拉西瓦水电站尾水隧洞岩爆的特征与预防措施

孟庆亮 杨宏正 崔颖林

1 前言

岩爆是深埋地下工程在施工过程中常见的动力破坏现象，当岩体中聚积的高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量时，破坏了岩体结构的平衡，多余的能量导致岩石爆裂，使岩石碎片从岩体中剥离、崩出。轻微的岩爆仅剥落岩片，造成片帮但无弹射现象。强烈的岩爆常常会带来灾难性的后果，造成人员伤亡或施工设备损坏。岩爆一般持续几天有时甚至数月。

岩爆产生的条件：① 近代构造活动山体内地应力较高，岩体内储存着很大的应变能，当该部分能量超过了硬岩石自身的强度时；② 围岩坚硬新鲜完整，裂隙极少或仅有隐裂隙，且具有较高的脆性和弹性，能够储存能量，而其变形特性属于脆性破坏类型，当应力解除后，回弹变形很小；③ 隧洞埋深较大（一般埋藏深度多大于200m）且远离沟谷切割的卸荷裂隙带；④地下水较少，岩体干燥；⑤ 开挖断面形状不规则，大型洞室群岔洞较多的地下工程，或断面变化造成局部应力集中的地带。 2 拉西瓦地质状况

拉西瓦水电站引水发电系统洞室群地处峡谷，山高坡陡。右岸岸坡河床至正常蓄水位2425m，坡度为65～70°，2425～2600m高程间30～45°，2600m以上60～65°。拉西瓦地下洞室群位于右岸地下，岩性为花岗岩，该花岗岩体为中粗粒结构，呈灰～灰白色，块状结构，矿物成分以长石、石英、黑云母为主，岩石强度高，岩体致密坚硬，总体以II类围岩为主，局部为III、IV类。

根据厂房区实测资料最大地应力σ1为14.6～29.7MPa，平均21.63MPa，最小主应力σ3为3.7～13.1MPa，平均9.20MPa，岩体饱和抗压强度平均值σc 为110MPa,饱和抗拉强度平均值σt 为6.7 MPa，经过分析预测，拉西瓦地下洞群开挖时均有可能发生岩爆，但其程度以轻微为主，局部可能达中等程度，且岩爆多表现为片状剥落、片帮等方式。特别是我局承建的拉西瓦水电站尾水系统工程，隧洞位于右岸地下，距地表垂直距离390～550m左右。围岩以II类为主，成洞条件较好。但是隧洞埋深较大，且穿越河谷应力包，围岩坚硬干燥，地应力高达25～30MPa，σc /σ1＝110/25～110/30＝4.4～3.67，符合发生岩爆的条件，在施工过程中也确实出现了不同程度的岩爆。我局承建的尾水管扩散段，位于河谷应力包过渡带，加之由于该段开挖断面为由城门洞型（13.5m×18.56m）变为方形（15.096m×9.666m），应力集中，岩爆经常在拱肩位置发生。 3 岩爆的产生条件（参见图1）

审稿：黄久昌 刘祥吾 张卫东 判断岩爆发生的应力条件有两种方法：

一是用洞壁的最大环向应力σθ与围岩单轴抗压强度σc之比值进行分析； 二是用天然应力中的最大主应力σ1与岩块单轴抗压强度σc之比进行判断。 3.1 围岩应力条件

经验公式：σ1/σc>0.165～0.35（或σc/σ1>6.06～2.86）的脆性岩体最易发生岩爆。 3.2 岩性条件

弹性变形能系数ω：加载到0.7σc后再卸载至0.05σc时，卸载释放的弹性变形能与加载吸收的变形能之比的百分数。

当ω＞70％时，可能产生岩爆，ω越大发生岩爆的可能性越大。 3.3 影响岩爆的因素 3.3.1 地质构造

岩爆大都发生在褶皱构造的坚硬岩石中。 岩爆与断层、节理构造密切相关。当掌子面与断裂或节理走向平行时，极容易触发岩爆。

岩体中节理密度和张开度对岩爆有明显

的影响。据南非金矿观测资料，节理间距小于 图1 岩爆产生条件 40cm，且为张性节理时，一般不发生岩爆。掌子面岩体中有大量岩脉穿插时，也可能发生岩爆。 3.3.2 洞室埋深

随着洞室埋深增加，岩爆次数增多，强度也增大。

3.4 岩爆形成机理和围岩破坏区分带见图2。

A、劈裂成板阶段（岩爆孕育） 垂直洞壁方向受张应力作用而产生平行于最大环向应力的板状劈裂。仅在洞壁表部，部分板裂岩体脱离母岩而剥落，而无岩块弹射出现。

B、剪切成块阶段(岩爆的酝酿)

