小孤山水电站引水隧洞及高压流道岩爆综述(林立)

1、小孤山水电站引水隧洞及高压流道岩爆综述林 立、陈 矫（中国水利水电第一工程局有限公司 吉林 长春 130062）摘 要 介绍了岩爆的形成机制、分级和分类。结合小孤山水电站引水隧洞及高压流道岩爆发生的特点、规律及防治措施，论述在岩爆施工中应注意和重视的事项。关键词 小孤山水电站 引水隧洞 岩爆 防治措施 经验体会 1、工程概况小孤山水电站位于黑河大峡谷中下游，地处甘肃省肃南裕固族自治县境内，电站厂房距张掖市103km，是黑河流域规划中的第6座梯级水电站。工程主要任务是发电，采用引水式开发。电站主要由首部枢纽、引水系统、发电厂房等建筑物组成。电站装机容量102MW，多年平均发电量3.804亿KW&

2、#183;h，可承担调峰任务。引水隧洞布置在黑河右岸，全长9020.771m，为内径6.0m的圆形洞。高压流道长125m，内径由6.0m变为5.8m，通过3条支管与厂房相接。2、工程地质条件引水隧洞以桩号K6+690为界，上段为硅质板岩，最大埋深为720m，岩体呈微风化新鲜状态，层状结构；岩石单轴饱和抗压强度93.0254.0Mpa，变形模量8.822.6 Mpa，弹性模量11.325.4 Mpa。下段为石英二长岩，最大埋深1050m，岩体呈微风化新鲜状态，块状结构；岩石单轴饱和抗压强度85.7200.3Mpa，变形模量4.817.3 Mpa，弹性模量13.730.5Mpa。高压流道段岩性为石

3、英二长岩，埋深约300m。经开挖后判定，类围岩7157.8m，占79.3%；类围岩1716.5m，占19.02%；类围岩97.5m，占1.08%；类围岩54.0m，占0.6%。在初步设计报告中提出：依据岩石的平均饱和抗压强度及密度测算其强度自重应力比，洞体埋深大于720m洞段可能发生岩爆。3、岩爆的形成机制、分级和分类岩爆是深埋地下工程施工过程中常见的动力破坏现象，它是由于岩石积聚的应变能大于岩石破坏所消耗的能量时，多余的能量导致岩石碎片从岩体中剥离、崩出。“岩爆的产生需要具备两方面的条件：高储能体的存在，且其应力接近岩体强度是岩爆产生的内因；某些附加荷载的触发是其产生的外因。”这一解释应该是

4、迄今为止对岩爆机理给出的最为清晰的概括。该机理的另一种说法应该是：处于高应力环境中的结构完整的硬脆性围岩，在隧道开挖后，切应力达到或接近围岩的单轴饱和抗压强度（Rb），在其它因素的诱发下，围岩便以岩爆的形式失稳。这可以被总结为岩爆形成机制的静荷载（静力学）理论，它也是广泛采用的岩爆预测判据-/ Rb的理论依据。根据国内外研究现状，将岩爆烈度划分为轻微、中等、强烈和剧烈4级（表-1）。 表-1 岩爆分级岩爆分级 分级依据轻微岩爆 围岩表层无声响或不易察觉的微弱响声，劈裂的岩块自由下落或松弛后下落，规模小，表现为岩坑较浅，爆落岩片尺寸小、数量少，多为破裂剥落型，对施工影响小。中等岩爆 爆裂脱落、剥

5、离现象比较严重，岩屑或岩块向临空面弹出，伴有清脆爆裂声，表现为岩坑连续分布，规模较大，坑径可达数米，坑深一般小于2m，爆落岩石尺寸较大、数量多，多为弹射型及破裂剥落型，对施工有一定影响。强烈岩爆 岩爆时伴有巨响，具有锐利边棱的大小岩石碎片迅猛飞出，表现为岩爆坑连续分布，坑深一般都在2m以上，爆落岩石尺寸大、数量多，且造成围岩大面积开裂失稳，严重威胁施工人员及设备安全，对正常施工及洞室影响大。剧烈岩爆 剧烈的爆裂弹射甚至抛掷性破坏，有似炮弹巨响声，岩爆具有突发性，并迅速向围岩深部发展，影响深度大于2m，严整影响甚至可以摧毁工程。根据岩爆发生时表现的特征，可以将其分为4类（表-2）表-2 岩爆分类

