基于中高地應力地區條件下的地下廠房巖壁吊車梁開挖技術

胡紫航，張一波，黃凌宇，劉建新，叢中方

（山東文登抽水蓄能有限公司，山東省威海市 264419）

0 引言

巖壁吊車梁作為重要的承載橋機永久運行結構，巖臺開挖質量要求高，巖臺超欠挖、巖臺不平整度和半孔率控制是施工重難點[1]，爆破參數選擇及施工過程質量控制尤其重要，因文登抽水蓄能電站地下洞室群處于中高地應力地區，地下廠房上游側邊墻應力釋放，實際開挖中存在片幫掉塊現象，需嚴格控制邊孔藥量及總藥量，并根據現場及時調整孔距與線裝藥密度，不斷優化控制措施，保證施工質量。

1 工程概況

1.1 工程參數

文登抽水蓄能電站地下廠房開挖總尺寸為214.5m×25（26.5）m×53.5m（長×寬×高），巖壁吊車梁以上跨度為26.5m，以下為25m，上、下游巖壁吊車梁分別長194.5m。巖臺設計高程59.32～61.85m，總高2.53m，斜面長1.5m，斜面與鉛垂面夾角為30°。

1.2 地質條件

巖壁吊車梁段部位巖性以石英二長巖和二長花崗巖為主，以整體塊狀—塊狀為主，局部為塊狀—碎裂狀結構，在下游邊墻發育一條Ⅲ級結構面，寬2～10cm，呈壓扭性，與邊墻成大角度相交，斷層及其影響帶規模較小，圍巖以Ⅰ～Ⅱ類為主，斷層部位為Ⅲ類，具有整體完整性。廠房區域最大水平主應力為9.32～19.67MPa，屬于中高地應力地區，方向為NWW向（NW280°～300°），與廠房軸線夾角為35°～55°。

2 施工工藝

2.1 爆破試驗

在巖壁吊車梁正式開挖前，選擇與地下廠房同等地質條件主變壓器洞Ⅱ層邊墻進行工藝性試驗，確定施工方法、鉆爆參數（含開挖鉆孔角度、孔距、孔深、單孔裝藥量），有效控制直孔與斜孔錯位及超欠挖情況，防止爆破裂縫產生，確保巖壁吊車梁巖臺成型質量[2]。

巖壁吊車梁保護層及巖臺區開挖分層方式有兩種，方案1為三層一區，方案2為二層一區（如圖1所示）。方案2是優化至兩層開挖，是充分考慮提高施工效率增加的比對方案。

圖1 工藝試驗巖臺分層分區圖Figure 1 Layered zoning diagram of process test platform

方案1和方案2巖臺開挖試驗區分別長10m、上部寬3m、下部寬2.25m、高6m。方案1：Ⅰ層高1.5m、Ⅱ層高2.8m、Ⅲ層高1.7m、保護層分三次爆破。方案2：Ⅰ層高3.8m、Ⅱ層高2.2m、保護層分兩次爆破。兩種方案均按照5m長分兩段進行。試驗段光爆孔距均為30cm，主爆孔距60～80cm（從里到外每排中兩孔距為60、70、80cm），排距40～65cm（四排，從里到外每排中兩孔距為40、60、60、65cm），均采用導爆索、非電雷管及φ32乳化炸藥，從里到外炸藥依次為9、7、5、3段位，光爆孔采用竹片間隔裝藥。炮孔平面布置及立面布置如圖2所示，炮孔裝藥結構如圖3所示。

圖2 炮孔平面布置圖及炮孔立面示意圖Figure 2 Blasthole layout and elevation diagram of blasthole

圖3 保護層炮孔裝藥結構示意圖Figure 3 Diagram of charging structure of protective hole

在巖壁吊車梁保護層開挖試驗完成后，進行巖臺開挖爆破試驗[3]。為保證開挖輪廓平整度，開挖過程中，邊線直墻和斜孔孔底相互錯開，垂直孔孔底相對巖臺設計上拐點向邊墻內偏移5cm、向下偏移5cm；垂直孔底部裝藥前先填充5cm深細砂。方案1中巖臺區爆破設計參數為：孔距30cm，垂直孔線裝藥密度70g/m，斜面孔線裝藥密度60g/m，每孔裝藥。方案2中巖臺區爆破設計參數為：孔距30cm，垂直孔線裝藥密度60g/m，斜面孔線裝藥密度50g/m，每孔裝藥。

