1、1锦屏超大断面隧道钻爆法穿越强岩爆洞段施工技术探讨摘要：锦屏二级水电站辅引 3#施工支洞施工具有较多的特殊性。地质条件复杂，超高渗透压力超大流量突发涌水，反坡施工等特别是其施工中的强岩爆问题，为锦屏二级水电站辅引 3#施工支洞施工带来了极大的困难，需要研究一套行之有效的钻爆法穿越强岩爆洞段的施工成套施工技术，确保 3#施工支洞顺利掘进，确保世界上规模最大水工隧洞工程顺利完工。因此，对论文的研究具有极为重要的理论意义以及实践指导价值。 关键词：隧洞工程强岩爆 钻爆法 施工技术 中图分类号： TV543 文献标识码： A 文章编号： 岩爆是高应力硬脆岩体中常见的一种岩石破坏现象。之所以在地下结构工
2、程施工中会发生岩爆，其主要原因为在具高蓄能特性的硬脆性岩体中积蓄的应变能突然释放，致使岩体断裂破坏。依据断裂力学研究结果，当决定于岩体中裂纹尺寸参数及应力状态的应力强度因子大于或等于岩体的断裂韧性时，便产生快速的断裂破坏或不稳定扩张，产生岩爆。地下洞室岩爆常以片状剥落的形式出现，形成葱皮状结构。产生岩爆需要一定的应力条件及岩体结构和性质条件。通常多为完整的整体块状结构及厚层状结构，岩石硬脆，单轴抗压强度在 1500kg/cm2 以上，声2波速度大于 6000m/s，且只有当岩体初始应力场的最大主应力与岩块的单轴抗压强度之比值大于 0.150.2 的高应力条件下才可能发生。洞室的轴向布置即与初始
3、应力场的最大主应力的关系及洞室的断面形状亦是显著地影响着岩爆，洞轴与最大主应力垂直且洞室具非平滑轮廓时容易产生岩爆，因为这时洞壁围岩的应力集中最严重，洞壁的超欠挖亦恶化了围岩的应力集中程度，使岩爆更容易发生。论文以在建的锦屏二级引水隧洞工程为依托，对其 3#引水隧洞穿越强岩爆洞段隧洞的施工进行了详细介绍，为同类工程的设计和施工提供了指导和参考。 1.工程概况及施工特点 1.1 工程概况 锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河湾上，利用雅砻江 150 公里锦屏大河湾的天然落差，截弯取直开挖隧洞引水发电，为世界上目前规模最大水工隧洞工程。 锦屏二级水电
4、站工程枢纽主要由首部拦河闸、引水系统、尾部地下厂房三大部分组成。其引水系统采用 4 洞 8 机布置形式，从进水口至上游调压室的平均洞线长度约 16.67km，中心距 60m。引水隧洞洞群沿线上覆岩体最大埋深约为 2525m，具有地质条件复杂、埋深大、洞线长、洞径大的特点。 辅引 3#支洞是在锦屏电站工程 A 辅助洞（AK6+950 里程）增设的施工辅助洞，为解决引水隧洞主体工程的施工通道和排水问题。辅引 3#施工支洞是连接 AB 辅助洞与施工排水洞、4#、3#、2#、1#引水隧洞工程施3工的一条重要施工支洞，见图 1-1。 图 1. 辅引 3#施工支洞平面图 1.2 施工特点 辅引 3#支洞作
5、为主体引水隧洞工程的一部分，除了具有地质条件复杂、埋深大、洞径大、施工难度高及工期较紧张等特点外，本身还具有独头掘进长，渗压涌水大，超长反坡施工等特点。特别是隧洞施工中的岩爆现象。锦屏隧洞群沿线上覆岩体一般埋深 15002000m，最大埋深约为 2525m，地处西南高地应力区，据最新的三维初始地应力场反演回归分析成果，隧洞线高程的最大和最小主应力值分别为 70.1MPa 和 30.1MPa，以自重应力为主。长探洞和辅助洞内出现的岩爆等级以轻微中等为主，局部出现强烈岩爆，可预测开挖将产生岩爆，其强烈程度以轻微中等岩爆为主，部分地段将发生强烈极强岩爆。 2.高地应力特长独头隧洞岩爆防治技术 2.1
