浅谈隧道施工期间岩爆预测和防治

1 工程概况
锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河弯上。工程地处高山峡谷，呈V字型，远离人口稠密和交通发达地区。锦屏二级水电站利用雅砻江下游河段150km长大河弯的天然落差，全长约16.67km的引水隧洞，截弯取直获得水头。电站总装机容量4800Mw，单机容量600Mw。工程枢纽主要由首部拦河闸、引水系统、尾部地下厂房三大部分组成，为一低闸、长隧洞、大容量引水式电站。首部拦河闸坝位于雅砻江锦屏大河弯西端的猫猫滩，电站进水口位于闸址上游2.9km处的景峰大桥，地下发电厂房位于雅砻江锦屏大河弯东端的大水沟，四条引水隧洞穿过锦屏山连接闸坝与厂区枢纽。
锦屏二级水电站引水隧洞处于高山峡谷的岩溶地区，地质条件复杂，具有埋深大、洞线长、洞径大的特点。主要工程地质问题有高地应力和岩爆、涌(突)水、高地温、有害气体、围岩稳定及隧洞所穿越的断层破碎带等。
2 引水隧洞工程的应力特征
施工设计文件附件对引水隧洞的应力特征作了说明：在深800～1200m时，地应力场由谷坡地带局部地应力转变为以垂直应力为主的自重应力场，但地应力随埋深的增加呈非直线型关系，s1/s3地应力比值是随埋深的增加而逐渐减小；在高程1600m处最大主应力值为70.1MPa，最小主应力值为30.1MPa。其主应力值是从上到下逐渐增大，断层穿过的岩体周围主应力值有明显的减小。
3岩爆发生的特征与规律
3.1 岩爆发生的特征
根据辅助洞西端B线岩爆发生规律的统计表明：T_2z杂谷脑组中，随埋深增加，岩爆随之增多，发生的岩爆以零星、成片、连续型岩爆，岩爆等级以轻微为主，少数洞段发生有中等岩爆～强烈岩爆；在西端白山组T_2b的个别洞段已发生强烈～极强岩爆，似放炮声、雷鸣声，有剥落、劈裂、弹射、有集中崩落现象，最大岩爆坑深达3～5m，岩爆发生时间持续在3～72小时不等。
岩爆多发生在距掌子面6～12m的范围内，掌子面开挖后的5～20小时是岩爆发生的高峰期。
3.2 岩爆发生的规律
辅助洞西端岩爆总体上T_2z、T₁、T₃地层比T_2b要弱，但都有如下规律：
① 断层带和节理密集发育地带不会发生岩爆；
② 地下水出露洞段不会发生岩爆，或发生概率与发生强度要小一些；
③ 地温值相对较低洞段不会发生岩爆，或发生概率与发生强度小一些，否则易发生岩爆；
④ 岩相发生变化附近，易发生岩爆；
⑤ 岩体为整体结构、类整体结构、块状结构的洞段易发生岩爆；
⑥ 超前钻孔出现饼化现象的地段，岩爆的危险性很大；
⑦ 听到岩石劈裂的响声和看到随后岩块的掉块现象可能会发生岩爆；
⑧ 同一断面，中线一侧渗出水，另一侧也有岩爆发生。
4引水隧洞岩爆预测
结合辅助洞西的岩爆发生规律，预测锦屏电站二级引水隧洞在开挖过程中将产生岩爆，其强烈程度以轻微～中等为主，局部洞段将发生强烈～极强岩爆，但总体上洞线以进入白山组为界，之前要弱些，进入白山组后要强些。预测今后(以4#洞线为例)累计发生岩爆的长度：在引（4）2+500前，弱岩爆Ⅱ_b=668m、中等岩爆Ⅲ_b=44m，合计712m；在引（4）4+700前，弱岩爆Ⅱ_b=859m、中等岩爆Ⅲ_b=58m，合计917m；在引（4）6+000前，弱岩爆Ⅱ_b=1138m、中等岩爆Ⅲ_b=125m，Ⅳb=23m，合计1286m。
