论文部分内容阅读
摘要：在深埋、硬脆性围岩的地下洞室中，有可能产生岩爆这样一种特殊的岩石力学现象。岩爆的发生是一种安全事故，会对施工人员的人生安全造成威胁，因此必须采取措施预防岩爆的发生。本文以金平水电站主厂房洞室施工为例探讨了其岩爆控制技术，望对类似工程有所帮助。
关键词：地下工程；岩爆；爆破；支护
中图分类号：E271文献标识码： A
一、工程概况
金平水电站位于四川省甘孜藏族自治州的康定县境内、大渡河左岸支流金汤河干流中上游，为金汤河干流梯级开发电站。工程区区内河谷深切，山势巍峨，两岸山脊海拔高程一般3500～5500m，相对高差2000～2500m，属高山峡谷地貌区。
主厂房洞室包括主机间、安装间和副厂房，开挖长度69.82m，最大开挖高度36.69m。主机间基岩垂直埋深约 360m～390m，水平埋深约160m。主厂房纵轴线方向为 N25°E，其与岩体主要结构面走向交角在50°～80°之间，与地应力的最大主应力夹角为 42.15°。
金平水电站地下厂房洞室群，岩体呈微新状态，完整性好，围岩类别属于Ⅱ～Ⅲ类。正因为埋深较大，开挖施工过程中容易发生岩爆。
二、地下厂房洞室群工程地质条件
地下厂房洞室群围岩均为泥盆系中统下段中上部的灰白～灰色厚层含生物屑粉～细晶灰岩、含生物骨屑结晶灰岩、大理岩化白云岩，局部夹深灰色千枚岩，根据现有勘探平洞所揭示的地质条件，岩体新鲜、完整，无大规模断层破碎带发育，主洞长轴方向与岩层走向及优势结构面呈较大角度相交，围岩类别主要为 II ～III类。小规模断层及节理裂隙密集带，围岩属 IV类，应加强支护。洞室出口段因岩体风化、卸荷而破碎，围岩类别为 III～IV类，应及时支护并衬砌； F16从出线洞中段通过，并穿越主厂房和主变洞南东隅，应随挖随支护并注意排水；厂区岸坡陡峻，并有岩块崩落现象，各处洞外设施及人员，应采取有效的防护措施。
已有勘探平洞资料显示拟建地下厂房部位岩溶不发育，仅沿层面及裂隙见小规模的溶蚀现象，构成大规模岩溶洞群的可能性不大。但是，根据金汤河下游金康水电站施工揭露的地质条件，尚不能排除本工程不会遭遇类似岩溶现象。此外，地下厂房洞室群施工中还可能遭遇岩爆问题，如严重影响施工，应进行研究、解决。局部可能存在承压水，施工中应做好抽、排水工作。第三，由于地下厂房洞室群埋深较大且组合复杂，应做好通风措施，防止可能产生的高地温及有害气体问题，施工中应坚持检测，及时通报。
三、岩爆的预防与控制
（一）开挖爆破
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。切实提高光面爆破效果，按照“短进尺、弱爆破”原则进行洞挖，保证开挖断面规则，避免应力集中，引发岩爆。洞室断面采用光面控制爆破(底部预留1.5m)，岩爆洞段(Ⅲ类围岩)调整后的爆破设计。
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(距掌子面2～3 m以内为岩爆高发区)，又能使拱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。通过调整钻孔作业顺序，改变布孔方式和掏槽方法，改善洞室周边轮廓形状，取得的效果较为明显。
（二）施打应力释放孔
应力释放孔是本工程岩爆的一种预防措施。由于金平水电站地下洞室造孔扰动，使得围岩稳定情况进一步受到影响，因此，本工程在新开挖洞段围岩施打径向应力释放孔。
（三）支护
在应力集中区域增打锚杆。减轻应力集中，减缓岩爆的剧烈程度或消除岩爆。岩爆治理主要采取“早支护、强支护”的方式，本工程不同岩爆等级段的支护实施参数主要如下：
1、Ⅱ洞段
