锦屏辅助洞地应力解决方案技术研讨雅砻江锦屏水电枢纽工程Word格式文档下载.docx

1、A线5.5 m；B线6.0 m。线型要素：平曲线半径：除西端进口受地形限制平曲线半径采用小半径外，其它均设置大于不设超高、加宽半径。纵坡：最大纵坡：2.5；最小纵坡0.115。竖曲线要素：最大半径5000 m；最小半径2000 m。设计荷载：汽40；挂300。紧急停车带：间距500 m，宽度3.5 m，长度30 m +6 m 2 m。2.2水文、气象及地形地质条件2.2.1气象、水文雅砻江流域属川西高原气候区，主要受高空西风环流和东南季风影响。干湿季节分明，每年11月至次年4月为旱季，日照多，湿度少，日温差大，降水极少，只占常年雨量的5%10%；510月为雨季，日照少，日温差少，气候湿润，降雨

2、多，雨量约占全年的90%以上。流域内暴雨多出现在69月，以78月最多。根据锦屏二级闸址附近的洼里水文站观测资料统计，多年平均降雨量为666，最大年降雨量为946.6，平均年降雨量为464.8。多年平均气温12.5，极端最高气温36.8，极端最低气温-1.0。根据锦屏二级厂址附近联合乡气象站的观测自来哦统计，多年平均降雨量为1139.6，最大年降雨量为1420.7，最少降雨量为928.3。多年平均气温为15.7，实测最高气温为34.0，最低气温为-3.6。2.2.2地形地貌锦屏辅助洞工程地处青藏高原向四川盆地过度的地貌斜坡地带，锦屏山以近南北向瞻布于河湾范围内，山势雄厚，重峰叠嶂，沟谷深切，主体

3、山峰高程4000m以上，最高峰4488m，最大高差达3000m以上；组成分水岭的最高山脊多呈尖棱状、梳壮的峰从；分水岭两侧地形不对称，东侧宽而西侧窄，山麓和冲沟内多见坍塌堆积物及倒石堆，在沟口形成冲积锥。区内山势展布与构造基本一致，地表起伏大，高差悬殊。山高谷深坡陡，是工程区地形地貌的基本特点。雅砻江在工程区内常水位面宽70100m。辅助洞进口景峰桥水面高程约1640m，出口大水沟水面高程约1326m。河谷呈典型的“V”形断面，两岸山坡陡峭。2.2.3沿线地质概况2.2.3.1工程地质本工程围岩均由三迭系（T）地层组成，岩性主要为碳酸盐岩及少量砂岩、板岩、绿泥石片岩。其中绿泥石片岩、细砂岩、中

4、砂岩、板岩分布于洞线K0+500K3+760、K4+300K5+100段，绿泥石岩分布于洞线K2+650K3+200，其岩石完整性差；碳酸盐岩有大理石岩角砾壮大理岩、条带壮云母大理岩、结晶灰岩、泥质灰岩。除泥质灰岩外，大多为厚层状，岩石较新鲜完整。其中白山组厚层块状白色臭大理岩在洞线上分布长度约8000m，碳酸盐岩类岩石在整个洞线上约占92%。2.2.3.2地质构造（1）褶皱：由于受区域构造的影响，在区域内形成一系列较为紧密的复式褶皱，根据地层的分布情况，辅助洞洞线的褶皱自西向东依次可分为：西部的褶皱为陆房沟背斜、解放沟向北延；中部为老庄子复式背斜的北延部分，两翼由白山组（T2b）地层的粉红色

5、大理岩和白色臭大理岩组成。东部在盐塘组（T2y）地层内发育6个小规模褶皱及一系列的紧密褶曲。（2）断层：隧洞沿线通过的主要断层：F5断层：N1030E，NW70，属压纽性，主带内有一定宽度的角砾岩，影响宽带510m左右，且岩石呈理化和千枚岩化；F6断层（锦屏山断层）：N2050E，NW或SE6087，断层宽带14.2m破碎宽带637m，发育泥化带、角砾岩及劈理带；F8断层（上手爬正平移断层）：N4280W，NE4563，断层带宽713m，带内岩石扭曲破碎，绢云母化、片岩化、糜棱岩化和泥化，多见石英脉穿插，沿断层带有水出露；F25断层：N70E，SE6675主带宽45 m，断层带内角砾岩宽405