方案1和方案2保護層及巖臺區炮孔裝藥參數見表1。

表1 巖壁吊車梁試驗鉆孔裝藥參數表Table 1 Rock wall crane beam test borehole charging parameters table

根據巖壁吊車梁開挖試驗效果，綜合巖臺成型質量、巖體松弛圈深度、施工效率等因素，文登抽水蓄能電站巖壁吊車梁施工采用方案2（二層一區）開挖方式，選取爆破參數如下：保護層采用豎向光爆、孔徑42mm、周邊孔孔距30cm、抵抗線40cm、線裝藥密度65g/m；巖臺區開挖垂直孔孔距30cm、抵抗線40cm、線裝藥密度65g/m，斜面孔孔距30cm、抵抗線40cm、線裝藥密度55g/m。同時，在施工中如遇地質條件重大變化，及時調整爆破參數。

2.2 施工工藝控制及措施

巖壁吊車梁開挖施工工藝流程主要包括：爆破參數設計→測量放點→樣架搭設→鉆孔及驗孔→樣架拆除及裝藥爆破→通風散煙及排險出渣→質量檢查→調整爆破參數→下一循環[4]。

2.2.1 爆破參數設計

因巖壁吊車梁開挖爆破必須保證巖臺擾動最小，為減少爆破振動影響，按照《水電水利工程巖壁梁施工規程》（DL/T 5198—2013）采用中部拉槽、兩側預留保護層方法，結合已知地質條件，預留保護層寬度2.25m，符合規程2～4m的要求。地下廠房主爆區與預留保護層先預裂施工。結合預留保護層寬度及建設項目圍巖類別，編制爆破試驗大綱，進行現場試驗后確定爆破參數[5]，見本文2.1的內容。

2.2.2 測量放點

組織施工專業測量人員測量放線，用紅漆明顯標識放樣點位。放樣內容包括：樣架定位點、所有周邊孔的開孔點等。測量過程由施工技術人員全程參與，監理測量工程師針對重點點位復核。

2.2.3 樣架搭設

為保證巖壁吊車梁巖臺體型結構成型率，鉆孔時搭設樣架，采用鋼管排架搭設垂直孔樣架、斜孔樣架，鉆孔樣架如圖4所示。樣架桿件設置和連接應牢固穩定，樣架與基礎面及邊墻連接可靠，避免鉆孔過程出現偏移影響鉆孔位置、垂直度[6]。樣架搭設完畢后，經專業測量人員校核及質量管理部門驗收方可投入使用。

圖4 鉆孔樣架搭設示意圖Figure 4 Schematic diagram of drilling sample frame erection

樣架搭設順序為：樁號及高程測量放樣→固定管造孔→安裝樁號控制鋼管→安裝高程控制鋼管→支撐排架搭設→導向管安裝→導向管套管安裝。

樣架搭設控制要點：樣架及支撐排架安裝前，對底板及邊墻清翹，清理工作面，保證表面基本平整、無浮渣，保證具有搭設穩定的環境。根據腳手架與樁號線相對位置布設豎向鋼管[7]。鉆孔樣架主要由支撐管、導向管（如圖5所示）組成，鋼管間采用扣件連接，重復利用的搭設材料，使用前檢查是否彎曲變形。

圖5 導向管結構示意圖Figure 5 Guide pipe structure diagram

搭設樣架前，先用手風鉆進行樁號、高程控制管鉆孔，孔徑50mm，孔深不少于50cm，在搭設過程中，高程和樁號偏差應控制在5mm內，滿足要求后，用鋼管扣件完成鎖定。導向管端口（對于鉆設垂直光爆孔時為上端口，對于鉆設斜面光爆孔時為下端口）的中心高程應在同一高程線上。

為確保支撐排架結構穩定，保護層及巖臺的鉆孔樣架通過測量隊測量校核，經監理驗收合格后使用。

2.2.4 鉆孔及驗孔

樣架布置3處，分別為Ⅰ層3排周邊孔施工樣架、Ⅱ層周邊孔施工樣架和巖臺區斜面周邊孔施工樣架，借助樣架沿著每個周邊孔套管位置采用YT-28手風鉆鉆孔，直徑φ42mm。每個孔開孔后檢查孔位是否符合設計要求，確?？孜缓罄^續施鉆。光爆孔在鉆孔過程中，須在導向管孔口插入直徑30mm、長度≥30cm的套管，鉆孔完成后拆除套管。根據各區開挖深度確定導向管的長度，并在鉆桿上標記，當鉆桿標記與套管邊沿重合時，即達到設計孔深。

