地下厂房岩壁吊车梁及邻近层爆破开挖施工技术的探讨

中铁十四局集团第二工程有限公司，山东 泰安 271000

关键字：地下厂房；岩壁吊车梁；光面爆破；梯段爆破；预裂爆破

1 工程概况

1.1 工程简介

文登抽水蓄能电站位于山东省威海市文登区界石镇境内，规划装机容量1800MW，安装6台单机容量为300MW的可逆式水泵水轮机组。

地下厂房洞室采用锚喷支护型式和岩壁吊车梁结构，开挖尺寸为214.5m×26.5m（25m）×53.5m，属特大断面洞室。岩壁吊车梁位于地下厂房Ⅱ层，单侧全长194.35m，岩台高1.299m，宽0.75m，梁体采用牛腿型结构，见图1。岩壁梁开挖是整个地下厂房开挖的核心工程，光面爆破、预裂爆破和梯段爆破共同应用于岩壁梁及厂房邻近层（Ⅲ层）开挖施工过程中。

1.2 工程地质条件

地下厂房位于苇夼沟和六度寺沟所夹山体内，上覆岩体厚度约350m，岩性主要为石英二长岩，岩石新鲜，属坚硬岩，围岩类别为Ⅰ～Ⅱ类围岩为主。局部段落裂隙走向与厂房轴线交角30°～55°，在上游侧形成不稳定块体，受地应力影响，会发生轻微岩爆现象。

地下厂房地下水类型为基岩裂隙水。从揭露情况看，厂房区地下水不丰富，围岩多干燥，局部潮湿，仅局部沿结构面有滴水现象。

图1 地下厂房岩壁吊车梁示意图

2 施工原则和思路

岩壁吊车梁是地下厂房的重要结构，保证其施工质量与结构稳定是地下厂房爆破开挖技术首要考虑因素。在进行开挖施工时，主要控制要点为结构边线的超欠挖和岩壁梁浇筑完成后爆破振动速度，主要开挖方式为光面爆破、预裂爆破和梯段爆破。

厂房Ⅱ层为岩壁梁层，为保证岩壁梁开挖质量，先进行施工预裂开挖中槽，中槽完成后，对两侧预裂3m 保护层进行岩壁梁岩台开挖。

岩壁梁浇筑前完成邻近层（Ⅲ层）预裂施工，浇筑完成后，先对其中部进行拉槽梯段爆破，再进行两侧保护层爆破。

地下厂房岩壁梁及邻近层（Ⅲ层）爆破开挖施工程序见图2，序号表示开挖顺序。

图2 开挖爆破施工程序布置图（单位：mm）

3 岩壁梁爆破开挖技术

岩壁梁爆破开挖是岩壁梁施工的基础，岩台成型质量要求高，岩壁梁层采用“品”字型开挖程序，厂房Ⅱ层施工预裂完成后，中槽开挖先行，两侧预留层跟进进行岩台开挖。岩台开挖采用“保护层分层开挖，岩台一次成型”的开挖方式，见图3。开挖分段、分层、分区采取流水作业进行，保护层分层高度分别为1.5m、2.8m 和2.8m，宽度均为2.25m，岩台宽度0.75m。

