清原抽水蓄能電站地下廠房巖錨梁開挖施工技術研究

劉 蕊，白 威，余 健

（1．中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京市 100024；2．內蒙古呼和浩特抽水蓄能發電有限責任公司，內蒙古自治區呼和浩特市 010051 ）

1 工程概況

清原抽水蓄能電站位于遼寧省清原滿族自治縣境內，為大（1）型一等工程，規劃6臺單機容量300MW豎軸單級混流可逆式水泵水輪機組，總裝機容量1800MW，樞紐建筑物由上水庫、輸水系統、地下廠房、下水庫等組成。地下廠房采用中部布置方式，由主機間、安裝間和副廠房組成，呈“一”字形布置，安裝間布置在主機間右端，副廠房則布置在左端。地下廠房開挖尺寸222.5m×27.5m（26m）×55.3m。按照機械設備作業性能參數、洞室空間結構形式、通道布設等多重因素考慮，以便于開挖支護施工機械設備布設及施工方便，第Ⅱ層開挖高度為10m，最大跨度為27.5m。主廠房由上至下共分7層開挖，巖錨梁位于廠房Ⅱ層開挖范圍內，巖壁梁全長202.8m、高2.53m、寬1.90m。巖錨梁支護采用砂漿錨桿C36@75cm，梅花形布置，L=9.7m，入巖8m；砂漿錨桿C28@75cm，間隔布置，L=7.1m，入巖6m[1]。

2 地質條件

地下廠房巖錨梁巖臺圍巖為微新花崗巖，為硬質巖，巖體結構為次塊狀～塊狀結構，巖體較完整，圍巖類別為Ⅲ類，工程地質條件較好。發育角閃巖脈Σ1、Σ2、Σ3。地下廠房巖錨梁巖臺開挖過程中，Σ2、Σ3和花崗巖接觸帶與三組裂隙組合，可能產生不穩定楔形塊體；Σ1等緩傾角裂隙，可能與陡傾角結構面形成不穩定塊體，對巖臺穩定有一定影響，需加強支護處理措施。局部裂隙的不利組合會產生掉塊或塊體失穩，特別是傾向洞內中等傾角裂隙對吊車梁部位圍巖穩定存在不利影響。施工期需注意對局部裂隙組合形成的不穩定塊體的隨機支護處理。根據前期勘察成果，巖錨梁部位地應力屬中等地應力狀態，從目前開挖揭露情況看，廠房區未出現明顯的巖爆現象，局部開挖后易產生二次應力集中，主要表現為表層巖塊可能發生脫落、產生新的裂隙等現象，對吊車梁部位圍巖穩定不利。

3 開挖施工方法

3.1 開挖分層分區規劃

清原抽水蓄能電站地下廠房第Ⅱ層開挖尺寸為222.5m×27.5m（26m）×10m，總開挖工程量約6萬m3。廠房Ⅱ層為巖壁梁施工層，本層采用分兩層開挖，上下層均采用中間拉槽，兩側預留保護層的施工方法進行開挖；上層及下層前期從通風洞出渣，下層后期從進廠交通洞出渣。為減小爆破振動對巖壁梁部位圍巖的影響，在梯段爆破與保護層開挖的分界線采用預裂爆破，中部拉槽開挖寬度為18m，梯段爆破層高6m，兩側預留保護層開挖，單側寬4.75m/4.0m，保護層開挖層高選擇是在考慮為保證巖壁梁巖面整體完整以及混凝土澆筑要求而確定的，分3層進行開挖施工。

3.2 巖錨梁開挖施工程序

根據巖錨梁的布置位置與設備特性相匹配，采取兩側預留保護層，中間梯段爆破，三角巖臺區一次性光面爆破切割成型。針對地下廠房自身結構特性、地勘資料、施工機械選型、洞室空間結構形式、通道布設、巖錨梁開挖需與其保護層開挖相結合，巖錨梁第一層保護層 II1-1、II1-2在第一層中部拉槽II1開挖施工完成30m后即可進行施工，期間進行光爆孔①的鉆設。第一層保護層II1-1、II1-2開挖結束后搭設一期樣架并進行巖臺上部EL250.850處邊墻豎直光爆孔②及保護層豎直光爆孔③的鉆設。第二層保護層II2-1、II2-2在第二層中部拉槽II2開挖施工完成30m后即可進行施工，第三層保護層II2-3、II2-4緊跟第二層保護層II2-1、II2-2施工，期間進行光爆孔④的鉆設。所有保護層開挖完成后搭設二期樣架進行巖臺光爆孔⑤鉆設，最后分段進行巖臺II2-5、II2-6開挖施工。巖錨梁開挖分層及施工順序見圖1。

