錦屏二級水電站引水隧洞巖爆洞段開挖技術(shù)措施

李金輝，徐茂華

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 611130)

1 工程概述

錦屏二級水電站引水系統(tǒng)采用4洞8機布置形式，四條平行布置的引水隧洞平均洞線長度約為16．7km，隧洞中心距60m。引水隧洞開挖直徑為12．4 ～14．4m。

2 巖爆發(fā)生的特點

錦屏二級水電站引水隧洞沿線地層巖性主要為三迭系(T)中、上統(tǒng)的大理巖、灰?guī)r及砂巖、板巖。引水隧洞線路區(qū)地處西南高地應(yīng)力區(qū)，洞群沿線上覆巖體一般埋深為1500～2000m，最大埋深約為2525m，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點。隧洞線高程的最大和最小主應(yīng)力值分別為70．1MPa 和30．1MPa。

巖爆發(fā)生具有以下規(guī)律和特點:

(1)巖爆以輕微巖爆、中等巖爆為主，次為強烈?guī)r爆和少量極強巖爆。受其影響圍巖破壞較嚴重，洞室坍塌普遍。在高地應(yīng)力作用下的巖體多呈層狀劈裂破壞，破壞方式有片/層狀剝落、彎曲鼓折破裂、穹狀/楔狀爆裂三種，破壞深度以15～40cm居多，最深達2～2．5m，個別大于2．5m以上。

(2)引水隧洞洞室開挖采用TBM與鉆爆開挖相結(jié)合的方式，在洞室開挖掘進至約10km時進入潛在強巖爆洞段，隨著掘進埋深的增加，巖爆頻發(fā)、等級越來越高。

(3)白山組大理巖地層是錦屏二級水電站引水隧洞巖爆強度最大、巖爆洞段最長的巖層。巖爆發(fā)生部位主要包括:埋深大、應(yīng)力集中洞段;巖體完整干燥、致密細粒結(jié)構(gòu)巖石部位;軟弱圍巖及裂隙密集帶與完整圍巖過渡帶附近，洞室交岔部位附近和長大貫通性剛性結(jié)構(gòu)面附近;洞室的北側(cè)起拱線附近，局部拱頂以及底板、掌子面也常發(fā)生強烈?guī)r爆。

(4)巖爆一般在爆破后2～5h發(fā)生(約占70%)，多發(fā)生在距掌子面2倍洞徑范圍內(nèi)。極強巖爆滯后爆破可達5～20h，有時間歇10d至數(shù)天不等，甚至幾個月，距離掌子面達20～30m。

(5)巖爆具有突發(fā)性，巖爆前一般無明顯的征兆，巖爆經(jīng)常引發(fā)應(yīng)力型的坍塌，致使其破壞性也增大。

3 開挖采用的施工技術(shù)措施

針對錦屏二級水電站引水隧洞開挖巖爆具有的特點和施工環(huán)境，現(xiàn)場組織相關(guān)人員收集、整理、分析、比較了國內(nèi)外有關(guān)巖爆治理的相關(guān)文獻資料，對各種技術(shù)方案進行了分析、比較、論證，通過專家咨詢、參建各方充分討論研究，確定了隧洞巖爆段施工專項方案。

錦屏二級水電站引水隧洞在巖爆洞段開挖施工采取了主動預(yù)防、被動治理相結(jié)合的方式，遵照“預(yù)防為主、防治結(jié)合”原則，采取了有針對性的施工方法與處理措施，以解決和保證施工安全、工程安全并在實施中不斷地改進和完善。

3．1 主動預(yù)防技術(shù)措施

(1)地質(zhì)預(yù)報技術(shù)。

在引水隧洞施工過程中，堅持預(yù)報在前，先探后掘，最大限度地查明前方地質(zhì)狀況，以指導(dǎo)施工，規(guī)避安全風險。巖爆預(yù)報采用宏觀地質(zhì)預(yù)測、TSP中長距離預(yù)報、短距離表面雷達等方法進行綜合地質(zhì)預(yù)報。

采用工程地質(zhì)法對地面不良地質(zhì)體進行預(yù)報，TSP技術(shù)進行隧洞內(nèi)150m的長距離探測，每100m預(yù)報一次，重復(fù)段為50m，必要時采用超前鉆探方法，同時輔助采用HSP技術(shù)作為TSP預(yù)報成果的對比驗證手段。短距離超前地質(zhì)預(yù)報是在長期超前地質(zhì)預(yù)報的基礎(chǔ)上進行的，預(yù)報距掌子面前方50m范圍內(nèi)的工程地質(zhì)條件，判斷圍巖類別等。

