豐寧抽水蓄能電站巖錨梁巖臺開挖施工技術(shù)

(浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概況

豐寧抽水蓄能電站規(guī)劃裝機容量360萬kW，是世界上裝機容量最大的抽水蓄能電站。其主廠房洞總長 414.0 m，南北走向。主廠房Ⅲ層為巖錨梁層，開挖高度 6.55 m(高程 995.55～ 989.0 m)。巖錨梁上拐點高程 994.319 m，下拐點高程 993.02 m；巖臺橫斷面寬為 0.75 m，斜面長 1.5 m，斜面與鉛垂面的夾角為30°。

主廠房巖錨梁部位巖性主要為微風(fēng)化三疊紀(jì)中粗粒花崗巖，巖體以次塊狀結(jié)構(gòu)為主，完整性一般，局部存在蝕變現(xiàn)象。圍巖類別以Ⅲb類為主，斷層出露部位為Ⅳ類。多條斷層穿越廠房Ⅲ層，走向與洞軸線夾角較小，為中等和陡傾角斷層，斷層及影響帶巖體破碎，成型條件較差。裂隙按走向可分為東西和西北兩組，均為共軛的剪切節(jié)理，裂隙相互切割，產(chǎn)生隨機的小規(guī)模不穩(wěn)定塊體，對巖錨梁部位圍巖穩(wěn)定不利。

2 開挖分區(qū)與作業(yè)流程

為減小爆破振動，以利于開挖成型，主廠房洞Ⅲ層開挖采取兩側(cè)預(yù)留保護層，先預(yù)裂拉槽，在保護層分區(qū)垂直光爆剝離，靠近邊墻結(jié)構(gòu)面處淺層垂直光爆開挖，最后精細(xì)雙向巖臺開挖。主廠房洞Ⅲ層開挖分區(qū)如圖1所示。中槽主開挖區(qū)(Ⅲ1區(qū))寬8 m，高 4.75 m；中槽外 6.5 m范圍內(nèi)保護層分兩區(qū)(Ⅲ2區(qū)、Ⅲ3區(qū))進行光爆剝離。兩側(cè)巖臺預(yù)留保護層厚 2.0 m，高 6.55 m，分兩薄層開挖(Ⅲ4區(qū)、Ⅲ5區(qū))，層高分別為 3.25 m和 3.3 m。為保證邊墻后續(xù)施工設(shè)備操作空間最低需求，擬定Ⅲ4區(qū)底部技術(shù)超挖10 cm，Ⅲ5區(qū)底部技術(shù)超挖30 cm(噴混凝土厚度15 cm，Ⅳ層結(jié)構(gòu)預(yù)裂潛孔鉆造孔厚度15 cm)。巖錨梁巖臺保護層為Ⅲ6區(qū)，為開挖施工重點控制部位[1-2]。

圖1 主廠房洞Ⅲ層開挖分區(qū)(單位：cm)

3 巖臺仿真爆破試驗

廠房Ⅱ?qū)娱_挖時，進行了多次巖錨梁巖臺仿真爆破試驗，以Ⅱ2區(qū)臨時邊墻模擬Ⅲ6區(qū)開挖，以獲取巖臺豎向孔和斜面孔的鉆孔及裝藥等爆破參數(shù)，使巖臺開挖時達到最佳光爆效果[3]。

3.1 爆破設(shè)計

巖臺光面爆破分段長度為10 m，豎向與斜面合計68孔，采用直徑Φ25的藥卷間隔裝藥，豎向光爆孔線裝藥密度 80.6 g/m ，斜面光爆孔線裝藥密度78.4 g/m，單段藥量為7.48 kg，單耗為 0.53 kg/m3。為防止巖臺開挖時出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象，對該部位采用雙向閉合起爆網(wǎng)路[4-5]。相關(guān)爆破參數(shù)見表1。

表1 巖臺光面爆破參數(shù)

為進一步提高巖錨梁開挖成型質(zhì)量，在每個光面爆破孔內(nèi)布置一根Φ40 mm×1.8 mm PVC管，將其對剖成兩半(提前批量制作完成)，待綁藥完成并連接好導(dǎo)爆索后，再與另一半合并綁扎后裝入孔內(nèi)。PVC管剖縫在光爆孔內(nèi)布置方式以5 m為一段(豎向與斜面合計34孔)，可分為兩種：一種剖縫順設(shè)計開挖面布置，另一種與設(shè)計開挖面大角度相交。

3.2 鉆孔作業(yè)