6、0，挤压后岩石极破碎。断层泥呈带壮分布，局部充填有次生泥，并见石英脉呈网状穿插。揉皱剧烈，具羽列构造，影响宽带1113m；F27断层：位于干海中部，走向N3040W，倾向NENEE，挤压破碎，干海子地区唯一的小泉也分布在该断层附近。2.2.3.3水文地质本辅助洞洞线处于磨房沟泉和老庄子泉之间的地下分水岭附近，根据工程区岩溶水文地质条件，可以预测施工过程中将遇到较大涌水。整条隧洞的地下水主要受层面及NEENWW向构造结构面所控制，当辅助洞穿越不同地段的含水层将会遇到不同程度的涌水。不同地层岩性的地下水有其各自不同的特点：中大理岩层：为裂缝溶隙部分管道含水层，富水程度较强，不可避免地遇到岩溶裂隙水

7、的分散性涌水；绿泥石片岩（T）：为裂隙孔隙含水层，富水程度差，属相对隔水层；砂板岩地段：为裂隙孔隙含水层，富水性差，相对隔水；东西部盐塘组地段：裂隙孔容隙裂隙含水层，弱中等富水性，局部强富水，有少量溶孔（槽）及垂直向溶隙发育，其中的向斜构造内有一定的静水储量。2.2.4地震从雅砻江大河湾及其外围地区的地质构造环境特征可以看出，大河湾所在地区是由东介金箐断裂，西介八窝龙断裂、三岩龙断裂，西南介前波断层所围限的断块区。该断块内几条主干断层两侧的阶地未发现有差异，而且夷平面广泛分布，高程稳定，说明第四纪以来，块内处于同步整体抬升，块内无地震及水热活动。经分析研究综合评价后认为，该断块属稳定较稳定的断

8、块。本工程区地震基本烈度经四川省地震局1980年暂定为度2.3地应力分布情况辅助洞埋深大于1500m的洞段长度为13.27KM，占辅助洞总长的75。最大埋深2500m左右。根据对探洞实测和分析，实测最大地应力42 Mpa，预测最大埋深条件下的最大主应力为54.0Mpa，方向为竖直向下。围岩的岩石单轴抗压强度为：80120 Mpa（干）、6095 Mpa（湿）。根据边界条件假定和计算工况设定情况，分析围岩开挖后应力变化如下：隧洞开挖后，径向应力得到释放，导致切向应力增加。开挖后应力场和变位分布特点为，拉应力集中于两侧墙和底板，压应力集中于拐角部位。对于相同埋深的隧洞，随着侧压系数的增大，（最大主

9、应力）1和（最小主应力）2集度随之增大，顶拱位移随之减少的趋势，侧墙和底板位移随之增大的趋势；随着埋深的增加，应力集度和变位值都有增大的趋势，从量值上看，顶拱位移变化率大于侧墙位移变化率。各工况下底板、侧墙和顶拱都出现了塑性区域。塑性区域发展最先开始于底板，而后为侧墙和顶拱。侧墙和顶拱塑性区域连通。绝大多数工况下塑性区域均位于松动圈内，因此改进施工工艺，减少松动圈能有效改善辅助洞受力状态。辅助洞周边相对位移值在规范允许的范围内：在无支护情况下，辅助洞最大相对位移值为1.08,紧急停车带洞段最大相对位移值为0.95,两者均在公路隧道设计规范（TJT026-90）规定的埋深大于300m时隧道周边允

10、许相对收敛值（0.4-1.2）内。辅助洞断面采用城门洞时，在埋深、高地应力条件下的围岩是稳定的。3、本工程岩爆的预测和施工对策3.1岩爆的发生岩爆是高应力地区地下洞室中围岩脆性破坏时应变能突然释放造成的一种动力失稳现象，属于高应力地区洞室开挖中常见的一种地质问题。在隧洞开挖过程中，围岩突然破坏，并把破坏的岩石弹射出来，有时伴发出响声，轻微的呈片状弹射，严重的可将巨石猛烈抛出，威胁人身和设备安全。辅助洞埋深大，工程区地质构造复杂，具有发生岩爆的地质条件和岩性条件，根据地质报告，辅助洞产生的岩爆以弱中等岩爆为主，局部地段可能出现强岩爆。不会发生大变形。从长探洞的施工情况看，岩爆形态为零星、连续分布