6、岩爆分类 特征松动脱落型 围岩呈块状、板状、鳞片状爆裂，声音微弱。爆裂的岩块需经过一段时间后才从岩体表面弹射下来，弹射距离小，弹射速度一般小于2m/s，部分岩块是自上而下地坠落。此类型为微弱岩爆。爆裂弹射型 较大的块体达到直径0.30.5m，厚度0.10.3m，岩片弹射速度一般均为2.05.0m/s，发生的部位一般在新开挖的工作面及其附近，岩爆发生前连续发生犹如破竹般的劈啪声，发生后岩爆随之出现。此类型为中等岩爆。爆炸冲击型 巨石抛射，声响如炮弹爆炸，抛题体积有数立方米至数十立方米，抛射距离数米至一二十米，弹射速度一般大于5m/s，岩爆部位集中于爆破后的开挖面。岩爆发生在爆破后数分钟内，并很快

7、趋于平稳。此类型为强烈岩爆。深部地震型 由于地下洞室开挖靠近断层、岩脉，从而引起断层、岩脉积蓄能量孕震，在围岩深部产生地震。4、小孤山水电站岩爆发生的特征及规律4.1岩爆的特征 小孤山水电站引水隧洞及高压流道段开挖期间在5个洞段发生了岩爆，总长度201m，对机械和人员没有造成大的损害，但一定程度上影响了开挖工期。不同洞段处岩爆表现的特征各有差异，但归纳起来可以分为以下两种型式。 （1）松动脱落型（桩号K3+100K3+140.7、K7+464K7+500）松动脱落围岩呈块状、片状爆裂，声音细微清脆，偶尔可以听见噼噼啪啪响声。薄片的形状呈中间厚、四周薄的贝壳状，其长与宽方向尺寸相差不悬殊，但周边

8、厚度方向参差不齐，无弹射现象，仅仅是将岩面劈裂形成层次错落的小块或脱离母岩滑落的大块岩石，且可以明显地观察到围岩内部已形成空隙，顶部有岩块自由坠下，在底板岩块堆积原处。岩爆坑的形状呈阶梯形，但局部可见蜂窝状岩爆坑，深度515cm，属于轻微岩爆。 （2）爆裂弹射型桩号K2+255K2+300、K3+820K3+870、K9+114K9+144（高压流道段） 岩爆岩块一般在30cm×50cm×（520）cm范围内，偶尔见长度约1.0m的岩块，但厚度仅有30cm左右，块体的形状多为有一至两组的平行裂面，其余的一组破裂面呈刀刃状。爆裂声音比较沉闷，有如破竹般的劈啪声，即使在施工干扰

9、下，也能听到围岩内部的爆裂声。其弹射距离小于2.0m，为0.82.0m不等；可以明显观察到围岩内部形成空隙，且深度和脱空面积较大，局部可达数平方米，致使有较大块体的岩块处于不稳定状态。岩爆坑深度1030cm的窝状，局部呈直角形。属于中等岩爆。4.2岩爆发生的规律 小孤山水电站引水隧洞和高压水道岩爆发生在不同的岩性和不同埋深部位，但有着共同的规律。（1）岩爆均发生在干燥无水、新鲜、较完整、坚硬的岩体中，为岩体存储较大的弹性应变能创造了条件。（2）在褶皱的核部及附近，因为地壳运动形成褶皱过程中，储存了大量的构造应力，如桩号K3+100K3+140段，埋深不大，为350m左右，但该处为背斜的核部，发

