锦屏二级水电站岩爆专题报告剖析

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。

出露的岩石主要有：下古生界为碎屑岩类，上古生界和中生界变质的碳酸盐岩、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。

中更新世以来的堆积物主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—甘孜地槽褶皱系的东南部，中生代以来经受印支、燕山，特别是喜马拉雅运动，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的飞来峰构造，构成变形较强烈的地台边缘褶皱带和断裂带；雅江褶皱带是古生代至三迭纪的地槽褶皱带。

三迭纪末的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。

区内的断裂构造发育。

工程区地处高地应力区，引水隧洞上覆岩体一般埋深1500~2000m，最大埋深约为2525m，而岩爆现象则是其最具体的体现。

岩爆是影响洞室围岩稳定的主要因素之一，通过现场调研和室内测试，对引水隧洞围岩岩爆的模式、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，预测今后(以4#洞线为例)累计发生岩爆的长度约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，辅助洞岩爆发育特征与长探洞岩爆特征一致。

由于东端辅助洞局部所发生的岩爆强烈程度与长探洞相对应的部位进行对比，辅助洞内所发生岩爆等级要比长探洞严重，且辅助洞的埋深要比长探洞浅了约200m，说明在锦屏工程区岩爆存在着一定的尺寸效应。

同样地，在与目前东端辅助洞相同高程的引水隧洞，由于其开挖洞径达到13m，发生岩爆时，会表现出更为明显的尺寸效应。

在国内外有很多关于岩爆的分析及施工案例，在此对有关岩爆做出一个专题报告，以便更好的处理好锦屏工程的岩爆现象。

2.岩爆的特征及分类岩爆，又称矿山冲击，是在深埋洞室的施工掘进中洞室临空面边缘突然发生类似爆炸的巨响，并有岩石开裂、岩块弹射或崩塌掉块的现象。

它是深埋洞室或隧道特有的一种不良地质现象。

自1738年首次报导了英国锡矿发生岩爆以来，在世界范围内已有西德、南非、中国、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多个国家和地区记录有岩爆问题。

岩爆最强的可使整个矿坑、隧洞摧毁；同时造成的矿震最大可达3.2~4.6级以上，烈度达7~8度，使地面遭受破坏。

我国从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，造成人身事故，威胁施工安全。

岩爆是极为复杂的动力现象。

各国对此现象进行了大量的研究，目前多数停留在假说和试验阶段。

我国对岩爆的研究，近年来有所突破。

如中国国际工程咨询公司谭以安对天生桥电站引水隧洞的岩爆灾害进行了详细的调查研究，通过对岩爆一般力学特性和破坏断口的电微扫描分析确定，岩爆属于张、剪脆性破坏。

对岩爆部位探洞详细观测，除了把爆裂面以内的围岩分为塑性带（松动圈）和弹性带外，进一步把松动带细分为劈裂－剪切带、劈裂带。

经过综合分析，得出这样的结论：岩爆是具有大量弹性应变能储备的硬质脆性岩体，由于开挖洞石和坑道，使地应力分异、围岩应力跃升及能量进一步集中，在围岩应力作用下产生张－剪脆性破坏，并伴随声响和震动，而消耗部分弹性应变能的同时，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，造成岩片（块）脱离母体，获得有效弹射能量，以猛烈向临空方向抛（弹、散）射为特征，是经历“劈裂成板－剪断成块－块片弹射”渐进过程的动力破坏现象。

岩爆是在一定的地质构造、地层岩性、地应力场和由于深埋洞室的施工开挖临空条件变化造成瞬间围岩压力集中，改变了围岩周围的应力状态和性质等条件下产生的。

目前观察到岩爆现象多发生在深埋大于200m地下建筑物中，如云南天生桥引水隧洞埋深200~250m（厚层灰白色灰岩）、成昆线官村坝隧道埋深500~900m（含燧石结核的硅质灰岩）、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13490m，1965年在施工过程中石英闪长岩发生过9次岩爆，有的持续2~3个月）埋深最大达1210m、瑞士弗卡隧道（长14713m，主要地层为片麻状花岗岩）埋深最大为1520m。

岩层埋深越大，开挖时产生岩爆的强度和频率就越高。

有人认为，在埋深超过2500m以下时，不采用特殊的施工方法，一般是无法开挖隧道的。

岩爆的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的岩层中，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的致密脆硬性岩层，或为产状近似于水平的脆硬性岩层，它们开挖前整体好，不见张开节理，仅见少量的密闭构造节理。

洞室开挖后基本干燥，从地质构造上来看，在地应力集中地区（如地质构造线转折与相交部位）表1 国内外岩爆实例统计表注：＊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），往往可能使岩爆加剧。

