小孤山水电站引水隧洞及高压流道岩爆综述(林立).doc

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・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. 0 - 254. OMpa,变形模量8. 8 ~ 22. 6 Mpa,弹性模量11. 3-25.4 Mpao下段为石英二长岩，最大埋深1 050m,岩体呈 微风化-新鲜状态，块状结构；岩石单轴饱和抗压强度85.7 - 200. 3Mpa,变形模量 4.8-17.3 Mpa,弹性模量13.7-30. 5Mpao高压流道段岩性为石英二长岩，埋深约 300m。

经开挖后判定，II类围岩7157.8m,占79.3%; III类围岩1716.5m,占19. 02%; IV类围岩97.5m,占1.08%; V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6达到或接近围岩的单轴饱和抗压强度 （RJ,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--升/人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0.3-0. 5m,厚度0. 1 ~ 0. 3m,岩片弹射速度一般均为2. 0~5. Om/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+100 〜K3+140. 7、K7+464 ~ K7+500 )松动脱落围岩呈块状、片状爆裂，声音细微清脆，偶尔可以听见孵辞啪啪响声薄片 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5〜15cm,属 于轻微岩爆。

2) 爆裂弹射型[桩号 K2+255 ~K2+300、K3+820 ~ K3+870、K9+114 ~ K9+144 (高 压流道段)]岩爆岩块一般在30cm x 50cm x (5〜20) 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，即使在施工干扰下，也能听到 围岩内部的爆裂声其弹射距离小于2.0m,为0. 8 - 2. 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10 ~ 30cm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，储存了丸量的构造应 力，如桩号K3+100~K3+140段，埋深不大，为350m左右，但该处为背斜的核部，发 生了轻微的岩爆。

3) 岩爆区段的洞室埋深在300 - 720之间，但岸坡均为陡哨地形，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2~50m,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110m6) 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”字形或“锅底”形的 岩爆坑在桩号K9+114〜K9+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2〜3h, 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+100~K3+140、K7+464 ~K7+500段岩爆处理中起到了良 好的效果5. 2应力解除通过扌丁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5〜6根超前钻孔，深3-5m,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，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T辅助眼T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+255 ~ K2+300、K3+820〜K3+870段开挖时, 采用上述布孔原则，效果明显■直胸•周过眼籀助眼(1) (2)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. Om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+100〜K3+140、K7+464〜K7+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①25,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K2+255 ~K2+300、K3+820 ~ K3+870段，属中等岩爆，局部岩体与母岩脱 离，最大块体达3n?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①25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。