長河壩水電站工程地質缺陷段的洞室開挖

楊 多

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 610072)

1 前 言

長河壩水電站工程洞室開挖爆破作業是一項技術含量很高的工作。水電站壩區兩岸自然邊坡陡峭，臨江坡高700.00m左右，岸坡中沖溝較發育。

壩址區域小斷層及層間擠壓帶較發育，其中規模較大的斷層主要分布于壩址右岸壩頂、溢洪道和尾水洞出口部位，共有9條，為Ⅲ級結構面。

壩址區出露巖體為晉寧—澄江期的侵入巖，巖性以花崗石、閃長巖為主。壩址區域右岸大致以高程1 680.00m為界，以下為淺灰色、灰白色塊狀中粒黑云母花崗巖，以上為灰色石英閃長巖;左岸以淺灰色、灰白色花崗巖為主，夾少量灰色石英閃長巖和深灰色輝長巖團塊。

長河壩水電站工程目前已經開工的地下洞室工程主要有:右岸1號、2號初期導流洞工程，左岸場內1號、5號公路，3號、4號上壩公路隧道以及場外省道S211公路復建工程，總長度約為12.3km。

隨著工程建設的進展，后續工程將有中期導流洞、泄洪洞、廠房洞室群等洞室開挖工程。

在長河壩工程特殊的地理環境條件和復雜的地質條件下，找尋洞室開挖中存在的難點和共性問題，研究與實際相符的科學的施工方法和先進的施工工藝，確保洞室開挖爆破作業安全和工程質量以及工程施工進度，是目前工作的重點。

2 隧道進、出口開挖爆破作業

隧道進、出口部位大部分處于淺埋區域，表面風化嚴重，節理裂隙發育，層間受水蝕影響，無膠接;部分洞口為崩塌殘積體，結構松散，有的洞口外薄內厚，形成不均勻的側壓力，開挖后容易失穩。

隧道進、出口洞臉的支護是安全進洞的必要條件，洞門鎖口錨桿造孔后，使開挖體與原狀巖體之間形成斷鏈層帶，使爆破能量不能直接傳遞，集中于爆破體內作用，減少了對開挖界體以外母體巖的損害。

由于洞口部位的特殊地質條件，要求在作爆破設計時留意爆破參數的選擇，采取用短進尺、弱爆破、強支護的新奧法施工，針對不同類別巖體的軟、硬程度以及地質結構面擇定不同造孔參數和裝藥參數，以保證開挖質量和洞室的安全穩定性。

水電站工程施工的洞口受不良地質的影響段一般在直線距離30.00m左右，因此對洞口段的開挖要求制定專門的施工方案，根據不同圍巖類別采用不同的支護參數，提前預制必要的工字鋼支撐或剛格柵支撐，以保證安全處理和施工進度的要求。

洞口地質條件也有特殊的部位，如金康隧道出口，進尺已逾250.00m，圍巖多呈鑲嵌狀結構，局部是碎裂結構，并且節理裂隙較發育。

3 受斷層、破碎帶影響的洞身開挖

長河壩水電站工程已經開挖和正在開挖的隧道洞身均不同程度地存在地質缺陷，如1號、2號導流洞受 F0和 F9斷層的影響。金康隧道進口0+858.00～1+602.00m圍巖屬于鑲嵌結構，局部巖體已經泥化;金康隧道出口在 K5+100.00～K5+200.00m圍巖破碎;5號公路隧道裂隙水發育，最大流量14 000m3/d;其他隧道洞身也不同程度地存在地質缺陷。

因此，爆破開挖作業的技術難度更大，要求在爆破作業時，首先對特殊地質缺陷段制定對應的爆破設計，調整爆破參數，加密周邊孔的數量，減小線裝藥密度，使周邊孔的裝藥結構更趨于均勻。由于不良地質段屬軟巖或破碎斷帶，巖體致密性較差，在爆破網絡聯接時縮小段差，將段間微差控制在50ms至100ms范圍，目的是使爆破能量盡快在軟弱爆體或松散爆體內作用，減少能量外泄的時間及數量，達到“充分”爆破的效果。

4 沖溝對隧道洞室開挖的影響

沖溝的影響與隧道埋深成反比的關系，埋深越深，地表沖溝的影響越小;反之，埋深越淺，地表沖溝的影響越大。

自然沖溝的形成，除了特殊的地理原因而外，多數產生在匯水面積廣大、地形低洼、巖體軟弱的部位。由于溝底巖石軟弱，加上水力沖刷、長期水蝕、沉淀淤積等因素，使溝體對周邊巖體產生不利影響，尤其是溝底部位對下層隧道洞室開挖影響很大。近沖溝底面的爆破開挖，安全技術難度很高，極易造成隧道拱頂部垮塌，甚至發生冒頂，引發重大安全事故。特別是大洞徑的洞室體，跨度大，自穩能力差，在這種條件下的洞室開挖，切忌求快冒進。該段落的洞體危險主要來自于拱頂部，因此，要求有針對性地采用臺階式開挖法。先作上半洞的開挖支護，使用鋼支撐對洞頂進行加強保護，并且必須將剛支撐連為整體、完成噴射混凝土保護層，增加拱頂部的抗壓、抗沖擊能力。穿越沖溝影響段后，再作下層開挖，及時將鋼支撐延伸至洞底部，完成連接噴護工作。