10、生了轻微的岩爆。（3）岩爆区段的洞室埋深在300720之间，但岸坡均为陡峭地形，因为河谷下切，岸坡陡峭的地形亦有可能形成较高的地应力（尽管侧向埋深不大）。（4）岩爆均发生在圆形洞室上半拱范围内，且具有一定的对称性。（5）岩爆高发区一般距离掌子面250m，强度随时间的推移而减弱，但也有距掌子面上百米距离发生岩爆的例子。当掌子面开挖至桩号K3+930时，K3+820处还在发生岩爆，其距离达110m。（6）岩爆有一个突出特征，即一旦一个部位已经发生过一次岩爆，尤其是比较强烈的岩爆，那么该部位就很可能发生第2次、第3次，甚至更多次岩爆，按发生先后，强度越来越低，岩爆面就越来越小，最后形成所谓断面呈“V

11、”字形或“锅底”形的岩爆坑。在桩号K9+114K9+144（高压流道段），发生的岩爆次数较多，持续了将近一个星期。（7）岩爆具有滞后特征，多在爆破后23h，24h内最为明显，但也有时间更长的。5、岩爆的防治措施 根据小孤山水电站岩爆发生上的实际情况，立足于减轻或岩爆伤人、毁机及导致围岩大面积失稳的目标。按照“安全第一、稳扎稳打、不盲目冒进”的指导思想，遵循“以防为主、防治结合、多种手段综合治理”的原则进行施工和防治岩爆，同时充分了解岩爆发生的机理，从内因和外因两方面着手。5.1改善围岩物理力学特性主要措施是岩爆后立即向掌子面及附近洞壁喷洒高压水或利用炮眼及锚杆孔向岩体深部注水，这是因为结构面中

12、的裂隙水使岩石的破裂强度降低，其储存与释放能量的能力比围岩处于干燥环境下的能力低，因此干燥的围岩较存在裂隙水的围岩更容易发生岩爆。这种方法在K3+100K3+140、K7+464K7+500段岩爆处理中起到了良好的效果。5.2应力解除 通过打设超强钻孔或在超前钻孔中进行松动爆破，在围岩内部造成一个破坏带，即形成一个低弹区，从而使洞壁和掌子面应力降低，使高应力转移至围岩深部，施工时在掌子面上打设56根超前钻孔，深35m，既可以起到超前钻探地质的作用，又可以起到释放掌子面应力的作用。5.3优化开挖爆破方法 （1）考虑到全断面一次钻孔对围岩扰动大，易诱发岩爆，故钻孔作业分两步进行。先进行上半部钻孔，

13、既能让工人提高警惕性，防止岩爆伤人，又能使上部空孔释放部分应力，以减少下半部钻孔作业时对人的威胁。（2）合理布置辅助眼和周边眼光爆法的爆破顺序是掏槽眼辅助眼周边眼。对围岩扰动最大的是掏槽眼爆破时形成的应力波。在一个炮次的炮眼总数中，辅助眼和周边眼一般可以达到80%以上，如果能够合理布置辅助眼和周边眼，可以将掏槽孔爆破形成的柱面波（完全）拦截在当前炮次范围内，起到预裂爆破，甚至可能比预裂爆破更好的减震效果。合理布置辅助眼及周边眼的原则是：在掏槽眼的爆炸应力波的同一条波射线上，辅助眼和周边眼的个数在不少于1的前提下应尽可能地少图1(1)，以使它们被布置在不同的波射线上；将辅助眼沿所在波射线方向投影

14、到周边眼的连心线上时，该连心线能被投影的辅助孔和周边孔完全占据。这样，所有辅助眼及周边眼的共同作用几乎可以完全拦截掏槽孔的爆炸应力波图1(2)。在桩号K2+255K2+300、K3+820K3+870段开挖时，采用上述布孔原则，效果明显。图1 辅助眼和周边眼对掏槽眼爆炸应力波的反射示意图（3）短进尺，弱爆破，充分利用光面爆破技术，严格控制用药量，尽可能减少爆破对围岩的影响并使开挖断面尽可能规则，减小局部应力集中发生的可能性。每一循环进尺控制在2.0m以内。5.4合理支护 岩爆的成因主要取决于地质条件、地应力条件和施工触发因素。为减轻岩爆的危害，很重要的一条就是在洞室开挖后对围岩进行支护，这样做

