梅州抽水蓄能电站地下厂房基坑开挖体形控制施工技术

杨 耀，张朝泽

(中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

1 工程概况

梅州抽水蓄能电站地下厂房由主厂房(包括主机间和安装间)、副厂房组成，安装间布置在主厂房的右侧(按发电流向，下同)；副厂房布置在主机间的左侧。主厂房洞室开挖总长度为176.25 m，最大开挖宽度为28.3 m，最大开挖高度为58.370 m。厂房布置区山体雄厚，岩性为中粒黑云母花岗岩，厂房顶拱上覆岩体厚为330 m左右。厂区岩体完整性好，洞室围岩新鲜，钻孔平均RQD值大于95%；钻孔声波速Vp为5 560～6 450 m/s，属完整岩体；岩石单轴饱和抗压强度大于70 MPa，属于坚硬岩类。厂区洞室围岩以II类为主，约占77.5%；局部岩脉发育段属Ⅳ类围岩，约占22.5%。

厂房高程307.800 m以下包括4个机组基坑、集水廊道等多个结构，开挖时预留1.5 m保护层，即基坑在309.300高程往下开挖。基坑长度为12.75 m，宽度为9.2 m，开挖深度为9 m，集水廊道水平长度为112.52 m，开挖深度为11.3 m。基坑结构复杂，开挖深度较大，具有结构轮廓线处直角边较多、长度较长、开挖深度深等特点，导致爆破开挖体形控制难度大。基坑平面示意见图1。

2 基坑开挖准备及技术保证

2.1 开挖准备

合理的开挖程序和轮廓爆破方式是深埋地下厂房施工中的关键技术之一[1]。为了基坑开挖能够达到良好效果，在开挖之前进行了一系列准备工作，首先对厂房已开挖完成的部分进行经验总结并分析其中所存在的问题，然后设计预裂爆破试验方案，并根据试验爆破结果选取和优化爆破参数。

图1 厂房机组基坑平面布置示意(单位：桩号、高程m，尺寸mm)

2.2 总结经验

总结厂房307.8 m高程以上边墙预裂施工所取得的成果与不足之处，参照类似地下厂房基坑及尾水扩散段开挖施工经验，确定厂房机组基坑施工主要包括厂房基坑一次性深孔预裂施工、厂房EL.309.300～EL.307.800 m保护层(1.5 m)施工、尾水扩散段施工、厂房基坑及上游侧集水廊道、EL.307.800 m以下排水联系廊道施工，厂房基坑及尾水扩散段开挖时采用潜孔钻进行预裂施工，具体施工方法为：在厂房高程309.300 m开挖底板搭设潜孔钻施工样架，采用潜孔钻造直径90 mm预裂孔，孔深根据厂房基坑及尾水扩散段底板高程确定，初拟深度分别为11.3 m、9 m。

2.3 预裂爆破工艺性试验方案

为获取合理的造孔参数及爆破参数，以保证尾水扩散段及厂房基坑开挖成型效果，结合类似工程施工经验以及当地火工材料特性，计划进行厂房基坑开挖深孔预裂爆破工艺性试验，根据试验成果最后确定厂房机组基坑深孔预裂爆破技术参数。

试验项目主要包括以下内容：炮孔施工角度控制和装药结构的选择和优化、爆破后测定预裂孔垂直度、观察爆破孔半孔率和检测爆破对周围岩石的影响范围和程度等。

试验目的包括以下内容：通过现场爆破试验，及时调整爆破参数、控制爆破规模和施工方法，指导厂房基坑和尾水扩散段预裂施工，针对试验过程中存在的问题，在试验阶段提出相应的解决办法，最终确定适合于厂房基坑及尾水扩散段预裂施工爆破参数。

根据现场施工进度及厂房系统地质情况，预裂爆破试验部位选在厂房EL.314.600～EL.309.300 m开挖阶段，从厂房EL.314.600 m底板造垂直孔至EL.309.300 m底板。试验选择区域见图2所示。

图2 试验部位平面布置示意(单位：高程m,尺寸mm)

2.4 预裂爆破技术参数

1) 爆破方法

如图3所示，试验选择在厂房EL.314.600 m底板开挖阶段进行，通过钢管脚手架搭设造孔样架，采用潜孔钻造直径90 mm预裂孔，孔深为开挖层高5.3 m，孔间距为90 cm，预裂孔数目计5个，采用3种不同线装药密度装药参数进行试验，通过预裂效果确定预裂孔装药参数。

a平面示意 b立面示意

图3 预裂爆破段爆破孔布置示意(单位：高程m，尺寸mm)

2) 爆破器材

爆破试验用炸药选用箱装2#岩石乳化炸药，药卷规格为Φ32 mm-300 g、Φ60 mm-1 000 g。其性能为：药卷密度：1±0.3 g/cm3，殉爆距离≥4 cm，爆速≥3 200 m/s，作功能力≥260 ml，猛度≥12 mm，保质期6个月。

试验选用国产的Ⅱ系列毫秒微差非电雷管。光爆孔内选用普通型导爆索传爆，导爆索规格为12 g/m，传播速度为6 500～7 000 m/s，引爆雷管选用激发针激发，导爆管起爆。

3) 布孔参数

预裂爆破试验爆破孔为在厂房EL.314.600 m底板竖直向下的预裂孔，设计孔深为厂房开挖层高5.3 m，预裂孔均采用潜孔钻造孔，造孔孔径为Φ90 mm，孔距为90 cm。试验段爆破孔布置如图3所示。

4) 样架施工

预裂孔为潜孔钻造孔，造孔时必须采用搭设钢管样架的方式，控制钻孔精度。钻孔样架全部采用1.5寸焊管搭设，潜孔钻与样架通过扣件连接固定，钢管与钢管之间采用扣件进行连接。

