梅州抽水蓄能電站地下廠房基坑開挖體形控制施工技術

楊 耀，張朝澤

(中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

1 工程概況

梅州抽水蓄能電站地下廠房由主廠房(包括主機間和安裝間)、副廠房組成，安裝間布置在主廠房的右側(按發電流向，下同)；副廠房布置在主機間的左側。主廠房洞室開挖總長度為176.25 m，最大開挖寬度為28.3 m，最大開挖高度為58.370 m。廠房布置區山體雄厚，巖性為中粒黑云母花崗巖，廠房頂拱上覆巖體厚為330 m左右。廠區巖體完整性好，洞室圍巖新鮮，鉆孔平均RQD值大于95%；鉆孔聲波速Vp為5 560～6 450 m/s，屬完整巖體；巖石單軸飽和抗壓強度大于70 MPa，屬于堅硬巖類。廠區洞室圍巖以II類為主，約占77.5%；局部巖脈發育段屬Ⅳ類圍巖，約占22.5%。

廠房高程307.800 m以下包括4個機組基坑、集水廊道等多個結構，開挖時預留1.5 m保護層，即基坑在309.300高程往下開挖。基坑長度為12.75 m，寬度為9.2 m，開挖深度為9 m，集水廊道水平長度為112.52 m，開挖深度為11.3 m。基坑結構復雜，開挖深度較大，具有結構輪廓線處直角邊較多、長度較長、開挖深度深等特點，導致爆破開挖體形控制難度大。基坑平面示意見圖1。

2 基坑開挖準備及技術保證

2.1 開挖準備

合理的開挖程序和輪廓爆破方式是深埋地下廠房施工中的關鍵技術之一[1]。為了基坑開挖能夠達到良好效果，在開挖之前進行了一系列準備工作，首先對廠房已開挖完成的部分進行經驗總結并分析其中所存在的問題，然后設計預裂爆破試驗方案，并根據試驗爆破結果選取和優化爆破參數。

圖1 廠房機組基坑平面布置示意(單位：樁號、高程m，尺寸mm)

2.2 總結經驗

總結廠房307.8 m高程以上邊墻預裂施工所取得的成果與不足之處，參照類似地下廠房基坑及尾水擴散段開挖施工經驗，確定廠房機組基坑施工主要包括廠房基坑一次性深孔預裂施工、廠房EL.309.300～EL.307.800 m保護層(1.5 m)施工、尾水擴散段施工、廠房基坑及上游側集水廊道、EL.307.800 m以下排水聯系廊道施工，廠房基坑及尾水擴散段開挖時采用潛孔鉆進行預裂施工，具體施工方法為：在廠房高程309.300 m開挖底板搭設潛孔鉆施工樣架，采用潛孔鉆造直徑90 mm預裂孔，孔深根據廠房基坑及尾水擴散段底板高程確定，初擬深度分別為11.3 m、9 m。

2.3 預裂爆破工藝性試驗方案

為獲取合理的造孔參數及爆破參數，以保證尾水擴散段及廠房基坑開挖成型效果，結合類似工程施工經驗以及當地火工材料特性，計劃進行廠房基坑開挖深孔預裂爆破工藝性試驗，根據試驗成果最后確定廠房機組基坑深孔預裂爆破技術參數。

試驗項目主要包括以下內容：炮孔施工角度控制和裝藥結構的選擇和優化、爆破后測定預裂孔垂直度、觀察爆破孔半孔率和檢測爆破對周圍巖石的影響范圍和程度等。

試驗目的包括以下內容：通過現場爆破試驗，及時調整爆破參數、控制爆破規模和施工方法，指導廠房基坑和尾水擴散段預裂施工，針對試驗過程中存在的問題，在試驗階段提出相應的解決辦法，最終確定適合于廠房基坑及尾水擴散段預裂施工爆破參數。

根據現場施工進度及廠房系統地質情況，預裂爆破試驗部位選在廠房EL.314.600～EL.309.300 m開挖階段，從廠房EL.314.600 m底板造垂直孔至EL.309.300 m底板。試驗選擇區域見圖2所示。