11、的片状剥落、松脱，岩爆坑深度一般在0.5 m以内，局部达1-2m。锦屏长隧洞岩溶较发肓，从国内外工程经验及已挖探洞的岩爆规律，含水量较多地段不易发生岩爆，因此，该段岩溶发育，可在一定程度上减轻岩爆的程度。3.2岩爆强度大小的综合分级根据对以前国内外隧道和地下洞室的施工经验总结，岩爆的强度大小和岩石的抗压强度C ，围岩的级别s、洞室的埋深H、岩石的脆性指数Is以及原始最大主应力max 与C的比值等五个因素有必然的联系，要对岩爆破强度的大小进行科学合理的分级，就必须将上述的五个因素全部包括进去，见表一。岩 爆 强 度 的 综 合 分 级 表 表一分项指标分 级C（Mpa）围岩级别S埋深H（m）岩石

12、脆性指数Is1/C无岩爆80级以下5040.15微弱岩爆80120、级502003.55.50.150.25中等强度岩爆1201802007005.07.50.20.35强度岩爆180、级7007.50.3必须指出的是，由于岩爆本身的复杂性以及每一个具体的隧道或地下洞室在不同的部位、不同的里程具有的多样性，采用表一对具体某个洞室进行岩爆分级时，仍可能出现五个参数的分级结果不一致的现象，因此，对于一般的情况下，只要上述5个参数中，有3-4个参数分级一致时，即可进行分级，换句话说，上述表一中只要有其中三个指标满足时，即可对岩爆的强度大小进行分级。该分级方法在四川二滩电站的左导流洞，渝长线铁山坪隧道

13、、瑞典的福斯马克（Forsmark）水电站的引水隧道等工程施工中得到验证。3.3岩爆的预测、预报当隧道或地下洞室施工中可能发生岩爆时，应遵循以防为主，防治结合的原则，对开挖面前方的围岩特性、地质状况，是否存在断层或断层破碎带以及水文地质情况等进行预测、预报，根据表一的内容，发现有较强烈的岩爆发生的可能性时，应及时研究施工对策，作好施工前的必要准备。以地质为先导，其主要的方法可归纳为以下三个方面： 以超前探孔为主，辅以地震波、电磁波、钻速测试等手段。 开挖面及其附近的观察预报，通过地质的观察、素描，分析岩石的“动态”特性，主要包括岩体内部发出的各种声响和局部岩体表面的剥落等。 采用工程类比法进行

14、宏观预报。3.4岩爆的施工对策根据岩爆强度大小对其进行严格的分级。对不同的岩爆级别采用相应的技术对策措施，以尽量降低岩爆发生的强烈程度和减少岩爆造成的损失。 对于微弱岩爆地段，直接在开挖面上洒水，以软化表面，促进应力释放和调整，对于中等岩爆地段，在隧道设计断面轮廓线以外，包括边墙和拱部，以间距40-60cm，施打孔径=90-120mm,深L=3.5-5.0m的大孔，并向孔内喷灌高压水。对于强烈岩爆地段，除采用洞内注水、洒水的方法外，在浅埋地段，可以采用在地表钻孔注水的方法，以便大范围软化围岩。 选用合理的开挖方式，在岩爆较严重的地段采用短进尺，弱爆破的开挖方法，每循环进尺控制在1.0-1.5m

