高埋深、高应力地下洞室群岩爆地段专项方案

高埋深、高应力地下洞室群岩爆地段专项方案

王敏

中国葛洲坝集团第一工程有限公司湖北宜昌443002

摘要：双江口水电站地下洞室具有埋深大、地应力高、岩爆问题突出的特点，特制定本专项方案，明确岩爆的具体处理措施，从而达到安全、高效的施工目的。关键词：高埋深高应力地下洞室群岩爆专项方案

Specialschemeforrockburstareaofundergroundcaverngroupwithhighburieddepthandhighcrustalstress

WANGMin

（ChinaGezhoubaGroupNo.1EngineeringCo.，Ltd.Hubei43002，China）

Abstract:WrittingthisspecialschemefortheundergroundcaverngroupofShuangJiangkouhydropowerstationhavethecharacteristicsofdeepburial，highcrustalstressandprominentrockburst.Specifictreatmentmeasuresforrockburstarecleared，Soastoachievesafeandefficientconstructionpurposes.

Keywords:deepburial;highcrustalstress;undergroundcaverngroup;rockburst;specialscheme

1工程概况

双江口水电站是大渡河流域水电梯级开发的上游控制性水库工程。引水发电系统布置于左岸，发电厂房采用地下式，厂内安装4台立轴混流式水轮发电机组，采用“单机单管供水”及“两机一室一洞”的布置格局，由进水口、压力管道、主厂房、副厂房、主变室、出线场、尾水调压室、尾水隧洞及尾水塔等组成。

本工程地下洞室群最大垂直埋深约640m，根据地质资料显示，引水发电建筑物区地表地形坡度40°～46°，局部达50°～61°，坡面基岩裸露，植被不发育。主厂房水平埋深约400m～640m，垂直埋深约320m～500m。针对地下厂房及其附属洞室埋深大、地应力高、岩爆问题突出的特点，特制定本专项方案，明确岩爆的具体处理措施，从而达到安全、高效的施工目的。

2岩爆

岩爆是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。岩爆可瞬间突然产生，也可持续几天至几个月。发生岩爆的条件是岩体中有较高的地应力，当地应力与围岩强度比值达到某一临界值时，便会产生岩爆；同时岩石具有较高的脆性度和弹性，在这种条件下，一旦由于地下工程活动破坏了岩体原有平衡状态，岩体中多余的能量导致岩石破坏，并将破碎岩石抛出。本工程地下洞室岩爆预防主要区域统计如下：

引水系统：压力管道渐变段、压坡段部分洞段可能出现片帮、岩爆现象；压力管道斜井段（含上、下弯段）埋深较大，地应力高，施工中可能出现片帮、岩爆；压力管道下平段、锥管段及进厂段地应力量级为高地应力区，且主地应力方向与管道轴线交角大，对洞壁围岩稳定不利，施工中可能出现片帮、岩爆，应加强预防岩爆处理措施。

地下厂房系统：地下厂房工程端墙部位、主变室洞室及尾水调压室，因跨度大、埋深大，地应力高，施工中可能出现片帮、岩爆。

尾水系统：1#尾水隧洞及2#尾水隧洞洞身段深埋洞段为高地应力区，局部接近40MPa，施工中应加强岩爆预测预报和防护等处理措施。

其它洞室：母线洞段及进厂交通洞深埋洞段处于高地应力区，且地应力方向与洞轴线大角度相交，对围岩稳定不利，可能出现片帮、岩爆现象，应注意岩爆对围岩稳定的不利影响。

3通用处理措施

目前国内外通过大量工程实践，已有许多治理岩爆的方法，具体措施有：（1）加强观察；（2）及时支护封闭岩面：具体包括锚杆加固围岩、锚喷支护及锚喷钢筋网联合支护三种形式；（3）待避及清除危石；（4）喷雾射水；（5）改善施工方法；（6）应力解除法；（7）注水法；（8）衬砌方面措施；（9）加强监测。

4总体施工方案

根据岩爆发生的特点和地下洞室地质情况，预防岩爆的最佳手段是进行超前地质预报，提前预知洞室岩石特性，提前做好岩爆地段施工准备，减小进尺深度，降低装药量，最大限度的保证施工作业面安全。在洞室岩爆地段施工时严格遵循以下方法：

