王敦平
（四川省清源工程咨询公司 成都市 610072）
摘要：岩爆是地下工程开挖施工中发生在高地应力、完整脆性岩体内的一种地质灾害，极大地威胁着施工人员和设备的安全。通过对踏卡水电站引水隧洞Ⅳ标下游洞段开挖时发生岩爆现象的观测，分析其特征和规律，从实践中初步总结出了一套预防和治理岩爆的方法，供其他类似工程在施工时参考和借鉴。
关键词：引水隧洞 岩爆 锚喷 挂网锚喷
1．工程及地质概况
踏卡水电站位于四川省西南九龙县境内，是九龙河左岸一级支流踏卡河水电规划“一库二级”开发方案的第二个梯级电站，为低坝引水式电站，具有日调节，设计引用流量30.9m3/s，装机2×5.5MW。引水隧洞沿踏卡河右岸布置，自进水口至调压井隧洞全长16445.35m，进水口底板高程2646.0m，纵坡降3‰。于2010年建成发电。
引水隧洞Ⅳ标下游、Ⅴ标上游8+880～12+300m，隧洞为城门洞形有压洞，开挖尺寸4.5×5.05m。洞室垂直埋深一般大于500m，最大埋深1000m，水平埋深为600～1000m，最大水平埋深1500m。围岩为三叠系中统杂谷脑组(T2z)灰～深灰色，中厚层状变质砂岩，岩体新鲜，岩质坚硬，判定以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，成洞条件较好。因埋深较大，围岩坚硬干燥，在实际施工中，隧洞10＋010～10＋950段940m出现了不同程度的岩爆，累计记录达100余次，造成了砸坏机械、砸伤作业人员和停工停产等严重事故。
2．岩爆
2.1岩爆现象及特征
从踏卡水电站引水隧洞岩爆发生过程中观察和记录到的资料看，踏卡电站引水隧洞岩爆特征为松动，脱落围岩呈块、板、片状，爆裂声响细微，偶尔可以听见噼噼啪啪响声、无弹射现象。洞室拱顶有岩块自由坠下，岩块堆积在底板原处。引水隧洞的岩爆大体上有如下基本特征：
（1）掌子面在开挖5～8小时后，拱顶围岩内部有破裂声，声音多呈闷响。随着岩爆声响，部分洞段有中间厚、周边薄、不规则的片状岩块脱落，脱落面多与岩壁平行。
（2）离掌子面20m以后的洞段，有时也能听到轻微岩爆声，但随着岩爆声响，一般不会有岩块坠落，可见到顺洞向的新鲜的断续、短小破裂缝，裂缝一旦贯通就产生岩块剥落。
（3）岩爆洞段岩爆现象持续时间较长，未做支护的岩爆洞段，暴露半年或一年时间，
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且已进行多次巡回撬顶，清除爆裂的危石，仍然可见到由破裂面形成的板状、片状岩块悬挂或嵌在洞室拱顶。
（4）施工中每掘进10～20m，进行素喷混凝土的洞段，偶尔也有岩爆发生，有时喷护混凝土掉落，有时喷护混凝土和岩块一起坠落。采用系统锚杆+挂网喷混凝土的洞，基本无岩爆现象。
2.2岩爆的产生、分级及分类
地下工程穿越坚硬围岩且处于高应力地区时，常常由于围岩的应力超过围岩的强度而使围岩发生突然破坏，并伴随产生块体的弹射、抛掷、震动、声响等释放内部较大的弹性应变能的现象，称为岩爆。挪威的罗申斯(Russenes)将岩爆的活动性分为四级。
（1）根据踏卡水电站引水隧洞段内岩爆形成坠落块体的大小及掌子面5～10m观察听到岩爆声的频率，对照挪威罗申斯岩爆活动分级，引水隧洞的岩爆程度划分如下：
桩号(引) 9+040～9+100m、10+280～10+320m为轻微岩爆段。 桩号(引)10+635～10+705m为中等岩爆段。 桩号(引)12+255～12+285m为轻微岩爆段。
2.3岩爆洞段的施工安全防护
鉴于踏卡水电站引水隧洞Ⅳ标下游的实际情况，所采用的防治岩爆的方法是在施工阶段中进行的，立足于减轻或避免岩爆伤人毁机及导致围岩大面积失稳的目标。按照“安全第一、稳扎稳打、不盲目冒进”的指导思想，遵循“以防为主、防治结合、多种手段综合治理”的原则进行施工和防治岩爆，具体方法如下所述。从桩号(引)9+860m开始出现岩爆现象，为了选择对施工进度影响较小的安全处理措施，分别在不同的岩爆洞段做了如下处理措施：
① 改善围岩应力，在洞身开挖爆破时，采用“短进尺、多循环”，采用光面爆破技术，并严格控制用药量，以尽可能减少爆破对围岩的影响，改善围岩应力状态。