5岩爆的常用处理方法与措施
目前岩爆处理的常用方法归纳起来，不外乎两种主要手段，即一是以防为主的方案：以改善围岩物理力学性质、应力解除法、调整作业、待避；二是以治为主的加固围岩方案：具体包括喷、锚网、超前支护、格栅钢架等加固措施。
根据辅助洞的经验，引水隧洞拟将采用如下方法处理岩爆：
清碴找顶后（必要时先初喷CF30砼），作水胀式锚杆临时支护，此过程能在岩爆发生前的最佳时间4～5小时范围内予以完成（进尺1.8～2m时,出碴2.5小时、台车就位与锚杆钻孔安装1.5～2.5小时），随后立即安排喷CF30钢纤维砼（掺以纳米为主的特殊材料），厚度5～10cm；等掌子面掘进到20m或稍后，将组织系统中空注浆锚杆的施工与复喷CF30（或C25素砼）砼至设计厚度。当掌子面有岩爆发生迹象时，亦在掌子面施作水胀锚杆并喷纲纤维砼，以确保施工过程的安全。对极强岩爆将采取应力解除、锚网喷、型钢拱架与二次衬砌等综合措施予以处理。
特殊情况下，在出碴前也可先初喷5～10cm钢纤维砼。
5.1应力释放孔可有效减轻岩爆强度
对于中等岩爆及以上强度的岩爆，在钻爆破孔前可根据岩爆可能发生的部位，施作超前应力释放孔，要求孔深大于掘进进尺的2倍；在锚杆的施工过程中，对可能生产岩爆的部位，作径向应力释放孔，孔深不小于围岩的松动圈，暂按4～5m考虑。应力解除孔的孔径原则上力求大些为好，但结合钻孔考虑，不小于φ48，孔数现场灵活确定。
5.2对强岩爆应力解除法爆破效果好
当预示前方可能产生强岩爆时，必须作应力解除爆破。应力解除法参数如下：孔深不小于循环进尺的2倍，解除孔布置原则是离隧洞轮廓有一定安全距离，应力解除爆破只是调整围岩的应力而不是消除应力，因此必须根据实际情况和取得的效果来确定其参数。
主要方法是沿掌子面布置一定数量的炮孔，其炮孔数量和参数可试验确定。
5.3采用控制爆破可避免应力过于集中，是减轻岩爆发生程度的最有效的方法
实践证明，实施好光面或预裂爆破，控制周边轮廓平整圆顺，是避免应力集中，减轻岩爆发生程度的最为有效的方法。过程中要正确掌握掌子面围岩的特性，调整爆破参数，尤其是光爆参数，不能千篇一律，过程中可加密钻孔，间隔一个孔进行装药。通常孔间距在30～35cm，并保证钻孔精度，提高半孔保存率。周边孔的装药量现场试验调整，一般控制在220g/m以内。
强岩爆洞段，必须严格控制掘进孔深度并与掌子面的锚杆长度使用相匹配。孔深不得大于2.0m，掌子面锚杆长度4.0m。
严格控制装药量，尽量减少爆破对周边围岩的扰动，以提高围岩的完整性。控制好内圈和周边孔的装药量尤为重要，并控制好同段起爆的炮孔数，有利降低爆破对围岩的扰动。通常到外圈2～3排孔已用到较高的段位，因此仅需安排好起爆顺序。对同段起爆的炮孔可不作具体限制，但原则上不超过10个孔为宜。
5.4快速安装水胀式锚杆可有效控制岩爆的发生
水胀式锚杆具有安装快速、全长受力的特点，可很好地解决在危险条件下，尽快对围岩实施临时加固措施。根据现场对比分析，较普通砂浆锚杆的安装速度提高5倍及以上，平均安装1根2～3min，而砂浆或药圈锚杆需要10～15min，同时也难保砂浆和药圈的装填密实度。至于机械胀壳式锚杆，虽其安装速度较快，但过程中实难保证灌浆及时，同时当岩爆发生时，孔口垫板容易松动而失去其作用，因此经常在岩爆发生部位看到祼露的锚杆体。