图3 岩壁梁开挖程序示意图

3.1 爆破设计

岩壁梁爆破开挖严格按照光面爆破要求进行，最大限度保证开挖面完整，通过减少单孔装药量，降低爆破对开挖面的破坏，为此控制周边孔孔距为35cm。

周边孔抵抗线：W=35/0.8 ≈45cm。

（1）保护层开挖

保护层爆破孔间距a 不大于0.8m，排距b 不大于0.6m，每段爆破结束位置布置分段光爆孔，保证下段开挖面平整，单段开挖长度8～12m，保护层布孔见图4。

图4 岩壁梁保护层开挖炮孔布置图（单位：mm）

周边孔造孔均借助钻孔辅助造孔，通过样架控制钻孔角度、孔距和孔深，在进行Ⅰ区保护层保护层造孔时，同时将岩台孔完成并插入PVC 管进行保护。

装药计算以Ⅰ区保护层为例。

单孔药量：Q=a×b×h×q=0.6m×0.8m×1.5m×1kg/m3=0.72kg（单耗1kg/m3）。

周边孔线装药密度为65g/m，需要注意导爆索密度一般为11g/m以上［1］，则在计算装药时，仅考虑54g/m即可。周边孔装药药卷均采用分割药卷块，单块质量25g，以Ⅰ区保护层周边孔为例，孔深1.5m，则单孔药量为：

Q=qx×L=54g/m×1.5m=81.5g，共需装药3+1/4块25g炸药。

炸药分割及绑扎见图5。

图5 Ⅰ区保护层周边孔装药结构（单位：mm）

（2）岩台开挖

借助斜孔样架进行斜孔造孔施工，然后和已完成的竖直孔同时爆破，开挖呈平整的斜面岩台。

为保证爆破成型面为设计岩台斜面，在进行岩台孔造孔时，竖直孔和斜孔孔底向岩壁梁内侧和向下各超挖3cm，斜孔孔口向上欠挖3cm［2］，见图6。岩台开挖竖直孔和斜孔孔距均为35cm，并相互错开，见图7。

图6 岩台造孔方向布置图（单位：mm）

图7 岩台炮孔布置图（单位：mm）

岩台装药均采用间隔装药，见图8，线装药密度为50g/m，导爆索药量为11g/m，以斜孔为例，进行炸药计算。

单孔药量：Q=q×L=（50-11）g/m×1.299 ≈50g；

在装药时，孔底5cm 不装药，然后孔底装入25g，每隔35cm 装入12.5g 段炸药。

图8 岩台斜孔绑药布置图（单位：mm）

3.2 地质复杂段落岩壁梁爆破开挖技术

文登电站地下厂房局部地质复杂段落受等倾角裂隙影响，裂隙与上游侧边墙上部会出现不稳定块体，若采用常规光面爆破，内部应力释放会将上游侧裂隙岩体涨裂，甚至出现大面积片帮，见图9。

图9 厂房上游侧滑层示意图

为此在进行上游侧岩台开挖时，保护层分两层开挖，开挖高度分别为5m 和2.5m。再进行上层保护层爆破时，提前进行结构预裂，预裂高度为5m，高程范围为EL.62.50～57.5m，预裂完成后，上层开挖采用水平爆破，其余开挖方式与传统岩台开挖方式一致，见图10。

图10 地质复杂段保护层开挖示意图

4 岩壁梁邻近层爆破开挖技术

岩壁梁邻近层（Ⅲ层）在进行爆破开挖时，为防止爆破振动速率过大破坏岩壁吊车梁混凝土结构，要控制爆破振动速度不大于10cm/s［3］。

岩壁梁邻近层（Ⅲ层）采取预裂爆破和梯段爆破相结合的开挖方式，以减弱爆破过程对岩壁梁的振动损伤。

4.1 预裂爆破

预裂爆破的作用：①形成一个超挖很少或者没有超挖的平整壁面；②减弱主爆区爆破时爆破振动波向岩体的传播，控制爆破对保留岩体或保护结构物的破坏影响［4］。

结构预裂和施工预裂均要在岩壁梁浇筑前完成，钻孔超深0.5m，结合厂房Ⅲ层分层高度5m，钻孔深度为5.5m，采用手风钻造孔，孔径42mm，孔距40cm。

线装药密度为330g/m，孔底增加药量，连续装药2 支（单支φ32 药卷300g，长34cm），堵塞长度为1m，其余部位间隔装药。

单孔药量：Q=qx×L=（330-10）g/m×5.5m=1760g，取1800g，其中孔底600g 连续装药，其余1200g 间隔装药。

为保证炸药布置均匀，将单支炸药截断为3 段，单段药量100g。

均匀装药段间隔距离：d=（5.5-0.68-1）/（12-1）=34.7cm。

炸药分割和绑扎见图11。

图11 预裂爆破绑药布置图（单位：mm）

为控制单响药量，采用MS3 段雷管进行延时，延时间隔为50ms，为保证延时雷管不被上段爆破破坏，延时引爆每5 孔最后一孔，相邻孔之间通过采用“蝴蝶结”连线方式，见图12。