(2)微震監(jiān)測技術(shù)。

在大的應(yīng)力和巖爆地帶，應(yīng)力集中范圍始終難以確定，更無法確定在何部位會出現(xiàn)巖爆。錦屏工程在多次研究高地應(yīng)力下的圍巖狀態(tài)后，引進了微震監(jiān)測技術(shù)，對有潛在巖爆的洞段進行監(jiān)測，對掌子面前方40m的應(yīng)力范圍及程度做出了描述。

2010年10月23日～2011年11月21日，共獲得現(xiàn)場巖爆信息237次。其中191次提前進行了比較準確的巖爆范圍和等級預(yù)測，占80．6%;22次預(yù)測等級偏低，占9．3%;10次預(yù)測范圍偏離，占4．2%;14次未能提前預(yù)測(其中有9次主要是由于設(shè)備被盜、線纜受損過多無法定位事件、設(shè)備故障等原因造成，5次由于巖爆沒有出現(xiàn)明顯的巖爆前兆或監(jiān)測設(shè)備沒有采集到巖爆前兆信息)。

根據(jù)巖爆預(yù)測和發(fā)生情況，大多數(shù)巖爆具有前兆信息，通過微震監(jiān)測系統(tǒng)拾取并經(jīng)技術(shù)人員及時合理分析處理后大部分可提前預(yù)測。不少預(yù)測有巖爆風險的區(qū)域，在監(jiān)理工程師督促承包人采取及時有效的支護措施后，避免了巖爆發(fā)生或降低了巖爆造成的破壞程度。只有少數(shù)巖爆前兆信息不明顯，加之設(shè)備線纜等出現(xiàn)意外原因，造成少數(shù)實際發(fā)生的巖爆未能被提前預(yù)測或預(yù)測的等級或范圍不準確。

(3)爆破控制技術(shù)。

引水隧洞開挖斷面較大，采用上下臺階法開挖，先進行上半斷面開挖，然后再進行下半斷面開挖。

引水隧洞開挖施工采用光面爆破控制，盡可能使開挖面平順，可以避免因開挖面不平順引起圍巖局部應(yīng)力高度集中而導(dǎo)致的巖爆發(fā)生。

強～極強巖爆洞段采用短進尺、弱爆破，減少每個開挖循環(huán)的進尺，盡量減小發(fā)生巖爆的尺寸效應(yīng)，具體爆破參數(shù)見表1。

(4)應(yīng)力解除爆破技術(shù)。

表1 上斷面爆破參數(shù)對比表

應(yīng)力解除爆破的目的是解除或降低應(yīng)力集中區(qū)部位的高應(yīng)力。通過微震監(jiān)測判斷前方有應(yīng)力集中時，應(yīng)力解除爆破是最為有效的減輕或解除巖爆的手段。由于應(yīng)力解除爆破技術(shù)在錦屏二級水電站引水隧洞巖爆及潛在強巖爆洞段開挖施工中防巖爆效果較好，因此是被較普遍采用的技術(shù)。應(yīng)力解除爆破技術(shù)即在掌子面開挖鉆孔的同時，施打應(yīng)力解除爆破孔，孔深至少保證在2倍循環(huán)進尺以上，根據(jù)實際使用效果，孔深在2．5倍循環(huán)進尺以上應(yīng)力解除效果更好。鉆孔以10°～15°角向外成扇形分布，孔底接近但不超過開挖邊界，以爆破后不對開挖邊界造成破壞為宜。裝藥位置在2．5～3．5m位置，封堵50cm左右。

強～極強巖爆洞段開挖后根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用多臂鉆在巖爆部位施工徑向應(yīng)力釋放孔，用以釋放較高的地應(yīng)力，減輕巖爆強度。

(5)開挖后掌子面形態(tài)修正技術(shù)。

隧洞開挖后掌子面一帶的應(yīng)力集中區(qū)空間形態(tài)為“渦殼狀”區(qū)域，當開挖面形態(tài)適應(yīng)這種應(yīng)力分布形態(tài)時，有利于維持圍巖的圍巖水平和圍巖強度，達到利用圍巖強度控制巖爆的目的。為此，監(jiān)理工程師建議承包人在巖爆多發(fā)地段將掌子面形態(tài)也修正為“渦殼狀”，中心部位凹進，從中央到周邊平順過渡，形成總體上的弧形形態(tài)。但該開挖技術(shù)對測量、現(xiàn)場施工人員操作技術(shù)、鉆孔質(zhì)量要求較高、精細化管理程度要求較高且需施工人員在掌子面內(nèi)凹部位作業(yè)，危險系數(shù)較大，故不宜大規(guī)模普及應(yīng)用。

