2023年锦屏二级水电站岩爆专题报告.doc
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1、1. 本工程引水隧洞岩爆问题概述锦屏二级水电站位于雅砻江锦屏大河弯处雅砻江干流上。位于川滇菱形断块。出露岩石重要有:下古生界为碎屑岩类,上古生界和中生界变质碳酸盐岩、碎屑岩和玄武岩、火山碎屑岩,以及前震旦系变质岩系,古生界碳酸盐岩,峨眉山玄武岩和碎屑岩,中生界碎屑岩、粘土岩。中更新世以来堆积物重要沿河谷与山麓地带零星分布。从大地构造上,锦屏二级水电站位于松潘甘孜地槽褶皱系东南部,中生代以来经受印支、燕山,尤其是喜马拉雅运动,形成一系列迭瓦状逆冲断层、地层倒转、“A”型平卧褶皱和拉伸线理以及沿断层形成飞来峰构造,构成变形较强烈地台边缘褶皱带和断裂带;雅江褶皱带是古生代至三迭纪地槽褶皱带。三迭纪末
2、印支运动使其褶皱回返,燕山运动影响本区,有花岗岩类侵入。喜山运动强烈隆起并伴有断裂活动。区内断裂构造发育。工程区地处高地应力区,引水隧洞上覆岩体一般埋深1500m,最大埋深约为2525m,而岩爆现象则是其最详细体现。岩爆是影响洞室围岩稳定重要原因之一,通过现场调研和室内测试,对引水隧洞围岩岩爆模式、分级、预测预报、防治措施等开展了深入研究,表明锦屏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,预测此后(以4#洞线为例)合计发生岩爆长度约5548m,无岩爆段长度约11119.1m,其中发生轻微量级岩爆长度约3291m,中等量级岩爆长度约1211m,强烈量级
3、岩爆长度约895m,极强量级岩爆长度约151m。通过对辅助洞岩爆现场调研,辅助洞岩爆发育特性与长探洞岩爆特性一致。由于东端辅助洞局部所发生岩爆强烈程度与长探洞相对应部位进行对比,辅助洞内所发生岩爆级别要比长探洞严重,且辅助洞埋深要比长探洞浅了约200m,阐明在锦屏工程区岩爆存在着一定尺寸效应。同样地,在与目前东端辅助洞相似高程引水隧洞,由于其开挖洞径到达13m,发生岩爆时,会体现出更为明显尺寸效应。在国内外有诸多有关岩爆分析及施工案例,在此对有关岩爆做出一种专题汇报,以便更好处理好锦屏工程岩爆现象。2. 岩爆特性及分类岩爆,又称矿山冲击,是在深埋洞室施工掘进中洞室临空面边缘忽然发生类似爆炸巨响
4、,并有岩石开裂、岩块弹射或倒塌掉块现象。它是深埋洞室或隧道特有一种不良地质现象。自1738年初次报导了英国锡矿发生岩爆以来,在世界范围内已经有西德、南非、中华人民共和国、波兰、东德、捷克斯洛伐克、匈牙利、保加利亚、奥地利、意大利、瑞典、挪威、新西兰、美国、法国、加拿大、日本、印度、比利时、安哥拉等20多种国家和地区记录有岩爆问题。岩爆最强可使整个矿坑、隧洞摧毁;同步导致矿震最大可达3.24.6级以上,烈度达78度,使地面遭受破坏。国内从1949年到1985年5月在32个重要煤矿中,至少发生过1842起煤爆和岩爆。1965年1月至3月,成昆线关村坝隧道(长6107m)昆明端施工时多次发生岩爆,导
