某電站樞紐區地下洞室巖爆的特征與預防措施

馬行東

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 前 言

巖爆是由應變能釋放而引發巖體發生破壞的一種地質災害。巖爆多發生在埋藏深、整體、干燥和地質堅硬的巖層中。在地下洞室開挖時圍巖形成新的臨空面，初始應力由原來的三向應力狀態變為兩向應力狀態，并在開挖壁面上產生局部應力集中，若局部應力達到某一臨界應力時，巖爆就發生了，隨之產生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現象。Ⅰ級巖爆表現為爆裂脫落型，破壞形式為劈裂破壞與剪切破壞兩種;Ⅱ級巖爆表現為彈射現象。巖爆爆坑大多數呈“鍋底”形，坑邊沿多為階梯形。強烈巖爆段爆坑多為“V”形。巖爆以新鮮破裂為主，少數沿原有裂隙面。爆落巖塊多呈不規則的棱塊狀，也有呈中間厚邊緣薄的橢圓狀。斷裂帶兩側或軟弱結構面附近往往形成局部應力集中區，故巖爆現象發生在兩側硬巖中，而在斷層帶部位一般不發生巖爆。巖爆區段一般較為干燥，有地下水出露的地方無巖爆產生。從二灘水電站洞室開挖中發生的巖爆可以認為，巖爆的潛能是開挖時由應力重分布所產生，而被大臺階爆破和地震所觸發。

2 影響巖爆的因素

巖爆產生的條件:

(1)近代構造活動山體內地應力較高，巖體內儲存著很大的應變能，當該部分能量超過了硬巖石自身的強度時。

(2)圍巖堅硬新鮮完整，裂隙極少或僅有隱裂隙，且具有較高的脆性和彈性，能夠儲存能量，而其變形特性屬于脆性破壞類型，當應力解除后，回彈變形很小。

(3)隧洞埋深較大(一般埋藏深度多大于200m)且遠離溝谷切割的卸荷裂隙帶。

(4)巖體干燥。

(5)開挖斷面形狀不規則，大型洞室群岔洞較多的地下工程，或斷面變化造成局部應力集中的地帶。

3 巖爆的判別方式

國內外在巖爆預測預報方面做了大量的研究工作，目前用來預測巖爆的方法包括強度理論、能量理論、剛度理論、沖擊能理論、失穩理論，以及斷裂、損傷、分形理論等眾多理論。

(1)強度理論的應力條件法。一是用洞壁的最大環向應力σ0與圍巖單軸抗壓強度σc之比值進行分析;二是用天然應力中的最大主應力σ1與圍巖單軸抗壓強度σc之比值進行判斷。經驗公式:σc/σ1＞2.86～6.06的脆性巖體最易發生巖爆。

(2)能量理論的最大剪應力判據。當破壞一旦發生，滑動面上固有的剪切強度降為0，摩擦阻力也由靜摩擦阻力降為動摩擦阻力，剪切或滑動破壞前后發生前后滑移面上的剪切應力差 ess=|τ|－σntanφ(φ為動摩擦角)稱為超量剪應力。判別如下:ess≥20MPa(完整巖石)，極可能發生破壞性巖爆;ess≥15MPa(斷層或節理)，極可能發生破壞性巖爆;5≤ess≤15MPa(20MPa)可能發生破壞性較小巖爆;ess＜5MPa，一般不發生巖爆;ess＜0MPa結構面穩定。

(3)脆性系數法。巖石的脆性破壞是巖爆發生的必不可少條件之一，因此巖爆傾向指數在很大程度上取決于巖石的脆性。巖石的脆性系數B(B=(σc－σt)/(σc+σt)，當 B≤3時無巖爆發生;3＜B＜5時發生輕微巖爆;B≥5時發生嚴重巖爆。

(4)彈性變形能系數法。彈性變形能系數是通過巖石單軸壓縮試驗得到的。當軸向荷載σ=(0.7～0.8)σc時，開始卸載，求出卸載過程中試樣所釋放的彈性變形能φsp及巖石發生塑性變形和微破壞所消耗的能量φst(見圖1)。兩者的比值F=φsp/φst稱為彈性變形能指數。F越大，發生巖爆的強度越高。以下是根據煤巖試驗得出的指標:當F≤2.0時，無巖爆;當2.0≤F＜5.0時，發生由弱至中等程度巖爆;當F≥5.0時，發生強巖爆。