根据统计水胀锚杆一个支护段完成仅需60min（60根计,可利用三臂台车的3臂同时作业），而砂浆或药圈锚杆要150～180min，两相比较可缩短至少90min，如此更为关键的是降低了在危险环境条件下的作业时间，极大地提高了工作环境的安全度，也能在强岩爆频繁发生的时间内提前作好对围岩的加固处理。
强岩爆洞段水胀锚杆的间距宜控制在@100*100，其它情况可放宽至@150*150。锚杆φ33～36、长度3～4m选择；当要对掌子面进行加固时，锚杆长度不短于进尺的2倍，原则上要求锚杆长度大于4.0m。
锚杆的正确安装是水胀式锚杆的关键工艺，一般在水压15MPa时就可以胀开并承受较高的拉力。但现场实际操作时，因实际条件多变，注水压力大于30MPa控制。
岩爆发时，尤其是强岩爆，锚杆将承受瞬间荷载，岩石产生位移，因锚杆相对刚性，为确保锚杆一直承受约束力，现场可在水胀锚杆垫板前加木垫板或橡胶垫，使得强岩爆发生时，承受岩体表面开裂所引起的位移而发挥其应有的作用。
5.5喷砼中掺特殊外加剂（XPM纳米灌注剂）可有效控制围岩的应力释放
喷射砼可以改善围岩受力状态，约束围岩的变形，尤其是厚层喷射砼可以作为连续构件支护围岩并给予围岩变形的支持力，使围岩保持近于三维受力状态，以控制围岩的应力释放。
普通喷砼包括掺微硅粉，一次性喷射厚度受到限制，通常不大于5cm而且回弹率较大，而在喷砼中掺以纳米为主的特殊外加剂，不但可大大提高一次性喷护厚度至30～70cm，同时与围岩的粘结力、强度均远高于前者。当掺量达到水泥用量的10%时，其强度平均可达40.2MPa、粘结力达到1.23MPa、回弹率平均值低于11%。而普通喷射砼强度平均仅达28.7MPa、粘结力0.57MPa、回弹高达17.8%。
5.6强岩爆和极强岩爆采用综合处理措施防治
对强岩爆和极强岩爆洞段，将系统地采取应力释放孔、应力解除爆破、水胀锚杆、喷CF30砼、挂钢筋网片或钢丝网、立型钢拱架支撑、系统锚杆和二次衬砌进行联合支护。该法安全但进度缓慢，现场也可将立拱架、挂钢筋网片变为敷设钢筋拱肋，可加快处理进度。
拱架设置：采用I15工字钢，@100，紧贴围岩并用锚杆固定，固定时特别注意锁脚，确保二次砼施工时不胀模；
钢筋网挂设：采用φ8钢筋预制100*150m网片，网格150*150cm，紧贴围岩，网片重叠不小于1～2个网格范围并用锚杆垫板固定；
衬砌砼施工：采用I16工字钢作立柱，挂模施工，过程中严格控制灌注速度，防止胀模；有条件时可采用移动衬砌台车施工，可提高灌注速度和质量。
5.7破碎洞段的施工措施
埋深大于2000m的洞段，由于高地应力的存在及受引水隧洞相互间爆破振动或掌子面爆破振动的影响，再次诱发坍塌或更大的坍塌，导致处理困难。施工可分两步走：先临时支护，采用水胀锚杆和初喷10厚的CF30砼支护；当掌子面超前20m时（或增加观测点，根据观测确定系统支护时间），便立即施作系统支护。系统支护的锚杆一要加长，二要加密并挂网喷护砼10cm厚，才有利结构安全。施工将考虑在此类洞段按设计作6～8m、@100*100的系统锚杆，再补喷砼至设计要求。
6施工组织与主要安全措施
6.1施工组织
正确认识岩爆发生的客观规律，充分利用岩爆不发生的间歇时间，果断快速地采取新工艺和新方法，组织岩爆洞段的施工，能最大限度地避免岩爆给施工人员、设备造成安全威胁和有利于加快掘进进度。

