绩溪水电站地下厂房岩壁梁精细化开挖技术

张士勇 （中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏 南京 211800）

0 前言

岩壁吊车梁是地下厂房开挖过程中常用的一种结构，钢筋混凝土制成的岩壁梁可通过锚杆与岩台形成共同受力体，共同承担吊车所受的力和吊车自身的重力。它具有受力情况好、结构简单等特点[1]。在绩溪水电站施工过程中针对遇到的施工重难点，施工人员通过选用合理的施工方法、不断地试验，形成了一套适用于复杂地层大尺寸地下厂房岩壁梁开挖的施工方法。

1 工程概况

安徽绩溪抽水蓄能电站位于安徽省绩溪县伏岭镇，水电站由上水库、输水系统、地下厂房等主体建筑组成。绩溪抽水蓄能电站的主副厂房硐总长为210.0 m，最大开挖高度为53.4 m。主副厂房硐开挖施工分七层、四区进行，分层分区如图1所示。岩壁吊车梁位于第Ⅱ层，岩壁梁全长189 m，开挖岩台宽1.95 m，高2.8 m，岩壁梁底部距离地下厂房第Ⅱ层底板4.2 m，建成后将在岩壁梁上布置2台250t/50t的单小车桥机。

图1 厂房第Ⅱ层保护层及岩壁开挖分区图

1.1 地质条件

绩溪抽水蓄能电站地下厂房洞室群的围岩以块状～次块状为主，围岩分级以Ⅱ～Ⅲ类为主，局部为Ⅳ类，断层破碎带为Ⅳ～Ⅴ类，围岩情况如图2，详细分类情况见表1。地下厂房洞围岩基本是较为稳定的状态，但是在局部存在稳定性较差和破碎带严重的问题。

图2 地下厂房岩壁梁地质条件

1.2 施工特点与难点

①地下厂房总长210.0 m，开挖高度为53.4 m，厂房开挖尺寸较大。

②地下厂房位置在水电站地下施工直线工期线路上，工期较为紧张，且对开挖质量要求较高。

③类似工程岩壁梁岩台开挖多在地下厂房第Ⅲ层进行，且开挖层厚度一般为7m，本工程则规划在第Ⅱ层进行开挖施工，且开挖层厚度高达10.5m，为施工工序的规划增加了难度，且地质条件比类似工程更复杂。

④施工对爆破振动要求较高，爆破振动速度需要严格把控小于10 cm/s。

2 开挖规划及施工顺序

岩壁梁开挖施工流程为：岩壁梁层中部拉槽施工预裂、梯段开挖→岩台垂直光爆孔造孔→侧向保护层①、②区开挖→岩壁梁层中部拉槽开挖→侧向保护层③、④区开挖→锁口锚杆→岩壁梁岩台斜面光爆孔造孔、岩台垂直加斜面双向光面控制爆破[2]。