15、，最大也不宜超过2.0m，这样有利于及时对开挖面进行支护，缩短开挖面的暴露时间，以减轻岩爆发生所带来的危害。 开挖应尽可能的采用光面爆破，使岩石尽量平整，减少应力集中。爆破后应及时清楚浮石，在岩爆多发区爆破后应进行待避。 采用钢纤维喷射砼，根据支护类型喷1012cm厚的C20纤维砼,同时配合布置钢筋网，可以大大限制岩爆的发生。 施作超前锚杆，对于岩爆强烈的开挖掌子面，可采用安设超前锚杆的方法，对开挖面前方的围岩进行“锁定”，锚杆宜采用磨擦型锚杆（或早强锚杆），锚杆的环向间距0.5-1.0m锚杆的长度必须大于开挖循环长度的2.0-2.5倍。 施作预防岩爆的锚杆，布置于拱部和两侧边墙，需要时，也可

16、布置于开挖掌子面上。局部易发生岩爆地段，打25、长4.5m的随机预应力锚杆，锚杆间距一般为0.8-1.5m，与喷射砼联合使用，形成喷锚加固作用。 对于大断面和特大断面的隧道或地下洞室，当发生强烈岩爆时，可以在断面以内的适当位置，先掘进一个15-30m的小导坑，让地层中的高地应力得以部分释放后，再进行隧道的开挖。3.5岩爆发生时的应急措施岩爆有爆破后立即发生的，另一种是滞后的，滞后的岩爆是深层岩体的应力释放，同时在应力释放过程中，沿节理面岩石进一步松弛，有些岩块顺节理面掉落，后一种灾害更隐蔽，不易防范，所以必须做好支护，切勿以为围岩类别高，只要当时不发生岩爆即忽略了支护作用,因此将采用以下措施预

17、防： 岩爆发生后应彻底停机待避，同时进行工作面的观察记录，包括岩爆的位置、爆落的数量、弹射的速度和距离、岩爆前后的声响等，并尽快对岩爆强度进度分级。 不论在掌子面、拱部、两侧边墙，都要进行2-3次找顶。 尽快施作锚杆，一般应采用尽早受力的磨擦型锚杆（或早强锚杆），而不要采用普通砂浆锚杆。 及时喷射砼，挂设钢筋网，或喷射钢纤维砼，厚度为5-8cm. 采用台车钻眼时，对岩爆的强度在中等以下时，为了不间断施工，可以在台车及装碴机械、运输车辆上加装钢板，构成“防石棚”，以避免岩爆弹射出来的块体伤及作业人员和砸坏施工设备。4、重点工程实例4.1二滩电站左导流洞4.1.1工程概况二滩电站位于四川省攀枝花市

18、市郊，金沙江与雅砻江交会处沿雅砻江上游24km处的二滩，设计装机容量为330万kw。于1991年3月开工，1997年底主体全部竣工。左导流洞全长1087.5m，最大开挖高度35.2m，开挖宽度18.7m，开挖面积为628，最大埋深为170200m，最小为51.5m，主要岩体为坚硬致密的玄武岩和灰色正长岩，围岩级别为级和级。岩石的单轴抗压强度Rb=170220 MPa，地质构造较好，除局部地段有断层（宽度仅0.50.7m）和较小破碎带外，大部分是节理不发育的整体岩层，层厚大于1.0m，局部地段有裂隙水、规模一般为1040t/d。该区域为地应力较强的地区，围岩的原始应力为：最大主应力=52.5 M

19、Pa，最小=31.6 MPa，设计的开挖方法为钻爆法，开挖的方式是先在距拱顶4.5m5.0 m处开挖一面积为50的小导坑（属于前期工程），之后再顺次进行拱部的扩挖（高度为9.010.0m），然后是部台阶开挖（高度约6.07.0m）、部台阶开挖（高度约5.56.5m）如下图左所示，左导流洞的设计里程：LD0+000LD1+087.5。4.1.2左导流洞岩爆的基本特征该导流洞处于偏压状态，如上图右示，因而岩爆具有一定的特征，其主要特征如下：（1）岩爆发生的部位多集中在靠江侧（上图右中的AB段和BC弧段）起拱点附近最为强烈。（在主应力作用下，产生剪切破坏）（2）在接近断层涌水带之前，较频繁发生。（3

