浅谈水利水电工程地下洞室岩爆防治与安全管理

浅谈水利水电工程地下洞室岩爆防治与安全管理

彭远川

【摘要】水电工程建设项目是一项综合性、系统性的复杂工程，具有施工工期长、技术难度大、人员设备多、作业面广等特点。工程建设中会面临高地应力、高边坡、岩爆、复杂地质构造等技术难题，安全管理压力较大，形势严峻。双江口水电站地下洞群最大垂直埋深约500m，地下洞室围岩坚硬，局部地应力集中强度较高，岩爆发生概率较大，工程项目施工过程中存在技术风险较多。施工中利用微震监测预警技术和钻探取样分析等方法，及时预警岩爆发生，提前采取防范措施，未发生岩爆伤人事件，产生了极高的安全效益，具有较高的管理借鉴价值和较强的社会推广意义。

Discussion on Rock Burst Prevention and Safety Management of Underground Caverns in Water Conservancy and Hydropower Projects

PENG Yuan-chuan

(Guodian Daduhe Basin Hydropower Development Co., Ltd., Chengdu, Sichuan, 610041, China)

summary：Hydropower project is a comprehensive and systematic complex project, which has the characteristics of long construction period, great technical difficulty, many personnel and equipment, wide operation area and so on. In the engineering construction, the technical problems such as high ground stress, high slope, rock burst, complex geological structure and so on will be faced, and the pressure of safety management is great and the situation is serious. The maximum vertical buried depth of the underground caverns of Shuangjiangkou Hydropower Station is about 500m, the surrounding rock of the underground caverns is hard, the local stress concentration strength is high, the probability of rock burst is large, and there are many technical risks in the construction process of the project. In the construction, the methods of microseismic monitoring and early warning technology and drilling sampling analysis are used to warn rock burst in time. Taking preventive measures in advance, no rock burst injury occurred, resulting in very high safety benefits, with high management reference value and strong social promotion significance

【关键词】水电工程；地下洞室；岩爆防治；安全管理

keyword ：water-power engineering; underground caverns; rock burst prevention and control; security administration

1 引言

水电工程建设项目是一项综合性、系统性的复杂工程，具有施工工期长、技术难度大、人员设备多、作业面广等特点^[1]。中国水电工程项目大多位于高山峡谷、交通不便、地质条件复杂的区域，工程建设中会面临高地应力、高边坡、岩爆、复杂地质构造等技术难题，安全管理压力较大，形势严峻^[2-3]。

岩爆是一种块体岩石突然炸裂爆出的现象，主要是由于岩体内积聚的弹性变形势能大于岩石破坏所需要的能量，多余弹性变形势能受一定因素影响会突然卸载负荷，导致岩爆发生

^[4-6]。岩爆的发生严重影响现场作业人员和机械设备安全，对工程建设进度和安全管理也存在较大影响^[7-9]。

双江口水电站地处高寒、高海拔地区，施工环境恶劣，地质条件复杂，枢纽工程建设面临“点多、面广、战线长”的问题，安全管理风险因素多。枢纽工程区地处群山环绕的川西高原，引水发电和泄洪系统洞室布置在高山之中，洞内岩石多为花岗岩，硬度较大，受高地应力影响岩爆现象突出，做好岩爆预防和防范处理对双江口水电站枢纽工程建设有重要意义。

2 双江口地下洞室岩爆产生条件

双江口水电站地下洞室工程具有地下洞室结构尺寸大、工程项目多、结构复杂、工期长、开挖精度要求高等特点，地下洞群最大垂直埋深约500m，地下洞室围岩均为似斑状黑云钾长花岗岩，局部洞段地应力集中强度较高，岩爆发生概率较大，工程项目施工过程中存在技术风险较多。双江口水电站枢纽工程岩爆发生具体受以下因素影响：

（1）地下洞室地应力较高，岩体内蕴藏着大量弹性变形势能；

（2）洞室围岩整体性较好，裂隙极少，且裂隙发育较小；

（3）地下洞室断面大小不一，大断面、大跨度洞室较多，极易造成局部应力集中；

（4）地下洞室开挖工作面比较干燥，渗水较少；

（5）洞室围岩为坚硬花岗岩，属于脆性介质，开挖过程中会引起周边围岩应力释放，储存于岩石中的弹性能极易突然释放。

3 岩爆的预测预报方法

岩爆分为轻微、中等、强烈和剧烈4个等级。分级依据见表1。

表1 岩爆烈度分级依据表

岩爆预测是岩爆防治的关键。双江口水电站在地下洞室施工过程中十分重视岩爆预测预报，积极与技术服务单位合作，采取先进技术手段和管理措施，强化风险预判，防范岩爆安全隐患。具体预测措施有一下几点：

（1）双江口水电站在施工中采用加拿大ESG微震传感器加强高地应力区地质预测、预报，对开挖完成断面进行实时观测，收集、分析数据，对规律化岩爆洞段进行预测，将微震监测系统数据全面分析，预测预报岩爆，并用于指导地下洞室群开挖和支护的施工。

