丰宁抽水蓄能电站岩锚梁岩台开挖施工技术

(浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概况

丰宁抽水蓄能电站规划装机容量360万kW，是世界上装机容量最大的抽水蓄能电站。其主厂房洞总长 414.0 m，南北走向。主厂房Ⅲ层为岩锚梁层，开挖高度 6.55 m(高程 995.55～ 989.0 m)。岩锚梁上拐点高程 994.319 m，下拐点高程 993.02 m；岩台横断面宽为 0.75 m，斜面长 1.5 m，斜面与铅垂面的夹角为30°。

主厂房岩锚梁部位岩性主要为微风化三叠纪中粗粒花岗岩，岩体以次块状结构为主，完整性一般，局部存在蚀变现象。围岩类别以Ⅲb类为主，断层出露部位为Ⅳ类。多条断层穿越厂房Ⅲ层，走向与洞轴线夹角较小，为中等和陡倾角断层，断层及影响带岩体破碎，成型条件较差。裂隙按走向可分为东西和西北两组，均为共轭的剪切节理，裂隙相互切割，产生随机的小规模不稳定块体，对岩锚梁部位围岩稳定不利。

2 开挖分区与作业流程

为减小爆破振动，以利于开挖成型，主厂房洞Ⅲ层开挖采取两侧预留保护层，先预裂拉槽，在保护层分区垂直光爆剥离，靠近边墙结构面处浅层垂直光爆开挖，最后精细双向岩台开挖。主厂房洞Ⅲ层开挖分区如图1所示。中槽主开挖区(Ⅲ1区)宽8 m，高 4.75 m；中槽外 6.5 m范围内保护层分两区(Ⅲ2区、Ⅲ3区)进行光爆剥离。两侧岩台预留保护层厚 2.0 m，高 6.55 m，分两薄层开挖(Ⅲ4区、Ⅲ5区)，层高分别为 3.25 m和 3.3 m。为保证边墙后续施工设备操作空间最低需求，拟定Ⅲ4区底部技术超挖10 cm，Ⅲ5区底部技术超挖30 cm(喷混凝土厚度15 cm，Ⅳ层结构预裂潜孔钻造孔厚度15 cm)。岩锚梁岩台保护层为Ⅲ6区，为开挖施工重点控制部位[1-2]。

图1 主厂房洞Ⅲ层开挖分区(单位：cm)

3 岩台仿真爆破试验

厂房Ⅱ层开挖时，进行了多次岩锚梁岩台仿真爆破试验，以Ⅱ2区临时边墙模拟Ⅲ6区开挖，以获取岩台竖向孔和斜面孔的钻孔及装药等爆破参数，使岩台开挖时达到最佳光爆效果[3]。

3.1 爆破设计

岩台光面爆破分段长度为10 m，竖向与斜面合计68孔，采用直径Φ25的药卷间隔装药，竖向光爆孔线装药密度 80.6 g/m ，斜面光爆孔线装药密度78.4 g/m，单段药量为7.48 kg，单耗为 0.53 kg/m3。为防止岩台开挖时出现拒爆现象，对该部位采用双向闭合起爆网路[4-5]。相关爆破参数见表1。

表1 岩台光面爆破参数

为进一步提高岩锚梁开挖成型质量，在每个光面爆破孔内布置一根Φ40 mm×1.8 mm PVC管，将其对剖成两半(提前批量制作完成)，待绑药完成并连接好导爆索后，再与另一半合并绑扎后装入孔内。PVC管剖缝在光爆孔内布置方式以5 m为一段(竖向与斜面合计34孔)，可分为两种：一种剖缝顺设计开挖面布置，另一种与设计开挖面大角度相交。

