6.2.1.1 概况
天生桥(Ⅱ级)水电站，为一低坝引水式发电站。引水洞共三条，每条长9.51km，洞径9.9～10.8m，洞距40～50m，埋深400～800m，全洞均布于尼拉大背斜轴南侧，岩层产状平缓，沿洞穿越地层均属三叠系，自隧洞进口至垭岔沟约8km洞段，为坚硬完整的灰岩、灰质白云岩、白云岩，自垭岔沟至厂房出口区段，长约1.5km，主为砂页岩夹灰岩层。沿洞线较大断裂，均发育于灰岩地段，但与洞轴线的交角均较大，沿断裂线的洼地、漏斗、落水洞呈串珠状分布，有管道水系与暗河系统，其高程自坡谷源头处1100m至河谷壁500～600m。地下水的梯度高程在隧洞线高程以上，但在断裂附近，距洞轴高程较近。因此，存有岩爆与管道式涌水与泥石流问题，隧洞碳酸盐岩段岩石力学性与地应力情况为表6.4、表6.5、表6.6。
表6.4 碳酸盐岩段岩石的力学性质
表6.5 Ⅱ号主洞实测地应力值
测点位置为Ⅱ号主洞6+805m处，测点埋深405m。
表中方向角似有误，括号为根据另一资料所提实测成果修正的值，修正后与构造、地形背景条件较协调。
表6.6 Ⅱ号支洞实测地应力值
测点埋深230m，位置为2支0+792.2m
Ⅱ号支洞布于垭岔沟以西，尼拉大背斜轴NWW转为NE向的背斜SE翼，实测成果反映了所在位置的构造与地形特性。
6.2.1.2 岩爆发生情况与特点
(1)一般岩爆现象:第一次岩爆发生在Ⅱ号施工支洞300m处，埋深亦近300m，是掘进机开挖，洞壁光滑完整，据声波测试资料分析，开挖振动对围岩的影响很小，无明显松动界限，周边围岩基本处于原始应力状态，没有出现局部应力集中现象。经几处岩爆后，获得初步认识为，岩爆发生在岩石完整均一致密坚硬的岩层地段，岩石呈碎粒结构，或有溶洞、断层，有地下水活动处，无岩爆。
在初期1348m长的Ⅱ号施工支洞和1007m长的Ⅰ号主洞，总计2355m长，用掘进机开挖的洞段，发生了30多次岩爆，多数岩爆发生在开挖的当天或1～2天后，个别喷锚后有延发情况。位置在挖进方向顶拱左下侧，距掌子面3～10m处，岩爆爆裂声为10～30db，爆破坠落面积约为(0.5×0.5)～(2×2)m2，大面积岩爆面积为3×5、4×7、5×8m2，爆深0.2～0.8m，爆落岩块多为数至10cm多的棱形块体。当第一次岩爆发生后，勘设与施工共同组成的“岩爆攻关小组”，研究的应对措施，首先对开挖刚暴露出来的洞壁喷洒冷水，认为可降低应力，惜未研究采用后的真正效果及可能形成的副作用。随着洞室向深部挖进，岩爆加剧，崩落块体加大，大的岩块可达1～2m3，在1号主洞(6+980)～(6+580)段，沿前进方向，岩爆间距由50～100m，发展为连续贯穿，形成一条长400m，宽5～10m的岩爆崩落凹槽。
在Ⅰ、Ⅱ号隧洞开挖后的灰岩洞段统计，岩爆段长度约占30%左右。一般岩爆表现为:掘进机开挖洞段在距掌子面1～2m后南侧顶拱围岩破裂、松脱、塌落、北侧底拱围岩胀凸、开裂、松脱、翻倒破坏，破裂时虽无弹射，但常可听到“噼啪”破裂声响。占爆法开挖洞段，在爆破后距掌子面1～5m附近突然瞬间破坏，顶拱松脱岩体塌落，底拱劈裂明显，破坏时也常伴随撕裂声响，无明显弹射。
一般岩爆部位如图6.4所示，爆坑宽度一般小于6m，深0.1～1.0m，总爆裂体积在10m3之内，岩爆爆坑部位较稳定，在隧洞纵向呈零星状、片状，连续槽状分布。
