楊房溝水電站地下廠房精細化開挖爆破施工技術綜述

肖厚云，丁世華

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610081)

1 工程概況

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內的雅礱江中游河段上，是規劃中該河段的第六級水電站。楊房溝水電站工程的開發任務為發電，電站正常蓄水位2094m，相應庫容為4.558億m3，死水位2088m，相應庫容為4.0195億m3，電站調節庫容為0.5385億m3，電站總裝機容量1500MW，安裝4臺375MW的混流式水輪發電機組。

引水發電系統布置在河道左岸山體內，地下廠房采用首部開發方式。主副廠房洞在平面布置上采用“一”字型布置于左岸首部廠址處，自左至右依次布置副廠房、主廠房和安裝場。主副廠房洞總長度230m，其中主廠房長146.5m，副廠房長20m，安裝場段長63.5m。主廠房內安裝4臺單機容量為375MW的水輪發電機組，總裝機容量1500MW。主廠房分4個機組段、一機一縫布置，機組間距33.0m；主廠房吊車梁以下開挖跨度28.0m，以上30.0m，機組中心線上游側寬11.9m，下游側寬度16.1m。主廠房總高度75.57m。

2 地下廠房精細化開挖爆破施工技術

楊房溝地下廠房開挖在系統總結以往大型地下廠房開挖先進施工經驗的基礎上，結合廠房洞室大跨度和高邊墻結構特點、圍巖穩定條件、施工機械性能、運輸通道條件及支護方式等因素進行深入研究，按照“立體多層次、平面多工序的”總體原則。洞室開挖支護施工總體共分九大層，并根據現場情況采取層內分層、分區進行爆破開挖。通過現場實踐總結，提煉了“一炮一設計、一炮一總結、一炮一商會”的“三個一”爆破開挖施工工法，創新了頂拱邊墻擴挖開口刻槽爆破開挖技術、端墻雙向光面爆破技術、巖錨梁先錨后挖施工技術、洞室交叉口環向預裂等精細化爆破開挖技術，有效保障了地下廠房開挖質量優良且較合同提前6個月完成。地下廠房開挖分層分區詳見圖1。

圖1 廠房開挖分層分區示意

2.1 大跨度頂拱精細化爆破開挖技術

2.1.1 頂拱開挖分區

廠房頂拱層開挖高程為2022.5m～2010.0m，總高度為12.5m，分為四區進行開挖，I-1區為中導洞(高程2022.5m～2012.5m)開挖，斷面尺寸為12m×10m(寬×高)；I-2區為中導洞底板巖臺開挖，斷面尺寸為12m×2.5m(寬×高)；I-3、I-4區為上下游側擴挖(高程2021.514m～2010m)，擴挖寬度9m。廠房頂拱開挖分區見圖2。

圖2 廠房頂拱層開挖分區示意

2.1.2 施工程序

2.1.2.1 中導洞開口漸變段施工

第一步：中導洞漸變段以廠房右端墻為起點，開挖斷面沿用通風兼安全洞斷面，水平推進開挖，開挖至(廠右)0+163.5樁號(5個開挖循環，開挖長度15m)，停止向前掘進，從掌子面反向進行兩側修邊對稱擴挖，擴挖后開挖斷面由通風兼安全洞8.8m×7m(寬×高)變為12m×7m(寬×高)。

第二步：漸變段開挖斷面變為12m×7m(寬×高)斷面后，開始水平循環推進45m，開挖至(廠右)0+118.5樁號(16個開挖循環完成水平推進45m)，退出鉆爆臺車，停止向前掘進。

第三步：開始底板二次降底，降底開挖高度2.5m，剪底段樁號為：(廠右)0+118.5樁號～(廠右)0+178.5樁號，開挖長度60m，將整體斷面擴挖成12m×10m(寬×高)斷面，擴挖(廠右)0+148.5樁號～(廠右)0+178.5樁號段中部預留8m寬，10%斜坡施工通道。