样架导向管的布置间距设为1.2 m，具体布置参数详见图4所示。

a立面示意 b平面示意

图4 钢管样架搭设示意(单位：高程m，尺寸mm)

5) 装药结构

预裂爆破采用不耦合装药、导爆索传爆，不耦合系数控制在1.5～2.8之间。预裂爆破的线装药密度采用1 459 g/m、1 233 g/m以及1 081g/m 3种方案，装药参数见表1，装药结构示意见图5。

表1 预裂爆破参数设计

a 线装药密度1 459 g/m

b 线装药密度1 233 g/m

c 线装药密度1 081 g/m

6) 预裂爆破参数

理想的预裂爆破应达到如下爆破效果：① 开挖轮廓面上的残留炮孔应均匀分布；② 开挖轮廓面上的半孔率：完整岩石达到85%以上；③ 开挖轮廓面上岩石平整，残留孔壁不应有明显的爆振裂隙；④ 设计开挖结构面开挖不允许欠挖，超挖值不大于20 cm。

爆破后经对爆破面进行效果检查，方案1岩面较为平整，但半孔率较低，并造成一定爆振裂隙影响周边岩体整体性，方案3半孔率明显较好，但岩面平整度较低，方案2并未有较为突出的方面，但其整体评价效果最好，且岩面平整度也较为理想。爆破试验效果见图6。通过爆破试验确定机组基坑预裂爆破参数为：预裂爆破线装药密度约为1 200 g/m，预裂孔开口孔距整体按80～90 cm控制，预裂爆破采用胶装2#岩石乳化炸药，药卷规格为Φ32 mm、Φ60 mm，单重为300 g、1 000 g，装药结构为导爆索+竹片间隔不耦合装药，底部加强药卷为1节Φ60 mm药卷，后续间隔为23 cm装Φ32 mm药卷2节，堵塞长度在1.5 m左右。

图6 预裂爆破试验效果示意

3 基坑体型控制技术

3.1 预裂爆破设计

根据预裂爆破工艺性试验方案所确定的技术参数，结合厂房机组基坑结构布置，设计预裂爆破孔深度为11.3 m、9 m，预裂孔开口孔距整体按80～90 cm控制，局部根据结构调整。厂房机组基坑预裂爆破孔布置方案见表2，基坑预裂孔装药结构见图7。

表2 厂房机组基坑预裂爆破参数

a 孔深11.3 m

b 孔深9 m

3.2 体型控制工艺

1) 钻孔控制

预裂爆破的效果很大程度上取决于预裂孔的钻孔质量[2]，采取必要措施控制钻孔质量在预裂爆破施工中是必不可少的环节。在预裂孔造孔时，搭设钢管样架辅助潜孔钻造孔，控制钻孔精度。

2) 孔位控制

根据预裂爆破成缝机理，并参照厂房EL.309.3以上预裂爆破施工经验，预裂孔布置于设计结构线会存在局部欠挖情况，故深孔预裂开孔位置根据结构开挖线设计，孔口造孔位置在设计开挖线位置整体外偏10 cm造垂直孔。布置于厂房边墙及端墙位置预裂孔，考虑局部超挖情况，孔口开孔位置在设计开挖线外偏5 cm造斜向孔，孔底距离设计开挖线10 cm，外偏角为0.25°，斜向孔示意见图8。

图8 深孔预裂斜向孔造孔示意(单位：高程mm，尺寸cm)

3) 直角位置成型控制

结构直角位置开挖是施工中的一个难点问题，难以达到理想的成型效果，为保证结构直角位置成型效果良好，两直角边第1个孔距离直角点60 cm布置，避免因直角处岩体较薄，孔距过小，爆破时直角处岩体随直角边第1个预裂孔周边岩体裂开。直角处预裂孔布置见图9所示。

图9 结构直角处预裂孔布置示意(单位：cm)

4) 预留保护层控制

参照预裂爆破试验效果，由于深处的岩体在上部岩体的盖重作用下，岩体埋藏越深时，预裂成型效果越好。厂房在分层开挖设计时充分考虑了EL.307.800底板以上预留1.5 m保护层，保护层在基坑一层开挖完成后一次性开挖清除，可保障机组基坑边墙与EL.307.800底板相交直角成型效果，保障EL.307.800底板极大程度的免受破坏。保护层一次爆除加快了施工进度，减少重复爆破对基岩的影响，提高了施工质量，同时也节约了工程费用[3]。

4 结语

梅蓄电站地下厂房机组基坑开挖采用了一次性深孔预裂爆破及保护层爆破开挖等技术，一次性深孔预裂爆破在保证成型质量的前提下，在一定程度上缩短了工期，梅蓄电站地下厂房原计划移交工作面时间节点为2020年4月20日，实际于2020年4月13日爆破开挖结束，为移交工作面时间节点奠定了良好的基础(预裂爆破开挖后成型效果见图10所示)。

图10 基坑预裂爆破开挖后成型效果示意

预裂爆破结束后，基坑分两层开挖，保护层开挖计划于基坑一层开挖后挖除，做到多个工作面交叉作业，合理安排工序，优化施工流程，全面推进厂房开挖进度。保护层一次开挖爆破方法取得了良好的效果，同时缩短工程工期、降低工程造价[4]。

梅蓄电站地下厂房机组基坑的开挖采用了较多手段，经过多元化、精细化的设计来保障体形成型效果，开挖成型后所取得的成果也较为丰厚，除了在极个别地质条件较为复杂的部位存在一定程度上的超挖外，厂房机组基坑最终的成型效果是较为理想的，极大程度的减小了超挖工程量和后期回填工程量，对优化施工流程、推进开挖进度、保证基坑成型、降低投入成本具有极大意义。