為保證鉆孔質量，采用長度≤1.5m鉆桿開孔，再用長鉆桿鉆至設計孔深。用高壓風清孔，對每個孔進行編號，檢查周邊孔孔向、孔深，做好表格記錄，孔深不足進行補打，超深孔填入彈性墊層，最后拆除樣架，插入脆性PVC管封堵保護?？孜黄羁刂圃凇?0mm，孔向傾角偏差控制在±3°。周邊孔孔位及孔向控制措施主要為：先放出兩端點位后鉆孔施工，在端孔檢查合格后立標志桿，兩端標志桿拉線后等間隔確定中間孔位。周邊孔應導向管，巖臺上部周邊孔和斜面孔須交叉錯開。鉆孔孔深檢查宜采用以15m為一段的兩端孔立上標志桿，在巖壁吊車梁臺上方50～100cm處注上標記、拉線，然后量測的方法。

2.2.5 樣架拆除及裝藥爆破

在所有鉆孔驗收合格后，分段拆除樣架，并將拆除的樣架鋼管分類存放，以備下階段使用。巖臺開挖現場選用φ32炸藥，周邊孔及巖臺面采用光面爆破。根據巖臺開挖試驗成果報告，初步擬定巖臺區豎直孔線裝藥密度65g/m，斜面孔線裝藥密度55g/m。周邊孔采用竹片不連續間隔裝藥，藥卷利用電工膠帶分段均勻間隔的綁扎在竹片上，導爆索連線；其余爆破孔連續裝藥，非電雷管連線；在進行保護層爆破時，巖臺豎直孔已預先采用脆性PVC管插入孔底進行保護，在進行巖臺爆破裝藥時，直接在PVC管內進行裝藥。裝藥量根據驗孔記錄和線裝藥密度，計算對應編號的每個孔的藥量，然后借助吊車平臺將綁好的炸藥插入孔內。巖臺上部周邊孔與巖臺斜面孔最后同時起爆。特別注意：裝藥孔底5cm不裝藥，以保護上拐點不受損壞，孔口堵塞30cm。

2.2.6 通風散煙及排險出渣

爆破結束15min后，監理單位、施工單位地質工程師和水工專業工程師現場排查隱患，確認無盲炮和啞炮。通風散煙后，首次采用挖掘機配合人工進行排險，清除松散懸石和危石[8]。然后采用裝載機和挖掘機將渣體裝至20t自卸汽車運出，出渣結束后再進行二次排險。

2.2.7 質量檢查

每次爆破完成后，對巖面質量檢查，主要項目有：半孔率（≥80%）、不平整度（±15cm以內）、超欠挖（0～20cm）和巖面的完整性。經質量檢查，文登抽水蓄能電站巖壁吊車梁共分9段開挖，半孔率最小的一段為90%，半孔率最高達95%，平均開挖半孔率92.73%，統計表如表2所示。

表2 文登電站巖壁吊車梁開挖半孔率統計表Table 2 Statistical table of half hole rate of excavated rockwall crane beam in Wendeng Hydropower Station

2.2.8 調整爆破參數

針對質量問題，及時分析原因，調整爆破參數。以文登抽水蓄能電站為例，因Ⅰ-Ⅱ類圍巖整體完整性好，巖石硬度高，開挖時應力釋放較慢，在進行上游側巖臺開挖時，部分豎直孔可適當減少孔間距及線裝藥密度，孔間距按照28cm、線裝藥密度按照60g/m考慮，部分斜孔可適當減少孔間距及線裝藥密度，孔間距按照28cm、線裝藥密度按照50g/m進行考慮，進行下一循環爆破。

2.2.9 中高地應力釋放應對措施

廠房上游側巖臺開挖完成后，因中高地應力滯后釋放，導致上游邊墻廠左0+065～廠右0+010m、下游邊墻廠左0+010～廠左0+020m范圍以及55.0～62.5m高程位置出現了側壁劈裂、松脹及片幫現象，此范圍內巖壁吊車梁巖臺成型差且形成光面，經電站參建四方聯合查勘分析，中高地應力、硬脆巖性、巖體結構是巖臺開挖破壞基本地質環境因素，最大水平地應力實測方向與廠房軸線夾角關系是破壞的主要因素。經設計優化調整，上下游巖壁吊車梁巖臺區域增加了一排28 、長9m、入巖8.5m、排距1m的砂漿錨桿，巖壁吊車梁下部59.32～55.0m高程位置增加4排預應力砂漿錨桿，32 @1.0×1.5m，長9m，預應力值120kN。