第四步：推臺車至(廠右)0+148.5樁號，完成12m×10m斷面臺車改造，同時完成頂拱φ32、L=9m長錨桿施工。

2.1.2.2 標準段及兩側擴挖施工

第一步：完成過渡段開挖后，開始中導洞全斷面開挖，主副廠房洞第I層開挖支護主要采用“先中導洞超前開挖完成，后完成中部巖臺擴挖，再進行兩側擴挖施工”的方式施工，支護滯后開挖工作面應小于20m，當圍巖破碎時，支護應緊跟工作面實施。

第二步：中導洞貫通后進行中導洞底板巖臺的開挖施工，從安裝場側向副廠房側單向開挖。

第三步：中導洞底板巖臺開挖完成后，進行上下游側擴挖施工，擴挖擴口采用刻槽工藝。上游側從3#機組中心線處開始向兩側擴挖，下游側從2#機組中心線處開始向兩側擴挖。前期利用通風兼安全洞作為施工通道，廠房進風洞開挖完成后，同時利用通風兼安全洞、廠房進風洞雙通道進行施工。最后進行廠左側臨時施工通道的挖除施工。

2.1.2.3 左右端墻施工

為確保左右端墻開挖質量，在兩側擴挖至左右端墻位置時，端墻面預留2m～4m保護層，保護層開挖沿斷面方向分層進行造孔鉆爆，端墻面采用雙向光面爆破，爆破孔間距50cm，確保端墻開挖面平整。

圖3 施工程序平面示意

圖4 施工程序縱剖面示意

2.1.3 生產性爆破開挖試驗

為選取適宜的爆破參數，于2016年4月20日至2016年4月30日在廠房頂拱層中導洞(廠右)0+160～(廠右)0+134，分別按不同的周邊孔間距、不同的最小抵抗線、不同的周邊孔線裝藥量進行組合，共進行8次爆破試驗。爆破參數詳見表1。

表1 廠房中導洞爆破試驗參數

廠房第I層中導洞通過爆破試驗的3次爆破振動監測共采集到16個有效數據，對每點的3分量速度進行矢量合成，可得到每點的振動最大合速度，相比于采用單分量速度進行擬合計算，采用合速度可減小巖石局部各向異性造成的偶然誤差，進行回歸計算所得到的K、α值更趨合理。各點爆破振動最大合速度見表2。

表2 廠房第I層中導洞爆破振動參數回歸計算

通過爆破試驗效果及效率評價，同時結合爆破質點振動監測成果及爆破松弛檢測成果，總結認為廠房頂拱中導洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖進尺為3.0m～3.2m，周邊孔間距為50cm，周邊孔最小抵抗線75cm，周邊孔線裝藥量為154g/m效果最佳。施工參數現場實施時需結合揭示圍巖情況，實行設計進尺、裝藥量及布孔形式動態調整及個性化裝藥。

2.1.4 特殊部位爆破開挖

2.1.4.1 邊墻擴挖開口刻槽開挖

(1)刻槽開挖分塊設計(見圖5)

圖5 刻槽開挖分塊示意

①結構線預留保護層厚度1.2m～1.8m；

②中下部掏槽進尺根據開挖總厚度，宜控制在2.5m～3.5m；

③保護層刻槽深度根據頂拱弧線半徑、鉆機構造，按照最大超挖15cm進行設計。

(2)刻槽施工程序

依據開挖分塊，Ⅰ區開挖→Ⅱ區開挖→…→Ⅸ區開挖依次進行，支護可根據圍巖情況，適時安排。

2.1.4.2 端墻雙向光面爆破開挖

(1)施工要求

①邊墻擴挖端墻(最后一次爆破)開挖長度控制在3m左右；

②掌子面(順軸線方向)周邊孔控制深度為相應端墻樁號加20cm；

③掌子面(順軸線方向)主炮孔控制深度為相應端墻樁號減70cm；

④臨時邊墻向上下游的(垂直軸線)周邊孔控制樁號為端墻樁號加20cm；

⑤臨時邊墻端墻處周邊孔根據不同孔深進行φ25藥卷間隔裝藥，線裝藥密度80g/m；

⑥相應孔深以測量實測巖石面為準。

(2)炮孔布置(見圖6)

