地下廠房巖壁吊車梁及鄰近層爆破開挖施工技術(shù)的探討

中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司，山東 泰安 271000

關(guān)鍵字：地下廠房；巖壁吊車梁；光面爆破；梯段爆破；預(yù)裂爆破

1 工程概況

1.1 工程簡介

文登抽水蓄能電站位于山東省威海市文登區(qū)界石鎮(zhèn)境內(nèi)，規(guī)劃裝機(jī)容量1800MW，安裝6臺(tái)單機(jī)容量為300MW的可逆式水泵水輪機(jī)組。

地下廠房洞室采用錨噴支護(hù)型式和巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)，開挖尺寸為214.5m×26.5m（25m）×53.5m，屬特大斷面洞室。巖壁吊車梁位于地下廠房Ⅱ?qū)樱瑔蝹?cè)全長194.35m，巖臺(tái)高1.299m，寬0.75m，梁體采用牛腿型結(jié)構(gòu)，見圖1。巖壁梁開挖是整個(gè)地下廠房開挖的核心工程，光面爆破、預(yù)裂爆破和梯段爆破共同應(yīng)用于巖壁梁及廠房鄰近層（Ⅲ層）開挖施工過程中。

1.2 工程地質(zhì)條件

地下廠房位于葦夼溝和六度寺溝所夾山體內(nèi)，上覆巖體厚度約350m，巖性主要為石英二長巖，巖石新鮮，屬堅(jiān)硬巖，圍巖類別為Ⅰ～Ⅱ類圍巖為主。局部段落裂隙走向與廠房軸線交角30°～55°，在上游側(cè)形成不穩(wěn)定塊體，受地應(yīng)力影響，會(huì)發(fā)生輕微巖爆現(xiàn)象。

地下廠房地下水類型為基巖裂隙水。從揭露情況看，廠房區(qū)地下水不豐富，圍巖多干燥，局部潮濕，僅局部沿結(jié)構(gòu)面有滴水現(xiàn)象。

圖1 地下廠房巖壁吊車梁示意圖

2 施工原則和思路

巖壁吊車梁是地下廠房的重要結(jié)構(gòu)，保證其施工質(zhì)量與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是地下廠房爆破開挖技術(shù)首要考慮因素。在進(jìn)行開挖施工時(shí)，主要控制要點(diǎn)為結(jié)構(gòu)邊線的超欠挖和巖壁梁澆筑完成后爆破振動(dòng)速度，主要開挖方式為光面爆破、預(yù)裂爆破和梯段爆破。

廠房Ⅱ?qū)訛閹r壁梁層，為保證巖壁梁開挖質(zhì)量，先進(jìn)行施工預(yù)裂開挖中槽，中槽完成后，對兩側(cè)預(yù)裂3m 保護(hù)層進(jìn)行巖壁梁巖臺(tái)開挖。

巖壁梁澆筑前完成鄰近層（Ⅲ層）預(yù)裂施工，澆筑完成后，先對其中部進(jìn)行拉槽梯段爆破，再進(jìn)行兩側(cè)保護(hù)層爆破。

地下廠房巖壁梁及鄰近層（Ⅲ層）爆破開挖施工程序見圖2，序號(hào)表示開挖順序。

圖2 開挖爆破施工程序布置圖（單位：mm）

3 巖壁梁爆破開挖技術(shù)

巖壁梁爆破開挖是巖壁梁施工的基礎(chǔ)，巖臺(tái)成型質(zhì)量要求高，巖壁梁層采用“品”字型開挖程序，廠房Ⅱ?qū)邮┕ゎA(yù)裂完成后，中槽開挖先行，兩側(cè)預(yù)留層跟進(jìn)進(jìn)行巖臺(tái)開挖。巖臺(tái)開挖采用“保護(hù)層分層開挖，巖臺(tái)一次成型”的開挖方式，見圖3。開挖分段、分層、分區(qū)采取流水作業(yè)進(jìn)行，保護(hù)層分層高度分別為1.5m、2.8m 和2.8m，寬度均為2.25m，巖臺(tái)寬度0.75m。

圖3 巖壁梁開挖程序示意圖

3.1 爆破設(shè)計(jì)

巖壁梁爆破開挖嚴(yán)格按照光面爆破要求進(jìn)行，最大限度保證開挖面完整，通過減少單孔裝藥量，降低爆破對開挖面的破壞，為此控制周邊孔孔距為35cm。

周邊孔抵抗線：W=35/0.8 ≈45cm。

（1）保護(hù)層開挖

保護(hù)層爆破孔間距a 不大于0.8m，排距b 不大于0.6m，每段爆破結(jié)束位置布置分段光爆孔，保證下段開挖面平整，單段開挖長度8～12m，保護(hù)層布孔見圖4。

圖4 巖壁梁保護(hù)層開挖炮孔布置圖（單位：mm）

周邊孔造孔均借助鉆孔輔助造孔，通過樣架控制鉆孔角度、孔距和孔深，在進(jìn)行Ⅰ區(qū)保護(hù)層保護(hù)層造孔時(shí)，同時(shí)將巖臺(tái)孔完成并插入PVC 管進(jìn)行保護(hù)。