岩壁梁开挖过程的具体分层分区如图3所示。

以下为开挖施工的具体流程。

①施工预裂：在距离地下厂房上下游边墙5.35 m的范围内采用爆破的方法进行施工预裂。

②开挖第Ⅱ1层：第Ⅱ1层采用梯段爆破的方法进行开挖。

③保护层①、②施工及直墙爆破孔施工：在Ⅱ1层开挖30 m后，开始两侧保护层①、②的施工。在进行保护层②钻孔作业的同时进行直墙光爆孔的施工作业，并用PVC管保护。

④第Ⅱ2层开挖：第Ⅱ2层开挖深度为5.5 m，采用梯段爆破的方法进行施工，在两侧预留厚4.6 m的保护层。

⑤保护层③、④施工：在第Ⅱ2层开挖30 m后，进行保护层③、④的钻孔施工作业，爆破钻孔作业采用手风钻垂直钻孔，使用样架保证钻孔垂直度。

⑥钻斜面孔：采用手风钻钻斜面孔，提前搭设钻孔所需的样架，利用样架严格控制钻孔角度。

⑦岩台开挖：在直墙孔与斜面孔中填装炸药，直墙孔与斜面孔同时起爆。

地下厂房围岩分类汇总表 表1

图3 主副厂岩壁梁分层分区图

3 岩壁梁开挖施工方法

3.1 中部拉槽预裂

为了减小由中部拉槽爆破施工造成的岩台部位岩石的松动和爆破裂隙的延伸，可在保护层与中部岩石之间通过爆破施工一道预裂缝。预裂缝可减小爆破产生的冲击振动的传播范围，也可以防止中部拉槽爆破产生的破裂缝通过侧向保护层向岩台传播，从而减小中部拉槽爆破施工对已经施工完成的上层地下厂房的影响。此次施工预裂装药结构如图4所示。

图4 主副厂房施工预裂装药结构图

3.2 保护层开挖

岩壁梁岩台的保护层紧靠两侧岩壁，使用手风钻钻Φ42 mm垂直爆破孔。为了保证钻孔精度，必须使用钻孔样架固定钻杆方向。在开挖边界与钻孔孔位的测量放样标注后，进行样架的架设，然后使用手风钻按照钻孔样架确定的角度和间距钻凿边墙钻孔[3]。

开挖过程中，使保护层②区的光爆孔向外侧偏移20 cm，以保证下部保护层③直墙光爆孔造孔精度[4]。为避免欠挖，使边线直墙光爆孔和斜面光爆孔超深5 cm。岩台区的边线直墙光爆孔与保护层②区岩台直墙光爆孔同时钻孔，与岩台斜面光爆孔同一段起爆。岩壁梁岩台侧向保护层在层高方向上分3小区开挖，每小区目的、作用不同，钻孔爆破设计考虑不一样，开挖具体措施如下。

①侧向保护层1区：光爆孔线向外移10cm～20 cm，以减少岩台内侧夹制的岩石。

②侧向保护层2区：为减少下拐点以下直立岩面超挖，2区光爆孔在岩台下拐点处按欠挖5 cm钻孔；为搭设保护层3区样架，2区光爆孔在底部按超挖5 cm钻孔。为减少保护层爆破对岩壁梁下拐点区域造成隐性拉伤、破坏，岩壁梁岩台侧向保护层2区顶部高程应比下拐点高1.0 m，底部高程比下拐点低1.0 m。

③侧向保护层3区：岩壁梁下层永久直立岩面预裂采用轻型钻机钻孔，光爆孔在底部按超挖15cm～18 cm钻孔。

④在所有爆破孔开凿完毕后即可进行装药联网爆，光爆孔采用Φ25的药卷进行光面爆破，非电毫秒雷管不连续装药起爆，一次爆破长度为12m～18 m。

3.3 岩台开挖

岩台开挖中钻孔同样采用样架来控制钻孔精度[5]，如图5所示。样架的搭设及钻孔工艺要求与上节基本相同。

图5 岩台开挖样架搭设实物图

岩台垂直光爆孔与斜面光爆孔是在横断面上对孔，钻孔布置示意图如图6所示，单元中部孔距一致，两端1～2个孔孔距作调整。为保证岩台上拐点直立面、岩台斜面不欠挖，将原设计岩台上拐点位置向下垂直移动8 cm，并向外移动8 cm；岩台上拐点直立面光爆孔开孔位置向外移动3 cm，下拐点下移3 cm。因岩台施工区域部分位于岩石破碎、节理发育的区域，为防止岩台下拐点以下岩体受损，在岩台开挖爆破前，可在下拐点处布置一排锁口锚杆，并用热轧不等边角钢对锚杆通长焊接加固，角钢与岩面之间的空隙用砂浆填塞密实，围岩较差部位可增加角钢并初喷5 cm混凝土。