圖6 端墻雙向光面爆破炮孔示意

2.1.5 主要施工工藝要點

2.1.5.1 測量放樣

每一排炮要求準確放出中心十字線和周邊線。測量放樣必須逐孔放點，后視點必須間隔放樣，采用“+”、“-”標示超欠挖情況，洞軸線中心線標識清楚，孔位中心線與前一排炮殘孔對齊，誤差應在±5cm以內。

2.1.5.2 鉆孔

鉆孔作業實行定人、定機、定崗“三定”制度，周邊孔開孔前，放點點位不利于開鉆時，使用榔頭清撬處理，方便開鉆，并做好鉆桿標識，便于控制鉆進深度，保證孔底深度在一個輪廓線上。開孔采用短鉆桿，開孔必須2人以上，專人觀察孔向(后視點超挖值調整3cm/m的外插角)；鉆孔過程中隨時檢查孔距、鉆孔方向，每個孔鉆孔完成后安裝標桿，便于參照方向。

2.1.5.3 裝藥連線

嚴格按照審批后的爆破設計裝藥連線，嚴格控制線裝藥密度、裝藥結構等。

2.1.5.4 爆后評價

實行“三個一”工法，每排炮出渣及排險后，由質量部組織“爆破開挖技術質量攻關小組”成員對爆破效果進行現場檢查評價，并會商提出下一排炮的改進措施。

2.1.6 開挖與支護進度控制

為確保圍巖穩定、施工安全和工程進度，針對不同圍巖質量洞段，明確支護時機，制定支護施作進度的具體要求見表3。

表3 支護進度要求

2.2 巖錨梁精細化爆破開挖技術

2.2.1 巖錨梁層開挖分層分區

廠房第Ⅱ、Ⅲ層為巖壁梁層，第Ⅱ層分層高度為3.0m(高程2010.00m～2007.00m)；第Ⅲ層分層高度為11.2m(高程2007.00m～1995.80m)。巖壁梁以上開挖寬度30.0m，以下開挖寬度28.0m。巖壁梁布置于廠右0+178.5～廠左0+31.5段，巖壁梁總長度210m，上拐點高程為2004.128m，下拐點高程為2002.70m，巖臺開挖寬度為1.0m。為保證巖臺成型質量及后續巖壁梁澆筑需求，巖壁梁層共分兩層9區進行開挖，開挖分區如圖7所示。

圖7 巖壁梁層開挖分區示意

2.2.2 主要施工程序及方法

(1)總體施工程序：Ⅱ1、Ⅲ1區拉槽開挖→Ⅱ2、Ⅲ2區保護層開挖→Ⅲ3、Ⅲ5、Ⅲ8區拉槽開挖→Ⅲ4、Ⅲ6區保護層開挖→Ⅲ7區巖臺開挖→Ⅲ9區保護層開挖→開挖完成。

(2)中部拉槽區：槽寬20m，一次拉槽深度6m～8m，拉槽邊線孔間距1m，100B鉆機鉆孔預裂，爆破孔D7液壓鉆機鉆孔爆破。

(3)邊墻保護層：中部拉槽超前兩側保護層30m，搭設保護層開挖樣架，進行保護層開挖，保護層與拉槽區呈品字型，完成Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅲ1、Ⅲ2區開挖，其中在完成Ⅱ2區開挖后，應穿插完成中部第Ⅲ3、Ⅲ5區拉槽開挖。