裝藥計(jì)算以Ⅰ區(qū)保護(hù)層為例。

單孔藥量：Q=a×b×h×q=0.6m×0.8m×1.5m×1kg/m3=0.72kg（單耗1kg/m3）。

周邊孔線裝藥密度為65g/m，需要注意導(dǎo)爆索密度一般為11g/m以上［1］，則在計(jì)算裝藥時(shí)，僅考慮54g/m即可。周邊孔裝藥藥卷均采用分割藥卷塊，單塊質(zhì)量25g，以Ⅰ區(qū)保護(hù)層周邊孔為例，孔深1.5m，則單孔藥量為：

Q=qx×L=54g/m×1.5m=81.5g，共需裝藥3+1/4塊25g炸藥。

炸藥分割及綁扎見圖5。

圖5 Ⅰ區(qū)保護(hù)層周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)（單位：mm）

（2）巖臺(tái)開挖

借助斜孔樣架進(jìn)行斜孔造孔施工，然后和已完成的豎直孔同時(shí)爆破，開挖呈平整的斜面巖臺(tái)。

為保證爆破成型面為設(shè)計(jì)巖臺(tái)斜面，在進(jìn)行巖臺(tái)孔造孔時(shí)，豎直孔和斜孔孔底向巖壁梁內(nèi)側(cè)和向下各超挖3cm，斜孔孔口向上欠挖3cm［2］，見圖6。巖臺(tái)開挖豎直孔和斜孔孔距均為35cm，并相互錯(cuò)開，見圖7。

圖6 巖臺(tái)造孔方向布置圖（單位：mm）

圖7 巖臺(tái)炮孔布置圖（單位：mm）

巖臺(tái)裝藥均采用間隔裝藥，見圖8，線裝藥密度為50g/m，導(dǎo)爆索藥量為11g/m，以斜孔為例，進(jìn)行炸藥計(jì)算。

單孔藥量：Q=q×L=（50-11）g/m×1.299 ≈50g；

在裝藥時(shí)，孔底5cm 不裝藥，然后孔底裝入25g，每隔35cm 裝入12.5g 段炸藥。

圖8 巖臺(tái)斜孔綁藥布置圖（單位：mm）

3.2 地質(zhì)復(fù)雜段落巖壁梁爆破開挖技術(shù)

文登電站地下廠房局部地質(zhì)復(fù)雜段落受等傾角裂隙影響，裂隙與上游側(cè)邊墻上部會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定塊體，若采用常規(guī)光面爆破，內(nèi)部應(yīng)力釋放會(huì)將上游側(cè)裂隙巖體漲裂，甚至出現(xiàn)大面積片幫，見圖9。

圖9 廠房上游側(cè)滑層示意圖

為此在進(jìn)行上游側(cè)巖臺(tái)開挖時(shí)，保護(hù)層分兩層開挖，開挖高度分別為5m 和2.5m。再進(jìn)行上層保護(hù)層爆破時(shí)，提前進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)裂，預(yù)裂高度為5m，高程范圍為EL.62.50～57.5m，預(yù)裂完成后，上層開挖采用水平爆破，其余開挖方式與傳統(tǒng)巖臺(tái)開挖方式一致，見圖10。

圖10 地質(zhì)復(fù)雜段保護(hù)層開挖示意圖

4 巖壁梁鄰近層爆破開挖技術(shù)

巖壁梁鄰近層（Ⅲ層）在進(jìn)行爆破開挖時(shí)，為防止爆破振動(dòng)速率過大破壞巖壁吊車梁混凝土結(jié)構(gòu)，要控制爆破振動(dòng)速度不大于10cm/s［3］。

巖壁梁鄰近層（Ⅲ層）采取預(yù)裂爆破和梯段爆破相結(jié)合的開挖方式，以減弱爆破過程對巖壁梁的振動(dòng)損傷。

4.1 預(yù)裂爆破

預(yù)裂爆破的作用：①形成一個(gè)超挖很少或者沒有超挖的平整壁面；②減弱主爆區(qū)爆破時(shí)爆破振動(dòng)波向巖體的傳播，控制爆破對保留巖體或保護(hù)結(jié)構(gòu)物的破壞影響［4］。

結(jié)構(gòu)預(yù)裂和施工預(yù)裂均要在巖壁梁澆筑前完成，鉆孔超深0.5m，結(jié)合廠房Ⅲ層分層高度5m，鉆孔深度為5.5m，采用手風(fēng)鉆造孔，孔徑42mm，孔距40cm。