开挖方法：施工坚持“光面爆破、适时锚喷、监控量测、及时反馈和修正”的原则，岩爆洞段坚持“短进尺、应力解除爆破、适时支护”的原则。

（2）支护方法：强岩爆洞段采用临时支护+系统支护结合的方式，强调系统支护的适时性、系统性和有效性。

5主要施工工艺及方法

5.1主要施工工艺

开挖准备→测量放线→钻孔→装药、爆破→通风排烟、洒水除尘→排险→出渣、清底→支护→转入下一循环。

5.2打设应力释放孔

钻爆开挖前从掌子面起，向前方打超前斜孔，作为应力释放孔离洞壁保持一定的安全距离，孔距采用1.5～1.8m，钻孔数量8～9孔，钻孔深度为4~6.5m孔向倾向300~450。

5.3钻爆开挖

小断面洞室采用手风钻钻孔，大断面洞室采用多臂钻配合手风钻进行钻爆。

钻孔前，采用全站仪对炮孔进行自动测设，掌子面上除标定开挖轮廓线外，还需划出中心线，以加强较核。

5.4出渣

爆破后立即向工作面及其一定范围内的隧洞周边进行喷雾和高压水冲洗，以适应改变岩石物理力学性质，降低岩石脆性。在岩爆比较猛烈的时候，严禁入洞，待应力释放完毕后，方可进洞施工。在出渣时，如发现有岩爆的迹象，作业人员要立即撤离至安全地带。

5.5排险及清底

在出渣作业即将结束时，进行排险及清底作业。由于岩爆导致岩体破坏，出现片邦、掉块、崩塌等现象，爆破后、出渣过程中、初喷前（岩爆减弱时）都需要进行排险。岩爆减弱后再次清理岩爆产生的片邦、掉块体及垮塌体。

5.6垮塌部位的回填施工

（1）先喷水改变围岩物理学性质，降低围岩脆性，防止在后续处理过程中再次发生岩爆；再喷3~5cmC25混凝土及时封闭岩面，减少围岩暴露时间，造成围岩性质发生变化，强度降低，减少岩爆连续发生的可能性。

（2）打设随机锚杆砂浆锚杆Φ22，L=3m，及时完成系统支护。

（3）对于局部塌腔较大的部位，采用系统锚杆结合Ⅰ20a型钢钢拱架，钢拱架间距为0.8～1.2m，然后对塌腔喷C25混凝土或浇筑混凝土进行回填。

5.7喷射混凝土

按照分段、分块，先墙后拱、自下而上的顺序进行，喷射时喷头距岩面距离以1.5～2.0m为宜，喷头垂直受喷面，作连续不断的圆周运动，以保证混凝土喷射密实。喷射混凝土终凝2h后，进行喷水养护，养护时间不少于7d；喷射混凝土开挖时，下次爆破距喷射混凝土完成时间的间隔，不得小于4h。

5.8监控量测

利用预埋锚杆配合收敛仪进行隧道围岩收敛观测，具有成本低廉、操作简便、数据处理简单等优点，并能提供直观详细的数据。若数据异常，应及时发出预报，采取补强措施或调整施工程序、支护参数。同时加密监测并及时提供观测成果。

5.9微震监测

为解决高埋深、高地应力在地下工程施工中导致的岩爆和岩体破坏问题，避免由于岩爆或岩体破坏而导致作业人员伤亡和设备损坏，在岩爆洞段还采用了微震监测技术。

该技术的原理是用传感器采集伴随开挖后岩体中应力重分布所导致岩石破裂时发生的地震波信息，通过对地震波信息进行分析处理，确定岩体破裂点的空间位置和震级，根据累计微震事件的数量和能量释放的关系，估计因微震活动引起的非线性应变区域的发展，判断岩体的稳定性。

本项目岩爆判定方法采用微震震源参数综合分析方法。利用震级，能量，频率，应力降，b值等参数综合评判岩爆风险性。当能量，频率，应力降，b值等参数发生异常变化，说明岩爆风险增大；当微震事件沿着某一软弱结构面或某一区域聚集时，说明该区域极有可能发生岩爆，应及时通知现场施工人员撤离，并以快报的形式报告物探中心与监理中心。

5.10超前地质预报

地质预报主要采用宏观地质预测、TSP中长距离预报、短距离表面雷达、超前探孔等多种方法进行综合预报，坚持预报在前，先探后掘，最大限度查明不良地质体及地下水状况，以指导施工，规避安全风险。