就洞室与导坑断面形式而言，方形、梯形的较拱形、园形的洞室或导坑岩爆更为严重。

岩爆控制方法有多种，一旦确定了应力集中区的位置，就应当降低应力，以减少爆裂的危害。

在我国，目前常用的控制岩爆的方法有注水、钻孔卸压、锚杆－钢丝网－喷射混凝土，效果尚好。

深埋的长大隧道在勘测设计阶段如何评价和判断岩爆问题，主要是考虑上述的区域构造应力场条件（即当深埋洞室的轴线垂直或近于垂直地区构造应力场的最大地应力方向时易发生岩爆）和岩层条件（致密性脆的岩层，节理密闭，特别是在中厚层灰岩中夹有薄层钙质脆硬性岩层时，应予特别注意）从而提出产生岩爆的可能性和必要的控制方法。

我国水电工程最早在渔子溪Ⅰ、Ⅱ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。

这一特异地质现象的出现，引起了人们的关注，并作了记载和报道。

然而，直到70年代后期，一些研究者才在分析钻孔饼状岩心力学机制的基础上，初步探讨了岩爆的发生、发展及预测防治。

对于岩爆的研究国内外已有不少的论述。

从工程实用现点来看，常把有爆裂声、有弹射的围岩突然破坏的现象称为岩爆。

可以看出岩爆所具有的特征是：（1）从释放的现象看，破坏具有突发性；（2）从围岩应力角度看，包括集中－超限－破坏－转移过程；（3）从能量变化角度看，包括聚集－消散过程（能量消散包括围岩破坏做功、弹射、发震），当聚集的能量仅能造成围岩突然破坏而无剩余能量造成弹射、震动（可听音）时，即为无可听音岩爆（几种岩爆定义中的一种）。

以下简述国内外部分实际工程中的岩爆特征及岩爆的分类。

2.1.实际隧洞工程中的岩爆特征（1）中国，秦岭隧道Ⅱ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：200~1100m。

岩爆特征：岩爆声响既发生在掌子面，也发生在正在发生岩爆的岩体处。

高地应力段洞室施工中，在刚开挖的工作面可听到岩体内部沉闷的岩体开裂声，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的岩体内部开裂声；有时发出“喀喀”的声响。

这种声音一般在刚开挖后20分钟至6小时可以听到，掌子面发生岩爆的声响可以持续至8~10小时。

掌子面后部岩爆处岩体爆裂声，一般轻微岩爆的声音，较为清脆，可以清晰地听到“啪、啪”的声响；强烈岩爆地段便可听到“澎、澎”，同时夹有“噼、噼”的声响。

由于岩爆剧烈程度的不同和岩性的不同，岩爆的爆落体也各有不同。

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的椭圆片体，该片体中心厚周边薄，片体大小一般由5×6×0.5（cm）~280×160×35（cm）不等；强烈抛射型岩爆体，多为四棱块状，块体直径一般为10~92cm。

岩石矿物晶粒较小的致密混合片麻岩，弹射型岩爆时在爆落体弹射出的同时有一圈岩粉伴随射出；岩石矿物结晶程度较好晶粒较大的花岗伟晶岩，弹射型岩爆时在爆落体弹射出的同时有一圈岩粉伴随射出，同时在爆落岩体基岩表面有被撕裂的矿物晶体薄片，大小如指甲或铜钱；侵入脉体尖端的岩爆往往较为剧烈，岩爆体多为块体。

（2）中国，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：60~100MPa。

埋深：130~760m。

岩体初始应力：σ1=25.8MPa。

岩爆特征：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9.5~10.8m，圆形断面，用掘进机和钻爆法两种方法施工。

岩爆发生在灰岩、白云岩洞段。

其主要特点是：①爆裂声微弱，无弹射现象。

在施工噪声干扰的情况下，很少听见岩爆声响，偶尔听到噼噼啪啪声，不干脆的劈柴撕裂声。

顶板岩爆片自然落下，底板岩爆片仍堆积在原处。

②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的左上方及右下方，钻爆法施工洞段一般出现在洞两侧壁。

③岩爆多发生在距掌子面4~10m的洞壁上，少数发生在掌子面上。

持续时间24h，以后一般不再发生新的爆裂，仅在少数地方一个月后仍见脱块现象。

④岩爆规模可以分为以下三种类型：a.零星岩爆，面积0.5×0.5~2×2m2，零星分布在洞壁上（仍位于左上方及右下方）；b.大面积岩爆，宽3~4m，长（指沿洞线方向）10~20m；c.连续岩爆，宽2~3m，长度大于10m，长达100~150m，在洞壁左上方及右下方各形成一条长沟；⑤破裂面类型：a. 劈裂剥落：劈裂面平行洞壁，岩片厚一般为0.5~15cm，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）。

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）5~20cm，个别厚达30~40cm。

岩板与洞中心线夹角18°~20°，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36°~40°，锐角指向掘进方向，岩块较厚（在掘进机施工洞段）普通30~40cm，还受横向破裂面切割形成岩块。