（2）采用物探、超前钻探、打导洞等方法进一步了解工程施工区地质情况，做好地质预报。加强监测，勤检查和巡视，根据检测反馈的信息，进行支护设计修改。

（3）利用钻屑法预测岩爆发生可能。对岩石进行钻孔取样，开挖之前进行超前预测钻探，对钻出的岩石屑体和取出岩芯进行分析，将岩屑体积与标准体积数据对比，判断岩爆发生趋势，同时可观察钻探过程中出现爆裂声、摩擦声和卡钻现象等，综合评判岩爆发生可能性。

4 岩爆防治措施

地下洞室施工高度重视岩爆防治，避免人员伤亡和设备损毁，组织技术合作单位编制高地应力区洞室开挖及支护专项施工方案指导施工，确保隧洞施工安全。

高地应力洞段按照“短进尺、弱爆破、强支护”的原则展开施工。洞室周边采取光面爆破，避免应力集中；钻孔过程中采用高压注水软化围岩，改善围岩性质，从而消除或减缓岩爆程度。洞室开挖完成后及时进行喷锚挂网支护，设防护网，根据不同级别的洞室岩爆和不良地质段，制定针对性专项方案，及时跟进安全支护；岩爆多发生在新挖工作面及其附近，其中拱顶或边墙部位为是防范岩爆伤害的重点部位，施工过程中强化现场培训，注意超前防范；开挖掌子面采用超前钻孔，超前导坑，分部开挖，逐步卸荷。采用多臂钻在工作面自拱顶至边墙打设超前释放孔眼，提前释放部分地应力；钻爆法隧洞采用松动、超前钻孔预爆法，先前将岩层的原始应力部分释放，以减少岩爆发生的 可能性或避免大的危险；钻爆法隧洞采用光面爆破技术，使岩面尽可能圆滑平顺，避免应力集中。降低爆破时使用的炸药总量和严格控制单孔最大药量，以减轻爆破对围岩的扰动，同时减少钻孔深度；向开挖的岩石表面喷射高压水冲洗，软化岩面，预先释放部分能量，减缓岩爆释放速度，并及时清撬岩面松动石块；加强初期支护，及时向拱顶和边墙进行喷射混凝土，打设锚杆和钢筋网，减少岩层暴露时间和岩爆发生次数；增加临时防护措施。对于爆裂弹射和抛射等强烈岩爆地段，施工时应对主要机械设备安装防护棚架或加挂密孔绳索式防护网，工作人员佩戴钢盔及防弹背心，防止弹射的岩体直接砸向设备和人体造成伤害；加强工作面现场指挥和安全警戒。岩爆发生的时机、部位不定，持续时间长短不一。施工时，要派专人观察岩面和监听是否有岩爆发生时的类似鞭炮声。强烈岩爆发生时，即有片石弹射状、爆炸抛掷状时，立即暂停施工，将人员和机械设备撤至安全地带躲避，待岩爆减弱或停止后再进行支护作业。

5 双江口洞室施工安全管理经验

积极开展洞内施工危险源辨识工作。严格按照危险源分级管控要求，层层落实责任人、定期对洞内危险源（点）进行实时动态跟踪监控。严格按照危险源分级管控要求，重点关注危险源（点）分级、预防与控制措施、责任人等内容，确保危险源（点）责任清单合理、规范、可行。严格落实危险源技术交底和巡视检查工作要求，切实做到标识到点、措施到位、责任到人、要求到心。建立岗前安全培训制度和工程施工安全技术交底制度，强化全员安全学习教育和培训工作。加强洞室作业人员安全教育培训，积极开展洞室爆破作业、文明施工、支护作业、岩爆防治等专题培训，强化洞室施工作业队“班前5分钟”安全教育培训，强化和提高各级人员的安全生产意识、责任意识、自我保护意识以及安全技能。制定施工作业面安全标准和要求，严格方案批复和措施检查。严格洞内施工安全措施和方案审查批复，危险性较大的施工作业必须批复专项施工方案，对方案不完善、措施不到位、交底不清楚的施工部位一律不准开工。从安全投入、监测预警、现场管理、应急准备等环节着手，切实落实安全生产法规和强制标准，安全人员不到位、安全措施不到位的部位一律不得施工。严格按照“三准原则”进行钻爆作业，取得“准钻证、准装证、准爆证”并签订交叉作业安全协议后方可爆破作业。

6 结语

双江口水电站利用微震监测预警技术和钻探取样分析等方法，及时预警岩爆发生，提前采取防范措施，未发生岩爆伤人事件，各项洞室安全管控措施的落实，提高了现场安全管理水平，提升了施工作业效率，避免岩爆影响施工进度、人员和设备安全，产生了极高的安全效益。双江口水电站在地下洞室施工中采取的岩爆预测预报方法和洞室施工安全管理措施，为大型水电站高地应力地下洞室群施工积累了宝贵管理经验，具有较高的管理借鉴价值和较强的社会推广意义。

【参考文献】

[1] 武选正,李名川,伍宇腾等.锦屏水电枢纽辅助洞工程岩爆现象分析及防治措施.山东大学学报(工学版),2008(3): 28-06.

[2] 沙凤丽.浅谈水利水电工程施工安全管理及控制对策.黑龙江水利科技,2019(1):204-03.

[3]邢丹.浅析水利水电工程施工安全管理[J].建设科技,2016(24):89-90.

[4]吉祖湛.强化水利水电工程施工安全管理措施[J].水利规划与设计,2016(02):69-72.