6岩爆影响分析及措施

（1）在强岩爆洞段，地应力非常高，掘进过程中钻孔易出现塌孔和卡钻现象，需要补孔；为了释放地应力，采取应力解除爆破技术，增加循环时间和开挖成本。

（2）岩爆导致岩体破坏，片邦、掉块、崩塌等存在安全隐患，需进行多次排险，增加多道工序和循环作业时间，影响进度。

（3）岩爆导致岩体破坏，影响开挖质量，造成地质超挖，相应增加支护工程量，从而增加成本。

（4）为了确保人员安全，作业人员需要佩戴防护用品。施工设备需要增加防护措施。

（5）岩爆危害大，采取“适时支护”的原则，且作业人员流动频繁，更换人员需要时间，影响施工进度。

（6）因岩爆引起的工效降低，项目部根据现场实际情况及时上报相应的数据分析及处理措施。

7防岩爆安全措施

岩爆防治是工程的重难点，也是影响施工安全、进度、质量的关键因素，因此在强岩爆洞段采取相应的防岩爆措施尤为必要。

钻爆法洞段岩爆防治采取采用控制爆破和及时有效的锚喷支护，确保岩爆洞段的施工安全。强烈～极强烈岩爆段采用如下处理程序：

应力解除爆破开挖→危石清理及高压水冲洗→适时喷射混凝土覆盖岩面→适时实施防岩爆围岩锚固措施（包括快速支护锚杆、挂网、钢拱架等）→系统支护。

（1）合理的施工开挖程序，可避免加重恶化洞室应力状态。若岩爆现象较严重，则适当的调整开挖施工作业，采取规避措施，待主要岩爆发生后再作业。

（2）掌子面开挖成涡壳形状，中心部位凹进，与周边的进尺差以方便施工为宜，控制在2m以内。从中心到周边平顺过渡，形成总体上的弧形形态。

（3）出渣前、后，针对开挖掌子面和周边洞壁进行危石清除作业和机械化找平，随后进行高压水冲洗，避免危石崩落和表面应力集中。

（4）具备安全条件时，立即进行喷射混凝土施工，喷层厚度执行设计要求，保障喷层厚度和质量。

（5）完成喷射混凝土以后立即进行防岩爆锚杆Φ22，L=3m的快速施工。

（6）根据设计文件要求尽量完成后续系统喷锚支护施工。系统永久支护原则上应跟进到距离掌子面小于一倍洞径左右，当根据工作存在困难时，可考虑选用预应力锚杆或水胀式锚杆，以增强初期锚固力，其中按照设计要求施工的预应力锚杆可作为后续系统锚杆使用，实现永临结合。

（7）对已开挖洞段围岩应力变化以及深部围岩破裂微震及时进行监测和预警工作，指导现场加强支护施工或撤退躲避。

（8）采用机械化作业，并对施工机械和人员进行防护，施工机械操作室、发动机等部位加焊防护罩，以及作业人员配备防护用品。

8质量保证措施

8.1质量检查制度

（1）坚持“三检制”：初检(施工班组自检)、复检(施工队自检)、终检(质检工程师检查)，终检合格后方能报监理工程师检查验收。

（2）施工质量检查记录、材料和设备的检查试验鉴定资料，验收签证资料、质量等级评定资料等，是工程验收的重要原始资料，是评价工程质量和申报优质工程的依据，及时分类整理、汇总归档。

（3）施工质量责任按“谁施工、谁负责”的原则，施工人员应加强自检工作，对其施工的质量负全责。

8.2质量分析制度

适时收集质量资料并进行分析和评价，及时向上级或有关部门报告。针对施工中出现的质量问题、缺陷或不合格，及时召开定期和不定期质量分析会，研究制定整改措施。

8.3质量评定制度

凡经检验合格的工程，按规定填写分项、分部和单位工程检验评定表，进行评定；对不符合验收标准的，予以纠正，并追查相关人员的责任。

8.4质量奖罚制度

制定严格、细致的质量奖罚制度，完善工程质量激励约束机制；贯彻“精神与物质奖励”相结合的原则，根据贡献大小实施奖励。根据质量事故的等级，对不同质量责任人进行不同程度的经济处罚，情节严重的追究法律责任。