一種抽水蓄能電站地下廠房巖壁吊車梁部位開挖施工方法

陳強CHEN Qiang

（中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450000）

0 引言

地下廠房是地下空間利用的一種形式，目前已經被廣泛應用在水電工程領域中，國內第一座抽水蓄能電站地下廠房建立是在上個世紀九十年代，廠房空間大，裝機最高達到110MW，目前抽水蓄能電站地下廠房數量已經達到1541座，隨著水利行業的不斷發展，地下廠房的數量和規模將會不斷增多和擴大，開挖施工質量要求也將會不斷提高。巖壁開挖是地下廠房修建施工的一個重要部分，由于巖壁開挖斷面比較大，并且地下廠房邊墻比較高，巖層結構復雜，因此地下廠房巖壁開挖施工具有一定的施工難度。現行的施工方法在實際應用中開始逐漸顯現其弊端，最大的問題就是施工效率較低，難以滿足抽水蓄能電站地下廠房修建實際需求，施工速度緩慢，導致抽水蓄能電站地下廠房巖壁開挖施工周期延長，從而提高了地下廠房修建成本，現有的施工方法產生的經濟效益和社會效益較低，說明現行的施工方法還存在較大的優化空間。此外，國內對于該方面的研究理論比較少，無法為實際施工提供豐富的理論依據，為此提出此次課題研究。

1 工程概況

本文以河南五岳抽水蓄能電站地下廠房為例，地下廠房巖壁吊車梁施工長度為144.83m，沿主廠房上、下游各布置一根。廠房中部一帶斜穿廠房，破碎帶寬度小于0.1m，帶內充填石英脈、斷層泥，見蝕變蒙脫石，石英脈擠壓破碎。地下廠房圍巖類別以Ⅲ類為主，約占69%，Ⅱ類則約為11%左右，Ⅳ類約為20%。據勘探平洞揭露，在節理密集帶和小斷層的斷層帶巖體均有不同程度的風化或蝕變，巖體質量相對較差，為Ⅳ類。五岳抽水蓄能電站地下廠房布置于錢大灣西側的牢山花崗巖體內，多基巖裸露，根據地表地質調查及ZK8（長觀孔）、ZK84、ZK97等勘探鉆孔揭露，廠房區無地表水及泉水發育，因地形相對較陡，地下水埋深較大，一般在56m-76m左右，地下水的補給源為大氣降水，向坡腳一帶排泄。從推薦的樞紐布置方案來看，地下廠房和主變洞拱頂位于地下水位以下210m-240m。廠房區巖體屬裂隙型含水體，從鉆孔壓水試驗成果看，巖體透水性差，因此，巖體的上述特性決定了廠房區巖體富水性差。根據PD1勘探平洞揭露，在洞深0-131m段，地下水相對較為豐富，雨季常見洞頂有數處線狀流水，流量可達10L-20L/min，平常則多為滴水，流量在3L-5L/min左右，但從未出現枯竭現象。從該廠房地質條件和巖石條件來看，巖壁開挖施工難度系數較高，難以把控開挖施工質量和效率，以該地下廠房為例，根據其開挖施工情況，對現有施工方法進行優化和完善。

2 實驗準備及方法

2.1實驗準備 地下廠房巖壁吊車梁部位開挖施工涉及到的施工機械設備比較多，根據河南五岳抽水蓄能電站地下廠房實際情況，以及巖壁吊車梁部位開挖施工需求，準備的機械設備具體如表1所示。

表1 施工機械設備

開挖施工材料包括鋼筋、水泥、炸藥、定型鋼模板、竹膠板、架子管等[1]。所需的鋼筋、水泥（袋裝）、定型鋼模板、竹膠板等主材統一采購。所需其它工程輔助材料（包括木材、架子管、外加劑）由項目部在當地市場自行購置。

2.2實驗方法 地下廠房巖壁吊車梁部位開挖施工效率與巖臺爆破質量有直接關系，巖臺爆破主要是通過引爆爆破孔內炸藥，破壞地下廠房巖石結構，如果爆破不徹底，就會減少石渣量，為了方便巖壁吊車梁部位開挖，還需要進行二次爆破，從而降低了地下廠房巖壁吊車梁部位開挖施工效率，因此巖臺爆破施工比較重要。相關研究資料表明，巖臺爆破質量與爆破孔孔距設計相關，因此此次實驗設計了爆破孔孔距30cm、35cm、40cm、45cm、50cm5個工況，對比不同工況下巖臺爆破率以及巖壁吊車梁部位開挖施工耗時。

