抽水蓄能電站地下廠房巖壁吊車梁開挖爆破試驗研究

徐潔浩XU Jie-hao；王世洋WANG Shi-yang

（河南新華五岳抽水蓄能發電有限公司，信陽 465450）

0 引言

抽水蓄能電站巖壁吊車梁作為橋式起重機運行的軌道，位于地下廠房的上下游邊墻位置，是地下廠房施工的關鍵部位[1]，開挖后的成型質量和巖體完整性是梁體結構錨固體系的基礎，更是后期橋機安全運行的保障[2]。其原理是巖壁吊車梁上的全部荷載通過長錨桿和鋼筋混凝土梁與巖石接觸面上的摩擦力傳到巖體上，并由受壓錨桿和巖臺斜面承擔壓應力，充分利用圍巖的承載能力[3]，是一項集光面爆破、錨固、混凝土、應力、應變、圍巖變形量測等多種工程技術于一體的綜合性施工技術，技術要求高，施工難度大[4]，必須精細化施工才能保證后期運行安全。

1 項目背景

1.1 工程概況

河南某抽水蓄能電站裝機容量為1000MW，安裝4臺單機容量250MW 的水泵水輪發電電動機組。樞紐工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房及地面開關站等組成。主副廠房總長168.6m，高度56.4m，巖壁吊車梁以上跨度26m，以下跨度24.5m。地下廠房共分為Ⅶ層開挖，巖壁吊車梁位于第Ⅱ層，施工長度為144.83m，高程布置范圍34.880～38.080m，軌頂高程38.080m，上拐點高程36.179m，下拐點高程34.880m，巖臺斜面與豎直方向夾角30°。

1.2 工程地質

地下廠房布置區山體雄厚，巖性主要為燕山晚期侵入的中粒二長花崗巖，弱風化及以下巖石較致密堅硬，巖體完整性較好[5]，以塊狀、次塊狀為主。廠房區一帶發育的斷層有四條，分別是f1、f6、f7、f8，其中f7、f8 的走向23°～28°，斷層規模均不大，破碎帶寬度一般在0.05～0.2m，f1 走向35°，斷層帶寬度雖然不大，但兩側發育0～5m 寬的節理密集帶，帶內均有蝕變現象，f6 在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。所有的斷層破碎帶及影響帶范圍地下水發育程度均不高，主要為潮濕或少量滲水，基本未見滴水和線狀流水現象。巖壁吊車梁開挖區域圍巖類別以Ⅱ～Ⅲ類為主，廠房區共揭露有節理密集帶8 條，以走向NNE、NWW 的二組為主，均為陡傾，對巖壁吊車梁巖臺開挖成型及結構穩定影響較大。

2 巖壁吊車梁區域開挖方法

地下廠房第Ⅱ層采取中間梯段爆破，兩側預留保護層，巖臺區一次性光面爆破切割成型[6]。為減少爆破振動對巖臺開挖質量的影響，需合理采用分層分區的開挖方法進行施工，以保證該區域的開挖質量[7]。本工程巖壁吊車梁采取三層六區的開挖方案，分層分區規劃如圖1 所示，按照①→②→③→④→⑤→⑥的開挖順序施工。其中中部16.5m 采取預裂拉槽的施工方法爆破開挖，兩側預留4.75m 寬的保護層分區垂直光爆剝離，靠近邊墻結構面處垂直光爆開挖，最后精細雙向巖臺開挖。

圖1 地下廠房第Ⅱ層分層分區開挖示意圖

巖壁吊車梁周邊孔孔位布置按照以下控制原則進行：一、②④⑤⑥區開挖周邊光爆孔宜較①③區適當加密布置，具體參數為：①③區開挖周邊光爆孔布置一般間距為50cm，②④⑤⑥區開挖周邊光爆孔間距按30cm 布置；二、④區開挖周邊孔布置時應考慮為⑤區開挖預留操作空間，⑤區垂直光爆孔布置按孔底向巖壁內側超挖8～10cm 控制，以便下層鉆孔；三、⑥區垂直光爆孔上拐點按向巖壁內側超挖5cm 布置，并向下超挖5cm 控制。⑥區斜面光爆孔按低于設計邊線3cm 布置，以確保爆破成型面為設計巖臺斜面，不出現欠挖。⑥區具體開挖控制如圖2 所示。

圖2 巖壁吊車梁⑥區開挖控制圖

3 巖壁吊車梁爆破設計

根據地下廠房第Ⅱ層開挖現場實際地質條件，巖壁吊車梁局部部位圍巖穩定性問題突出，地質條件復雜，巖體節理裂隙發育，裂隙面普遍存在節理密集帶，為控制巖壁吊車梁巖臺的開挖爆破質量，在開挖之前進行巖壁吊車梁開挖爆破模擬試驗，以確定其合理爆破參數，有效控制超欠挖和爆破對巖臺的破壞，指導巖壁吊車梁整體開挖施工。