線裝藥密度為330g/m，孔底增加藥量，連續(xù)裝藥2 支（單支φ32 藥卷300g，長34cm），堵塞長度為1m，其余部位間隔裝藥。

單孔藥量：Q=qx×L=（330-10）g/m×5.5m=1760g，取1800g，其中孔底600g 連續(xù)裝藥，其余1200g 間隔裝藥。

為保證炸藥布置均勻，將單支炸藥截?cái)酁? 段，單段藥量100g。

均勻裝藥段間隔距離：d=（5.5-0.68-1）/（12-1）=34.7cm。

炸藥分割和綁扎見圖11。

圖11 預(yù)裂爆破綁藥布置圖（單位：mm）

為控制單響藥量，采用MS3 段雷管進(jìn)行延時(shí)，延時(shí)間隔為50ms，為保證延時(shí)雷管不被上段爆破破壞，延時(shí)引爆每5 孔最后一孔，相鄰孔之間通過采用“蝴蝶結(jié)”連線方式，見圖12。

圖12 預(yù)裂爆破聯(lián)網(wǎng)示意圖

4.2 梯段爆破

梯段爆破通過采用延時(shí)聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過多種雷管延時(shí)累加，將每個(gè)孔的延時(shí)時(shí)間錯(cuò)開，在滿足爆破進(jìn)尺的同時(shí)，最大限度降底爆破振動(dòng)對巖壁梁的破壞。

廠房Ⅲ層梯段爆破采用液壓鉆機(jī)鉆孔，臺(tái)階高度為5m，由于臺(tái)階高度較小，采用傾斜孔的鉆孔形式，傾斜角度為75°，綜合考慮臺(tái)階高度和地質(zhì)圍巖，鉆孔間距a 為1.2m，排距b 為1.0m。

廠房Ⅲ層拉槽采用雙向延時(shí)聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，開挖方式延時(shí)雷管采用MS5 段雷管，延時(shí)時(shí)間110ms，兩側(cè)延時(shí)雷管為MS3 段雷管，延時(shí)時(shí)間為50ms，孔內(nèi)延時(shí)雷管MS19 段雷管，延時(shí)時(shí)間為1400ms。雙向延時(shí)需做到孔外延時(shí)完成后，再引爆孔內(nèi)炸藥，防止孔內(nèi)炸藥爆破破壞孔外延時(shí)雷管。孔外延時(shí)至1340ms，引爆雷管MS19 段延時(shí)時(shí)間為1400ms，滿足要求，見圖13。

圖13 雙向延時(shí)聯(lián)網(wǎng)布置圖

單孔藥量：

q=a×b×qx=1.2m×1.0m×1.0kg/m3=1.2kg

為避免大塊石的產(chǎn)生，通過采用“單孔雙雷管”的裝藥方式將炸藥間隔，實(shí)際操作中，通過采用吊繩將炸藥控制于固定位置。

4.3 爆破振動(dòng)速度

爆破振動(dòng)速度的計(jì)算，一般都采用近似的方法。其中比較認(rèn)可的是前蘇聯(lián)學(xué)者薩道夫斯基的經(jīng)驗(yàn)公式［5］：

其中：V 為測試點(diǎn)最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；

R 為測試中心與炸藥中心的距離，m；

Q 為最大段炸藥總量，kg；

K 為與巖石的性質(zhì)，爆破方式及地形條件等因素有關(guān)的系數(shù)；

α 為爆破地震波衰減指數(shù)，與地形地質(zhì)條件及距爆破中心的距離有關(guān)。

根據(jù)地下廠房前期爆破振動(dòng)的檢測結(jié)果，文登電站地下廠房K、α 值見表1。

表1 文登電站地下廠房地質(zhì)參數(shù)

良好的結(jié)構(gòu)預(yù)裂可減震30%，則爆破振動(dòng)速度計(jì)算結(jié)果如下：

其中最大段藥量為Q=q×n=1.2×8=9.6kg；

R=3+（59.32-50.00）=12.32m

VX=252.29×（9.61/3/12.32）1.76×（1-30%）=8.03cm/s；Vy=41.76×（9.61/3/12.32）1.06×（1-30%）=4.54cm/s；Vz=74.95×（9.61/3/12.32）1.32×（1-30%）=5.15cm/s。

實(shí)際檢測結(jié)果見表2。

表2 巖壁梁爆破振動(dòng)檢測統(tǒng)計(jì)表 cm/s

通過檢測最大質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度與計(jì)算結(jié)果基本吻合，通過采用預(yù)裂爆破和梯段爆破，每個(gè)方向爆破振動(dòng)速度均≯10cm/s，滿足巖壁梁安全控制要求。

5 結(jié)束語

文登電站地下廠房巖壁梁巖臺(tái)爆破開挖，通過采取光面爆破，嚴(yán)格控制鉆孔進(jìn)度和裝藥結(jié)構(gòu)，巖壁梁巖臺(tái)爆破半孔率達(dá)到96%，不平整度最大4cm，有效控制巖臺(tái)超欠挖，保證臺(tái)體的成型效果。在巖壁梁鄰近層開挖前采用預(yù)裂爆破，預(yù)裂縫寬度能夠達(dá)到6～9mm，有效降低爆破振動(dòng)速度。解決了隧道爆破超欠挖控制和降低爆破對周邊結(jié)構(gòu)的振動(dòng)損傷等難題，對開挖質(zhì)量要求高或?qū)Ρ普駝?dòng)速度控制有特殊要求隧洞等類似工程具有指導(dǎo)意義。