在爆破撬危后立即初喷5cm厚的纳米钢纤维混凝土(纳米混凝土)封闭围岩，纳米具有加快喷混凝土凝结速度的作用，钢纤维具有增加喷混凝土的抗剪和抗折能力的作用，纳米钢纤维喷混凝土能够承受围岩较大的变形而不致破坏；
2、Ⅲ洞段
初喷10cm厚的纳米钢纤维混凝土(纳米混凝土)封闭围岩，并采用水胀式锚杆进行随机支护，因水胀式锚杆施工具有“杆体轻便、操作灵活、安装时间短、发挥作用及时”的特点，对Ⅲb岩爆治理具有很好的效果，但水胀式锚杆因薄壳结构，存在抗剪能力差的缺点；
3、Ⅳ洞段
在开挖后立即进行初期支护，初喷10cm纳米钢纤维混凝土对开挖面和掌子面进行全面的初期封闭，后随机施工小32、L：6m、T=8kN涨壳式预应力中空注浆锚杆，预应力锚杆在施加应力后就能发挥作用，同时比水胀式锚杆具有更好的抗拉和抗剪能力，对Ⅳb以上岩爆治理具有较好的效果。在初期支护得到相对安全后，紧跟进行系统支护，施工书32、L=6m、T-8KN@1．0m×1．0m涨壳式预应力中空注浆锚杆(涨壳式预应力注浆锚杆)，并根据现场实际需要，确定是否安装格栅拱架或钢筋拱肋，最后复喷20cm纳米钢纤维混凝土。
（四）加强围岩变形观测
及时进行围岩变形观测，尤其是易发生岩爆的洞段，做到防患于未然。
AE法（即声发射检测法）是指物体在外力作用下产生变形和破裂的同时，以脉冲的形式释放弹性能，产生应力波，这种现象称为声发射。监测中发现前声发射参量出现突变，声发射参数数倍增加，以此作为预报岩爆的手段。本工程隧道中为了采取防治岩爆的措施而进行了量测调查，其中包括AE测试及岩石物性试验。在辅助 坑道的衬砌上设传感器，而后记录在主洞掌子面附近发生的AE。传感器随主洞掌子面的推进而移动。根据岩石试验，岩爆地段的岩石其静弹性系统比动弹性系数大，脆性也大，本系统是由避难坑道、主洞各自独立的量测系统构成，主洞量测用的AE传感器设在作业坑道靠近主洞的边墙内（三处）。传感器间距取24m、中央传感器设在离主洞掌子面最近处。整个量测用两台AE解析器抽出AE发生数、最大振幅值等，同时连同AE计数仪把AE参数超过标准值的，自动送到岩爆警报板上。关于岩爆的危险程度可把掌子面观察和AE参数结合起来考虑，用综合评分法进行评价。
(五)對施工设备进行必要的防护
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、挖掘机械、钻爆台车、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。
（六）高压水喷射掌子面及新开挖洞段围岩
针对金平水电站地下洞室围岩坚硬、脆性较大的特点，干燥洞段开挖后，立即向掌子面及以后约10m范围内的隧洞周边喷射高压水，以改变岩石表面的物理力学性质，降低岩石脆性、增强塑性，达到减弱岩爆剧烈程度的目的。
结束语
在地下水发育、溶孔较多的洞段一般不会发生岩爆。岩爆洞段经常向岩壁喷水具有实际意义,可有效降低岩爆发生的几率和强度。岩爆预控主要采取“早支护、强支护”与喷射钢纤维混凝土的方式，对确保工程开挖施工的安全、加快开挖施工进度和提高经济效益都有显著的效果。岩爆洞段在开挖后,应立即进行喷锚支护,以尽可能减少岩层暴露时间,降低岩爆发生的几率。初期安全支护后,在有条件的情况下,应及时跟进二次永久衬砌支护,以免该洞段出现二次或多次岩爆现象,危及人员及设备的安全,并造成支护费用的增加。
综上所述，在隧洞岩爆段掘进施工，必须高度重视岩爆的施工防治工作，切勿盲目冒进，只要采用适当的防治措施，可最大程度上保证工程的顺利进行和现场施工人员的人身安全。
参考文献
[1]张镜剑,傅冰骏.岩爆及其判据和防治[J].岩石力学与工程学报,2008年10期.