6、 岩爆判别准则 岩爆具有一下明显的特征：(1) 当围岩应力与单轴抗压强度的比值较小时可能出现岩爆。(2) 岩爆多发生在新鲜、完整及坚硬的岩石中，在爆裂面上，一般肉眼观察不到明显的裂隙。(3) 岩爆一般发生在洞室开挖后数小时或数天内，也有持续一至几个月后逐渐减弱或停止的。一般而言，比较剧烈的岩爆多发生在开挖后数小时内。 因此，围岩应力是导致岩爆发生的外部条件，但不是充分条件。因4为岩石的结构和构造不同，变形特性也不相同，所以在相同应力条件下，围岩发生岩爆与否，尚取决于岩体的变形特性，这可以用岩石弹性能量指数（WET）表示。当对岩石试件加载时，外力所作的功（W）等于： （1） 所谓弹性能量指数是指
7、加载到 0.700.80c 时，再卸载到0.05c，这时卸载释放出的弹性应变能（E2）与耗散的应变能（E1）之比，则有： （2） 根据内外大量的实测成果及统计分析，建议对新鲜、完整及坚硬的围岩，采用下列判别式预测岩爆。 (3) 式中：系数根据围岩切向应力和洞轴线方向应力之比而定，即值。 如果围岩裂隙发育、岩体破碎、强度较低时，其破坏机制有所改变，这时结构面起控制作用，局部围岩可能沿裂隙、节理或其它软弱面发生剪切或劈裂，其破坏形态为坍落、滑移或其它非弹射形式的破坏。如碧口水电站为千枚岩，单轴抗压强度 12MPa，围岩最大切向应力（计算值）8.4MPa，两者之比为 0.70，远大于 0.30，但其
8、破坏形态为冒顶、坍方和边墙内鼓，并无岩爆发生。 2.2 岩爆的特征及破坏机理 52.2.1 锦屏引水隧洞实际岩爆分析 锦屏二级水电站地下结构建筑主要包括地下厂房、4 条引水隧洞、2条交通辅助洞、1 条排水洞，其中隧洞长约 16.67km。引水隧洞群穿越锦屏山主峰山体且沿线上覆岩体埋深 15002525m，受高地应力和地质条件等因素影响，岩爆发生频繁。对锦屏二级水电站的岩爆研究，李天斌和石豫川等人已经做了大量的工作并提出了锦屏二级水电站岩爆形成机理、分类及防治措施研究的科研报告。随着引水隧洞的开挖施工的进行，因地质条件、施工方法、施工顺序和其他因素的影响，3#和 4#引水隧洞中岩爆现象与报告相比
9、有了很大不同。如前期岩爆研究中得出的轻微岩爆区段，目前已经频繁出现岩爆且烈度有不断升级的趋势。 针对锦屏二级水电站的实际情况，华东勘测设计研究院依据围岩强度应力比和临界埋深大小进行岩爆等级，具体分为四级，见表 1 所示。 表 1. 岩爆分级 2.2.2 岩爆形式及特征 辅引 3#施工支洞平行段岩爆情况见表 1 所示，现场岩爆见图 1 所示。由表 1 和图 1 可知，发生岩爆的岩性主要为条带大理岩和灰黑大理岩，地层为盐塘组 T2y5，围岩类别主要为类，岩爆部位主要在拱顶、拱肩和隧洞边墙，其破坏方式有片状、层状剥落、爆裂剥落，破坏性质为张性和张剪性，岩爆烈度基本为级，属于轻微岩爆。 岩爆引起的危险
