼支撐等多種支護(hù)方法有效的組合在一起來防止巖爆的發(fā)生。

2.2 下坂地引水發(fā)電洞巖爆段施工處理

針對(duì)下坂地引水發(fā)電洞開挖隧洞的地質(zhì)特征，在施工中對(duì)出現(xiàn)巖爆的地段應(yīng)采取積極主動(dòng)的預(yù)防措施和強(qiáng)有力的施工支護(hù)，確保巖爆地段的施工安全，將巖爆發(fā)生的可能性及巖爆的危害降到最低。在高地應(yīng)力地段施工中可采用以下技術(shù)措施：

1. 在施工前，針對(duì)已有勘測資料，首先進(jìn)行概念模型建模及數(shù)學(xué)模型建模工作，通過三維有限元數(shù)值運(yùn)算、反演分析以及對(duì)隧洞不同開挖工序的模擬，初步確定施工區(qū)域地應(yīng)力的數(shù)量級(jí)以及施工過程中哪些部位及里程容易出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，優(yōu)化施工開挖和支護(hù)順序，為施工中巖爆的防治提供初步的理論依據(jù)。

2. 在施工過程中，加強(qiáng)超前地質(zhì)探測，預(yù)報(bào)巖爆發(fā)生的可能性及地應(yīng)力的大小。采用上述超前鉆探、聲反射、地溫探測方法，同時(shí)利用隧洞內(nèi)地質(zhì)編錄觀察巖石特性，將幾種方法綜合運(yùn)用判斷可能發(fā)生巖爆的高地應(yīng)力的范圍。

3. 打設(shè)超前鉆孔轉(zhuǎn)移隧道掌子面的高地應(yīng)力或注水降低圍巖表面張力，超前鉆孔可以利用鉆探孔，在掌子面上利用地質(zhì)鉆機(jī)或液壓鉆孔臺(tái)車打設(shè)超前鉆孔，鉆孔直徑為45 mm，每循環(huán)可布置4-8個(gè)孔，深度5-10 m，必要時(shí)也可以打設(shè)部分徑向應(yīng)力釋放孔，鉆孔方向應(yīng)至直巖面，間距數(shù)十厘米，深度1—3 m不等。必要時(shí)，若預(yù)測到的地應(yīng)力較高，可在超前探孔中進(jìn)行松動(dòng)爆破或?qū)⑼暾麕r體用小炮震裂，或向孔內(nèi)壓水，以避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。

4. 在施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測工作，通過對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場觀察、通過對(duì)輔助洞拱頂下沉、兩維收斂以及錨桿測力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)讀數(shù)的變化，可以定量化地預(yù)測滯后發(fā)生的深部沖擊型巖爆，用手指導(dǎo)開挖和支護(hù)的施工，以確保安全。

5. 在開挖過程中采用“短進(jìn)尺、多循環(huán)”，同時(shí)利用光面爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制用藥量，以盡可能減少爆破對(duì)圍巖的影響并使開挖斷面盡可能規(guī)則，減小局部應(yīng)力集中發(fā)生的可能性。在巖爆地段的開挖進(jìn)尺嚴(yán)格控制在2.5 m以內(nèi)。

6. 加強(qiáng)施工支護(hù)工作，支護(hù)的方法是在爆破后立即向拱部及側(cè)壁噴射鋼纖維或塑料纖維混凝土，再加設(shè)錨桿及鋼筋網(wǎng)，必要時(shí)還要架設(shè)鋼拱架和打設(shè)超前錨桿進(jìn)行支護(hù)。襯砌工作要緊跟開挖工序進(jìn)行，以盡可能減少巖層暴露的時(shí)間，減少巖爆的發(fā)生和確保人身安全，必要時(shí)可采取跳段襯砌。同時(shí)應(yīng)準(zhǔn)備好臨時(shí)鋼木排架等，在聽到爆裂響聲后，立即進(jìn)行支護(hù)，以防發(fā)生事故。

7. 對(duì)發(fā)生巖爆的地段，可采取在巖壁切槽的方法來釋放應(yīng)力。以降低巖爆的強(qiáng)地段施工時(shí)，對(duì)人員和設(shè)備進(jìn)行必要的防護(hù)，以保證施工安全。

8. 引水發(fā)電洞現(xiàn)場巖爆段施工處理措施：在開挖過程中采用短進(jìn)尺、多循環(huán)（每循環(huán)2m）方式，同時(shí)剩用光面爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制用藥量，以盡可能減少爆破對(duì)圍巖的影響并使開挖斷面盡可能規(guī)則，減小局部應(yīng)力集中發(fā)生的可能性。 （1）周邊鉆孔孔深3m，間距0.5 m改為0.3 m，由34個(gè)孔增加到57個(gè)孔，增加23個(gè)孔；（2）線裝藥由200 g/m，改為滿孔裝藥600 g/m，炸藥增加82.2 kg； （3）頂部直徑25mm超前錨桿，間距0.5 m.長4m共10根；（4）應(yīng)力釋放孔，間距1.5 m xl.5 m.長4m錨桿，共20根；（5）掛鋼絲網(wǎng)并用3.5 kW水泵向巖爆段掌子面噴水。經(jīng)現(xiàn)場觀測，前述四項(xiàng)措施有一定成效，同時(shí)在巖爆洞段，按照爆破設(shè)計(jì)要求進(jìn)行爆破開挖施工，并緊跟系統(tǒng)錨噴支護(hù)，頂拱邊墻噴C20混凝土10 cm.系統(tǒng)錨桿直徑22mm，L=3 m，1.5 mxl.5 m梅花形布置，以上措施的實(shí)施，減輕了巖爆的影響并縮短了巖爆段單循環(huán)作業(yè)時(shí)間。

2.3 現(xiàn)場安全防護(hù)措施

洞挖隨著雙作業(yè)面掘進(jìn)的逐步深入，埋深逐步加大，巖爆情況趨于嚴(yán)重，現(xiàn)場配置了滿足施工需要的安全防護(hù)用品，保障作業(yè)面照明，鑒于巖爆一般在爆破后1 h左右比較猛烈，逐步趨于緩和，多數(shù)發(fā)生在1--2倍洞徑的范圍內(nèi)，每個(gè)爆破循環(huán)之后，讓工人躲避在安全處，待巖爆基本平息之后再進(jìn)行施工。另外過程中應(yīng)加強(qiáng)排險(xiǎn)檢查和危石處理，認(rèn)真防護(hù)觀察圍巖動(dòng)態(tài)，如發(fā)現(xiàn)爆裂聲，立即撤離人員與機(jī)具，以保障施工人員和設(shè)備的安全。