圖2 試驗部位平面布置示意(單位：高程m,尺寸mm)

2.4 預裂爆破技術參數

1) 爆破方法

如圖3所示，試驗選擇在廠房EL.314.600 m底板開挖階段進行，通過鋼管腳手架搭設造孔樣架，采用潛孔鉆造直徑90 mm預裂孔，孔深為開挖層高5.3 m，孔間距為90 cm，預裂孔數目計5個，采用3種不同線裝藥密度裝藥參數進行試驗，通過預裂效果確定預裂孔裝藥參數。

a平面示意 b立面示意

圖3 預裂爆破段爆破孔布置示意(單位：高程m，尺寸mm)

2) 爆破器材

爆破試驗用炸藥選用箱裝2#巖石乳化炸藥，藥卷規格為Φ32 mm-300 g、Φ60 mm-1 000 g。其性能為：藥卷密度：1±0.3 g/cm3，殉爆距離≥4 cm，爆速≥3 200 m/s，作功能力≥260 ml，猛度≥12 mm，保質期6個月。

試驗選用國產的Ⅱ系列毫秒微差非電雷管。光爆孔內選用普通型導爆索傳爆，導爆索規格為12 g/m，傳播速度為6 500～7 000 m/s，引爆雷管選用激發針激發，導爆管起爆。

3) 布孔參數

預裂爆破試驗爆破孔為在廠房EL.314.600 m底板豎直向下的預裂孔，設計孔深為廠房開挖層高5.3 m，預裂孔均采用潛孔鉆造孔，造孔孔徑為Φ90 mm，孔距為90 cm。試驗段爆破孔布置如圖3所示。

4) 樣架施工

預裂孔為潛孔鉆造孔，造孔時必須采用搭設鋼管樣架的方式，控制鉆孔精度。鉆孔樣架全部采用1.5寸焊管搭設，潛孔鉆與樣架通過扣件連接固定，鋼管與鋼管之間采用扣件進行連接。

樣架導向管的布置間距設為1.2 m，具體布置參數詳見圖4所示。

a立面示意 b平面示意

圖4 鋼管樣架搭設示意(單位：高程m，尺寸mm)

5) 裝藥結構

預裂爆破采用不耦合裝藥、導爆索傳爆，不耦合系數控制在1.5～2.8之間。預裂爆破的線裝藥密度采用1 459 g/m、1 233 g/m以及1 081g/m 3種方案，裝藥參數見表1，裝藥結構示意見圖5。

表1 預裂爆破參數設計

a 線裝藥密度1 459 g/m

b 線裝藥密度1 233 g/m

c 線裝藥密度1 081 g/m

6) 預裂爆破參數

理想的預裂爆破應達到如下爆破效果：① 開挖輪廓面上的殘留炮孔應均勻分布；② 開挖輪廓面上的半孔率：完整巖石達到85%以上；③ 開挖輪廓面上巖石平整，殘留孔壁不應有明顯的爆振裂隙；④ 設計開挖結構面開挖不允許欠挖，超挖值不大于20 cm。

爆破后經對爆破面進行效果檢查，方案1巖面較為平整，但半孔率較低，并造成一定爆振裂隙影響周邊巖體整體性，方案3半孔率明顯較好，但巖面平整度較低，方案2并未有較為突出的方面，但其整體評價效果最好，且巖面平整度也較為理想。爆破試驗效果見圖6。通過爆破試驗確定機組基坑預裂爆破參數為：預裂爆破線裝藥密度約為1 200 g/m，預裂孔開口孔距整體按80～90 cm控制，預裂爆破采用膠裝2#巖石乳化炸藥，藥卷規格為Φ32 mm、Φ60 mm，單重為300 g、1 000 g，裝藥結構為導爆索+竹片間隔不耦合裝藥，底部加強藥卷為1節Φ60 mm藥卷，后續間隔為23 cm裝Φ32 mm藥卷2節，堵塞長度在1.5 m左右。