[2]尚彦军,张镜剑,傅冰骏.应变型岩爆三要素分析及岩爆势表达[J].岩石力学与工程学报,2013年8期.
关键词：地下工程；岩爆；爆破；支护
中图分类号：E271文献标识码： A
一、工程概况
金平水电站位于四川省甘孜藏族自治州的康定县境内、大渡河左岸支流金汤河干流中上游，为金汤河干流梯级开发电站。工程区区内河谷深切，山势巍峨，两岸山脊海拔高程一般3500～5500m，相对高差2000～2500m，属高山峡谷地貌区。
主厂房洞室包括主机间、安装间和副厂房，开挖长度69.82m，最大开挖高度36.69m。主机间基岩垂直埋深约 360m～390m，水平埋深约160m。主厂房纵轴线方向为 N25°E，其与岩体主要结构面走向交角在50°～80°之间，与地应力的最大主应力夹角为 42.15°。
金平水电站地下厂房洞室群，岩体呈微新状态，完整性好，围岩类别属于Ⅱ～Ⅲ类。正因为埋深较大，开挖施工过程中容易发生岩爆。
二、地下厂房洞室群工程地质条件
地下厂房洞室群围岩均为泥盆系中统下段中上部的灰白～灰色厚层含生物屑粉～细晶灰岩、含生物骨屑结晶灰岩、大理岩化白云岩，局部夹深灰色千枚岩，根据现有勘探平洞所揭示的地质条件，岩体新鲜、完整，无大规模断层破碎带发育，主洞长轴方向与岩层走向及优势结构面呈较大角度相交，围岩类别主要为 II ～III类。小规模断层及节理裂隙密集带，围岩属 IV类，应加强支护。洞室出口段因岩体风化、卸荷而破碎，围岩类别为 III～IV类，应及时支护并衬砌； F16从出线洞中段通过，并穿越主厂房和主变洞南东隅，应随挖随支护并注意排水；厂区岸坡陡峻，并有岩块崩落现象，各处洞外设施及人员，应采取有效的防护措施。
已有勘探平洞资料显示拟建地下厂房部位岩溶不发育，仅沿层面及裂隙见小规模的溶蚀现象，构成大规模岩溶洞群的可能性不大。但是，根据金汤河下游金康水电站施工揭露的地质条件，尚不能排除本工程不会遭遇类似岩溶现象。此外，地下厂房洞室群施工中还可能遭遇岩爆问题，如严重影响施工，应进行研究、解决。局部可能存在承压水，施工中应做好抽、排水工作。第三，由于地下厂房洞室群埋深较大且组合复杂，应做好通风措施，防止可能产生的高地温及有害气体问题，施工中应坚持检测，及时通报。
三、岩爆的预防与控制
（一）开挖爆破
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。切实提高光面爆破效果，按照“短进尺、弱爆破”原则进行洞挖，保证开挖断面规则，避免应力集中，引发岩爆。洞室断面采用光面控制爆破(底部预留1.5m)，岩爆洞段(Ⅲ类围岩)调整后的爆破设计。
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(距掌子面2～3 m以内为岩爆高发区)，又能使拱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。通过调整钻孔作业顺序，改变布孔方式和掏槽方法，改善洞室周边轮廓形状，取得的效果较为明显。
（二）施打应力释放孔
应力释放孔是本工程岩爆的一种预防措施。由于金平水电站地下洞室造孔扰动，使得围岩稳定情况进一步受到影响，因此，本工程在新开挖洞段围岩施打径向应力释放孔。
（三）支护
在应力集中区域增打锚杆。减轻应力集中，减缓岩爆的剧烈程度或消除岩爆。岩爆治理主要采取“早支护、强支护”的方式，本工程不同岩爆等级段的支护实施参数主要如下：
1、Ⅱ洞段
在爆破撬危后立即初喷5cm厚的纳米钢纤维混凝土(纳米混凝土)封闭围岩，纳米具有加快喷混凝土凝结速度的作用，钢纤维具有增加喷混凝土的抗剪和抗折能力的作用，纳米钢纤维喷混凝土能够承受围岩较大的变形而不致破坏；
