拉西瓦水电站尾水隧洞岩爆的特征与预防措施

1、.拉西瓦水电站尾水隧洞岩爆的特征与预防措施孟庆亮 杨宏正 崔颖林1 前言岩爆是深埋地下工程在施工过程中常见的动力破坏现象，当岩体中聚积的高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量时，破坏了岩体结构的平衡，多余的能量导致岩石爆裂，使岩石碎片从岩体中剥离、崩出。轻微的岩爆仅剥落岩片，造成片帮但无弹射现象。强烈的岩爆常常会带来灾难性的后果，造成人员伤亡或施工设备损坏。岩爆一般持续几天有时甚至数月。岩爆产生的条件： 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； 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

2、破坏类型，当应力解除后，回弹变形很小； 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；地下水较少，岩体干燥； 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。2 拉西瓦地质状况拉西瓦水电站引水发电系统洞室群地处峡谷，山高坡陡。右岸岸坡河床至正常蓄水位2425m，坡度为6570，24252600m高程间3045，2600m以上6065。拉西瓦地下洞室群位于右岸地下，岩性为花岗岩，该花岗岩体为中粗粒结构，呈灰灰白色，块状结构，矿物成分以长石、石英、黑云母为主，岩石强度高，岩体致密坚硬，总体以II类围岩为主，局部为III、IV类。根据厂房区

3、实测资料最大地应力1为14.629.7MPa，平均21.63MPa，最小主应力3为3.713.1MPa，平均9.20MPa，岩体饱和抗压强度平均值c 为110MPa,饱和抗拉强度平均值t 为6.7 MPa，经过分析预测，拉西瓦地下洞群开挖时均有可能发生岩爆，但其程度以轻微为主，局部可能达中等程度，且岩爆多表现为片状剥落、片帮等方式。特别是我局承建的拉西瓦水电站尾水系统工程，隧洞位于右岸地下，距地表垂直距离390550m左右。围岩以II类为主，成洞条件较好。但是隧洞埋深较大，且穿越河谷应力包，围岩坚硬干燥，地应力高达2530MPa，c /1110/25110/304.43.67，符合发生岩爆的条

4、件，在施工过程中也确实出现了不同程度的岩爆。我局承建的尾水管扩散段，位于河谷应力包过渡带，加之由于该段开挖断面为由城门洞型（13.5m18.56m）变为方形（15.096m9.666m），应力集中，岩爆经常在拱肩位置发生。3 岩爆的产生条件（参见图1） 审稿：黄久昌 刘祥吾 张卫东判断岩爆发生的应力条件有两种方法： 一是用洞壁的最大环向应力与围岩单轴抗压强度c之比值进行分析； 二是用天然应力中的最大主应力1与岩块单轴抗压强度c之比进行判断。 3.1 围岩应力条件 经验公式：1/c0.1650.35（或c/16.062.86）的脆性岩体最易发生岩爆。 3.2 岩性条件 弹性变形能系数：加载到0.

5、7c后再卸载至0.05c时，卸载释放的弹性变形能与加载吸收的变形能之比的百分数。 当70时，可能产生岩爆，越大发生岩爆的可能性越大。 3.3 影响岩爆的因素 3.3.1 地质构造 岩爆大都发生在褶皱构造的坚硬岩石中。 岩爆与断层、节理构造密切相关。当掌子面与断裂或节理走向平行时，极容易触发岩爆。 岩体中节理密度和张开度对岩爆有明显的影响。据南非金矿观测资料，节理间距小于 图1 岩爆产生条件 40cm，且为张性节理时，一般不发生岩爆。掌子面岩体中有大量岩脉穿插时，也可能发生岩爆。 3.3.2 洞室埋深 随着洞室埋深增加，岩爆次数增多，强度也增大。3.4 岩爆形成机理和围岩破坏区分带见图2。A、劈

6、裂成板阶段（岩爆孕育） 垂直洞壁方向受张应力作用而产生平行于最大环向应力的板状劈裂。仅在洞壁表部，部分板裂岩体脱离母岩而剥落，而无岩块弹射出现。 B、剪切成块阶段(岩爆的酝酿) 劈裂岩板向洞内弯曲，发生张剪复合破坏。处于爆裂弹射的临界状态。 A、劈裂；B、剪断；C、弹射C、块、片弹射阶段 图2 岩爆渐进破坏过程示意图 劈裂、剪断岩板，产生响声和震动。岩块发生弹射，岩爆形成。岩爆的渐进性破坏过程很短促。 各阶段在演化的时序和发展的空间部位，都是由洞壁向围岩深部依次重复更迭发生的。因此，岩爆引起的围岩破坏区自外向内分弹射带、劈裂-剪切带和劈裂带等三个条带。 4 拉西瓦水电站尾水洞岩爆的特点拉西瓦水