圖1 巖石的加、卸荷曲線

(5)沖擊能指標法。巖石的沖擊能指標WCF是指巖石在單軸壓縮的應力—應變全過程曲線中，以應力峰值為界的左右部分曲線與應變坐標所圍成的面積，亦即巖石加載過程中所吸收的能量F1與破壞過程中所消耗的能量F2之比，即WCF=F1/F2(見圖2)。沖擊能指標WCF旨在建立巖石在破裂過程中釋放的能量與消耗能量的關系。當WCF＞1時，巖石有發生巖爆的傾向。

(6)Russense法。Russense巖爆分級標準(見表1)。

圖2 應力—應變全過程曲線

表1 Russense巖爆分級標準

(7)剛度理論。剛度理論源于剛性壓力試驗儀器的產生。根據剛性試驗機原理，即對于用普通壓力機進行壓縮試驗時發生猛烈破壞的巖石試件，若改用剛性壓力機試驗，則破壞并不猛烈，而且可以得到應力—應變全過程曲線。試件產生猛烈破壞的原因是試件剛度大于試驗機剛度。剛度理論將這一結果用于探討巖爆的發生機制中。

(8)失穩理論。失穩理論是將圍巖當作一個力學系統，將巖爆看成是整個力學系統的動力失穩過程，即巖爆的發生是圍巖組成的變形系統由不穩定平衡狀態變成新的穩定狀態的過程。按Dirichlet準則，結構變形系統的穩定性取決于變形系統勢能即自由能極值的性質，假定系統勢能為F，F的一次變分為δF，二次變分為δ2F，則當δF=0時，系統勢能有極值。當δ2F＞0系統勢能最小，穩定;δ2F=0系統平衡;δ2F＜0系統勢能極大值，不穩定。

(9)斷裂、損傷、分形理論。近年來，斷裂力學和損傷力學的發展，對經典連續介質力學產生了巨大影響，運用斷裂力學和損傷力學分析巖石的強度可以比較實際地評價巖體的開裂和失穩。分形理論與損傷理論的觀點一致，它們都將巖石的破裂過程視為裂縫尖端微裂紋損傷發展的過程。由于微裂紋的分布特征是分形維，故可將微裂紋損傷演化過程理解成分形維的變化過程，通過裂紋分形維數值變化和巖爆現象的內在聯系來預測巖爆的發生。

4 樞紐區地應力分析

某電站樞紐區地應力場以水平應力為主，實測最大水平主應力方向在N17°～48°W 之間，該方向與地質構造及局部地形地貌吻合。水電站地下廠房軸線方向的實測和回歸地應力結果顯示，水平構造應力控制著廠房工程區域應力場的分布規律。根據孔徑法測試以及孔壁法測試揭露的廠房區最大主應力方向為 NNW ～NW 向，最大主應力量級25～35MPa。應力集中系數按3考慮時，二次應力 σtan將達到75～105MPa，與圍巖單軸濕抗壓強度Rc=115～250MPa，σtan/Rc=0.42～0.65，按 Russense巖爆分級標準(見表1)，廠房區地應力大多為低～中等巖爆區，局部為高地應力區。

5 巖爆部位實例分析

5.1 尾調室

由計算以及實際開挖可以看出，尾調室開挖中地應力所造成的影響應屬于無巖爆～弱巖爆。尾調室節理、錯動帶發育，巖體較完整～較破碎，以塊、次塊狀～塊裂狀結構為主，局部裂隙密集帶為鑲嵌～碎裂結構。地下水較豐富，廠橫0+125～0+165m全洞濕潤頂拱多處滴水，其余洞室濕潤，局部浸水、滴水。上述不良地質現象有利于釋放地應力。在開挖過程中、開挖后及支護后也很少發生因地應力大而產生的不良現象。再根據巖爆分級局部可能發生低～中等巖爆以及裂縫的類型來看，也不是巖爆現象。但顯而易見，地應力對裂縫肯定存在一定的影響。由于三維狀況下的地下巖體，開挖破壞后至平衡的過程中，肯定會發生應力釋放及松弛的現象，在這一初始地應力條件上的開挖引起圍巖應力調整為頂拱噴層開裂提供了較強的應力基礎。另外地應力荷載水平方向較大，且最大荷載方向與洞室軸線斜角約40°，洞室圍巖就有可能產生環帶狀分層變形現象，造成開裂縫的發生。由此可見，地應力雖然沒發生巖爆等破壞現象，但對裂縫的產生仍然起到很重要的原因。