3.2 钻孔作业

岩锚梁竖向和斜向光爆孔孔径为Φ42，孔间距均为30 cm。光爆孔全部采用钻孔样架进行控制，开钻前采用全站仪、钢卷尺、地质罗盘、水平尺对准备投入使用的钻孔排架进行钻前校核，经检查无变形和移位后开钻[6]。在临时边墙开挖出露之前将岩台垂直孔钻好，以提前释放岩台地应力，减少爆破振动影响。为防止堵塞，在垂直孔孔内插入PVC管进行保护，同时作为岩台斜面钻孔的参照。针对斜向光爆孔，钻孔前清除上部浮渣并测量标识每个光爆孔孔位；开钻点先采用风镐开凿3 cm深孔窝，以便于钻杆挂钻并确保施钻孔位准确[7]；光爆孔钻孔采用2次换钎方式，将钻杆截断成统一长度，以减少人为施工误差；同时利用导向管控制孔向，利用定位横杆控制孔深[8]。

3.3 开挖效果

经过一系列控制措施，岩台仿真爆破试验结果如下：①岩台最大欠挖6 cm，最大超挖7 cm；②岩台开挖面整体平整，平整度11.7 cm，其中PVC管剖缝顺设计开挖面部位平整度(9.9 cm)优于其它部位；③岩台残留半孔率73.5%；④断层与破碎带出露部位仿真岩台完整性较差，清理松动石块造成仿真岩台超挖，最大超挖深度达31 cm；⑤仿真岩台下边墙存在超挖现象，下拐点部位局部被破坏，最大超挖达27 cm；⑥Ⅱ2区临时边墙出露后，岩体裂隙有扩张迹象，在裂隙发育部位表现尤为显著。

4 岩台实体开挖

岩台实体开挖的爆破设计和钻孔作业参数与仿真爆破试验相同。对导向管进行了优化，创新性地采用了内、外双导向管，分别采用Φ33.7δ=4 mm和Φ48δ=3 mm钢管；为减小孔位偏差，在内导管中部及管口焊外径为Φ38管套(L=4 cm)，并且在内导管焊有管套的端头焊一块10 cm×10 cm，δ=5 mm的支撑板。样架导向管搭设先实施Φ48外导管，将内导管套在带有钻头的钻杆上，在施钻时插入外导管。为避免岩台出现欠挖，进而影响后续岩锚梁混凝土浇筑，垂直及斜面光爆孔开孔位置技术超挖5 cm，孔底均按技术超挖8 cm控制。

造孔施工顺序为：Ⅲ3区开挖→Ⅲ4、Ⅲ6区竖向光爆孔造孔→Ⅲ4、Ⅲ5区保护层开挖→岩锚梁下拐点以下系统锚喷支护→Ⅳ层结构预裂施工→Ⅲ6区岩锚梁斜向光爆孔造孔施工→岩锚梁双向光面爆破。PVC管剖缝在光爆孔内均为顺设计开挖面布置。

为了控制上部水平向变形的发生，减少围岩松弛变形，在主厂房Ⅲ3区开挖前，完成高程 995.55 m以上边墙全部支护作业(含锚索)[9]。为保证岩台下拐点成型效果，在Ⅲ6区保护层开挖前，完成下拐点(993.02 m)以下边墙系统锚喷支护施工；其中，在岩锚梁下拐点以下20 cm布置一排带垫板系统砂浆锚杆(型号为28 mm @1.5 m，L=6 m)，以保护下拐点不受到破坏。

为提高岩台完整性，从而保证开挖成型效果，在岩台实体(Ⅲ6区)开挖过程前采用预固结灌浆、超前玻璃纤维锚杆对岩台开挖区进行预支护；同时为避免保护层开挖结束后因应力释放导致岩台碎裂，采用C30钢纤维混凝土对Ⅲ6区临时边墙喷护5 cm作封闭处理。

4.1 预固结灌浆施工

Ⅲ层开挖施工前，针对地质预报揭示的断层和破碎带区域，采取预灌浆措施对岩锚梁岩台范围区域提前进行保护，提高岩体完整性，保证开挖成型效果[10]。灌浆孔参数为Φ50@1.0 m，L=4.0 m，孔位与孔向布置如图2所示。