图12 预裂爆破联网示意图

4.2 梯段爆破

梯段爆破通过采用延时联网结构，通过多种雷管延时累加，将每个孔的延时时间错开，在满足爆破进尺的同时，最大限度降底爆破振动对岩壁梁的破坏。

厂房Ⅲ层梯段爆破采用液压钻机钻孔，台阶高度为5m，由于台阶高度较小，采用倾斜孔的钻孔形式，倾斜角度为75°，综合考虑台阶高度和地质围岩，钻孔间距a 为1.2m，排距b 为1.0m。

厂房Ⅲ层拉槽采用双向延时联网结构，开挖方式延时雷管采用MS5 段雷管，延时时间110ms，两侧延时雷管为MS3 段雷管，延时时间为50ms，孔内延时雷管MS19 段雷管，延时时间为1400ms。双向延时需做到孔外延时完成后，再引爆孔内炸药，防止孔内炸药爆破破坏孔外延时雷管。孔外延时至1340ms，引爆雷管MS19 段延时时间为1400ms，满足要求，见图13。

图13 双向延时联网布置图

单孔药量：

q=a×b×qx=1.2m×1.0m×1.0kg/m3=1.2kg

为避免大块石的产生，通过采用“单孔双雷管”的装药方式将炸药间隔，实际操作中，通过采用吊绳将炸药控制于固定位置。

4.3 爆破振动速度

爆破振动速度的计算，一般都采用近似的方法。其中比较认可的是前苏联学者萨道夫斯基的经验公式［5］：

其中：V 为测试点最大质点振动速度，cm/s；

R 为测试中心与炸药中心的距离，m；

Q 为最大段炸药总量，kg；

K 为与岩石的性质，爆破方式及地形条件等因素有关的系数；

α 为爆破地震波衰减指数，与地形地质条件及距爆破中心的距离有关。

根据地下厂房前期爆破振动的检测结果，文登电站地下厂房K、α 值见表1。

表1 文登电站地下厂房地质参数

良好的结构预裂可减震30%，则爆破振动速度计算结果如下：

其中最大段药量为Q=q×n=1.2×8=9.6kg；

R=3+（59.32-50.00）=12.32m

VX=252.29×（9.61/3/12.32）1.76×（1-30%）=8.03cm/s；Vy=41.76×（9.61/3/12.32）1.06×（1-30%）=4.54cm/s；Vz=74.95×（9.61/3/12.32）1.32×（1-30%）=5.15cm/s。

实际检测结果见表2。

表2 岩壁梁爆破振动检测统计表 cm/s

通过检测最大质点爆破振动速度与计算结果基本吻合，通过采用预裂爆破和梯段爆破，每个方向爆破振动速度均≯10cm/s，满足岩壁梁安全控制要求。

5 结束语

文登电站地下厂房岩壁梁岩台爆破开挖，通过采取光面爆破，严格控制钻孔进度和装药结构，岩壁梁岩台爆破半孔率达到96%，不平整度最大4cm，有效控制岩台超欠挖，保证台体的成型效果。在岩壁梁邻近层开挖前采用预裂爆破，预裂缝宽度能够达到6～9mm，有效降低爆破振动速度。解决了隧道爆破超欠挖控制和降低爆破对周边结构的振动损伤等难题，对开挖质量要求高或对爆破振动速度控制有特殊要求隧洞等类似工程具有指导意义。