圖1 地下廠房巖錨梁開挖施工程序（單位：cm）Figure 1 Construction procedure for excavation of rock anchor beam in underground powerhouse（unit：cm）

3.3 爆破參數確定

為保證巖錨梁開挖質量，在巖錨梁施工前，通過爆破工藝性試驗確定合理爆破參數、適宜的開挖分段，用于指導巖錨梁開挖施工。為達到本次工藝性試驗目的，爆破工藝性試驗時完全模擬巖錨梁開挖結構形式、光爆孔布置方式、樣架結構進行試驗，試驗區選擇典型地質斷面和不良地質斷面進行。試驗段通過使用不同線裝藥密度進行爆破試驗，現場實施中可根據具體地質條件動態優化爆破設計，提高開挖面爆破半孔率和平整度，有效降低爆破振動對圍巖的不利影響[2]。最終通過爆破試驗確定的巖錨梁光面爆破最優參數如表1所示，光面爆破孔采用YT-28手風鉆鉆孔，孔位、孔斜、孔向、孔深采用樣架嚴格控制，鉆孔孔徑42mm，凈孔距34cm，豎向光爆孔線裝藥密度77g/m，斜向光爆孔線裝藥密度77g/m，巖錨梁豎向光爆孔及斜向光爆孔的裝藥結構如圖2、圖3所示。

表1 地下廠房巖錨梁光面爆破基本參數表Table 1 Basic parameters of smooth blasting of rock anchor beam in underground powerhouse

圖2 地下廠房巖錨梁豎向光爆孔裝藥結構（單位：cm）Figure 2 Vertical light blasting charge structure of rock anchor beam in underground powerhouse（unit：cm）

圖3 地下廠房巖錨梁斜向光爆孔裝藥結構（單位：cm）Figure 3 Oblique light blasting charge structure of rock anchor beam in underground powerhouse（unit：cm）

4 開挖施工工藝控制

4.1 測量放樣

巖錨梁開挖施工放樣所采用測量點均以控制網點為基礎。周邊光爆孔放樣時，采用設站導線控制點測出輪廓點附近任意點的坐標，利用計算器編程計算任意點與設計的差值，調整后再測量，直至調整至設計線為止。巖錨梁光面爆破孔必須逐孔放樣，記錄孔口高程、半寬，樣架搭設完成后測設樣架導向管頂口樁號、高程、半寬及底孔樁號、高程、半寬，用以控制樣架設計角度、鉆孔深度。鉆孔過程中測量及時抽查樣架是否移動、傾斜，防止樣架因固定不牢靠導致移位，從而造成鉆孔偏移。

4.2 鉆孔工藝

巖錨梁炮孔鉆設必須嚴格按照測量放樣的孔位開孔，分段開挖的光面爆破孔必須搭設樣架，利用樣架控制光爆孔間排距、孔深及鉆孔角度。鉆孔前在鉆桿上標記鉆孔深度，開孔時配備鉆工按照測量放樣的開孔位置扶桿定位，防止鉆頭滑動、偏移，開孔后操作手扶正鉆機并經常檢查鉆桿與樣架導向管之間是否存在卡滯現象，如發生卡滯現象則說明鉆進角度存在問題需及時進行調整，在整個鉆進過程中配備一名鉆工全程檢查樣架穩定情況，是否發生滑動、偏移、傾斜，鉆桿進尺至孔深標記處立即停止鉆孔，利用高壓風水吹孔，經質檢人員檢查合格后方可進行下一個光爆孔鉆設[3]。巖壁吊車梁光爆孔鉆孔的孔位偏差≤2cm，孔深偏差≤2cm，孔向偏差≤1.5°，孔距偏差≤3cm，炮孔有效深度內無巖粉、塊石、泥漿等雜物。