5、致人身事故,威胁施工安全。岩爆是极为复杂动力现象。各国对此现象进行了大量研究,目前多数停留在假说和试验阶段。国内对岩爆研究,近年来有所突破。如中华人民共和国国际工程征询企业谭以安对天生桥电站引水隧洞岩爆灾害进行了详细调查研究,通过对岩爆一般力学特性和破坏断口电微扫描分析确定,岩爆属于张、剪脆性破坏。对岩爆部位探洞详细观测,除了把爆裂面以内围岩分为塑性带(松动圈)和弹性带外,深入把松动带细分为劈裂剪切带、劈裂带。通过综合分析,得出这样结论:岩爆是具有大量弹性应变能储备硬质脆性岩体,由于开挖洞石和坑道,使地应力分异、围岩应力跃升及能量深入集中,在围岩应力作用下产生张剪脆性破坏,并伴随声响和震动,而
6、消耗某些弹性应变能同步,剩余能量转化为动能,使围岩由静态平衡向动态平衡失稳发展,导致岩片(块)脱离母体,获得有效弹射能量,以剧烈向临空方向抛(弹、散)射为特性,是经历“劈裂成板剪断成块块片弹射”渐进过程动力破坏现象。岩爆是在一定地质构造、地层岩性、地应力场和由于深埋洞室施工开挖临空条件变化导致瞬间围岩压力集中,变化了围岩周围应力状态和性质等条件下产生。目前观测到岩爆现象多发生在深埋不不不小于200m地下建筑物中,如云南天生桥引水隧洞埋深200250m(厚层灰白色灰岩)、成昆线官村坝隧道埋深500900m(含燧石结核硅质灰岩)、日本关越隧道埋深730m(石英闪长岩和角页岩)、日本新清水隧道(长1
7、3490m,1965年在施工过程中石英闪长岩发生过9次岩爆,有持续23个月)埋深最大达1210m、瑞士弗卡隧道(长14713m,重要地层为片麻状花岗岩)埋深最大为1520m。岩层埋深越大,开挖时产生岩爆强度和频率就越高。有人认为,在埋深超过2500m如下时,不采用特殊施工措施,一般是无法开挖隧道。岩爆产生还与地质条件有关。从岩性来看,岩爆多发生在坚硬性脆岩层中,如花岗岩、石英岩、片麻岩、斑岩、闪长岩、辉绿岩、砂岩、灰岩、硬煤等。这些岩层或为非层状致密脆硬性岩层,或为产状近似于水平脆硬性岩层,它们开挖前整体好,不见张开节理,仅见少许密闭构造节理。洞室开挖后基本干燥,从地质构造上来看,在地应力集中
8、地区(如地质构造线转折与相交部位)表1 国内外岩爆实例登记表实例编号隧 洞 名 称围岩岩性单轴抗压强度(MPa)点荷指数(MPa)岩体初始应力(MPa)围岩最大切应力(MPa)岩 爆 特 征 描 述岩爆类型1天生桥二级引水隧洞角砾状灰岩803.625.7*64.3劈裂、轻微弹射,有开缝声响。(弱)2渔子溪一级引水隧洞中细粒花岗闪长岩、闪长岩1707.73045*岩片弹射(中)3成昆铁路官村坝隧道硅质灰岩1205.5弹射岩片拳头大小,射距23m,最大弹射0.50.40.07m(中)4挪威Sima电站地下厂房花岗岩、花岗片麻岩1808.319.5*48.75220.5m岩块抛射20m,击中对壁(强
9、)5挪威Hyanger-Lanefjord隧道片麻岩60至2002.7至93495剥落及弹射(中)6挪威Heggura隧道片麻岩100至2504.5至1125*62.5剥落及弹射(中)7挪威Sewage隧道花岗岩1808.375.4*劈裂、有锋利爆裂声响(中)8瑞典vietas水电站2.3号发电洞粉砂岩基石英岩803.650*至70125至175劈裂,使咬合完好层面张开,有开裂声响,无弹射,超挖严重(弱)9瑞典Juktan水电站隧洞花岗岩1808.350*125岩爆及块裂(中)10瑞典Ritsem电站麋梭岩803.612*、20*30至50劈裂,锚固前每月劈裂加深0.5m(弱)11瑞典Fors