巖錨梁豎向和斜向光爆孔孔徑為Φ42，孔間距均為30 cm。光爆孔全部采用鉆孔樣架進行控制，開鉆前采用全站儀、鋼卷尺、地質(zhì)羅盤、水平尺對準(zhǔn)備投入使用的鉆孔排架進行鉆前校核，經(jīng)檢查無變形和移位后開鉆[6]。在臨時邊墻開挖出露之前將巖臺垂直孔鉆好，以提前釋放巖臺地應(yīng)力，減少爆破振動影響。為防止堵塞，在垂直孔孔內(nèi)插入PVC管進行保護，同時作為巖臺斜面鉆孔的參照。針對斜向光爆孔，鉆孔前清除上部浮渣并測量標(biāo)識每個光爆孔孔位；開鉆點先采用風(fēng)鎬開鑿3 cm深孔窩，以便于鉆桿掛鉆并確保施鉆孔位準(zhǔn)確[7]；光爆孔鉆孔采用2次換釬方式，將鉆桿截斷成統(tǒng)一長度，以減少人為施工誤差；同時利用導(dǎo)向管控制孔向，利用定位橫桿控制孔深[8]。

3.3 開挖效果

經(jīng)過一系列控制措施，巖臺仿真爆破試驗結(jié)果如下：①巖臺最大欠挖6 cm，最大超挖7 cm；②巖臺開挖面整體平整，平整度11.7 cm，其中PVC管剖縫順設(shè)計開挖面部位平整度(9.9 cm)優(yōu)于其它部位；③巖臺殘留半孔率73.5%；④斷層與破碎帶出露部位仿真巖臺完整性較差，清理松動石塊造成仿真巖臺超挖，最大超挖深度達31 cm；⑤仿真巖臺下邊墻存在超挖現(xiàn)象，下拐點部位局部被破壞，最大超挖達27 cm；⑥Ⅱ2區(qū)臨時邊墻出露后，巖體裂隙有擴張跡象，在裂隙發(fā)育部位表現(xiàn)尤為顯著。

4 巖臺實體開挖

巖臺實體開挖的爆破設(shè)計和鉆孔作業(yè)參數(shù)與仿真爆破試驗相同。對導(dǎo)向管進行了優(yōu)化，創(chuàng)新性地采用了內(nèi)、外雙導(dǎo)向管，分別采用Φ33.7δ=4 mm和Φ48δ=3 mm鋼管；為減小孔位偏差，在內(nèi)導(dǎo)管中部及管口焊外徑為Φ38管套(L=4 cm)，并且在內(nèi)導(dǎo)管焊有管套的端頭焊一塊10 cm×10 cm，δ=5 mm的支撐板。樣架導(dǎo)向管搭設(shè)先實施Φ48外導(dǎo)管，將內(nèi)導(dǎo)管套在帶有鉆頭的鉆桿上，在施鉆時插入外導(dǎo)管。為避免巖臺出現(xiàn)欠挖，進而影響后續(xù)巖錨梁混凝土澆筑，垂直及斜面光爆孔開孔位置技術(shù)超挖5 cm，孔底均按技術(shù)超挖8 cm控制。

造孔施工順序為：Ⅲ3區(qū)開挖→Ⅲ4、Ⅲ6區(qū)豎向光爆孔造孔→Ⅲ4、Ⅲ5區(qū)保護層開挖→巖錨梁下拐點以下系統(tǒng)錨噴支護→Ⅳ層結(jié)構(gòu)預(yù)裂施工→Ⅲ6區(qū)巖錨梁斜向光爆孔造孔施工→巖錨梁雙向光面爆破。PVC管剖縫在光爆孔內(nèi)均為順設(shè)計開挖面布置。

為了控制上部水平向變形的發(fā)生，減少圍巖松弛變形，在主廠房Ⅲ3區(qū)開挖前，完成高程 995.55 m以上邊墻全部支護作業(yè)(含錨索)[9]。為保證巖臺下拐點成型效果，在Ⅲ6區(qū)保護層開挖前，完成下拐點(993.02 m)以下邊墻系統(tǒng)錨噴支護施工；其中，在巖錨梁下拐點以下20 cm布置一排帶墊板系統(tǒng)砂漿錨桿(型號為28 mm @1.5 m，L=6 m)，以保護下拐點不受到破壞。

為提高巖臺完整性，從而保證開挖成型效果，在巖臺實體(Ⅲ6區(qū))開挖過程前采用預(yù)固結(jié)灌漿、超前玻璃纖維錨桿對巖臺開挖區(qū)進行預(yù)支護；同時為避免保護層開挖結(jié)束后因應(yīng)力釋放導(dǎo)致巖臺碎裂，采用C30鋼纖維混凝土對Ⅲ6區(qū)臨時邊墻噴護5 cm作封閉處理。