3 開挖施工方法

3.1開挖分區

廠房第二層整體開挖分層高度9.1m（EL41.500-EL32.400），其中保護層及巖壁吊車梁開挖分3層6個區域。①第二層整體開挖分層高度9.1m（EL41.500-EL32.400），中部拉槽分2層2區，先行預裂爆破至本層底部，后分兩層進行拉槽開挖；兩側保護層分3層4個區域進行開挖；②第1區開挖高度3.1m，寬度16.5m，采用手風鉆進行鉆孔爆破；③第2區開挖高度3.1m，寬度4.75m，采用手風鉆進行鉆孔爆破，邊墻光爆孔鉆孔時相對二層技術超挖10cm，滿足巖壁梁上直墻架鉆要求；④第3區開挖高度6.0m，寬度16.5m，采用多臂鉆進行鉆孔爆破；⑤第4區開挖高度2.5m，寬度4.1m，采用手風鉆進行鉆孔爆破，開挖時相對5區寬度方向超挖10cm，滿足巖壁梁下直墻架鉆要求；⑥第5區開挖高度3.5m，寬度4.0m，采用手風鉆進行鉆孔爆破；⑦第6區為巖錨梁區，高度3.52m，寬度0.65m，采用手風鉆搭設樣架進行鉆孔爆破。

在1區、2區和3區開挖完成后，進行4區鉆孔爆破。4區鉆孔的同時進行6區巖壁吊車梁上部邊墻垂直孔樣架搭設，對巖壁吊車梁上直墻鉆孔，鉆孔完成后對6區直墻孔內插入PVC管保護，不進行裝藥，待6區斜孔鉆孔完成后一塊爆破。在4區開挖完成后，進行5區開挖。先搭設5區巖壁吊車梁下直墻垂直孔樣架并鉆孔，采用光面爆破法完成5區爆破開挖。保護層開挖完成后，搭設斜孔樣架，進行6區巖壁吊車梁斜壁爆破鉆孔[2]。巖壁吊車梁上部垂直孔與斜孔布孔孔間距應保持相同，每個橫剖面上垂直孔、斜孔一一對應[3]。鉆孔完成后采取光面爆一次爆破成型的方法，分段長度初步定為15m。

3.2巖臺爆破工藝

主廠房巖石巖性為花崗巖，主要以II、III類為主，爆破設計根據第一層施工經驗及巖壁吊車梁開挖爆破試驗取得的參數進行選取。廠房第二層采用中部拉槽開挖（EL41.500m～EL32.400m），進行100E鉆機鉆孔進行預裂爆破，預裂孔深9.1m，孔徑52mm，孔距60cm，預裂孔初擬線裝藥密度150g/m。預裂爆破完成后進行分層分塊開挖。

表2 巖臺爆破參數表

根據設計的巖臺爆破參數，開始進行巖臺爆破施工，爆破施工分為測量放線、巖壁吊車梁鉆孔樣架搭設、鉆孔、驗孔、裝藥、起爆六個工序。首先利用全站儀進行測量放樣，根據全站儀測量數據，布置爆破孔點位、駕定位點以及主爆孔周邊開孔點[4]。重點控制巖壁吊車梁周邊孔放樣精度，放樣先放出本區域兩端開孔點，再進行中間孔位進行放樣。根據周邊孔位及鉆孔角度進行樣架搭設，在巖壁吊車梁垂直孔樣架和斜孔樣架搭設完畢后，需由測量人員對樣架定位管進行復核驗收，保證定位準確。

為實現巖壁吊車梁開挖鉆孔精準控制，巖壁吊車梁巖臺開挖爆破孔采取搭設鉆孔樣架進行。樣架分為垂直孔樣架和斜孔樣架，樣架立桿間距1.8m進行設置，導向孔口設置φ30內套管對中，各桿件之間采用鋼管扣件連接，為了加固鉆孔樣架整體的穩定性，在各個結點處設置長度為1.5m的插筋[5]。采用手風鉆聯合多臂鉆方式對各個開挖區域進行鉆孔，巖壁吊車梁周邊孔鉆孔重點控制，巖壁吊車梁巖臺光爆孔鉆孔間距30cm，在一茬爆破孔鉆孔同時在下一茬炮相鄰3-4個孔提前鉆孔，作為導向孔，保證周邊徑向爆破裂隙的連續性[6]。巖壁吊車梁部位開挖為防止出現欠挖，鉆孔時適當進行技術超挖，上拐點部位垂直孔水平偏斜值5cm，傾斜孔垂直偏斜值5cm，下拐點傾斜孔垂直偏斜值取3cm。鉆孔完成之后需要對鉆孔質量進行逐一檢查，包括鉆孔孔徑、孔深以及排距等是否與事先設計一致，允許存在1%的誤差[7]。在鉆好的鉆孔內裝入事先準備的炸藥，保護層爆破主爆孔藥徑32mm，孔內連續裝藥；巖壁吊車梁光面爆破藥徑32mm，孔內間隔裝藥，裝藥時采用木棍孔內送藥。裝好炸藥后，撤離場內所有人員，并做好防護措施，在爆破區20m外布設警戒線，確認好所有準備工作完成后，對炸藥進行引爆。