10、，典型的形式就是掉块，甚至塌方。引水隧洞开挖6后，围岩中的应力重新分布并在某些区域集中，当集中应力超过岩石强度时，岩爆便会发生。隧洞岩爆的表现形式主要为拱顶和洞壁岩块剥落、爆裂、弹射、片帮等，在不同的开挖地段，岩爆发生的数量和强度有所不同，不同强度的岩爆表现形式也有所不同。由目前辅引 3#施工支洞平行段岩爆的实际情况看，岩爆类型可分别按运动及破坏方式划分为剥落型、爆裂型两种。 （1）剥落型岩爆：指破裂的岩板部分呈贝壳状或片状与洞壁母岩剥离，岩板与母岩有裂隙，其余部分与母岩之间的整体性较好。 （2）爆裂型岩爆：指岩体块完全脱离母岩，已形成明显的岩爆坑。如辅引 3#施工支洞多次发生烈度较为强烈的岩
11、爆，1 次塌落岩体近20m3，另 1 次顶板剥落区域长宽厚达 340.5m。 锦屏工程引水隧洞发生的岩爆具有声响、爆落体和爆裂面等方面不同特征。 （1）岩爆声响特征：在引水隧洞开挖过程中，发生岩爆经常出现声响特征。如在工作面刚钻孔时可听到岩体内部沉闷的岩体开裂声，爆破后仍断断续续发出声响大如炮声的声响，在出碴和初期支护工程，掌子面内部便发出沉闷如炮声的岩体内部开裂声；掌子面发生岩爆的声响可以持续至 1024 小时。掌子面后部岩爆处岩体爆裂声，一般轻微岩爆的声音，较为清脆，可以清晰地听到“噼啪”的声响。 （2） 岩爆爆落体特征：按岩爆剧烈程度的不同，其破坏程度和爆落体特征也有所不同。剥落型岩爆岩
12、爆体一般为贝壳状或片状且大多一边薄一边厚，片体大小不等；轻微弹射型岩爆为细长的椭圆片体，该片7体中心厚周边簿；爆裂型岩爆岩体多为块体，最大岩块达0.50.60.3m。 （3） 岩爆坑及爆裂面的特征： 片状破裂面：面较平，可见放射状岩爆痕迹，岩爆块呈粗糙片状； 贝壳状破裂面：岩爆岩片小而薄，岩片厚 110cm，面成较光滑的弧状、贝壳状，岩爆块大多己松脱但未脱离母岩。 阶坎状破裂面： 破裂面边缘呈明显阶坎状，边缘最大处阶坎 l0cm，中部呈似平面状，岩爆块(片)剥落有一定的散射角。 总的来说，岩层埋深越大，开挖时产生岩爆的强度和频率就越高。 比如 4#引水隧洞，按照目前的进尺，越往里面进，岩爆发生
13、的机率越大。从岩性来看，岩爆多发生在坚硬性脆的岩层中，如花岗岩、石英岩、片麻岩、斑岩、闪长岩、辉绿岩、砂岩、灰岩、硬煤等。 围岩劈裂、弹射石块，有开缝声响或尖锐的爆裂声响。 （a）岩爆导致的顶拱掉块 （b）岩爆导致的边拱塌方隧道断面成不规则形状 （c） 围岩薄片状剥落（d）岩爆导致的左侧边拱塌方 图 1 锦屏隧道典型岩爆图片 2.2.3 岩爆规律 由于隧洞埋藏较深，不少地段岩体比较完整，以及洞体周围岩体应8力重分布和地应力的影响等原因，在开挖过程中曾有十余处发生岩爆，一般呈片状及贝壳状剥离。 岩爆发生处的共同特征，可归纳如下几点： 岩石新鲜完整，极少或看不出明显的裂隙； 产生岩爆时，岩石表面干
14、燥，具有似烘干样光泽； 岩爆主要集中发生在隧洞的拱肩处或右边墙处（山体外缘一侧） ，裂隙走向与洞线成锐角相交。出现片状弹射、崩落或呈笱皮状的薄片剥落； 新开挖的洞体，在二十四小时顶板岩石的爆裂声最为明显，之后逐渐减弱； 岩爆一般持续 12 个月，以后逐渐减少或趋于停止，岩石表面逐变潮。个别地段在一年以后仍有岩爆发发生。 2.3 岩爆的预测 2.3.1 地质分析法 借助宏观地质力学的方法，研究区域地应力场分布和大小。一般认为岩体的初始应力主要为构造残余应力与自重应力的叠加，高的构造应力主要位于地壳运动活动区。根据地形地貌分析。某些地区上升剧烈，河谷深切，剥蚀作用很强，其岩体的初始应力大于自重应力