5.2 過壩交通洞

5.3 進場交通洞

進場交通洞在樁號0+95～0+70m段發生開裂縫、錯位及混凝土掉塊。該段巖體為二疊系上統玄武巖組下段第五層第二小層(P2β5－21)，中～厚層狀角礫集塊熔巖，灰綠色，堅硬，角礫集塊結構，塊狀構造。該開挖段巖體新鮮～微風化，巖體完整，塊狀結構，總體圍巖類別為Ⅱ類。該段發育對頂拱不利的中傾結構面(產狀 N50°W/SW40°～45°)及局部發育緩傾錯動帶(產狀EW/S15°～20°);與洞軸線近平行的結構面(產狀 N80°～85°E/SE80°～85°)以及左邊墻發育傾向洞內的結構面(產狀N80°～90°W(EW)/NE(N)40°～45°)，對邊墻穩定不利。另外，該段洞室由于該段埋深較深，洞軸線與最大主應力夾角較大，在開挖中頂拱及拱肩局部有輕微巖爆發生。

5.4 小 結

根據樞紐區交通洞以及引水發電系統地下洞室開挖情況來看:位于樞紐區附近的地下洞室在開挖中出現較多的巖爆，過壩交通洞、進場交通洞、尾水洞、尾調室、主變室、廠房上一支洞、右岸導流洞都曾發生輕微巖爆問題。

由于引水發電系統各地下洞室圍巖為玄武巖，強度高、性脆、極易聚集能量，已相繼發生不同程度的巖爆，特別是未來隨著大埋深的地下洞室開挖、三大洞室的高邊墻、高壓洞下平端、尾水洞岔洞等部位的開挖，發生中等甚至高強度的巖爆可能性和概率增加，因此建議考慮處理巖爆的預防措施。

6 巖爆預防

對于上述不良地質現象，開挖前應高度重視并了解地質特征，針對可能出現巖爆的地段采取積極主動的預防措施和強有力的支護方案。在開挖過程中采用"短進尺、多循環"的掘進方法，并利用光面爆破技術，盡量降低應力集中的發生，改善圍巖應力狀態。開挖后對開挖面多進行噴水，降低圍巖應力;在已開挖的洞壁進行支護加固，其中包括隨機錨桿的支護以及系統錨桿掛網噴混凝土支護;對已形成的危巖體進行清除后再進行支護的措施，確保施工安全和洞壁的穩定;對于嚴重部位應采取超前打孔釋放應力。另外，應加強施工中的安全監測工作，通過圍巖收斂監測、錨桿應力計及多點變位計監測等原型觀測的手段，來預測巖爆發生的可能性，從而指導開挖和支護施工，確保安全。

［1］馮建軍.二郎山隧道巖爆特征與防治［J］.西部探礦工程，2005(7).

［2］徐林生.國內外巖爆研究現狀綜述［J］.長江科學院院報，1999，16(4).

［3］顧金才.深部開挖洞室圍巖分層斷裂破壞機制模型試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2008(3).

［4］楊天俊.拉西瓦水電站地下硐室巖爆現象典型實例分析［J］.西北水電，2008(3).

［5］萬姜林.太平驛水電站引水隧洞的巖爆及其防治［J］.西部探礦工程，1999，7(1).

［6］周青春，李海波，楊春和.地下工程巖爆及其風險評估綜述［J］. 巖土力學，2003，10(增刊):669－673.

［7］董志高，吳繼敏，劉成君.地下洞室巖爆預測計算方法綜述［J］.地質災害與環境保護，2006，13(2):6－9.

［8］康勇.深埋隧道圍巖破壞機理相關問題研究［D］.重慶:重慶大學，2006.

［9］郭立.深部硬巖巖爆傾向性動態預測模型及其應用［D］.長沙:中南大學，2004.

［10］朱江棚.長大引水隧洞巖爆機理分析及防治研究［D］.南京:河海大學，2007.