爆破作業仍然遵循“短進尺，弱爆破”的原則。但是，也要結合埋深厚度、影響面大小、圍巖變化程度等，作出合理的爆破參數選擇和完善的爆破設計。

5 巖爆的影響

長河壩水電站工程前期施工的臨時導流洞(右岸1號、2號)和左岸1號底線公路隧道在開挖過程中發生巖爆的頻率是比較高的，但是均屬于小規模和小范圍的巖爆，巖爆多發生于爆破作業后2～48h的時間段，發生巖爆的范圍一般距掌子面5.00m以內。在場內1號公路金湯隧道左洞出口和2號導流洞中部所發生的爆破是在作業十多天后并且是在經過錨噴支護的部位再次巖爆。根據統計:場內1號公路金湯隧道出口發生巖爆8次，1號導流洞發生巖爆4次，2號導流洞發生巖爆12次，巖爆產生的塊石最大粒徑為1.00m×0.70m×0.20m。

巖爆發生的內在因素主要有:

(1)開挖隧洞的埋深厚度大于200.00m，場內1號公路隧道和導流洞的實際埋深已經大于或等于700.00m。

(2)無節理裂隙、不滲水、致密性高的巨厚巖體并且非常硬，巖石單軸抗壓強度大于150MPa。由于圍巖致密性高、無節理裂隙，使巖體內應力不易外泄，巨厚層巖體又提供了儲存內應力的條件。巖體內存應力主要來源于巖漿殘余應力、構造應力和自重應力，同時也存在著較多的彈性應變能。發生巖爆的區域，在外觀上可見在花崗巖體中有少量的石英巖脈或輝長巖脈。

由此可見，巖爆不可能在全洞段發生，只在局部區域存在巖爆的可能。

巖爆發生的外在因素主要有:洞室開挖爆破作業的影響。爆破擾動使巖體內應力重新分布，有的部位經過調整后，趨于穩定或者臨界穩定，有的部分應力經再分配后更加集中，形成突發巖爆的因素。爆破開挖后，形成洞室空腔，為潛在的巨大能量集中外泄提供了條件，相當于爆破作業新增添了臨空面，內應力集中外泄更加充分。巖體內應力的能量通過巖爆的形式宣泄后，內應力在巖爆的擾動下再次分配、再次調整。這就是在同一個巖爆區域、在不同時段發生多次巖爆的原因所在。

巖爆發生也有強有弱。在巖爆發生時伴有清脆的“啪、啪”聲響，為弱巖爆，是圍巖內彈性應變能外泄引發的彈射巖塊發出的聲音，產生小塊狀爆體，具有一定的沖擊力;巖爆發生時，發出沉悶聲響的，為強巖爆，強巖爆的爆塊較大，外薄內厚。金湯隧道出口右洞產生于掌子面的巖爆最大塊體為1.00m×0.70m ×0.20m。

發生巖爆的三大因素:(1)埋深厚度;(2)致密性高的堅硬巨厚巖體;(3)爆破開挖作業。第一種和第二種因素是不可改變的，唯有第三種因素可以人為改變。

要改變第三種因素，需要根據現場實際情況，改變原有的開挖施工工序和施工工藝，人為地在掌子面造成相當深度的破碎帶，并且在開挖洞室周邊打一定數量和合適深度的錨桿空孔，破壞圍巖的整體性，使深層應力盡可能外泄，區域集中的能量盡快分散，達到控制巖爆的目的。

可能發生巖爆區域的施工工序和施工工藝:

(1)造孔參數。周邊孔L=4.5m，塌落孔L=2.5～3.0m，掏槽孔個別孔L=3.5m，其余孔為正常施工孔，分別布置成為深淺不一的造孔深度。

(2)孔裝藥參數。采用參差不齊的孔裝藥深度，增加掌子面爆破后的不平整度，形成圍巖內部微裂隙的擴展效應。爆破進尺控制在2.5m左右。

(3)孔裝藥結構。施爆藥卷不能達到底部，采用水濕后的箱紙作30cm的底部堵塞層，周邊孔作線裝藥控制，其余孔位滿孔填裝，孔口堵塞長度不少于40～50cm，并且要求嚴格孔口堵塞密實度，否則將會影響爆破效果。爆后在距離掌子面5m以外，用高壓水槍對周圍及掌子面灑水，以增加表面應力釋放速度，2h后開始出渣。

完成以上工序后，立即按設計要求打系統錨桿孔，形成空孔后，等待3～5天再進行錨桿安裝及噴護工作，目的是使空孔在此期間起到應力釋放孔的作用，將深層應力盡量往外釋放。這樣形成了周邊孔與掌子面人為的破碎體，破壞了三個條件中的主要條件，避免巖爆的發生。

總之，洞身除不良地質段外的其他洞段開挖爆破作業，要合理選擇爆破參數，優化爆破設計，關鍵是作好爆破試驗的比對工作，并且要求周邊孔作光面爆破施工。