(4)巖臺保護層：Ⅲ5區、Ⅲ6區開挖完成后進行巖臺保護層Ⅲ7區施工，其中Ⅲ7區豎向爆破孔應在Ⅲ2區鉆孔時搭設鉆孔樣架設置導向管鉆孔同步完成，并采用安插套管進行保護，斜向光面爆破孔在Ⅲ5區、Ⅲ6區開挖完成后搭設鉆孔樣架，設置定位導向套管進行鉆孔，雙向光面爆破。

(5)第Ⅲ8、Ⅲ9區開挖滯后巖壁吊車梁巖臺開挖30m，成品字型向廠左方向開挖，完成Ⅲ3～Ⅲ9開挖支護施工。

圖8 巖臺斜向鉆孔樣架示意

2.2.3 爆破試驗及參數選定

廠房巖錨梁開挖前進行了巖臺開挖爆破試驗，按照1:1的比例模擬巖壁吊車梁巖臺爆破開挖，爆破試驗分別按不同的孔距、不同的裝藥量(豎向孔和斜向孔)共進行3組爆破試驗，通過試驗選取了巖臺開挖最優的爆破參數；同時結合爆破試驗同時進行爆破震動測試，根據爆破試驗共設置3組監測點，最大的質點振動速度滿足《爆破安全規程》的規定。

施工鉆爆采用自制樣架鉆孔導管，利用手風鉆鉆孔，分層分區開挖，巖臺上、下拐點設計輪廓線位置以及巖臺斜面位置均采用YT28手風鉆光面爆破。根據不同的地質條件，光爆孔線裝藥密度按60g/m～80g/m控制，光爆孔采用1/8φ25小藥卷間隔裝藥。藥卷加工采用工具刀進行，光爆孔裝藥全部綁在竹片上。裝藥前必須對所有鉆孔按“平、直、齊”的要求進行認真檢查驗收并做好鉆孔檢查記錄。為盡量保護巖壁不被損壞，光爆孔竹片應貼預留側巖壁布置。裝藥結束后，由值班質檢員、技術員和專業炮工分區分片檢查，并經項目部、質量部驗收合格，監理工程師檢查通過后，炮工負責引爆。具體爆破參數見表3。

表3 巖錨梁巖臺保護層鉆爆參數

2.2.4 爆破參數優化調整

針對不同的圍巖類別段進行多次爆破試驗，通過試驗取得不同圍巖類別(Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類)爆破參數優化基準值，實施時通過爆破效果檢查、爆破質點振動速度及爆前爆后圍巖松弛深度檢測，進行評價。同時結合地質工程師對已揭露的洞段地質情況的素描成果，由業主、監理、總承包方(設計、施工)按照“三個一”工法(一炮一設計、一炮一總結、一炮一商會)對一次爆破的范圍及裝藥參數提出調整建議。下面以廠房下游側廠左0+3m～廠左0+31.5m為例進行簡要說明。

2.2.4.1 地質預報

2017年4月3日經地質工程師現場勘查，并以地質預報單(地質簡報)明確：樁號廠左0+3m～廠左0+31.5m，高程2002.7m～1998.8m段發育有順洞向斷層f83及其影響帶和多條擠壓破碎帶，沿結構面多見蝕變現象，巖體完整性差～較破碎，屬Ⅲ2類圍巖。

