電站廠房巖壁吊車梁開挖質量控制技術

劉 蕊，余 健，白 威

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

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300 MW豎軸單級混流可逆式水泵水輪機組，總裝機容量1 800 MW，樞紐建筑物由上水庫、輸水系統、地下廠房系統、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，安裝間及副廠房分別布置在主機間右端和左端。地下廠房開挖尺寸222.5 m×27.5 m(26 m)×55.3 m。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層頂高程及底板高程分別為254.3、244.3 m，層高為10 m，最大開挖跨度為27.5 m。主廠房開挖由上至下共分7層。主廠房巖壁吊車梁位于廠房Ⅱ層開挖范圍內，巖壁吊車梁全長202.8 m、頂部高程250.350 m、底部高程247.820 m，高2.53 m、寬1.90 m。巖壁吊車梁支護采用砂漿錨桿C36@75 cm，梅花形布置，L=9.7 m，入巖8 m；砂漿錨桿C28@75 cm，間隔布置，L=7.1 m，入巖6 m/L=7.6 m，入巖6 m。

1 地質條件

主廠房巖壁吊車梁部位地層巖性主要為元古界侵入巖花崗巖，局部有角閃巖巖脈。根據已開挖廠房一層地質資料，揭露裂隙主要發育NWW、NW和NEE三組，裂隙傾角主要以陡傾角為主，局部有緩傾角裂隙發育。三組裂隙發育特征為：①NW290～310°SW∠75～85°，裂隙多閉合，面平直粗糙，延伸長度長，無充填或少量巖屑充填；②NW310～330°SW∠70～80°，裂隙多閉合，面平直粗糙，延伸長度中等，局部見有少量巖屑充填；③NE70～80°SE∠65～85°，裂隙多閉合，面平直粗糙，延伸長度中等，局部有少量巖屑充填。發育Σ1、Σ2、Σ3三條規模較大的角閃巖巖脈，同時有較多緩傾角裂隙出露。地下廠房地下水類型為基巖裂隙水。從揭露情況看，廠房區地下水不豐富，圍巖多干燥，局部潮濕，僅局部沿結構面有滴水現象，基巖裂隙水滲水量隨季節變化不明顯。

2 廠房巖錨梁開挖程序及方法

2.1 廠房Ⅱ層開挖分區及施工流程

清原抽水蓄能電站地下廠房第Ⅱ層開挖尺寸為222.5 m×27.5 m(26 m)×10 m(長×寬×高)，開挖分區規劃如圖1所示。本層采用中間拉槽，兩側預留保護層的施工方法進行開挖。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，中部拉槽分2層開挖，開挖寬度為18 m，梯段爆破層高6 m，兩側保護層分3層開挖，單側寬4.75 m/4.0 m，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[1]。第一層中部拉槽Ⅱ1層的開槽，向安裝場方向梯段爆破推進30 m后開始進行上、下游邊墻第一層保護層Ⅱ1-1層、Ⅱ1-2層開挖，最終形成中部拉槽推進，兩側保護層水平光面爆破滯后30 m跟進的開挖程序。在其末端進行第二層中部拉槽Ⅱ2層的開槽，向安裝場方向梯段爆破推進30 m后開始進行上、下游邊墻第二層保護層Ⅱ2-1層、Ⅱ2-2層的刻槽開挖，形成Ⅱ2層中部拉槽推進、第二層保護層垂直光爆滯后30 m跟進的開挖程序。第二層保護層穩步推進后，進行第三層保護層Ⅱ2-3層、Ⅱ2-4層的刻槽開挖，滯后第二層保護層30 m并同步跟進，當第三層保護層錨桿施工完成后方可進行巖壁吊車梁巖臺保護層Ⅱ2-5層、Ⅱ2-6層開挖[2]。

圖1 地下廠房Ⅱ層開挖分區(高程單位：m；尺寸單位：cm)

2.2 巖錨梁開挖施工程序

根據巖壁吊車梁的布置位置與設備特性相匹配，地下廠房Ⅱ層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、巖壁吊車梁開挖需與其保護層開挖相結合，巖壁吊車梁第一層保護層Ⅱ1-1、Ⅱ1-2在第一層中部拉槽開挖施工完成30 m后進行施工，期間進行光爆孔①的鉆設。第一層保護層開挖結束后搭設一期樣架并進行巖臺上部高程250.850 m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在第二層中部拉槽開挖施工完成30 m后進行施工，第三層保護層Ⅱ2-3、Ⅱ2-4緊跟第二層保護層施工，期間進行光爆孔④的鉆設[3]。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，最后分段進行巖臺開挖、支護施工[4]，巖壁吊車梁施工順序見圖2。