15、不仅可以改善应力的大小和分布，而且还能使洞室周边的岩体从平面应力状态变成空间三向应力状态，从而达到减轻岩爆危害的目的，并且还能起到防护作用，防止岩石弹射或剥落造成事故。开挖后，根据已发生岩爆特征，结合人工听声，尽快对岩爆进行分级，并有针对性地采取了以下几种支护措施。 （1）径向锚杆素喷混凝土支护 在桩号K3+100K3+140、K7+464K7+500段，属轻微岩爆，没有大块体的不稳定岩体，因此采用了径向锚杆素喷混凝土支护的方式，锚杆为25，梅花形布置，间距1.5m，长度3.0m，素喷混凝土10cm，实践证明，该方法对预防滞后型轻微岩爆有较好的效果。 （2）径向锚杆钢筋网素喷混凝土支护在桩号K

16、2+255K2+300、K3+820K3+870段，属中等岩爆，局部岩体与母岩脱离，最大块体达3m3左右，处于不稳定状态。因此采用该方法，同时将径向锚杆外露部分用25钢筋焊接成网状。本支护维护围岩能力强，与围岩密贴，可以有效地使应力向围岩深部转移，是一种经济有效的防治岩爆的支护措施。 （3）型钢支护喷混凝土支护 在桩号K9+114K9+144（高压流道段），开挖期间有岩爆的迹象，但没有引起重视，亦没有采取措施（类围岩），致使后期发生了范围较大的中等岩爆，为防止岩爆进一步发展，加强了支护措施，同时这种支护方式较快，安全度高。事实证明，对防止岩爆进一步发展起到了良好效果。 实际施工中，如采用径向锚

17、杆喷钢纤维混凝土替代径向锚杆钢筋网素喷混凝土支护，在经济、技术、工期上都将取得明显的效果。6、经验与体会 （1）岩爆的产生过程是一个渐变的过程，而且在未发生前，并无明显的征兆，对预防带来了很大的难度，因此高应力地区在搞好隧洞野外地质勘察工作的同时，针对已有饿勘测资料，进行概念模型建模及数学模型建模工作，通过三维有限元数值运算、反演分析以及对不同开挖工序的模拟，初步确定施工区域地应力的数量级以及施工过程中那些部位及里程容易出现岩爆现象，及岩爆发生的倾向性判断，为优化施工开挖和支护顺序，以及施工中岩爆的防治提供初步的理论依据。 （2）施工期间做好岩爆现场预测预报是必不可少的，为保证预报的准确性，要

18、综合运用地形地貌、地质分析法、AE法（声发射法）、钻屑法（岩芯饼化法）、地温法等相辅相成互相印证，最大限度的避免伤人、伤机事故的发生。 （3）及时作好岩爆洞段的初期安全支护，防治再次发生甚至更为严重岩爆的发生，在桩号K9+114K9+144（高压流道段）的现象就是一个很好的例子。 (4)对已进行初期安全支护的洞段应加强围岩监测，掌握隧洞围岩及支护的变动形态，以测量信息反馈指导施工，确保施工的安全性和经济性，同时也为二次永久衬砌支护的时将和方案提供依据。 （5）通过对小孤山水电站岩爆洞段松动圈的测试，对二类围岩而言，没有发生岩爆洞段的松动圈厚度为0.31.1m，发生岩爆的洞段的松动圈厚度为0.61.5m，可见岩爆对松动圈厚度有一定的影响。因此作好岩爆洞段的松动圈测试，为支护设计提供参数是非常重要的。6、结束语 岩爆是深埋隧洞、高应力地区、完整硬岩中隧洞施工常见的一种地质灾害，由于其具有突发性，致使隧洞施工防不胜防，不仅严重威胁施工人员及设备的安全、影响施工进度，而且还会造成超挖、初期支护失败，严重时还会诱发地震，已经成为隧洞勘探设计及施工组织中必须考虑的重要问题之一。但岩爆的产生受岩石性质、