(2)岩爆松弛塌落型现象:此岩爆部位，初始产生岩爆的烈度与破裂现象，与其他洞段发生岩爆情况基本一致，由于存有压扭断裂带与其影响所形成的弱化岩带，以及存有低强度的薄弱夹层，在洞室开挖后易造成应力集中，岩爆破坏完整拱形断面，扩大坍落段松弛范围，不断造成坍落破坏，最终形成暂稳自然拱，在其发展过程中，爆裂与掉块险象丛生，最终爆发时，规模大而响声强，被称为特大岩爆现象。
如Ⅰ号隧洞(7+870)～(7+928)段，岩性为方解石胶结的红色角砾岩，方解石团块含量30%～70%，其单轴抗压强度30～40MPa，并有影响带宽2～5m的压扭断层，与洞线呈45°相交。此洞段埋深仅100m，是自下游向上游采用占爆法推进，爆破数小时后产生此段的第一次岩爆，爆坑宽3～4m，深0.3～1.5m，爆坑连片展布，经历42d，开挖至7+860时，在(7+928)～(7+870)段顶拱，产生第二次崩落岩爆，爆坑增宽至5～7m，深度增至3～4m，形成拱顶一连续的深大崩落槽，两次爆落总体积达400m3。爆落岩块有片形、棱形、最多为楔形，亦有长条形，最长可达2.5m。表现为重力垮坍，无弹射。
图6.4 洞室横断面岩爆部位示意图
又如Ⅱ号隧洞(3+186)～(3+200)段，埋深600m，岩性为块状灰岩。单轴抗压强度40～60MPa，洞顶以上4～5m以外为数米厚的薄至中厚层泥质条带状灰岩，中夹多层炭质夹层。泥质条带状灰岩，抗压强度稍低，其层面的抗拉强度特别弱，岩层产状以10°～15°向SW(右侧)倾斜，易造成洞顶围岩松弛带，该段有一压扭性小断层，与洞轴呈35°交角向SE向延伸，其影响宽1～3m，垂直断层，形成应力松弛释放与集中的应力调整条带区，在Ⅱ号隧洞挖至受断层影响，应力产生调整的集中区时，即产生岩爆，岩爆首先产生在NW侧顶拱，随断层向SE向延伸，岩爆部位亦向顶拱继而向SE侧拱转移。此段岩爆持续时间长达27d，初期在NW侧顶拱连片出现，爆坑宽1～3m，深度小于1m，立即进行喷混凝土处理。当洞室推进到3+200时，(3+186)～(3+195)段，顶拱围岩响声不断，伴有小岩片塌落，故又进行喷锚处理，锚杆长为3m，处理后仍有数立方米岩爆断续发生，后在SE侧拱顶产生了20m3左右的岩爆，使岩爆宽度增达8m左右，但深度仍在2m以内，次日下午，顶拱发生两次，间隔仅2min的大垮坍，垮时响声达200～300db，爆坑深度增至5m，两次垮坍共约200m3，4d后才基本稳定下来，围岩内的破裂声消失。
(3)有效治理措施:为保证施工安全，对已发生岩爆的洞段，采取应变控制法进行治理，计有
a.喷浆法。适用于弱岩爆和中等岩爆，喷浆厚度一般为5～10cm。
b.喷锚法。在岩爆发生后，残留岩片较多，可能危及安全时，先锚固再进行喷浆，锚杆长一般3～4m，间距1～2m。
c.挂网喷锚法。当岩爆后残留岩片较普遍时，为防掉块，须加挂钢丝网进行喷锚。
d.岩爆加严重垮坍，采用钢拱架支护或混凝土衬砌支护。
为防止岩爆，采用应力控制法是正确思路。发生岩爆区，岩石具硬脆特性，抗压强度较高，足可承载其相应的天然压应力值，故洞室开挖后，应迅速将二维应力状态恢复至三维应力状态，避免出现张应力或张剪性应力，从本工程岩爆崩落物形体特征，说明主要是这两种力的作用，但未引起注意。从岩爆垮坍型现象的地质条件背景说明，采用煤矿减少冲击压的方法不适宜。