4.3 裝藥結構

光爆孔孔內采用導爆索起爆，末端最后一節藥卷設置1發非電毫秒延時雷管，采用PVC半管綁扎實現間隔裝藥；主爆孔孔內采用毫秒微差導爆管起爆，每孔設置2發非電毫秒延時雷管，孔外采用導爆管按照設計分段將光爆孔、主爆孔連接在一起，形成起爆網路。巖錨梁光爆孔炸藥采用2號巖石乳化炸藥，現場采用φ25mm藥卷改制成小藥卷，按照爆破設計要求的間隔寬度與導爆索一同綁扎在PVC半管上，統一送入孔內至設計深度，孔口最后一段藥卷內設置1發非電毫秒雷管，巖臺豎直孔與斜孔導爆管連接一同起爆。

5 開挖關鍵技術措施

巖錨梁是地下廠房的主要結構之一，其開挖施工質量的好壞直接影響后期橋機的安全運行。巖錨梁開挖精度要求較高，不允許有欠挖現象，除因特殊地質原因引起的超挖外，盡量減少超挖。巖錨梁開挖前應借鑒類似工程的施工經驗，通過現場爆破試驗不斷總結經驗，調整和優化爆破參數，并采取行之有效的控制爆破技術，以達到上拐點邊墻、斜臺和下拐點邊墻三面炮孔三線合一且相鄰兩孔間巖面完整，無明顯的爆破裂隙的良好開挖效果[4]。

5.1 樣架搭設

巖錨梁樣架分兩期布置，巖錨梁巖臺頂部豎直光爆孔樣架及保護層豎直光爆孔樣架為一期樣架、巖錨梁巖臺斜孔樣架為二期樣架。樣架均采用φ48mm鋼管制作，主管兩端管口內套加限位器，導向管與排架、排架與支腿斜撐之間均由扣件連接，導向管安裝完成后需測量放樣其頂口樁號、高程、半寬及底孔樁號、高程、半寬，控制鉆孔深度、插入角度符合試驗要求，樣架位置測設完畢后利用錨筋連墻件及斜撐進行加固。

5.2 鉆孔角度控制

確保鉆孔在同一平面內且互相平行是保證光面爆破質量的前提，是確保巖壁梁開挖質量的重點控制措施。垂直孔鉆孔垂直度采用垂線球方法進行控制，鉆孔設備采用手風鉆，當鉆孔完畢后，在孔內插入一個兩倍于孔深長度的標桿，量測標桿外露部分的垂度即為鉆孔垂度。斜孔鉆孔角度控制在實施鉆孔作業時難度較大，涉及垂直方向上的巖臺斜面角度及巖臺斜面內的角度控制[5]。垂直方向上的巖臺斜面角度控制采用鋼架管搭設鉆機平臺的方法，鉆機平臺的角度與高度采用測量放線及木制三角樣板的方法，巖臺斜面內角度控制采用木制直角樣板進行。

5.3 巖臺技術超挖

巖錨梁的開挖是廠房開挖施工的重中之重，特別是巖臺的開挖成型，對巖錨梁的受力條件有直接影響，施工中必須確保巖臺成型良好。在巖臺開挖過程中進行適當技術超挖，能保證巖臺不出現欠挖現象，對后續巖錨梁鋼筋安裝及混凝土澆筑有好處[6]。巖錨梁保護層豎直光面爆破孔③孔按照超挖0.0～5.0cm進行控制，樣架頂口高程EL250.850，孔底布置在巖錨梁下拐點以下107cm處，對應高程為EL246.750，鉆桿進尺長度4.1m，孔向為豎直方向。巖錨梁巖臺豎直光爆孔②孔按照EL250.850高程處超挖3cm，EL249.119高程超挖8cm控制，樣架頂口高程EL250.850，孔向與豎直方向夾角2°，底孔高程EL249.119，鉆桿進尺長度1.73m。巖錨梁巖臺斜面光爆孔⑤孔按照超深2cm進行控制，開孔位置對應高程EL247.820，孔向與水平方向夾角59°，鉆桿進尺1.54m。巖錨梁巖臺技術超挖如圖4所示。