3.1 爆破試驗參數的選擇

試驗區選擇在廠房下游側④區樁號CZ0 -41.500～CZ0 -21.700，長 19.8m、寬0.75m、高3.52m，通過開展爆破試驗，對不同爆破參數的爆破效果（裝藥量、光爆面平整度、半孔率）等進行調查、統計、對比，確定巖壁吊車梁巖臺光面爆破最佳爆破參數。考慮到試驗區域受限及特殊性，本次爆破試驗孔徑、孔距、孔深參數均控制不變，僅對影響開挖質量的關鍵參數裝藥量進行試驗確定，其中孔徑取42mm，孔距取30cm，豎向孔深2.27m，斜向孔深1.51m。光面爆破線裝藥密度按經驗分別采用炸藥裝藥和純導爆索裝藥兩種形式，共設計四種裝藥方案，裝藥結構形式見圖3，每種方案裝3m 爆破范圍。①把設計藥量均勻綁在導爆索上并用竹片固定，炸藥選用φ32 藥卷，裝藥線密度分別為55g/m、65g/m、75g/m；②選擇把3 根導爆索捆成一股進行爆破。

圖3 巖壁吊車梁巖臺試驗區爆破設計圖

3.2 爆破試驗步驟

巖壁吊車梁開挖試驗主要施工流程包括測量放樣、樣架搭設、鉆孔、裝藥、堵塞、聯網起爆、清渣等。

①測量放樣。測量放樣儀器采用全站儀，由專業測量人員實施，放樣內容包括樣架定位點、爆破孔位布置點。試驗段放樣先放出本區域兩端開孔點，再進行中間孔位放樣，根據周邊孔位及鉆孔角度進行樣架搭設，搭設完畢后，由測量人員對樣架定位管進行復核驗收，保證定位準確。

②搭設樣架。為實現巖壁吊車梁開挖鉆孔精準控制，巖臺開挖爆破孔采取搭設鉆孔樣架，樣架分為垂直孔樣架和斜孔樣架[8]，搭設及定位導向管均采用φ48mm 鋼管，每隔3.6m 在節點處設置長1m 的插筋對樣架進行加固，防止鉆孔過程中晃動。樣架采用雙排腳手架型式，構造如圖4 所示，各桿件之間采用鋼管扣件連接，每隔5m 設置斜撐，頂端斜桿搭設與豎向導向管相對應。檢查樣架上的導向管間距、位置、斜率、高程無誤后，在導向孔口設置φ30mm 內套管對中進行鉆孔作業。

圖4 樣架三維構造圖

③鉆孔。鉆孔采用手風鉆，鉆桿穿過導向管鉆孔，豎向孔自上而下豎直鉆孔，斜向孔自下而上斜向鉆孔。豎向孔控制深度2.27m，斜向孔控制深度1.51m。在鉆桿上牢固綁扎扎絲控制豎向和斜向鉆孔深度，鉆孔時，隨著鉆桿深入，當扎絲到達豎向導向管上端頭或斜向導向管下端頭位置時停止鉆孔。豎直和斜向光面爆破孔在鉆孔時，鉆桿要穿過豎直導向管和斜向導向管，通過導向管控制鉆孔角度，鉆孔偏斜度控制在10mm/m 以內，且不允許欠挖。鉆孔深度應根據實測孔口高程、應開挖孔底高程和設計孔斜確定。

④裝藥。裝藥前，在孔底回填5cm 柔性墊層，以防止對巖臺上拐點造成破壞，同時應保證底部炸藥裝到位。

⑤堵塞。可采取鉆屑或黃泥堵塞，堵塞時應適當搗實，防止產生過量飛石。堵塞長度見圖3。

⑥聯網起爆。地下廠房巖臺區厚度75cm，無需主爆孔，僅使用光面爆破。光面爆破使用導爆索連接，電雷管起爆，試驗段一次起爆。由爆破專業技術人員按設計網絡進行操作，起爆時所有在地下廠房工作面作業人員全部撤離至進場交通洞內，撤離距離不小于200m。

4 試驗效果分析

本次爆破試驗共布置132 個孔，豎向孔和斜向孔各66 個，豎向孔與斜向孔孔底在巖臺上拐點處相交，為確定巖壁吊車梁開挖的最佳爆破參數，試驗結束后需及時對試驗效果進行評價，本次試驗主要以半孔率、平整度、巖臺完整性和超欠挖四大指標開展效果評價。半孔率以現場總孔深和殘孔總長度實際統計確定，平整度以2m 靠尺檢測結果為準，巖臺完整性以現場觀察光爆面孔內和孔間有無裂隙、巖埂進行評價，超欠挖情況使用全站儀進行現場測量確定。四種裝藥方案爆破效果統計見表1。

表1 四種線裝藥密度爆破效果統計

整體效果來看，選擇3 根導爆索的裝藥方案爆破效果最佳，線裝藥密度65g/m 方案次之，兩種方案爆破效果均能保證巖壁吊車梁開挖質量。從火工材料經濟性的角度綜合考慮，選擇采用線裝藥密度65g/m 作為巖壁吊車梁巖臺開挖的最佳爆破參數。

5 結論

①本次試驗地點的選取和巖壁吊車梁地質情況基本一致，在孔距、孔徑、孔深等參數控制不變的條件下，線裝藥密度65g/m 的裝藥結構取得較好的爆破效果，巖臺開挖完成后的半孔率、平整度、巖臺完整性、超欠挖指標均滿足設計及規范要求，對巖壁吊車梁整體開挖具有較高的參考和指導意義。

②節理密集帶部位對巖臺開挖成型及結構穩定存在一定的影響，在實際開挖過程中應根據圍巖情況適當調整開挖方式及參數。根據現場實際情況，可選擇在④區開挖前對巖臺邊墻節理密集帶區域進行固結灌漿，在⑤區開挖完成后，應對巖臺下拐點以下邊墻圍巖情況進行仔細排查，對節理密集帶部位采用對下拐點施工鎖口錨桿的方法確保巖臺開挖質量。