7、电站尾水洞的岩爆一般具有以下特点：（1）岩石以花岗岩为主，岩石坚硬干燥，在未发生前，无明显的征兆，虽经过仔细寻找，并无空响声，一般认为不会掉落石块的地方，会突然发生岩石爆裂声响，石块一般应声而下。（2）岩爆发生的地点多在新开挖的掌子面及距离掌子面13倍洞径范围内，个别的也有距新开挖工作面较远；城门洞形常见的岩爆部位以拱部或边墙部位为多，渐变段常见的岩爆以拱肩部位为多；岩爆在开挖后陆续出现，多在爆破后的28小时，24小时内最为明显，延续时间一般12个月，有的甚至长达1年以上，事前一般无明显预兆。（3）岩爆时围岩破坏的规模，小者几厘米厚，大者可达几十吨重。石块由母岩弹出，小者形状常呈中间厚、周边薄

8、、不规则的片状脱落，脱落面多与岩壁平行。（4）岩爆围岩的破坏过程，一般新鲜坚硬岩体均先产生声响，伴随片状剥落的裂隙出现，裂隙一旦贯通就产生剥落或弹出，属于表部岩爆；在强度较低的岩体，则在隧洞掌子面以内一定距离产生，向洞内临空面产生很大的冲击力，这种岩爆属于深部冲击型。（5）由于爆破振动产生的冲击波影响，造成已开挖洞段应力重新分布，也会造成较大面积岩爆。（6）拉西瓦尾水隧洞岩爆破坏形式主要为劈裂破坏和剪切破坏两种，破坏总体属爆裂脱落型，局部地段也曾出现过弹射现象。5 岩爆的预防措施为了确保高应力地区开挖、支护施工的安全，施工中采取了如下措施：（1）在开挖过程中采用“短进尺、多循环”，在岩爆多发地

9、段的开挖进尺严格控制在2.5m以内。采用光面爆破技术，提高光爆效果，改善洞壁应力条件，严格控制线装药密度及单耗，降低爆破动应力场的叠加，尽量减少对围岩的扰动，改善围岩的应力状态。（2）在开挖施工前，沿洞壁先打28，L6m超前锚杆，以提前释放应力并防止劈裂型岩爆；（3）开挖完成后，及时向岩面洒水，以释放应力；（4）洒水后及时喷混凝土进行封闭，成拱支持，尽可能减少围岩暴露时间，并起到了初期支护的作用；（5）在初期支护完成后，及时进行永久支护，以确保围岩稳定，必要时进行随机锚杆支护及钢支撑支护；由于支护的作用不但改善了掌子面及12倍洞径范围内围岩的应力状态，还改善了应力的分布。（6）加强施工中的安全

10、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。6 岩爆部位实例分析6.1 2#尾水洞尾20+425m尾20+495m段岩爆2005年5月2日，2#尾水洞尾20+425m尾20+495m段在已完成一期支护的情况下，由于地应力较高等原因造成岩爆塌方，岩爆掉块重达几十吨。业主、地质、设计、施工等单位经过现场勘察后分析确定其原因如下：（1）本地区属高应力区，洞室开挖应力经过多次调整，围岩卸荷回弹，形成应力松弛圈，导致围岩结构面张开，少量地下水沿张开的缝隙渗出；同时加之该部位处于上叉施工支洞与2#尾水洞垂直交汇区，产生了

11、应力集中；（2）由于隧洞断面较大，尚未进行混凝土衬砌施工，洞内开挖一定时间后，由于卸荷围岩产生松弛变形；（3）该段内发育有L1及L9两组高倾角裂隙，应力释放导致这两组裂隙进一步发育，结构面张开，产生了倾倒或剪切滑移失稳，使边墙失稳；（4）塌方段附近的开挖爆破也是诱发岩爆塌方的原因之一。由于1#、2#尾水洞间围岩厚度仅26.4m，当时正在进行1#尾水洞中层的开挖；5月2日下午1#尾水洞由下叉洞向下游掘进至与塌方段相对应的尾10+320m桩号时，由于爆破振动产生冲击波，导致2#尾水洞尾20+425m尾20+495m段应力重新调整分布，发生岩爆。岩爆塌方发生后采取的措施如下：（1）尽快对塌方部位喷C