2.2.4.2 共同商會

針對地質工程師提交的圍巖確認單及預報，2017年4月4日，巖錨梁技術質量攻關小組召開會議，并明確下述要求：

(1)廠左0+33m～廠左0+3m段巖錨梁下拐點以下3排系統錨桿調整為預應力錨桿并局部加密。

(2)針對巖臺增加一排玻璃纖維錨桿，入巖角度與巖臺大角度相交，加密下拐點的鎖口錨桿。

(3)及時施做系統錨桿和鎖口錨桿。

(4)控制單響藥量，降低周邊孔線裝藥密度并采用個性化裝藥。

2.2.4.3 爆破設計優化

結合地質資料及會商意見，保證光爆孔間距不變的情況，在基準爆破參數(表3)的基礎上將線裝藥密度降低，并對局部掉塊部位進行個性化裝藥。調整后爆破參數見表4。

表4 Ⅲ2類圍巖巖臺開挖調整后爆破參數

2.2.4.4 爆后總結評價

爆破完成后技術質量攻關小組進行現場評價，炮孔半孔率92%，最大超挖25cm，相鄰兩炮孔間巖面不平整度不大于10cm，爆破效果達到預期。

2.2.5 主要施工工藝要點

(1)對巖壁梁下拐點以下10cm處施工一排鎖口錨桿，具體參數為：φ25，L=3.0m，間距1.0m。

(2)對巖壁梁保護層陡傾角巖層外增設隨機玻璃纖維錨桿，進行提前錨固，確保巖臺成型效果。

(3)巖臺開挖前需先完成2002.7m～1998.8m高程邊墻系統錨桿及初噴。

(4)個性化爆破設計

①生產性試驗→巖臺鉆孔爆破設計→巖臺側向保護層開挖后，若巖臺巖石情況變化較大，調整鉆孔的爆破參數→爆破效果分析、優化鉆孔爆破參數→鉆爆設計個性化，提出有裂紋、有節理巖面等特例巖層個性化爆破方法和數據，從而在鉆爆設計環節達到精細化過程控制。

②根據開挖巖面揭示，按地質工程師現場勘查，對每一段巖壁梁圍巖類別在墻面上進行標識，針對不同圍巖類別進行分段個性化爆破設計，對特別破碎段圍巖采用導爆索爆破的方式進行開挖。

(5)測量放樣

巖臺開挖施工放樣以及鉆孔樣架搭設放樣采用全站儀施測，按照設計高程和位置放樣，并在邊墻上每隔3m給出高程。為了保證鉆孔時上直墻、斜面及下直墻光爆孔三孔一線，要求測量對光爆孔逐孔放樣，確定每個孔的樁號，標記出每個孔的實際鉆孔深度。

(6)樣架搭設

對于巖臺上、下拐點設計輪廓線位置以及巖臺斜面孔必須采用搭設鋼管樣架的方式，以控制鉆孔精度。鉆孔樣架全部采用φ48鋼管搭設，主要由支撐管、導向管以及操作平臺鋼管三部分組成，樣架搭設順序為支撐鋼管、導向管及操作平臺鋼管，鋼管與鋼管之間采用扣件進行連接。所有樣架搭設必須牢固可靠，若定位架不穩定，可考慮將架子與周邊錨桿或增設短插筋(C25，入巖50cm)焊接固定。

(7)鉆孔

巖臺豎向光爆孔和斜面光爆孔全部采用鉆孔樣架進行控制，所有施工樣架必須通過質量部、測量隊及監理工程師的驗收簽證，方可投入正常使用。開鉆前，當班技術員采用鋼卷尺、地質羅盤、水平尺對準備投入使用的鉆孔排架進行鉆前校核檢查，經檢查無變形和移位后方可開鉆。開孔后應立即檢查孔位是否在開口線位置，確保孔位無誤后再繼續施鉆，并在鉆進過程中注意檢查。

光爆孔鉆孔采用2～3次換釬方式。其中，巖臺上拐點位置的設計鉆孔深度為2.87m，結合樣架設計高度，相應選用鉆桿長度為4.0m(不含釬尾長度)；巖臺斜面位置的設計鉆孔深度為1.74m，結合樣架設計高度，相應選用鉆桿長度為3m(不含釬尾長度)。

(8)裝藥起爆

裝藥前必須對所有鉆孔按“平、直、齊”的要求進行認真檢查驗收并做好鉆孔檢查記錄。裝藥結構嚴格執行爆破設計，為盡量保護巖壁不被損壞，竹片應貼預留側巖壁布置。裝藥結束后，由值班質檢員、技術員和專業炮工分區分片檢查，并經項目部質量部驗收合格，監理工程師檢查通過后，炮工負責引爆。