2、Ⅲ洞段
初喷10cm厚的纳米钢纤维混凝土(纳米混凝土)封闭围岩，并采用水胀式锚杆进行随机支护，因水胀式锚杆施工具有“杆体轻便、操作灵活、安装时间短、发挥作用及时”的特点，对Ⅲb岩爆治理具有很好的效果，但水胀式锚杆因薄壳结构，存在抗剪能力差的缺点；
3、Ⅳ洞段
在开挖后立即进行初期支护，初喷10cm纳米钢纤维混凝土对开挖面和掌子面进行全面的初期封闭，后随机施工小32、L：6m、T=8kN涨壳式预应力中空注浆锚杆，预应力锚杆在施加应力后就能发挥作用，同时比水胀式锚杆具有更好的抗拉和抗剪能力，对Ⅳb以上岩爆治理具有较好的效果。在初期支护得到相对安全后，紧跟进行系统支护，施工书32、L=6m、T-8KN@1．0m×1．0m涨壳式预应力中空注浆锚杆(涨壳式预应力注浆锚杆)，并根据现场实际需要，确定是否安装格栅拱架或钢筋拱肋，最后复喷20cm纳米钢纤维混凝土。
（四）加强围岩变形观测
及时进行围岩变形观测，尤其是易发生岩爆的洞段，做到防患于未然。
AE法（即声发射检测法）是指物体在外力作用下产生变形和破裂的同时，以脉冲的形式释放弹性能，产生应力波，这种现象称为声发射。监测中发现前声发射参量出现突变，声发射参数数倍增加，以此作为预报岩爆的手段。本工程隧道中为了采取防治岩爆的措施而进行了量测调查，其中包括AE测试及岩石物性试验。在辅助 坑道的衬砌上设传感器，而后记录在主洞掌子面附近发生的AE。传感器随主洞掌子面的推进而移动。根据岩石试验，岩爆地段的岩石其静弹性系统比动弹性系数大，脆性也大，本系统是由避难坑道、主洞各自独立的量测系统构成，主洞量测用的AE传感器设在作业坑道靠近主洞的边墙内（三处）。传感器间距取24m、中央传感器设在离主洞掌子面最近处。整个量测用两台AE解析器抽出AE发生数、最大振幅值等，同时连同AE计数仪把AE参数超过标准值的，自动送到岩爆警报板上。关于岩爆的危险程度可把掌子面观察和AE参数结合起来考虑，用综合评分法进行评价。
(五)對施工设备进行必要的防护
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、挖掘机械、钻爆台车、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。
（六）高压水喷射掌子面及新开挖洞段围岩
针对金平水电站地下洞室围岩坚硬、脆性较大的特点，干燥洞段开挖后，立即向掌子面及以后约10m范围内的隧洞周边喷射高压水，以改变岩石表面的物理力学性质，降低岩石脆性、增强塑性，达到减弱岩爆剧烈程度的目的。
结束语
在地下水发育、溶孔较多的洞段一般不会发生岩爆。岩爆洞段经常向岩壁喷水具有实际意义,可有效降低岩爆发生的几率和强度。岩爆预控主要采取“早支护、强支护”与喷射钢纤维混凝土的方式，对确保工程开挖施工的安全、加快开挖施工进度和提高经济效益都有显著的效果。岩爆洞段在开挖后,应立即进行喷锚支护,以尽可能减少岩层暴露时间,降低岩爆发生的几率。初期安全支护后,在有条件的情况下,应及时跟进二次永久衬砌支护,以免该洞段出现二次或多次岩爆现象,危及人员及设备的安全,并造成支护费用的增加。
综上所述，在隧洞岩爆段掘进施工，必须高度重视岩爆的施工防治工作，切勿盲目冒进，只要采用适当的防治措施，可最大程度上保证工程的顺利进行和现场施工人员的人身安全。
参考文献
[1]张镜剑,傅冰骏.岩爆及其判据和防治[J].岩石力学与工程学报,2008年10期.
[2]尚彦军,张镜剑,傅冰骏.应变型岩爆三要素分析及岩爆势表达[J].岩石力学与工程学报,2013年8期.