图6 钻孔布置示意图

3.4 提高爆破成型质量的关键措施

3.4.1 施工过程中及时改变爆破方案

爆破施工中，为保证爆破施工岩面不欠挖或超挖，可在施工时根据需要临时调整两端1～2个光爆孔的位置。如在开挖岩台时，为了保证上拐点直立面和岩台斜面不欠挖，可将原设计岩台上拐点位置向下垂直移动8 cm，向外移动8 cm，岩台上拐点直立面光爆孔开孔位置向外移动3 cm，下拐点下移3 cm，并适当的调整钻孔角度。这样可以达到更好的爆破效果，使岩壁梁有更好的成型质量。

3.4.2 预锚锁口技术

在岩石破碎、节理发育的区段，岩台的下拐点处极易发生应力集中、很难成型的情况，为了提高下拐角的爆破成型质量，可在岩台开挖爆破前，在下拐点处布置一排锁口锚杆，并用热轧不等边角钢对锚杆进行焊接加固，角钢与岩面之间的空隙用砂浆填塞密实，围岩极差的部位可增加角钢加固并初喷5cm混凝土来对下拐点进行保护。

4 爆破开挖相关实验

4.1 岩台开挖爆破参数的选取

根据厂房的地质条件，经综合考虑现场实际情况，可进行爆破模拟试验，模拟试验主要以调整孔距、线装药密度和钻孔角度为主[6][7]，拟按以下方案进行试验。岩壁梁爆破试验在主厂房进行，岩壁梁试验区具体位置如图7所示。每个试验区分5组参数进行爆破试验，每次爆破长度为5 m，宽度为2 m。炮孔间距分别按35cm、45 cm布置，钻孔均采用样架进行导向定位，确保钻孔深度以及钻孔角度与设计一致。装药时，孔口采用炮泥或浸湿的炸药包装纸进行轻堵，爆破后通过检查对比，对爆破效果的评价如表2所示。

从表中可以看出，为了更好地确保开挖质量，经综合比选，保护层及岩台开挖光面爆破的钻爆参数选用表2中的第5组，即孔距为35 cm，排距为50 cm，线装药密度为60 g/m。

4.2 爆破振动监测

爆破振动监测主要用于监测开挖爆破质点振动速度，测得的振动速度数据为爆破开挖和主要水工建筑物安全提供了评价依据。

图7 岩壁梁试验平面布置图

保护层及岩台开挖光面爆破试验效果评价 表2

爆破振动检测参数表 表3

在岩台开挖的过中开展了多次爆破振动监测，每个测试点布置了厂房轴线水平方向、垂直厂房轴线水平方向、铅直方向3个方向的振动速度传感器。各监测点得到的最大振动速度为5.59 cm/s，其中厂房轴线水平方向最大振动速度为3 cm/s，垂直厂房轴线水平方向最大振动速度为2.99 cm/s，铅直方向最大振动速度为3.36cm/s，均小于振动速度控制标准10cm/s。

4.3 松动圈声波测试

松动圈声波测试主要利用超声波在不同种类的介质中传播速度不尽相同的特性，来检测爆破孔附近围岩的破坏情况。

爆破施工前后，在主副厂房岩壁吊车梁壁座四个断面部位开展了8个孔的声波测试，共检测了240个不同深度的测点。8个孔的声波检测均采用炮前炮后同一深度波速对比判断岩石松弛深度，松动圈厚度均小于0.2 m。

5 结语

岩壁梁的施工技术是地下厂房开挖过程中最核心、最关键的技术。绩溪水电站地下厂房岩壁梁所在的第Ⅱ层开挖施工中，在确保岩壁梁施工安全、质量良好的前提下，各工序实施了“纵向多工序，部位多协调”的平行流水作业。为了使得岩壁梁岩台成形质量较好、确保爆破后围岩的稳定性较高、尽量减少岩台超欠挖及爆破振动，爆破采用了小孔距、小孔径、密钻孔、均布装药一次成形的方法，取得了良好的效果。岩壁梁岩台开挖过程中平均半孔率达97%，开挖面平整度达0cm～5cm，岩台孔壁无爆破裂隙，上下拐点也基本上在一条直线上。施工人员对岩壁梁开挖技术的工艺创新和成功应用也为类似工程施工提供了宝贵的经验。

图8 爆破成型效果