2.3 爆破振動測試

為保證在中高地應力區域地下廠房巖壁吊車梁開挖成型效果，在開挖過程中應盡量減少爆破振動影響，依據《爆破安全規程》（GB 6722—2014）、《水電水利工程爆破安全監測規程》（DL/T 5333—2005）、《水電水利工程爆破施工技術規范》（DL/T 5135—2013），在主廠房巖壁梁下游側廠左0+145～廠左0+122（廠下0+010.21～廠下0+006.35）段，利用地震波法，采用TC-4850爆破測振儀，布設監測點數6個進行爆破振動參數測試，選取各測試點在所有通道上爆破時段的質點振動速度最大值，判斷測點的質點振動速度是否超標。開挖過程中爆破振動測試數據詳見表3，爆破中心距最小的噴射混凝土測試點位波形見圖6，距離爆破中心距最小的洞壁測試點位波形見圖7。

圖6 爆破中心距最小的噴射混凝土測試點位振動測試波形圖Figure 6 Waveform of vibration test of shotcrete test point with minimum blasting center distance

圖7 爆破中心距最小的洞壁測試點位振動測試波形圖Figure 7 Waveform of vibration test at the test point of the tunnel wall with the smallest distance from the blasting center

表3 爆破振動測試數據統計表Table 3 Statistical table of blasting vibration test data

根據《水電水利工程爆破施工技術規范》（DL/T 5135—2013）要求，距爆區最近的噴射混凝土（7～28d齡期），爆破振動安全允許標準中，安全允許爆破振動速度應控制在5.0～10.0cm/s，地下洞室洞壁及巖質邊坡允許爆破質點振動速度控制標準應小于10.0cm/s的規定。各測試點在三個方向上的最大振動速度值均小于規范和合同中規定的最大允許值。同時，利用式（1）薩道夫斯基回歸分析公式計算K和α數值。

式中：V——質點振動速度，cm/s；

K、α——與爆區至測點間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數；

Q——炸藥量，齊發爆破為總裝藥量，延時爆破為最大單段藥量，kg；

R——測點至爆源的距離，m。

本次爆破單段最大藥量Q為46.8kg，將各測點X、Y及Z向振動最大速度值V及其爆心距R代入公式，進行回歸分析可得：

X方向：K=118.10，α=1.68；Y方向：K=665.54，α=2.22；Z方向：K=59.41，α=1.34。

可通過多次做爆破振動參數試驗，獲得較為準確的K、α值；根據薩道夫斯基回歸分析公式，在安全質點振動速度范圍內，反推其最大單段藥量，用于指導爆破設計及爆破參數的調整。

3 結論

（1）巖壁吊車梁上拐點、下拐點及巖臺區開挖成型孔均需借助樣架鉆孔，鉆孔要定向、定位、定深度，尤其是每排鉆孔孔底要在一條線上，樣架要有限位桿。巖臺成型孔孔口約60cm不裝藥，上拐點成型孔上部堵塞30cm。為保證巖臺下部臺角成型完整性，爆破前可在下拐點下部5～10cm位置固定角鐵或角鋼。

（2）針對文登抽水蓄能電站Ⅰ-Ⅱ類圍巖整體完整性好的地質條件，巖臺保護層分兩層開挖，難以保證下拐點下部開挖質量，經實踐，保護層開挖分三層施工質量較好。處于中高地應力條件和類似圍巖地質條件下的巖壁吊車梁開挖，可采用增加預應力砂漿錨桿方式，預先進行支護。

（3）巖臺斜面孔造孔前，要增加采用手風鉆水平預開孔3～5cm的措施。為保證保護層上層爆破時不破壞巖臺直墻光爆孔，采用PVC管在保護層1層爆破前插入孔內，盡量減少堵孔后無法裝藥的情況發生。

（4）由于文登抽水蓄能電站廠房上游側圍巖存在應力釋放，存在大面積成片層狀剝落的現象，為保證巖臺開挖質量，及時調整爆破參數，孔距宜調整至28cm。巖臺下拐點不可超挖，可適當調整鉆孔角度，使鉆孔上下和左右方向均欠3cm。

（5）開挖過程中必須進行爆破振動測試，進行過程爆破效果評估，同時，建議進行多次測試，取得與爆區至測點間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數；反推算最大單段裝藥量，用于指導爆破施工。