劈裂岩板向洞内弯曲，发生张剪复合破坏。

处于爆裂弹射的临界状态。 A、劈裂；B、剪断；C、弹射

C、块、片弹射阶段 图2 岩爆渐进破坏过程示意图 劈裂、剪断岩板，产生响声和震动。岩块发生弹射，岩爆形成。 岩爆的渐进性破坏过程很短促。

各阶段在演化的时序和发展的空间部位，都是由洞壁向围岩深部依次重复更迭发生的。因此，岩爆引起的围岩破坏区自外向内分弹射带、劈裂-剪切带和劈裂带等三个条带。

4 拉西瓦水电站尾水洞岩爆的特点

拉西瓦水电站尾水洞的岩爆一般具有以下特点：

（1）岩石以花岗岩为主，岩石坚硬干燥，在未发生前，无明显的征兆，虽经过仔细寻找，并无空响声，一般认为不会掉落石块的地方，会突然发生岩石爆裂声响，石块一般应声而下。

（2）岩爆发生的地点多在新开挖的掌子面及距离掌子面1～3倍洞径范围内，个别的也有距新开挖工作面较远；城门洞形常见的岩爆部位以拱部或边墙部位为多，渐变段常见的岩爆以拱肩部位为多；岩爆在开挖后陆续出现，多在爆破后的2～8小时，24小时内最为明显，延续时间一般1～2个月，有的甚至长达1年以上，事前一般无明显预兆。

（3）岩爆时围岩破坏的规模，小者几厘米厚，大者可达几十吨重。石块由母岩弹出，小者形状常呈中间厚、周边薄、不规则的片状脱落，脱落面多与岩壁平行。

（4）岩爆围岩的破坏过程，一般新鲜坚硬岩体均先产生声响，伴随片状剥落的裂隙出现，裂隙一旦贯通就产生剥落或弹出，属于表部岩爆；在强度较低的岩体，则在隧洞掌子面以内一定距离产生，向洞内临空面产生很大的冲击力，这种岩爆属于深部冲击型。

（5）由于爆破振动产生的冲击波影响，造成已开挖洞段应力重新分布，也会造成较大面积岩爆。

（6）拉西瓦尾水隧洞岩爆破坏形式主要为劈裂破坏和剪切破坏两种，破坏总体属爆裂脱落型，局部地段也曾出现过弹射现象。 5 岩爆的预防措施

为了确保高应力地区开挖、支护施工的安全，施工中采取了如下措施：

（1）在开挖过程中采用“短进尺、多循环”，在岩爆多发地段的开挖进尺严格控制在2.5m以内。采用光面爆破技术，提高光爆效果，改善洞壁应力条件，严格控制线装药密度及单耗，降低爆破动应力场的叠加，尽量减少对围岩的扰动，改善围岩的应力状态。

（2）在开挖施工前，沿洞壁先打Ф28，L＝6m超前锚杆，以提前释放应力并防止

劈裂型岩爆；

（3）开挖完成后，及时向岩面洒水，以释放应力；

（4）洒水后及时喷混凝土进行封闭，成拱支持，尽可能减少围岩暴露时间，并起到了初期支护的作用；

（5）在初期支护完成后，及时进行永久支护，以确保围岩稳定，必要时进行随机锚杆支护及钢支撑支护；由于支护的作用不但改善了掌子面及1～2倍洞径范围内围岩的应力状态，还改善了应力的分布。

（6）加强施工中的安全监测工作，通过围岩收敛监测、锚杆应力计及多点变位计监测等原型观测的手段，来预测岩爆发生的可能性，从而指导开挖和支护施工，确保安全。

6 岩爆部位实例分析

6.1 2#尾水洞尾20+425m～尾20+495m段岩爆

2005年5月2日，2#尾水洞尾20+425m～尾20+495m段在已完成一期支护的情况下，由于地应力较高等原因造成岩爆塌方，岩爆掉块重达几十吨。

业主、地质、设计、施工等单位经过现场勘察后分析确定其原因如下：

（1）本地区属高应力区，洞室开挖应力经过多次调整，围岩卸荷回弹，形成应力松弛圈，导致围岩结构面张开，少量地下水沿张开的缝隙渗出；同时加之该部位处于上叉施工支洞与2#尾水洞垂直交汇区，产生了应力集中；

（2）由于隧洞断面较大，尚未进行混凝土衬砌施工，洞内开挖一定时间后，由于卸荷围岩产生松弛变形；

（3）该段内发育有L1及L9两组高倾角裂隙，应力释放导致这两组裂隙进一步发育，结构面张开，产生了倾倒或剪切滑移失稳，使边墙失稳；

（4）塌方段附近的开挖爆破也是诱发岩爆塌方的原因之一。由于1#、2#尾水洞间围岩厚度仅26.4m，当时正在进行1#尾水洞中层的开挖；5月2日下午1#尾水洞由下叉洞向下游掘进至与塌方段相对应的尾10+320m桩号时，由于爆破振动产生冲击波，导致2#尾水洞尾20+425m～尾20+495m段应力重新调整分布，发生岩爆。

岩爆塌方发生后采取的措施如下：

（1）尽快对塌方部位喷C20素混凝土进行封闭，以尽可能减少新鲜围岩的暴露时间；

（2）挂Φ6.5，15×15cm钢筋网，并复喷10cm厚C20素混凝土；

（3）在上述支护的基础上，钻安3Φ28，L＝9m锚筋桩，间距3m×3m；在锚筋桩之间布置Φ25，L＝4m锚杆；

（4）严格控制爆破参数，加强爆破振动监测；