圖6 預裂爆破試驗效果示意

3 基坑體型控制技術

3.1 預裂爆破設計

根據預裂爆破工藝性試驗方案所確定的技術參數，結合廠房機組基坑結構布置，設計預裂爆破孔深度為11.3 m、9 m，預裂孔開口孔距整體按80～90 cm控制，局部根據結構調整。廠房機組基坑預裂爆破孔布置方案見表2，基坑預裂孔裝藥結構見圖7。

表2 廠房機組基坑預裂爆破參數

a 孔深11.3 m

b 孔深9 m

3.2 體型控制工藝

1) 鉆孔控制

預裂爆破的效果很大程度上取決于預裂孔的鉆孔質量[2]，采取必要措施控制鉆孔質量在預裂爆破施工中是必不可少的環節。在預裂孔造孔時，搭設鋼管樣架輔助潛孔鉆造孔，控制鉆孔精度。

2) 孔位控制

根據預裂爆破成縫機理，并參照廠房EL.309.3以上預裂爆破施工經驗，預裂孔布置于設計結構線會存在局部欠挖情況，故深孔預裂開孔位置根據結構開挖線設計，孔口造孔位置在設計開挖線位置整體外偏10 cm造垂直孔。布置于廠房邊墻及端墻位置預裂孔，考慮局部超挖情況，孔口開孔位置在設計開挖線外偏5 cm造斜向孔，孔底距離設計開挖線10 cm，外偏角為0.25°，斜向孔示意見圖8。

圖8 深孔預裂斜向孔造孔示意(單位：高程mm，尺寸cm)

3) 直角位置成型控制

結構直角位置開挖是施工中的一個難點問題，難以達到理想的成型效果，為保證結構直角位置成型效果良好，兩直角邊第1個孔距離直角點60 cm布置，避免因直角處巖體較薄，孔距過小，爆破時直角處巖體隨直角邊第1個預裂孔周邊巖體裂開。直角處預裂孔布置見圖9所示。

圖9 結構直角處預裂孔布置示意(單位：cm)

4) 預留保護層控制

參照預裂爆破試驗效果，由于深處的巖體在上部巖體的蓋重作用下，巖體埋藏越深時，預裂成型效果越好。廠房在分層開挖設計時充分考慮了EL.307.800底板以上預留1.5 m保護層，保護層在基坑一層開挖完成后一次性開挖清除，可保障機組基坑邊墻與EL.307.800底板相交直角成型效果，保障EL.307.800底板極大程度的免受破壞。保護層一次爆除加快了施工進度，減少重復爆破對基巖的影響，提高了施工質量，同時也節約了工程費用[3]。

4 結語

梅蓄電站地下廠房機組基坑開挖采用了一次性深孔預裂爆破及保護層爆破開挖等技術，一次性深孔預裂爆破在保證成型質量的前提下，在一定程度上縮短了工期，梅蓄電站地下廠房原計劃移交工作面時間節點為2020年4月20日，實際于2020年4月13日爆破開挖結束，為移交工作面時間節點奠定了良好的基礎(預裂爆破開挖后成型效果見圖10所示)。

圖10 基坑預裂爆破開挖后成型效果示意

預裂爆破結束后，基坑分兩層開挖，保護層開挖計劃于基坑一層開挖后挖除，做到多個工作面交叉作業，合理安排工序，優化施工流程，全面推進廠房開挖進度。保護層一次開挖爆破方法取得了良好的效果，同時縮短工程工期、降低工程造價[4]。

梅蓄電站地下廠房機組基坑的開挖采用了較多手段，經過多元化、精細化的設計來保障體形成型效果，開挖成型后所取得的成果也較為豐厚，除了在極個別地質條件較為復雜的部位存在一定程度上的超挖外，廠房機組基坑最終的成型效果是較為理想的，極大程度的減小了超挖工程量和后期回填工程量，對優化施工流程、推進開挖進度、保證基坑成型、降低投入成本具有極大意義。