圖2 地下廠房巖壁吊車梁施工順序圖(高程單位：m；尺寸單位：cm)

2.3 爆破試驗

巖壁吊車梁開挖施工質量的好壞直接影響后期橋機的安全運行，為保證巖壁吊車梁開挖質量，在巖壁吊車梁施工前，通過爆破工藝性試驗確定合理爆破參數、適宜的開挖分段，用于指導巖壁吊車梁開挖施工。地下廠房Ⅱ層中部梯段開挖完成后，在上游側樁號廠右0+010～廠右0+100范圍內選取巖石較差、豎向節理較多的試驗段，利用第二層保護層Ⅱ2-2作為試驗區進行巖壁吊車梁爆破工藝性試驗。通過不同線裝藥密度進行爆破試驗，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，最終選擇爆破開挖質量最佳的孔距、線裝藥密度作為巖壁吊車梁開挖時的控制標準[5]。為達到本次工藝性試驗目的，爆破試驗時完全模擬巖壁吊車梁開挖結構形式、光爆孔布置方式、樣架結構進行試驗，試驗區中光面爆破孔采用YT-28手風鉆鉆孔，孔位、孔向、孔斜、孔深采用樣架進行控制。巖壁吊車梁爆破試驗主要參數如表1所示。

表1 地下廠房巖壁吊車梁爆破試驗主要參數對比

經過對三次爆破試驗后的爆破效果，包括超欠挖、巖石完整性、巖面平整度、半孔率、爆震裂隙、炮孔均勻性等各項指標綜合對比分析，最終確定采用第3次爆破參數組織施工，鉆孔孔徑42 mm，凈孔距34 cm，豎直光爆孔線裝藥密度77 g/m，巖臺光爆孔線裝藥密度77 g/m。巖壁吊車梁豎向光爆孔及斜向光爆孔裝藥結構如圖3、圖4所示。

圖3 巖壁吊車梁豎向光爆孔裝藥結構(單位：cm)

圖4 巖壁吊車梁斜向光爆孔裝藥結構(單位：cm)

3 開挖過程質量控制

3.1 質量控制目標

巖臺保護層開挖是巖壁吊車梁控制的關鍵環節，施工中采用光面爆破技術，采取密孔打眼、隔孔裝藥、多循環、小進尺，并嚴格控制一次起爆裝藥量[6]。巖壁吊車梁開挖質量管控目標如下：①圍巖爆破松動范圍小于40 cm；②斜面進行修整后應達到設計角度，角度偏差控制在+1°以內；③巖壁吊車梁部位巖面不允許欠挖，嚴格控制超挖，最大超挖值應控制在15 cm以內；④巖壁吊車梁光爆孔鉆孔的孔位偏差≤2 cm，孔深偏差≤2 cm，孔向偏差≤1.5°，孔距偏差≤3 cm；⑤兩孔間不平整度≤8 cm；⑥殘留炮孔痕跡在開挖輪廓面上均勻分布，炮孔殘留率在Ⅲ類圍巖中不少于90%，在Ⅳ類圍巖中不少于80%[7]。保護層全部開挖完成后，立即進行巖壁成形修整，巖面修整不允許放炮，應手工進行修整。

3.2 質量控制要點

巖壁吊車梁開挖均采用YT-28手風鉆造孔，保護層的主爆孔以孔間排距、孔深及裝藥量為質量控制要點，其目的為光爆孔提供可靠的臨空面同時不破壞光爆效果。保護層光面爆破孔以孔間排距、孔向、孔深、裝藥結構、裝藥量、聯網起爆方式為質量控制要點，其目的為巖壁吊車梁斜孔鉆設及巖臺處半孔成“三線一面”創造有利條件。巖臺處豎直光面爆破孔、斜向光面爆破孔以孔間排距、孔向、孔深、裝藥結構、裝藥量、聯網起爆方式為質量控制要點，其目的保證巖壁吊車梁開挖的半孔率、平整度及超欠挖質量標準。