12、20素混凝土进行封闭，以尽可能减少新鲜围岩的暴露时间；（2）挂6.5，1515cm钢筋网，并复喷10cm厚C20素混凝土；（3）在上述支护的基础上，钻安328，L9m锚筋桩，间距3m3m；在锚筋桩之间布置25，L4m锚杆；（4）严格控制爆破参数，加强爆破振动监测；（5）在尾水洞增加施工期围岩观测和变形观测，以便及时采取相应措施。6.2 6#尾水管扩散段厂下0+26厂下0+17左侧拱肩岩爆我们在6#扩散段上层施工中，由于应力集中，岩爆较频繁，特别是6#扩散段左侧拱肩。刚开始我们采取挂网、喷10cm厚C20素混凝土等措施，但是效果不好，经常是刚施工完就发生岩爆塌方，存在很大的安全隐患。采用湿喷台车

13、喷10cm厚钢纤维混凝土加系统锚杆支护，暂时保证了施工安全。但是在2006年1月16日，由于爆破振动、地应力高等诸多因素影响还是在6#扩散段下层开挖左侧时拱肩发生了岩爆塌方。发生这次岩爆后，我们勘查了现场，分析后认为其原因如下：（1）该段地处河谷应力包过渡带，加之其断面由大到小渐变，产生应力集中，是导致此次岩爆发生的内因。（2）虽然在初期采取了喷钢纤维混凝土制止岩爆的措施，但由于工期原因，只进行了系统锚杆的施工，预应力锚杆未全部完工，即进一步支护的力度不够，是导致此次岩爆发生的另一个原因。（3）开挖爆破也是诱发岩爆塌方的原因之一。当时6#尾水管正在进行厂下0+26厂下0+17m段的中下层开挖，

14、爆破振动产生冲击波，导致本段应力重新调整分布，进一步加大了发生岩爆的可能性。岩爆塌方发生后采取的措施如下：（1）首先在确保安全的前提下及时对岩爆塌方部位喷5cm厚的CF30钢纤维混凝土进行封闭，以尽可能减少围岩暴露时间；（2）增加6.5，2020cm钢筋网，并用25的钢筋与原有系统锚杆焊接进行加固，复喷10cm厚CF30钢纤维混凝土；（3）及时完成预应力锚杆施工；（4）岩爆部位增加28，L6m的砂浆锚杆，间排距为1m1m。7 预防岩爆的施工技术措施拉西瓦水电站地下厂房系统进厂交通洞工程以及引水系统尾水部分土建及金属结构安装工程均属于在高地应力条件下施工的工程，通过该工程的施工，总结出岩爆地段施

15、工中的一些施工经验，供同行借鉴。了解其地质特征，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，确保岩爆地段的施工安全；技术人员、安全人员等应充分理解岩爆的特点及其危害的严重性，全体施工人员思想上高度重视，将岩爆发生的可能性及危害程度降到最低。在高应力地段施工中可采用以下技术措施：（1）在施工前，及时和地质工程师联系，收集已有的勘测资料，建立数学模型，通过三维有限元数值分析、反演分析以及对隧道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哪些部位及里程容易发生岩爆现象，优化施工开挖和支护程序，为施工中岩爆的防治提供初步的理论依据。这一点由于我们对岩爆认识不足及

16、其他方面原因未曾开展。（2）在施工过程中，加强超前地质探测，预报岩爆发生的可能性及地应力的大小。采用上述超前钻探方法，同时利用隧道内地质编录观察岩石特性，将几种方法综合运用判断可能发生岩爆的范围。在施工中，我们通过钻安28，L6m超前锚杆，以达到超前地质探测。同时加强与设代地质工程师联系，对收集的资料进行分析，及时对即将施工部位进行分析预测。（3）打设超前钻孔调整隧道掌子面的地应力分布，必要时也可以打设部分径向应力释放孔，钻孔方向垂直岩面。在尾水隧洞的施工过程中我们通过在掌子面钻安28，L6m超前锚杆、及时进行一期支护和钻安随机锚杆来调整隧洞的高地应力，从而避免了应力集中现象的出现。 （4）在

17、施工中加强监测工作，通过对围岩和支护结构的现场观察、通过对圆形观测、两维收敛以及锚杆测力计、多点位移计读数的变化，可以定量地分析预测滞后发生的深部冲击型岩爆，用于指导开挖和支护的施工，以确保安全。 （5）在开挖过程中采用“短进尺、多循环”，同时利用光面爆破技术，严格控制用药量，以尽可能减少爆破对围岩的影响并使开挖断面尽可能规则，减小局部应力集中的可能性。在岩爆地段的开挖进尺严格控制在2.5m以内。（6）完善施工支护工作支护的方法是在爆破后立即向拱部及侧壁喷射钢纤维或微纤维混凝土进行封闭以减少围岩暴露时间，及时进行系统锚杆的施工。新奥法早就提出了围岩支护的原则：适时地对围岩进行必要的支护，其时效性是非常关键的。必要时还要架设钢拱架和打设超前锚杆进行支护。如果有条件的话，衬砌工作要紧跟开挖工序