② 改善围岩性质，在施工过程中，对工作面附近隧道岩壁喷射高压水冲洗，促进围岩软化，从而消除或减缓岩爆程度。
③ 对围岩进行加强支护，掘进5～10m进行锚固，设置了径向锚杆，锚杆为φ22，梅花型布置，间距1～1.5 m，长度为2～3 m。掘进20～30m时，为了防止锚杆间的劈裂型岩爆，还补喷了素混凝土5～8 cm，特别严重洞段采用锚喷混凝土挂网支护。实践证明，该方法对踏卡水电站引水隧洞岩爆有较好效果。
3．岩爆处理方法探讨 3.1岩爆的具体特征
根据部分工程的实例，岩爆的具体特征尚有：
（1）岩爆发生的部位与区域新构造应力场的主应力有关，如渔子溪一级引水隧洞多发生在靠山坡一侧的拱角处。踏卡水电站引水隧洞主要发生拱顶，其主应力为水平应力。
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（2）岩爆发生的时间，在开挖后陆续出现，24小时内最为明显，延续时间一般1～2个月，有的延长1年以上，事前一般无明显预兆。
（3）围岩的破坏规模，小者几厘米厚，大者可多达几十吨重。小者一般形状常呈中间厚、周边薄、不规则的片状脱落，脱落面多与岩壁平行。
（4）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，则在离隧洞掌子面以里一定距离产生，造成向洞内临空面冲击力量最大，这种岩爆属于深部冲击型，如天池煤矿将20多吨煤抛出20多米远。
3.2岩爆的预测
岩爆的预测尚无完善的方法，应在充分收集资料的基础上进行推理分析，对岩爆进行预测。
（1）收集资料
（a）岩体特性：完整性、强度、构造发育程度、透水性、富水性、地下水位； （b）地应力测试：主应力大小，方向； （c）洞室开挖断面、走向、埋深；
（2）根据围岩岩体特性与实测地应力资料进行预测，按照开挖后应力条件，评价岩爆发生的可能性。当围岩周边应力接近岩体强度时，岩爆现象将比较剧烈；当围岩周边应力小于岩体强度时，一般岩爆现象不太剧烈。
（3）施工阶段利用岩爆发生的响声预报岩爆的位置。
3.3岩爆的防治 3.3.1超前径向钻孔减压
在产生岩爆的部位打一些风钻孔，人为的造成地应力扩散，必要时将完整岩石放小炮振裂，改善应力集中状态。钻孔方向应垂直岩面，间距20～50cm，孔深1～3m。
3.3.2锚固
永久支护与临时支护结合，如采用锚喷支护型式，则应挂网喷混凝土，锚杆深度相对大一些；如采用混凝土衬砌型式，则可以采用临时锚杆+喷混凝土，锚杆深度可小一些。
3.3.3灌水或洒水
在发生岩爆洞段打风钻孔，向孔内压水；或每循环放炮后，对工作面附近岩壁喷射高压水冲洗，促进围岩软化。
3.3.4临时钢木排架支护
观察隧洞围岩变化情况，在听到岩爆声后，立即进行支护，以免事故发生。
4、几点体会
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(1) 根据有关试验结果及工程资料表明，在喷钢纤维混凝土中加入适量的硅粉，能显著提高钢纤维混凝土的抗压强度，同时减少水泥用量，并能起到增粘作用，减少喷混凝土的回弹量；
(2) 如果有条件，将声发射探测作为预报岩爆的手段，并配备有效的现场岩爆监视仪器，能最大限度地避免伤人、伤机事故的发生；
(3) 岩爆洞段初期安全支护后，在有条件的情况下，应及时跟进二次永久衬砌支护，以免该洞段因暴露时间过长而重新出现二次岩爆现象，危及人员及设备的安全，并造成支护费用的增加；
(4) 岩爆发生后，出现岩块的爆落或弹射，势必会造成隧洞的“超挖”，“超挖值”的大小有待研究。如果掌握了不同强度岩爆的具体“超挖值”，那么，可以在施工中采取更为合理而有效的对策措施，这对降低工程造价将有一定的现实意义；
(5) 在Ⅳ标下游长达900 m的岩爆洞段施工中，施工单位通过不断总结经验和教训，以锚、网、喷支护手段为主，结合多种防治措施，以较低的工程造价和损失，按期完成了岩爆洞段的开挖施工，得到业主和监理单位的一致好评。
参考文献
［1］李协生.不衬砌引水隧洞设计中的若干问题［M］.成都：西南交通大学出版社，1994.
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