2.3 洞室交叉口精細化爆破開挖技術

主副廠房上部與通風兼安全洞、廠房進風洞平面相貫；中部與進廠交通洞、母線洞、副廠房施工支洞平面相貫；下部與壓力管道、尾水連接管相貫。按照“先洞后墻”的施工程序，小斷面洞室優先貫入大斷面洞室，并在相貫線實施環向預裂爆破，以減少大斷面洞室下挖時對平交處永久邊墻破壞，確保交叉洞口成型質量。以壓力管道為例介紹開挖技術如下：

根據“先洞后墻”的施工原則，四條壓力管道下平段均向廠房貫入3.0m，為減少后期廠房Ⅵ、Ⅶ層下挖對壓力管道與廠房平交處的破壞，對壓力管道與廠房平交處[管(1)0+266.836、管(2)0+247.872、管(3)0+228.913、管(4)0+209.971]進行環向預裂施工。頂拱預裂孔采用多臂鉆鉆孔，下部預裂孔采用手風鉆鉆孔，預裂孔間距30cm，孔深2.0m。

圖9 壓力管道貫入廠房段環形預裂布孔

2.4 機坑精細化爆破開挖技術

2.4.1 機坑開挖分層

機坑位于廠房開挖的Ⅷ～Ⅸ層，開挖范圍為1967.50m～1946.93m，開挖總高度為20.57m。

2.4.2 主要開挖施工方法

廠房第Ⅸ層開挖主要利用尾水擴散段、尾水洞2#施工支洞作為施工通道，采用“先中導洞，后兩側擴挖”的方式施工。在機組段開挖時由于設計結構形式有中隔墻及隔墩且存在多臨空面，底部挖空率較高等，施工難度較大。為避免相鄰洞室的開挖影響，確保機組間隔墻的安全穩定及開挖成型質量，嚴格按照跳洞開挖的原則，1#、3#機組先開挖，2#、4#機組后開挖的程序進行施工，減少爆破震動影響。堅持“短進尺、弱爆破、多循環、少擾動”的原則進行開挖施工。

第Ⅷ層分三序開挖，開挖高度9.01m，單個機坑總體分為3大區進行開挖。Ⅷ1區為φ3m溜渣井開挖(與Ⅸ層貫通)，Ⅷ2區為基坑部分擴挖，Ⅷ3區為保護層開挖。為進一步提高開挖成型質量，其中1#機組段細化爆破分區累計達24區。

圖10 1#機組第Ⅷ層開挖分區示意

2.4.3 保證開挖質量的主要措施

(1)始終堅持“先洞后墻、先錨后挖”的原則，確保施工人員安全的同時提高開挖成型質量。在機坑之間的巖柱頂面保護層，設置沉頭錨桿，在廠房機坑開挖之前完成，錨桿頂高程不高于1964.10m。

(2)細化開挖分區，控制一次爆破規模，控制爆破單響，提高爆破質點振動速度控制標準，由規范允許的對已開挖的地下洞室洞壁≤10cm/s調整至≤7cm/s。

(3)制定第Ⅷ、Ⅸ層開挖的變形控制標準，指導開挖與支護施工時機關系及爆破開挖的優化。

(4)采用樣架進行周邊光爆孔精準造孔，施工過程中嚴格執行樣架驗收流程，現場質檢員及技術員在鉆孔過程中按照“三步校桿法”，嚴格控制鉆孔間距、孔向，加強巡視檢查，發現偏差及時糾偏。

3 結語

通過采用一系列地下廠房開挖精細化創新技術和工藝，楊房溝水電站地下廠房克服了陡傾角優勢結構面與廠房夾角較小，最大主應力方向與廠房呈大角度相交，且受圍巖地質條件復雜、局部存在圍巖蝕變等綜合因素影響，26個月完成廠房開挖支護施工(較合同提前6個月)，創造了同規模大型地下廠房開挖施工新紀錄。取得了多項科技成果并打造了大型地下洞室爆破開挖行業樣板工程。