20、）距开挖掌子面的距离一般在2.010.0m范围以内。（4）时间间隔23天，时间长者达2个月。（5）在工作面上有某种程度的节理和龟裂现象发生。（6）爆破以后最为强烈，随时间推移而减少，但断断续续的山鸣声一般持续23天。（7）最大岩爆掉块数量达5.0m3。（8）脆裂与片裂两种形式均存在。（9）岩爆发生的里程：LD0+300LD0+840，其中LD0+620LD0+710为特级岩爆区。4.1.3左导流洞的支护参数由于岩石的强度高，节理不发育，所以喷射混凝土只在局部进行，喷射混凝土分两层，普通素混凝土（全集料）喷第一层，钢纤维混凝土喷射第二层，均采用湿喷。锚杆，既有全导流洞布置的构造型锚杆，也有局部的

21、特殊锚杆，锚杆孔灌注普通砂浆，强度为M30。构造型锚杆：22，长度L=5.0m、6.5m两种，间距2.0m2.0m，梅花形布置于拱部。针对岩爆的锚杆：22，长度L=3.0m、4.0m，主要用于靠江侧边墙和拱部。钢筋网：采用 6、12两种，间距3030，布置于岩爆较强烈的地段。4.1.4施工中针对岩爆采取的主要技术措施（1）超前钻孔、灌注高压水；（2）短进尺，强支护；（3）松动爆破和震动爆破；（4）开挖面洒水；（5）喷素混凝土和钢纤维混凝土；（6）挂设钢筋网、复喷；（7）施设段锚杆或加密锚杆。4.2太平驿水电站的引水隧洞4.2.1工程概况太平驿水电站位于四川省汶川县境内，系岷江上游梯级开发总体规

22、划中的第二座引水式电站，总装机容量为26万KW，电站于1991年7月开工，1994年12月竣工。该引水隧洞为有压隧洞，沿岷江左岸布置，隧洞全长10.5KM，断面为圆形，开挖直径为9.610.0m，隧洞垂直埋深为80650m，隧洞穿越的围岩以晋宁渝江期花岗岩、闪长岩和花岗闪长岩为主，在主要的岩爆区则以花岗岩为主，局部地段闪长岩脉和石英岩脉较发育，岩体坚硬致密，新鲜完整，多为整体块状结构，设计围岩类别为水电、类，大部分地段为无水或少水，岩石的单抗压强度Rb =150250 MPa，岩体中储存了较高的岩浆岩残余应力、构造应力和自重应力，厂区地表以下200m深处实测地应力为=30.7 MPa，=10.

23、2 MPa，属高地应力地区。4.2.2岩爆的发生情况第一次岩爆于1991年9月17日发生在2#施工支洞0+159.8处的掌子面上方，距支洞口360.2m，此处垂直埋深260m左右，自此至支洞与正洞交叉口先后发生了十余次岩爆，弹射弱，规模亦较小，依次爆落岩石在0.52.0m3以内。自1991年10月26日，由2#支洞进入正洞施工后，岩爆频率显著提高，规模明显增大，截止1992年5月底，在引水隧洞600m长度的开挖中，累计记录到大小岩爆430余次，并且造成了4次砸坏机械，3次砸伤作业人员和停工停产等严重事故，典型事例如下：（1）1991年12月12日，K2+246K2+277段，洞顶靠河侧持续岩爆

24、，爆坑宽3.06.0m，深0.52.0m，爆落石方量大约60 m3，打断两臂液压台车车右臂，停工23天。（2）K2+010K2+050洞段，洞顶靠河侧在开挖后数个月内岩爆断断续续，1992年1月10日至3月14日，发生大小规模但弹射较远的岩爆，5月2日此处再次发生岩爆，爆落石方12m3，8月6日，此处发生大规模强烈岩爆，爆落石方约150 m3，砸毁 1200的铁皮通风管30余米，造成施工道路堵塞，累积停工达17天。（3）1992年3月4日，K2+330K2+412洞段发生岩爆，爆坑最大高度达5.0m，一次爆落岩石200 m3，造成停工65天，在此之前，此段曾发生过十余次零星小规模岩爆。（4）1