4.1 預(yù)固結(jié)灌漿施工

Ⅲ層開挖施工前，針對地質(zhì)預(yù)報揭示的斷層和破碎帶區(qū)域，采取預(yù)灌漿措施對巖錨梁巖臺范圍區(qū)域提前進行保護，提高巖體完整性，保證開挖成型效果[10]。灌漿孔參數(shù)為Φ50@1.0 m，L=4.0 m，孔位與孔向布置如圖2所示。

圖2 預(yù)固結(jié)灌漿布置(單位：cm)

固結(jié)灌漿分為兩序進行，灌漿方式采用橡膠塞孔口封阻、孔內(nèi)循環(huán)、無蓋重全孔一次低壓限流灌漿。水灰比選用2 ∶1，1 ∶1，0.8 ∶1和 0.5 ∶1四個比級，以2 ∶1比級起灌。灌漿壓力為 0.05～0.3 MPa，先施工的灌漿孔采取0.05 MPa灌漿壓力，穩(wěn)壓5 min后觀測附近巖體是否存在抬動情況，若無明顯抬動，則可適當(dāng)增加灌漿壓力。

4.2 超前玻璃纖維錨桿施工

鑒于該工程不利結(jié)構(gòu)面組合比較多，為防止裂隙擴展引起超挖，提高后續(xù)開挖成型質(zhì)量，在地下廠房巖錨梁保護層Ⅲ3區(qū)開挖后、Ⅲ4區(qū)與Ⅲ5區(qū)開挖前，采取4排Φ25@1.0 m，L=4.5 m系統(tǒng)玻璃纖維錨桿+隨機玻璃纖維錨桿(Φ25，L=3.0 m/6.0 m)的支護方式對巖臺進行保護，防止片幫掉塊引起難以成型問題。4排玻璃纖維錨桿分別布置于巖臺拐點以上20 cm、巖臺斜面中下部、下拐點以下20 cm處、下拐點以下70 cm處，間距1 m，梅花形布置，如圖3所示。

圖3 玻璃纖維錨桿布置(單位：cm)

4.3 巖臺臨時噴護封閉

因巖錨梁巖臺厚度僅75 cm，為避免保護層開挖后因應(yīng)力釋放導(dǎo)致巖臺碎裂，在Ⅲ4區(qū)開挖完成后，對出露的Ⅲ6區(qū)(巖錨梁巖臺)臨時邊墻噴護5 cm厚C30鋼纖維混凝土進行封閉，如圖4所示。

圖4 巖臺臨時邊墻噴護封閉(單位：cm)

4.4 開挖效果

通過對預(yù)支護、鉆孔、裝藥與連網(wǎng)的精細(xì)控制，巖臺開挖取得理想效果(見圖5)：①巖臺無欠挖，最大超挖12 cm，最小超挖5 cm；②巖臺開挖面整體平整，不平整度 9.8 cm；③巖臺半孔殘留較好，殘留半孔率93.4%；④裂隙內(nèi)水泥漿液填充飽滿，巖體完整性顯著提升；⑤下拐點及下直墻均有效保留，最大超挖13 cm；⑥開挖面無松動巖塊、陡坎與尖角，達到了平順、圓滑要求；⑦巖臺光爆孔孔間距均勻，孔向平行。

圖5 地下廠房巖錨梁巖臺開挖效果

5 經(jīng)驗與建議

根據(jù)巖臺實體開挖過程與結(jié)果，結(jié)合前期巖臺仿真爆破試驗分析，針對以下幾個方面，總結(jié)了經(jīng)驗并提出了建議。

(1)Ⅲ層開挖分區(qū)。為了減小爆破振動，廠房Ⅲ層開挖分為6區(qū)，各保護層與最終形成的巖臺均得以有效保留，質(zhì)量得到保障。但分區(qū)過多造成施工進度偏慢，亦增加了施工組織的難度。建議將Ⅲ1區(qū)與Ⅲ2區(qū)合并開挖，即廠房Ⅲ層中部拉槽17 m寬一次完成；同時通過控制單段藥量來控制爆破振動。

(2)預(yù)固結(jié)灌漿。Ⅱ2區(qū)巖臺仿真爆破試驗未進行預(yù)固結(jié)灌漿，斷層與破碎帶出露部位仿真巖臺完整性較差，清理松動石塊造成仿真巖臺大面積超挖，最大超挖深度達31 cm。而進行了預(yù)固結(jié)灌漿的Ⅲ6區(qū)，開挖后最大超挖12 cm。對比可知，在地質(zhì)預(yù)報揭露的斷層與破碎帶部位進行預(yù)固結(jié)灌漿是必要的。