10、mark核电站片麻岩130620*50弹射岩片大小约10cm左右,发出巨大声响(中)12苏联拉斯丰恰尔矿霓霞石、磷霞石1808.357岩射及剥落(中)13日本关越隧道石英闪长岩23610.723689最大一次岩爆,从掌子面突出45m3岩块(强)14日本新清水隧道待查1838.3弹射岩片0.20.21.22.5m,厚0.051.0m(强)注:实测值,汪泽斌推算值以及洞室轴线与压性构造线相平行时(即洞室轴线与地区最大主应力方向垂直或近于垂直时),往往也许使岩爆加剧。就洞室与导坑断面形式而言,方形、梯形较拱形、园形洞室或导坑岩爆更为严重。岩爆控制措施有多种,一旦确定了应力集中区位置,就应当减少应力,
11、以减少爆裂危害。在国内,目前常用控制岩爆措施有注水、钻孔卸压、锚杆钢丝网喷射混凝土,效果尚好。深埋长大隧道在勘测设计阶段怎样评价和判断岩爆问题,重要是考虑上述区域构造应力场条件(即当深埋洞室轴线垂直或近于垂直地区构造应力场最大地应力方向时易发生岩爆)和岩层条件(致密性脆岩层,节理密闭,尤其是在中厚层灰岩中夹有薄层钙质脆硬性岩层时,应予尤其注意)从而提出产生岩爆也许性和必要控制措施。国内水电工程最早在渔子溪、级及映秀湾水电站隧洞中发生过岩爆,此后在白鹤滩、大岗山、二滩、太平驿水电站,天生桥二级引水隧洞中也出现过岩爆,并在鲁布革水电站、三峡三斗坪坝址、拉西瓦水电站等出现钻孔饼状岩心。这一特异地质现
12、象出现,引起了人们关注,并作了记载和报道。然而,直到70年代后期,某些研究者才在分析钻孔饼状岩心力学机制基本上,初步探讨了岩爆发生、发展及预测防治。对于岩爆研究国内外已经有不少论述。从工程实用现点来看,常把有爆裂声、有弹射围岩忽然破坏现象称为岩爆。可以看出岩爆所具有特性是:(1)从释放现象看,破坏具有突发性;(2)从围岩应力角度看,波及集中超限破坏转移过程;(3)从能量变化角度看,波及汇集消散过程(能量消散波及围岩破坏做功、弹射、发震),当汇集能量仅能导致围岩忽然破坏而无剩余能量导致弹射、震动(可听音)时,即为无可听音岩爆(几种岩爆定义中一种)。如下简述国内外某些实际工程中岩爆特性及岩爆分类。
13、2.1. 实际隧洞工程中岩爆特性(1)中华人民共和国,秦岭隧道线(平导施工)岩性:混合片麻岩、条带状混合片麻岩、眼球状混合花岗岩、花岗伟晶岩岩脉。埋深:2001100m。岩爆特性:岩爆声响既发生在掌子面,也发生在正在发生岩爆岩体处。高地应力段洞室施工中,在刚开挖工作面可听到岩体内部沉闷岩体开裂声,声响大时如炮声。平导掌子面处推进至DyK77+172处,出完碴测量时,掌子面内部便发出沉闷如炮声岩体内部开裂声;有时发出“喀喀”声响。这种声音一般在刚开挖后20分钟至6小时可以听到,掌子面发生岩爆声响可以持续至810小时。掌子面后部岩爆处岩体爆裂声,一般轻微岩爆声音,较为清脆,可以清晰地听到“啪、啪”