25、992年4月7日，1#支洞工区接近正洞0+70靠河侧，在洞顶发生小型岩爆，砸伤洞内作业电工手臂，此处隧洞埋深仅100m左右。4.2.3该引水隧洞发生岩爆的基本特征（1）从爆裂声来看，有强有弱，有的沉而闷，有的清而脆；一般来讲，声响如闷雷的岩爆规模大，而声响清脆的规模较小，有的伴随声响可见破裂处冒岩灰。声发射现象非常普遍，绝大部分岩爆伴随着声响而发生，即使在施工干扰下，也能听到围岩内部的爆裂声。（2）从弹射程度上来看，其岩爆羁绊上属于弱弹射和无弹射两类。一般洞室靠河侧上部岩爆属于弱弹射类，其弹射距离不大于2.0m，在0.82.0m之间。洞室靠山侧下部的岩爆属于无弹射类，仅仅是将岩面劈裂形成层次错

26、落的小块，或脱离母岩滑落的大块岩石，且可以明显地观察到围岩内部已形成空隙或空洞。（3）从爆落的岩体来看，岩体主要有体积较大的块体或体积较小的薄片，薄片的形状呈中间厚，四周薄的贝壳壮，其长与宽方向的尺寸相差并不悬殊，周边厚度则参差不齐。而岩块的形状多为有一对两组平行裂面，其余的一组破裂面呈刀刃状。前者几何尺寸均较小，一般在4045（520）范围内，后者从数十厘米到数米不等。（4）从岩爆坑的形态来看，有直角形、阶梯形和窝状形，如下图中A、B、C所示。爆坑为直角形的岩爆，其规模较大，爆坑较深，其伴随有沉闷的爆裂声。而阶梯形岩爆的规模较小，时常伴随多次爆裂声发生，爆落的岩体多为片状或板状。窝状形爆坑的

27、岩爆规模有大有小，在石英脉富集处，规模较大，而在岩脉较少处，则规模较小。基本上为一次暴烈成窝状，破坏与声响基本同步。（5）从同一部位发生岩爆次数来看，有一次性和重复性，前者为一次岩爆后不加支护也不会再发生岩爆；后者则在同一部位重复发生岩爆，有的甚至达十多次，对施作锚杆支护的情况下，可以明显地观察到爆裂的岩块悬挂在锚杆上，形状主要为板状和片状。（6）从岩爆的声响到岩石爆落的时间间隔方面，可分为速爆型和滞后型。前者一般紧随着声响后产生岩石爆落，其时间间隔一般不会超过十秒，其破坏规模较小；后者表现为只闻其声而不见其动，岩爆可滞后响声半小时甚至数月不等，也有少量只有声响而不发生岩石脱离母岩的现象，即只

28、有围岩内部裂纹的扩展而不产生破坏性爆落岩石。（7）从岩爆坑沿洞轴线方向的分布来看，有三种类型：即连续型、断续型和零星型。前者表现为岩爆坑沿洞轴方向连续展布长达20100m；第二种表现为岩爆坑以几十厘米至2m为间隔成片分布。其沿洞轴分布长度一般10100m之间，且洞壁上可见的鳞片纹线现象；第三种则表现为小规模的单个岩爆出现。4.2.4该引水洞岩爆的分布规律（1）岩爆均发生在干燥无水的黑云母花岗岩岩体中，强烈而频繁的岩爆则主要分布于下列两种岩层： 新鲜、完整、坚硬而脆性的着呢个体花岗岩，沿洞轴向以10150m的间隔出现0.24.0m厚的闪长岩脉，如1#2#支洞的正洞区段。 花岗岩体中分布着大量的石英岩脉，将花岗岩切割成块状结构，且局部存在一些结构面，如2#支洞的下游。 在岩体结构面发育，有少量地下水渗滴地段，岩爆的规模及频率较小，特别是在有地下水出露的地段，几乎不发生岩爆，在闪长岩脉附近的花岗岩体中发生岩爆的频率较高。（2）发生岩爆区段的洞室垂直埋深在260650m之间，少数发生在垂直埋深为100m的地方，如K0+700处。洞室埋深与岩爆的频率并无严格对应关系。（3）岩爆均发生在洞室顶靠河侧（右侧）1070的范围内以及靠山侧（左侧）下部与之相对的部位。而在靠河侧的下游和靠山侧的