15、。地形地貌造成应力集中，在高山峡谷地区，谷地为应力高度集中区。地形地貌造成应力释放，地形受密集的沟谷切割、山体不雄厚的地方，构造残余应力不易储存。 2.3.2 工程类比法 可以同地质条件类似的邻区工程进行应力场量级的类比，如终南山公路隧洞就采用了铁路隧洞施工的地质资料。 2.4 岩爆的防治措施 92.4.1 喷射混凝土 在清除拱顶部位由于岩爆产生的松动石块之后，施作喷混凝土覆盖岩爆坑。喷混凝土具有减弱岩爆的效果，可用来保护施工人员和设备的安全，防止锚杆之间的岩石碎块飞出，还可将未清除干净的小石块粘结在一起，预防石块坠下伤人；另外岩面被覆盖后，若岩爆继续发展，也可以从喷层的开裂、剥落上观察出来。
16、在隧洞施工中使用喷混凝土，只要喷层厚度足够，一般可以防止石块继续剥落。 2.4.2 锚杆加固围岩 这是一种加固围岩最有效的方法，也是岩爆防治中应首先考虑选用的方法之一。其主要作用是进行岩体加固，以防劈裂和剥落的岩块塌落弹射。现场施工采用锚固剂锚杆，锚杆长度和间距根据最大主应力大小和结构的整体要求而定，一般锚杆长度为 2535 m，超前锚杆长度一般为两倍的爆破进尺深度。 由于锚喷网联合结构强度增长迅速，能很快形成支护能力，而且与围岩密贴，与围岩形成弹性共同体，可阻止应力集中与深部扩散，起到可靠的全面防护作用。经现场实践，锚喷网联合支护能有效地克服轻微岩爆和中等岩爆对施工的影响，且施工简便，是一种
17、经济有效的岩爆支护措施。 2.4.3 钢支撑喷锚联合支护 在岩爆严重地区，为提高结构整体支护能力，减少岩爆对施工的影响，在岩爆地段采取密排钢支撑，与喷锚网形成联合支护体系。在K65+5624569 强烈岩爆段，采用钢拱架 1 榀，m 架立，配合喷锚联合10支护，有效地抑制了岩爆的继续发展。 2.4.4 喷雾射水 爆破后立即向工作面及工作面以后一定距离内的隧洞周边进行喷雾和以高压水冲洗，可以适当改变岩石物理力学性质，降低岩石的脆性但经现场实践，此方法对防止岩爆作用不大。 2.4.5 改善施工方法 采取“短进尺、多循环”的开挖作业方式，缩短每茬炮的开挖进尺，岩爆一般地段不超过 3 m，岩爆严重地段
18、不超过 25 m。由于岩爆均发生在掌子面拱部及右侧边墙，掌子面右侧采取“密钻眼、弱爆破”的施工方法，周边眼间距控制在 40 cm 左右，最小抵抗线控制在 60 cm 左右，二圈眼、周边眼装药量根据现场岩爆的发生情况比左侧相应减少，并降低一次爆破用药量，尽可能减小爆破对围岩的影响。 2.4.6 应力解除法 采用超前应力解除法，在施工过程中，一边应力解除，一边掘进，在洞室未开挖之前，使岩体原始应力释放，以便减缓开挖后的围岩应力，使之不发生岩爆或削弱岩爆的发生。在 K65+5659569 岩爆严重地段，开挖时在掌子面拱部及右侧边墙打(I)42 空孔 6 个，爆破后未出现明显的爆裂声，岩爆发生面积也有所缩小。 2.4.7 增设临时防护 在掌子面及其附近岩爆地段加挂铁丝帷幕，可防止岩爆飞石伤人和砸毁机器设备，增加作业场所安全感，保护施工人员和机具。在挖掘机及装载机后配套安装“铁甲” ，构成一个“防石棚” ，以避免岩爆石块塌
