白鹤滩水电站左岸导流隧洞施工岩爆分析的方法建设

工程概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，距巧家县城45km，电站上接乌东德梯级，下邻溪洛渡梯级。水电站左岸布置3条导流隧洞，导流隧洞进口底板高程585.00m，出口底板高程579.00m。其中1#导流洞开挖长度2007.63m，纵坡0.762%；2#导流洞开挖长度1791.31m，纵坡0.851%；3#导流隧洞开挖长度1584.82m，纵坡0.947%。导流洞洞身开挖断面为城门洞形，衬砌后断面尺寸为17.5m×22m（宽×高），开挖断面尺寸有宽×高分别为：进口渐变段22.50m～28.50m×27.00m、19.70m×24.20（24.38）m、20.50m×25.00（25.16m）、21.50m×26.00m，共计7种类型。

1#导流洞上覆岩体厚度30m～395m，水平埋深0～705m，其中埋深大于300m约占总段长32%，最大埋深395m。2#导流洞上覆岩体厚度50m～377m，水平埋深0～765m，其中埋深大于300m的约占总段长28%，最大埋深377m。3#导流洞上覆岩体厚度58m～349m，水平埋深0～825m，其中埋深大于300m的约占总段长22%，最大埋深349m。导流洞地质条件复杂，断层、层内、层间错动带发育；玄武岩柱状节理分布广泛；埋深较深，地应力较大，岩爆频发。

岩爆发生的机理分析

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。岩爆常表现为声响、片状剥落、片帮坍塌，岩片弹射、能量猛烈释放、洞室豁然破坏，给地下洞室施工的质量、安全、进度、成本带来一定风险。岩爆的发生主要由两方面形成，一方面：岩石自身组成类型及特性，岩石按成因分为岩浆岩（火成岩）、沉积岩（水成岩）和变质岩三大类。岩浆岩又分为：侵入岩（深成岩、浅成岩）和喷出岩，其中深成岩岩性单一，致密坚硬，透水性弱，抗水性强，岩石自身稳定强，如花岗岩、辉长岩等。而喷出岩一般呈原生孔隙和节理发育，产状不规则，岩性不均一，抗风能力差，岩石自身稳定性差，如玄武岩、火山碎屑岩等。另一方面：地下洞室施工对地应力重新分布，围岩应力集中，在洞壁平行于最大初始应力σ1的部位，切向应力梯度显著增大，洞壁受压导致垂直洞壁方向产生张应力，尤其埋深较大围岩这种应力的作用强，首先产生环向的张裂或劈裂，进而发生剪切破坏。围岩自身稳定性较差时，岩块被剪断，且又具有较高的剩余能量时，致使岩块发生弹射，完成弹性势能向动能的转换，即形成岩爆。

岩爆发生的治理

根据地质预报情况，可能发生岩爆的洞段集中在中段（1#、2#、3#导流洞桩号分别大致在0+692～1+450m、0+589～1+304m、0+471～1+145m）和后段（桩号分别大致在1+450、1+304m、1+145m以后）。针对存在岩爆洞段加强支护，支护主要参数：“顶拱及边墙（初喷50mm厚C25钢纤维砼+？准8mm@200mm×200mm挂网+复喷150mmC25素砼+L=6m，？准28mm、L=9m，？准32mm砂浆锚杆间隔对称布置，间距为1.5m），两侧拱角增加两排L=9m，？准32mm预应力砂浆锚杆，间距为1m”。在遇到断层、层间错动带处，顶拱支护参数调整为：“初喷50mm厚C25钢纤维砼+？准8mm@200mm×200mm挂网+钢筋拱架+复喷150mmC25素砼+L=6m，？准28mm普通砂浆锚杆、L=9m，？准32mm预应力锚杆间隔对称布置，间距为1.5m”。

设计单位地质人员及时了解施工现场情况，形成快速反映机制，对于已开挖掌子面岩爆非常严重的情况，一方面根据现场实际情况增加随机锚杆（L=4.5m，？准25mm锚杆），另一方面将原有L=6m，？准25mm普通砂浆锚杆改为L=6m，？准25mm锚垫板砂浆锚杆。