3.3 質量控制技術措施

3.3.1 測量放樣

巖壁吊車梁開挖施工放樣前，將施工區域的平面、高程控制點、軸線點、測站點等測量成果，以及工程部位的設計圖紙中的各種坐標、方位、幾何尺寸等數據進行嚴格計算、校核，并編制成放樣數據手冊供放樣使用。周邊光爆孔鉆孔前由測量人員采用全站儀按照爆破設計參數進行逐孔放樣，根據實測高程、半寬及施工圖紙結構設計邊線計算出孔位、高程和鉆孔深度，用紅漆在巖面上標識出起鉆點、后視點、高程及鉆深。巖壁吊車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[8]。鉆孔過程中測量及時對樣架的移動、傾斜進行抽查，防止樣架因固定不牢靠導致移位、造成孔位偏差。

3.3.2 樣架搭設

巖壁吊車梁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。巖壁吊車梁樣架分二期布置，巖壁吊車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，巖壁吊車梁巖臺斜向光爆孔樣架為二期樣架。樣架均采用Φ48 mm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，導向管安裝完成后由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、插入角度符合施工要求，樣架位置測設完畢后利用錨筋連墻件及斜撐進行加固。

3.3.3 鉆孔工藝

1)孔位控制。巖壁吊車梁炮孔鉆設必須嚴格按照測量放樣的孔位開孔，垂直孔與斜向孔孔位控制均采用測量放出兩端點后進行兩端孔鉆孔施工，在端孔檢查合格后立上標志桿，由測量對標志桿進行復合、標記、拉線，通過此方式對各個孔位點進行校核，確保孔位準確且在一條直線上。開孔時配備一名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。

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，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與孔深長度的標桿，量測標桿外露部分的垂度即為鉆孔角度。斜孔鉆孔角度控制在實施鉆孔作業時難度較大，涉及到垂直方向上的巖臺斜面角度及巖臺斜面內的角度控制。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[9]。開孔后鉆工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，如發生卡滯現象則表明鉆進角度存在問題必須及時進行調整，在整個鉆進過程中配備一名鉆工檢查樣架穩定情況，是否發生滑動、偏移、傾斜。

3)鉆孔間距控制。鉆孔間距控制偏差不超過3 cm，鉆孔間距過大會在爆破后造成孔間起伏差過大，爆破孔的線裝藥密度大，對巖體的爆破損害大。

4)鉆孔深度控制。深度檢查采用以15 m為一段的兩端孔立上標志桿，在巖臺上方50～100 cm處注上標記、拉線，然后量測的方法。孔淺則重新施鉆，孔深則在孔底墊巖粉。鉆孔前在鉆桿上標記鉆孔深度，鉆桿進尺至孔深標記處立即停止鉆孔。

3.3.4 裝藥工藝

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，采用薄竹片綁扎實現間隔裝藥；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，形成起爆網絡[10]。巖壁吊車梁光爆孔炸藥采用2號巖石乳化炸藥，現場采用Φ25 mm藥卷切割制作成小藥卷，按照爆破設計要求的間隔距離與導爆索一同綁扎在竹片上，統一送入孔內至設計深度，巖臺豎直孔與斜向孔導爆管連接一同起爆。

3.4 質量控制成果

巖壁吊車梁開挖后，按每2.5 m測量一個開挖斷面，根據測量斷面或巖壁吊車梁上的測量控制點進行拉線檢測超欠挖，以準確反映超挖實際情況，有針對性地采取補強措施。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，清原抽水蓄能電站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設計及規范要求。巖錨梁開挖3個面上的殘孔實現了“三線一面”，整體開挖質量達到預期效果。

表2 地下廠房巖壁吊車梁開挖質量檢測統計

4 結 語

清原抽水蓄能電站地下廠房Ⅱ層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。巖壁吊車梁巖臺爆破開挖是地下廠房最為關鍵且難度最大的部位，施工過程中依據地質條件的變化和爆破效果及時對爆破設計參數動態調整優化，通過測量放樣、鉆孔工藝、裝藥結構、爆破網絡等質量工藝控制措施，確保了地下廠房巖壁吊車梁整體爆破開挖成型質量達到預期效果，滿足電站生產期安全穩定運行要求，巖壁吊車梁開挖面不平整度、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壁吊車梁的開挖規劃、爆破設計、施工方法、工藝參數的選擇是科學合理的，工程質量管控體系的運行是平穩可控的。同時，清原抽水蓄能電站地下廠房巖壁吊車梁施工成果也為國內大跨度地下廠房爆破開挖施工提供了工程實例和技術經驗。