3.3石渣開挖方式

開挖石渣采用側卸裝載機或挖機裝車20t自卸車運輸出渣，開挖出的渣料運輸路線為：通風兼安全洞→6號道路→2號道路→毛料堆存場。廠房第二層及巖壁吊車梁開挖嚴格充分結合第一層開挖揭露出的地質條件，對于出現斷層、破碎帶等不良地質地段，提前考慮加強支護措施，及時調整開挖爆破參數，保證施工安全及質量要求。開挖后及時采取隨機錨桿的手段在圍巖失穩前及早提高圍巖的穩定性[8]。在穿越斷層之前，首先準備好必要而充足的支護手段及物資儲備，做到先有預案，后有手段，使項目始終處于受控狀態。此次采用錨桿支護方式，其支護施工流程如圖2所示。

巖壁吊車梁部位支護主要為：2排受拉錨桿Φ36，L=12m，間距0.5m/0.7m/0.75m；系統錨桿Φ32，L=9m，間距1.2m；抗剪錨桿Φ32，L=9m，間距0.7m/0.75m。巖壁吊車梁錨桿鉆孔施工時，應采取樣架或其它工程措施保證錨桿孔深、孔位和傾斜角度符合設計和規范要求，孔位必須按施工圖紙布孔，并做出明顯標記[9]。孔位放線要根據超挖及巖面情況重新計算，可在設計高程拉線用樣架定位鉆孔，盡量減少誤差。錨桿孔直徑應大于錨桿直徑25mm，造孔后經檢查不合格時，應重新鉆孔，并對廢孔注漿封堵。錨桿施工前必須進行生產性工藝試驗，巖壁吊車梁錨桿巖壁吊車梁錨桿注漿密實度和長度應進行100%無損檢測，其質量檢測應滿足相關技術要求。

然后將準備好的錨桿插入鉆孔內，錨桿插入巖石深度及伸入鋼筋混凝土吊車梁長度，均應符合圖紙長度，對超挖部位，錨桿應適當加長，受拉錨桿靠近巖壁2.0m范圍內鋼筋表面刷兩層防銹漆、涂抹瀝青，外套D50PE管，管內填充防腐油蠟，以便將錨桿受力傳向巖石深處。最后向鉆孔內噴注混凝土，將錨桿固定住，在注漿過程中需要使用振搗棒對孔內漿液進行振動，排出漿液中的空氣。巖壁吊車梁范圍不允許進行噴混凝土，在相鄰區域進行噴混凝土施工時，對已開挖完成的巖壁進行覆蓋保護，并對噴注的混凝土進行養護，保證錨桿的支護質量。

4 實驗結果及分析

在施工過程中，對爆破孔孔距為30cm、35cm、40cm、45cm、50cm，5個工況下巖臺爆破情況以及開挖施工耗時進行了記錄，具體數據如表3所示。

表3 不同工況下巖臺爆破率以及開挖施工耗時

從表3中數據可以看出，爆破孔孔徑為40cm時，巖臺爆破率達到最高，地下廠房巖壁吊車梁部位開挖施工耗時最短。雖然爆破孔孔徑30cm-35cm范圍，巖臺爆破率也比較高，均達到了95%以上，但是地下廠房巖壁吊車梁部位開挖施工耗時，比爆破孔孔徑為40cm情況下高很多，這主要是因為爆破孔孔徑過短，相鄰兩個爆破孔內炸藥爆破產生的荷載峰值壓力過大，作用在巖臺上，使巖臺結構遭到嚴重的損壞，將大塊的巖臺粉碎成石徑比較小的巖石，這樣的石渣在開挖過程中很容易從機械設備縫隙中墜落，反而降低了開挖施工效率。開挖施工最佳石渣粒徑是在20cm-25cm之間，石塊完整，碎石料少，容易機械設備挖掘和運輸。而在爆破孔間距為40cm下，粉碎的巖石平均直徑為24.56cm，符合地下廠房巖壁吊車梁部位開挖施工要求，因此實驗研究結果表明：地下廠房巖壁開挖施工中，爆破孔孔距為40cm時，抽水蓄能電站地下廠房巖壁粉碎效果最好，能夠有效節約地下廠房巖壁吊車梁部位開挖施工時間。

5 結束語

此次以實驗的方式，研究了巖壁吊車梁部位開挖施工方法，實現了該施工方法的優化和完善，為工程項目施工提供了理論依據，具有較好的現實意義。但是由于此次研究時間有限，僅從效率方面對該方法進行了優化和完善，研究內容存在一些不足，今后仍會對該課題進行長期研究與探討，豐富該方面的研究理論，促進水電事業不斷發展。