圖4 巖錨梁巖臺技術超挖示意圖（單位：cm）Figure 4 Schematic diagram of over-excavation of rock anchor beam rock bench technology（unit：cm）

5.4 巖錨梁下拐點預加固

為了防止巖錨梁下拐點開挖爆破成型出現掉塊或超挖現象，影響開挖整體成型質量，在第二層保護層II2-1、II2-2開挖揭露后，對巖錨梁下拐點（EL247.757）進行加強支護，該措施在國內多個電站巖錨梁的開挖施工中已得到應用，常規方法采用的有普通砂漿錨桿、槽鋼或角鋼焊接貼壁圍護[7]。鑒于巖錨梁下直面邊墻實際開挖平整度不足，采用槽鋼或者角鋼焊接效果不佳，因此在清原抽水蓄能電站地下廠房巖錨梁下拐點增設砂漿錨桿采用鎖口方式進行預加固。具體在巖錨梁下拐點以下20cm處增設1排鎖口砂漿錨桿，砂漿錨桿C22@75cm，間隔布置，L=3.0m，入巖2.85m。

5.5 巖臺臨時支護

第二層保護層II2-1、II2-2開挖完成后，揭露的巖臺保護層II2-5、II2-6臨時邊墻巖體裂隙有擴張趨勢，且巖石長期裸露容易風化產生片幫、順層滑落風險，同時巖錨梁巖臺保護層II2-5、II2-6厚度僅為75cm，開挖后由于應力釋放易導致巖臺碎裂掉塊現象，因此在第二層保護層開挖形成后，應及時對巖臺保護層臨時邊墻采取噴護5cm厚C30素混凝土進行臨時封閉，可以有效防止巖臺保護層臨時邊墻巖面在爆破后產生松弛卸荷及周邊爆破振動對巖錨梁巖層形成再次擾動破壞[8]。

5.6 質量評價

清原抽水蓄能電站地下廠房巖錨梁于2020年10月27日全部開挖完成，巖錨梁施工過程中進行了3次爆破仿真試驗，并在后續施工中依據地質條件的變化和爆破效果及時調整優化爆破參數。通過對測量放樣、造孔工藝及裝藥結構的精細化管控，巖錨梁的開挖爆破質量達到了預期效果。巖壁吊車梁開挖質量檢測成果如表2所示，從表中統計的數據可知，地下廠房巖壁吊車梁超欠挖得到有效控制，無欠挖情況，爆破半孔率及不平整度質量控制指標均滿足要求。

表2 地下廠房巖壁吊車梁開挖質量檢測統計表Table 2 Excavation quality inspection statistics of the rock wall crane beam of the underground powerhouse

6 結論

（1）清原抽水蓄能電站巖錨梁巖臺爆破開挖是地下廠房最為關鍵且難度最大的環節，通過對測量放樣、造孔工藝、裝藥結構及爆破網絡等質量工藝的精細化管控，巖錨梁開挖面不平整度、殘留炮孔半孔率、斷面超欠挖均滿足規范要求，實現巖臺設計開挖輪廓成型規整，充分說明了地下廠房巖錨梁的開挖規劃、爆破設計、施工方法、工藝參數的選擇是科學合理的。

（2）為減小爆破振動對巖壁梁部位圍巖的影響，對地下廠房Ⅱ層進行了精細化分區，保護層采用小分區薄層開挖；為了防止邊墻片幫掉塊難以成型，對巖臺下拐點安裝系統砂漿錨桿；為了避免巖臺出現欠挖，對設計輪廓線進行了技術超挖；為了保證鉆孔精度，采用鋼管樣架、導向管等措施控制孔位、孔向及孔深。同時，清原抽水蓄能電站巖錨梁的開挖施工質量達到了預期效果，滿足電站安全穩定運行要求，其成果為國內大跨度地下廠房巖錨梁開挖施工提供了工程實例和技術經驗。