根据左岸导流洞施工特点，洞室开挖分三层施工，而岩爆主要存在于Ⅰ层开挖施工中，在导流洞Ⅰ层开挖中采取先中导后边墙方式施工。以中导洞已发生岩爆的洞段作为重点防治对象，导流洞Ⅰ层采取分3区开挖方法，中导洞（宽12m×高10m）超前两侧（宽4.55m，含技术超挖30cm）扩挖2～3个循环。导流洞Ⅱ层分层高度12m，第Ⅲ层开挖至导流洞设计底板，Ⅱ、Ⅲ层边墙采用一次性预裂到底，底部预留50c以避免超钻破坏底板结构面。导流洞Ⅱ、Ⅲ层边墙预裂在第Ⅰ层开挖、支护期间进行施工。为满足Ⅱ、Ⅲ层预裂孔样架搭设，在Ⅰ层开挖中两侧边墙技术超挖30cm，导流洞分层分区开挖示意图详见图1。针对导流洞Ⅰ层施工中应对岩爆采取如下治理的方法。

在导流洞Ⅰ层施工中进入岩爆地段采取短进尺、弱爆破、超前锚杆施工、打径向应力释放孔，中导洞开挖循环进尺控制在3m以内，两侧边墙扩挖循环进尺控制在5m以内。中导洞已发生岩爆部位用多臂钻施打径向应力释放孔，孔深6m，间排距1.5m×1.5m。未开挖中导洞部位进行个性化爆破设计，在爆破孔外布置6个超深3m的超前孔，作为下一循环应力释放孔。通过生产性爆破试验，确定岩爆地段开挖爆破的最佳参数。利用光面爆破技术，减小爆破振动对围岩的影响，控制洞壁成型质量，减小因成形不规则带来的围岩表层应力集中而导致岩爆发生的几率。

在导流洞Ⅰ层中导洞掌子面爆破后先通风散烟15min，施工人员进入检查安全时采用高压水冲洗掌子面，为岩体降温和不稳定围岩释放地应力，这样时间一般持续6小时左右。待掌子面温度降为常温，无岩爆现象时，排险完成后方能进行出渣，但在出渣过程中时刻观察掌子面围岩情况。由于岩爆导致岩体破坏，出现片邦、掉块、崩塌等现象，存在安全隐患，因此需要进行多次排险。

中导洞掌子面出渣完成后，及时进行随机支护。采用湿喷台车对洞顶已开挖面喷护100mm厚C25钢钎维混凝土作为临时防护措施，喷护完成后3小时，采用多臂钻对洞顶已开挖面进行随机支护和超前支护：随机锚杆采用？准25，L=4.5m，外露50cm，间、排距1.5m×1.5m，梅花形布置，角度为水平向上45°～60°。超前锚杆采用？准25，L=4.5m，外露20cm，间距1m，角度沿着顶拱开挖结构线为水平向上30°～45°。如在柱状节理段、层间错动带，还需在锚杆灌注后挂网（？准8为200mm×200mm）再喷护100mm厚C25素混凝土。随机支护完成后方能进行下一循环钻爆施工，正常情况系统支护滞后掌子面不大于15m，特殊情况系统支护跟进掌子面，在下一爆破前需考虑锚杆等强时间。

加强围岩变形监测，发现险情，及时处理。在导流洞开挖过程中，针对已开挖洞段通过量测与目测相结合的手段来监视围岩和支护的稳定性，监测内容包括：围岩的岩质和分布、节理裂隙发育程度和方向，接触面填充物的性质、状态，涌水量和涌水压力，隧洞顶部、侧部的稳定状态等。量测就是在岩爆区已开挖段安装变形检测仪器，定期观察围岩变形数据，出现异常数据及时分析研究。目测就是专职安全员每天巡察岩爆区已开挖段围岩情况，巡察内容主要包括：锚杆是否被拉断、喷射混凝土层是否有裂隙、剥离和剪切破坏、钢架有无压屈变形等。当围岩变形明显时，及时采取辅助施工方法加固围岩，避免二次岩爆危害。

岩爆对地下洞室施工的影响：开挖质量控制难度大，安全风险高，施工进度较缓慢，施工成本增加。只有采取有效治理措施，才能将岩爆对施工影响降到最低。白鹤滩水电站左岸导流隧洞复杂地质结构，洞室跨度大，岩爆频发，在开挖施工过程中总结的经验为处治类似岩爆工程得以推广。