图2 预固结灌浆布置(单位：cm)

固结灌浆分为两序进行，灌浆方式采用橡胶塞孔口封阻、孔内循环、无盖重全孔一次低压限流灌浆。水灰比选用2 ∶1，1 ∶1，0.8 ∶1和 0.5 ∶1四个比级，以2 ∶1比级起灌。灌浆压力为 0.05～0.3 MPa，先施工的灌浆孔采取0.05 MPa灌浆压力，稳压5 min后观测附近岩体是否存在抬动情况，若无明显抬动，则可适当增加灌浆压力。

4.2 超前玻璃纤维锚杆施工

鉴于该工程不利结构面组合比较多，为防止裂隙扩展引起超挖，提高后续开挖成型质量，在地下厂房岩锚梁保护层Ⅲ3区开挖后、Ⅲ4区与Ⅲ5区开挖前，采取4排Φ25@1.0 m，L=4.5 m系统玻璃纤维锚杆+随机玻璃纤维锚杆(Φ25，L=3.0 m/6.0 m)的支护方式对岩台进行保护，防止片帮掉块引起难以成型问题。4排玻璃纤维锚杆分别布置于岩台拐点以上20 cm、岩台斜面中下部、下拐点以下20 cm处、下拐点以下70 cm处，间距1 m，梅花形布置，如图3所示。

图3 玻璃纤维锚杆布置(单位：cm)

4.3 岩台临时喷护封闭

因岩锚梁岩台厚度仅75 cm，为避免保护层开挖后因应力释放导致岩台碎裂，在Ⅲ4区开挖完成后，对出露的Ⅲ6区(岩锚梁岩台)临时边墙喷护5 cm厚C30钢纤维混凝土进行封闭，如图4所示。

图4 岩台临时边墙喷护封闭(单位：cm)

4.4 开挖效果

通过对预支护、钻孔、装药与连网的精细控制，岩台开挖取得理想效果(见图5)：①岩台无欠挖，最大超挖12 cm，最小超挖5 cm；②岩台开挖面整体平整，不平整度 9.8 cm；③岩台半孔残留较好，残留半孔率93.4%；④裂隙内水泥浆液填充饱满，岩体完整性显著提升；⑤下拐点及下直墙均有效保留，最大超挖13 cm；⑥开挖面无松动岩块、陡坎与尖角，达到了平顺、圆滑要求；⑦岩台光爆孔孔间距均匀，孔向平行。

图5 地下厂房岩锚梁岩台开挖效果

5 经验与建议

根据岩台实体开挖过程与结果，结合前期岩台仿真爆破试验分析，针对以下几个方面，总结了经验并提出了建议。

(1)Ⅲ层开挖分区。为了减小爆破振动，厂房Ⅲ层开挖分为6区，各保护层与最终形成的岩台均得以有效保留，质量得到保障。但分区过多造成施工进度偏慢，亦增加了施工组织的难度。建议将Ⅲ1区与Ⅲ2区合并开挖，即厂房Ⅲ层中部拉槽17 m宽一次完成；同时通过控制单段药量来控制爆破振动。

(2)预固结灌浆。Ⅱ2区岩台仿真爆破试验未进行预固结灌浆，断层与破碎带出露部位仿真岩台完整性较差，清理松动石块造成仿真岩台大面积超挖，最大超挖深度达31 cm。而进行了预固结灌浆的Ⅲ6区，开挖后最大超挖12 cm。对比可知，在地质预报揭露的断层与破碎带部位进行预固结灌浆是必要的。