(3)超前玻璃纖維錨桿支護。Ⅱ2區(qū)巖臺仿真爆破未進行超前玻璃纖維錨桿支護，裂隙擴張較為顯著，仿真巖臺下直墻存在超挖現(xiàn)象，導(dǎo)致下拐點部位局部被破壞，最大超挖達27 cm。而進行了超前玻璃纖維錨桿支護的Ⅲ6區(qū)，下拐點及下直墻均有效保留，最大超挖13 cm。對比可知，在裂隙發(fā)育部位，超前玻璃纖維錨桿的縫合作用顯著。在各電站巖錨梁巖臺開挖中，超前玻璃纖維錨桿支護尚屬首次使用，因其易于割除，對后期支護及混凝土澆筑影響極小，因而建議此類開挖使用。

(4)臨時邊墻噴混凝土。Ⅱ?qū)优cⅢ層開挖時發(fā)現(xiàn)，臨時邊墻出露后，巖體裂隙有擴張跡象，在裂隙發(fā)育部位表現(xiàn)尤為顯著。對臨時邊墻噴混凝土封閉，有效地緩解了應(yīng)力釋放導(dǎo)致的巖臺碎裂，且鋼纖維混凝土相對素混凝土效果更為顯著，建議在類似情況下使用。

(5)下拐點墊板砂漿錨桿。巖臺下直面邊墻開挖出露后(即對Ⅲ5區(qū)開挖后)，對下拐點進行加強保護，已在各電站巖錨梁開挖中形成共識，所采用的方法有普通砂漿錨桿支護、槽鋼或角鋼焊接貼壁圍護[11-12]。鑒于前期在下拐點以下已經(jīng)進行了玻璃纖維錨桿超前支護，且部分下直面邊墻的平整度不足，導(dǎo)致槽鋼或角鋼焊接難以形成有效防護。因而首次采用了墊板砂漿錨桿，取得了積極的效果，具有一定參考價值。

(6)技術(shù)超挖。對于巖臺開挖進行一定的技術(shù)超挖，在各電站巖錨梁開挖中已得到廣泛使用。Ⅱ2區(qū)巖臺仿真爆破，未進行技術(shù)超挖，巖臺最大欠挖6 cm；Ⅲ6區(qū)巖臺實體開挖，孔底均按技術(shù)超挖8 cm控制，而實際最小超挖僅5 cm(上漂3 cm)。說明部分鉆孔存在上漂現(xiàn)象，從而驗證了技術(shù)超挖的必要性。

(7)內(nèi)、外雙導(dǎo)向管。Ⅱ2區(qū)巖臺仿真爆破時采用Φ48鋼管作為導(dǎo)向管，巖臺斜面孔孔底最大上漂為6 cm；而Ⅲ6區(qū)開挖時創(chuàng)造性地使用了內(nèi)、外雙導(dǎo)向管的方式控制孔向，斜面孔孔底最大上漂3 cm，表明了雙導(dǎo)向管對鉆孔孔向控制的有效性。

(8)剖縫PVC管裝藥。在其他電站的巖臺開挖中，PVC管綁藥相對竹片更有利于爆破效果控制[13]。此次巖臺開挖中所用PVC半管合并、剖縫輔助傳爆尚屬首次。Ⅱ2區(qū)巖臺仿真爆破就PVC管剖縫在光爆孔內(nèi)是否順設(shè)計開挖面布置進行了對比試驗，結(jié)果顯示，PVC管剖縫順設(shè)計開挖面布置時巖臺平整度更優(yōu)，說明此布置方式利于爆轟波傳播及巖臺成型，建議此類開挖推廣使用。

6 結(jié) 語

巖錨梁巖臺開挖是地下廠房中最為重要且難度最大的環(huán)節(jié)，豐寧抽水蓄能電站地下廠房的不良地質(zhì)條件加大了開挖施工難度。在巖臺仿真爆破試驗的基礎(chǔ)上，巖臺實體開挖優(yōu)化了鉆孔裝藥方式，同時采用了預(yù)支護等控制措施。

為了減小爆破振動，對開挖過程進行了精細(xì)化分區(qū)，保護層采用小分區(qū)薄層剝離；為了提高巖體完整性，對圍巖破碎與斷層處進行預(yù)灌漿處理；為了防止片幫掉塊引起的難以成型問題，對巖臺區(qū)域進行預(yù)錨固；為了避免應(yīng)力釋放導(dǎo)致巖臺碎裂，對Ⅲ6區(qū)臨時邊墻噴鋼纖維混凝土進行封閉；為了保護巖臺下拐點，在下拐點以下布置了帶墊板系統(tǒng)砂漿錨桿；為了保證爆破效果，采用了剖縫PVC管裝藥方式；為了避免巖臺出現(xiàn)欠挖，對結(jié)構(gòu)線進行了5～8 cm技術(shù)超挖；為了保證鉆孔精度，采用了鋼管樣架、雙導(dǎo)向管、定位橫桿等措施控制孔位、孔向、孔深。巖臺開挖取得了理想效果，得到同行專家的好評，可供類似項目施工借鑒。