现场组织时，将根据掌子面实际揭露的地质情况并结合超前预报成果资料（围岩的力学特性指标），分别有针对性地采取处理方法。实际操作可按下述程序组织施工：
技术室必须与当班领工员作好方案交底工作，现场班组必须严格按程序组织施工。
超前应力解除爆破，在一定程度上对爆破效果会造成一定影响，原则上不赞同与掘进孔“同时”爆破，宜分成两次独立的爆破作业。因为离掏槽远端的应力解除孔先爆破，会对邻近掘进孔产生较大的影响，尤其是钻孔偏差达大的情况下，危险性更大。同时中间孔满装炸药，对于坚硬均质的大理岩，药圈小了，有空腔效应，形成不成破碎圈，因此，对于孔口一段装药效果有待探讨。实际运用过程中，分两种情况作试验，一是满装，二是集中在底部装，可采用φ40。第二种情况可产生较大的破碎圈，有利于应力调整，其缺点是不利于下一循环钻孔。
水胀锚杆安装工艺比较关键：一是必须达到要求的最低水压；二是通过试验，直径只胀到φ48.28～49.21，因此台车钻锚杆孔的钻头直径宜使用φ45，不宜使用φ48。
组织好快速出碴，控制在150min内完成，这样扣除通风、找顶时间约60min后，将有60～120min完成水胀式锚杆的施工。
6.2施工采取的防岩爆主要安全措施
对围岩的再次扰动，是产生第二次岩爆的诱因，因此要妥善处理好引水隧洞间的滞后关系。这就要求对容易发生岩爆或发生过强岩爆的部位，必须一次处理到位，以减少多次扰动时再次发生岩爆与诱发大规模的坍塌现象。
对付强岩爆或剧烈岩爆最为安全的措施手段就是：避让，待岩爆发生平息过后再进行施工；对松动岩石必须予以清除，尤其是对破裂松脱型岩爆，因弹射危害不大，要进行彻底清理，可确保安全。
爆破后围岩内部应力就已经开始调整，据现场观察就有岩爆的发生，但其程度一般较爆破后一段时间要弱，因此可以加快出碴进度，为后面的岩爆支护提供充足的时间。现场对装载机安防弹钢丝网和加厚钢板及对装载机薄弱部位予以加固，以确保施工过程的设备人员安全，因运输车辆通常在掌子面后方10m处，而该段相对安全得多，但也需控制掌子面2倍距离范围只能停1辆车。
破碎洞段增设收敛观测十分必要，可根据信息确定系统支护时间。
在围岩深部有岩爆发生时，平常更要加强对这些洞段的观察，这种危害最为严重，一旦围岩受到扰动，假若系统支护不能及时跟上，可能会发生大的坍塌。
爆破后必须按规定至少不少于15min进入掌子面附近，杜绝炮响后立即进入危险区。
6.3 施工期间采取的安全防护设施
根据工程的特点，重点对洞内的岩爆、涌突水、坍塌、施工用电和洞外的防洪、防火灾、防爆、防山坡滚石及沿江安全防护等所考虑的防护设施进行实施。
岩爆是本工程施工最大的安全威胁，因此对施工设备进行防岩爆破坏防护加固，施工前对台车、装载机、挖机、运碴车辆的操作室顶板或立柱进行加固，对台车采取安全罩防护，即采用类似衬砌台车形状并铺钢筋网的防护罩，台车在其安全罩下工作。台车防护罩必须有足够的结构强度。
对于掌子面将发生岩爆的洞段，将对掌子面进行锚杆、喷钢纤维砼进行加固。
同时该类洞段必须系统支护紧跟，确保作业人员在安全的环境下工作。台车钻孔时，作业人员，包括爆破工不得在工作面附近停留，并尽量减少作业人员数量和人工作业的时间。根据岩爆发生规律，在安全时间段内，尽快组织支护作业，确保施工安全。
 

编辑：小薇