3．2 支護防護技術(shù)措施

(1)錨桿支護。

水脹式錨桿具備快速發(fā)揮作用的優(yōu)點，但其缺點是抗拉力、抗剪力較弱。因此，本工程在輕微、中等巖爆開挖洞段開挖完成后及時采用水脹式錨桿臨時支護，能快速發(fā)揮穩(wěn)定圍巖的作用。

漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿在施加應(yīng)力后即能發(fā)揮作用，同時比水脹式錨桿具有更好的抗拉和抗剪能力。中等及以上強巖爆洞段開挖施工，采用同系統(tǒng)普通砂漿錨桿等長度、等直徑、等間距漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿進行巖爆治理，并將預(yù)應(yīng)力錨桿布置在掌子面后方15m范圍內(nèi)。

錨桿均配套安裝錨墊板，錨墊板的大小根據(jù)微震監(jiān)測所測到的應(yīng)力大小進行調(diào)整，墊板尺寸一般采用20cm×20cm，最大達到30cm×30 cm。墊板與鋼筋網(wǎng)或柔性網(wǎng)連為一體，在巖爆或應(yīng)力釋放時，墊板起到保護效果，網(wǎng)片兜住塌落的巖石，以緩解應(yīng)力釋放的沖擊力度，可以有效地增加抗巖爆的能力。

(2)噴混凝土。

納米鋼纖維混凝土的應(yīng)用。在高地應(yīng)力巖爆坍塌洞段，對出露的圍巖需及時進行封閉，以盡快起到支護效果。初噴混凝土強度需要盡快達到支護強度，納米混凝土在30min內(nèi)強度可達到至少15MPa以上。鋼纖維具有增加噴混凝土的抗剪和抗折能力的作用，納米鋼纖維噴混凝土能夠承受圍巖較大的變形而不致破壞。在巖爆強烈部位采用納米鋼纖維混凝土進一步加強支護，以起到保證現(xiàn)場安全、快速開挖的作用。

仿鋼纖維混凝土的應(yīng)用。鋼纖維的剛性大于仿鋼纖維，其拌制和長距離運輸后輸送泵泵送困難，極易堵管，并且優(yōu)質(zhì)的仿鋼纖維性能不低于鋼纖維，為減少對現(xiàn)場施工造成不必要的影響，在巖爆等級不高且引水隧洞內(nèi)長距離的部位，采用噴仿鋼纖維混凝土取代鋼纖維混凝土進行支護。

現(xiàn)場噴射混凝土性能檢測結(jié)果見表2。

表2 現(xiàn)場噴射混凝土性能試驗成果統(tǒng)計表(大板試驗)

(3)施工作業(yè)安全防護。

引水隧洞巖爆洞段的開挖爆破、支護鉆孔設(shè)備采用機械造孔，如三臂鉆，并對三臂臺車采用鋼板進行加固防護并嚴禁采用人工手風鉆造孔。所有裝藥人員均佩戴鋼盔、身穿防彈背心等措施以盡量減小巖爆發(fā)生時帶來的危害。

(4)嚴格落實施工程序。

在輕微～極強等級巖爆段，其中強巖爆、極強巖爆一旦發(fā)生，破壞性較大，對工程影響較大，是巖爆段掘進施工防治的重要監(jiān)控點。為保證強巖爆、極強巖爆段安全掘進，研究制定了強巖爆、極強巖爆段安全施工流程，即巖爆預(yù)測預(yù)報、超前錨桿支護、應(yīng)力解除爆破、危石清理及其它、初噴納米鋼纖維混凝土、防巖爆臨時錨固支護、系統(tǒng)支護。在開挖施工過程中，監(jiān)理工程師要求承包商現(xiàn)場施工必須按照工序流程開展，上道工序未經(jīng)驗收簽字確認，不得進入下道工序施工，以保證工序環(huán)環(huán)緊扣及支護的及時性、完整性，最大程度降低了巖爆危害。

4 結(jié)語

在錦屏二級水電站引水隧洞開挖過程中，通過采取上述技術(shù)措施，在參建各方的共同努力下，四條引水隧洞均較合同工期提前實現(xiàn)了貫通，施工過程中未發(fā)生安全責任事故，開挖質(zhì)量滿足設(shè)計規(guī)范要求。

錦屏二級水電站引水隧洞開挖過程表明，在強巖爆洞段開挖過程中采用“事前預(yù)控、事中過程控制、事后糾偏控制”的科學(xué)控制手段，主動預(yù)防與被動防護相結(jié)合，有效降低了巖爆造成的危害，最大程度地減少了巖爆對現(xiàn)場施工的影響。