14、声响;强烈岩爆地段便可听到“澎、澎”,同步夹有“噼、噼”声响。由于岩爆剧烈程度不一样和岩性不一样,岩爆爆落体也各有不一样。剥落型岩爆岩爆体多为一边薄一边厚,如砍刀状;轻微弹射型岩爆多为细长椭圆片体,该片体中心厚周围薄,片体大小一般由560.5(cm)28016035(cm)不等;强烈抛射型岩爆体,多为四棱块状,块体直径一般为1092cm。岩石矿物晶粒较小致密混合片麻岩,弹射型岩爆时在爆落体弹射出同步有一圈岩粉伴随射出;岩石矿物结晶程度很好晶粒较大花岗伟晶岩,弹射型岩爆时在爆落体弹射出同步有一圈岩粉伴随射出,同步在爆落岩体基岩表面有被扯破矿物晶体薄片,大小如指甲或铜钱;侵入脉体尖端岩爆往往较为剧
15、烈,岩爆体多为块体。(2)中华人民共和国,南盘江天生桥二级(坝索)水电站引水隧洞岩性:厚层块状灰岩、白云岩。单轴抗压强度:60100MPa。埋深:130760m。岩体初始应力:1=25.8MPa。岩爆特性:隧洞共3条,每条长9.5km。灰岩、白云岩洞段长8km,砂、泥岩洞段长1.5km。洞径9.510.8m,圆形断面,用掘进机和钻爆法两种措施施工。岩爆发生在灰岩、白云岩洞段。其重要特点是:爆裂声微弱,无弹射现象。在施工噪声干扰状况下,很少听见岩爆声响,偶尔听到噼噼啪啪声,不干脆劈柴扯破声。顶板岩爆片自然落下,底板岩爆片仍堆积在原处。岩爆在隧洞横断面上具对称性。在掘进机施工洞段岩爆发生在洞壁左上
16、方及右下方,钻爆法施工洞段一般出目前洞两侧壁。岩爆多发生在距掌子面410m洞壁上,少数发生在掌子面上。持续时间24h,后来一般不再发生新爆裂,仅在少数地方一种月后仍见脱块现象。岩爆规模可以分为如下三种类型:a.零星岩爆,面积0.50.522m2,零星分布在洞壁上(仍位于左上方及右下方);b.大面积岩爆,宽34m,长(指沿洞线方向)1020m;c.持续岩爆,宽23m,长度不不不小于10m,长达100150m,在洞壁左上方及右下方各形成一条长沟;破裂面类型:a.劈裂剥落:劈裂面平行洞壁,岩片厚一般为0.515cm,个别薄如纸片,边缘锋利。掌子面上劈裂面平行掌子面,爆裂最大深度达1.3m(有裂隙面)
17、。b.板状破裂:完整岩体破裂成岩板,岩板呈叠瓦状排列,岩板厚(在钻爆法洞段)520cm,个别厚达3040cm。岩板与洞中心线夹角1820,锐角指向掘进方向。c.块状破裂:破裂缝如同板状破裂,破裂面呈雁行排列,与洞中心线夹角3640,锐角指向掘进方向,岩块较厚(在掘进机施工洞段)一般3040cm,还受横向破裂面切割形成岩块。d.磷片状破裂:类似板状破裂,只是岩片小而薄,岩片厚110cm,破裂面与洞中心有两种状况,一种夹角为3640爆裂较深,一种夹角1820爆裂甚浅。溶洞、暗河、大断层中断岩爆范围延伸,较大岩爆距溶洞、暗河、大断层距离为1830m。小规模零星岩爆可出目前胶结好断层带上及溶蚀裂隙旁边
18、。(3)中华人民共和国,四川岷江渔子溪一级水电站引水隧洞隧洞岩性为中粒、中细粒花岗闪长岩及闪长岩,单轴抗压强度为170MPa,埋深250600m,洞壁切向应力为3045MPa。岩爆特性为:岩爆重要集中发生在隧洞拱肩处或右边墙处(山体外缘一侧),裂隙走向与洞线成锐角相交,出现片状弹射。崩落或呈笋皮状薄片剥落。新开挖洞体,在24h内顶板岩石爆裂声最明显,之后逐渐减弱。岩爆一般持续12个月,后来逐渐减少或趋于停止,个别地段在一年后仍有岩爆发生。(4)中华人民共和国,成昆铁路成昆铁路上官村坝隧道(震旦系灰岩)、莲地隧道(火成岩、变质岩)、百家岭隧道(灰岩、白云岩)、沙木拉达隧道(砂岩)、窄板沟隧道岩爆