(3)超前玻璃纤维锚杆支护。Ⅱ2区岩台仿真爆破未进行超前玻璃纤维锚杆支护，裂隙扩张较为显著，仿真岩台下直墙存在超挖现象，导致下拐点部位局部被破坏，最大超挖达27 cm。而进行了超前玻璃纤维锚杆支护的Ⅲ6区，下拐点及下直墙均有效保留，最大超挖13 cm。对比可知，在裂隙发育部位，超前玻璃纤维锚杆的缝合作用显著。在各电站岩锚梁岩台开挖中，超前玻璃纤维锚杆支护尚属首次使用，因其易于割除，对后期支护及混凝土浇筑影响极小，因而建议此类开挖使用。

(4)临时边墙喷混凝土。Ⅱ层与Ⅲ层开挖时发现，临时边墙出露后，岩体裂隙有扩张迹象，在裂隙发育部位表现尤为显著。对临时边墙喷混凝土封闭，有效地缓解了应力释放导致的岩台碎裂，且钢纤维混凝土相对素混凝土效果更为显著，建议在类似情况下使用。

(5)下拐点垫板砂浆锚杆。岩台下直面边墙开挖出露后(即对Ⅲ5区开挖后)，对下拐点进行加强保护，已在各电站岩锚梁开挖中形成共识，所采用的方法有普通砂浆锚杆支护、槽钢或角钢焊接贴壁围护[11-12]。鉴于前期在下拐点以下已经进行了玻璃纤维锚杆超前支护，且部分下直面边墙的平整度不足，导致槽钢或角钢焊接难以形成有效防护。因而首次采用了垫板砂浆锚杆，取得了积极的效果，具有一定参考价值。

(6)技术超挖。对于岩台开挖进行一定的技术超挖，在各电站岩锚梁开挖中已得到广泛使用。Ⅱ2区岩台仿真爆破，未进行技术超挖，岩台最大欠挖6 cm；Ⅲ6区岩台实体开挖，孔底均按技术超挖8 cm控制，而实际最小超挖仅5 cm(上漂3 cm)。说明部分钻孔存在上漂现象，从而验证了技术超挖的必要性。

(7)内、外双导向管。Ⅱ2区岩台仿真爆破时采用Φ48钢管作为导向管，岩台斜面孔孔底最大上漂为6 cm；而Ⅲ6区开挖时创造性地使用了内、外双导向管的方式控制孔向，斜面孔孔底最大上漂3 cm，表明了双导向管对钻孔孔向控制的有效性。

(8)剖缝PVC管装药。在其他电站的岩台开挖中，PVC管绑药相对竹片更有利于爆破效果控制[13]。此次岩台开挖中所用PVC半管合并、剖缝辅助传爆尚属首次。Ⅱ2区岩台仿真爆破就PVC管剖缝在光爆孔内是否顺设计开挖面布置进行了对比试验，结果显示，PVC管剖缝顺设计开挖面布置时岩台平整度更优，说明此布置方式利于爆轰波传播及岩台成型，建议此类开挖推广使用。

6 结 语

岩锚梁岩台开挖是地下厂房中最为重要且难度最大的环节，丰宁抽水蓄能电站地下厂房的不良地质条件加大了开挖施工难度。在岩台仿真爆破试验的基础上，岩台实体开挖优化了钻孔装药方式，同时采用了预支护等控制措施。

为了减小爆破振动，对开挖过程进行了精细化分区，保护层采用小分区薄层剥离；为了提高岩体完整性，对围岩破碎与断层处进行预灌浆处理；为了防止片帮掉块引起的难以成型问题，对岩台区域进行预锚固；为了避免应力释放导致岩台碎裂，对Ⅲ6区临时边墙喷钢纤维混凝土进行封闭；为了保护岩台下拐点，在下拐点以下布置了带垫板系统砂浆锚杆；为了保证爆破效果，采用了剖缝PVC管装药方式；为了避免岩台出现欠挖，对结构线进行了5～8 cm技术超挖；为了保证钻孔精度，采用了钢管样架、双导向管、定位横杆等措施控制孔位、孔向、孔深。岩台开挖取得了理想效果，得到同行专家的好评，可供类似项目施工借鉴。