19、特性:岩爆多在隧道施工爆破后一小时内发生,岩爆地点重要在新开挖工作面及其附近顶板牛角湾处,发生前常持续发出“噼啪”响声,爆出岩块成片状弹射或剥离。弹射距离一般23m,射出来岩块多为中间厚、周围薄菱片。开始拳头大小、速度很快,后渐为蚕豆般碎石四散弹射,最大体积为0.50.40.007m,剥离岩块体积可达21.30.2m。岩爆发生后有岩粉尾随出现,如烟雾状。(5)挪威,霍扬阁兰峡湾隧道岩性:前寒武系片麻岩。单轴抗压强度:60200MPa。埋深:110m。岩体初始应力:1=34MPa,3=8MPa。岩爆特性:霍杨阁一端200m处开始在拱顶和掌子面上发生剥落和偶尔岩爆。从450m至贯穿处埋深大洞段边墙
20、发生剥落和岩爆。当隧道穿过断层带、破碎带和闪长岩透镜体时,剥落发生位置也有某些变化。(6)挪威,赫古拉公路隧道岩性:片麻岩。单轴抗压强度:67210MPa。岩体初始应力:1=24.8MPa,2=9.3MPa,3=6.6MPa。岩爆特性:发生12级岩爆(拉森斯分级),围岩剥落,片落。(7)挪威,Sewage隧道岩性:花岗岩。洞壁应力:75.4MPa。岩爆特性:围岩发生劈裂。在岩爆最强烈处,持续劈裂发出噼噼啪啪爆裂声。(8)瑞典,Ritsem厂房交通洞岩性:糜棱岩。埋深:130m。初始应力:v=1220MPa,H=10MPa。岩爆特性:洞顶忽然持续松脱。洞壁产生垂直平行岩板。每月加深0.5m,直至
21、锚固。(8)苏联,阿尔帕塞凡隧洞最大埋深:1230m。岩爆特性:岩爆和气喷。岩石被抛到离工作面150m远处,形成大空洞,个别容积近2500m3。最大空洞尺寸超过设计轮廓线25m。(9)日本,关越隧道岩性:石英闪长岩。单轴抗压强度:236MPa。埋深:7301050m。岩爆特性:在10.9km隧道中有1.1km为岩爆危险区,岩爆有如下特点:1.岩爆在石英闪长岩中频频发生,而在角页岩内几乎不发生,第一次岩爆大概45m2岩块从掌子面突出,爆裂深度达4m。岩爆尤其集中,从汤泽洞口44204580m、47254845m、51805240m区间内。2.岩爆与地下水亲密有关,在无漏水北工区常常发生岩爆,而在
22、涌水多南工区,没有发生明显岩爆。3.岩爆在掌子面记录到次数是1417次,侧壁只有16次。侧壁岩爆发生在掌子面后方510m左右位置。4.掌子面岩爆多发生在左侧。5.岩爆在刚爆破后剧烈,随即安静,有少数活化现象。6.碴块放置一段时间,会变成碎片。(10)日本,新清水隧洞岩爆特性:岩爆发生在边墙及掌子面,岩片飞散。岩片0.20.21.22.5m厚0.051.0m,开挖期剧烈,持续23月。(11)格兰萨索公路隧道岩性:泥灰岩、石英岩。埋深:2001200m。岩爆特性:在里程4085m处,伴随掌子面推进,观测到如下几种现象:岩体中渗透水逐渐减少:RQD值逐渐减少到零;掌子面不稳定,其体现形式为大块石岩板
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