抽水蓄能电站地下厂房Ⅰ层爆破开挖施工技术

刘 蕊，余 健

（中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024）

1 工程概况

清原抽水蓄能电站为大（1）型一等工程，规划6 台单机容量300 MW 竖轴单级混流可逆式水泵水轮机组，总装机容量1800 MW。地下厂房采用中部布置方式，由主机间、安装间和副厂房组成，呈“一”字形布置。地下厂房开挖尺寸222.5 m×27.5 m（26.0 m）×55.3 m。地下厂房I 层为顶拱层，开挖层高为10.5 m，最大开挖跨度为27.5 m。洞室结构采用喷锚支护：砂浆锚杆￠28/预应力树脂锚杆￠32@1.5 m×1.5 m，L=6 m/9 m，间隔布置；挂网φ8@200 mm×200 mm，龙骨筋φ12@1.5 m×1.5 m，喷C30 混凝土20 cm。

2 工程地质条件

清原抽水蓄能电站地下厂房地表高程552.00～635.00 m，拱顶高程264.80 m，洞室顶拱上覆岩体厚度284.00～371.00 m。地下厂房顶拱围岩为微新花岗岩，岩体内未见较大断裂构造发育，围岩稳定。地下厂房围岩主要以Ⅲ类为主，部分Ⅱ类，断层带Ⅳ类。

3 地下厂房开挖技术分析

3.1 开挖程序规划

针对地下厂房自身结构特性、地勘资料、施工机械选型、洞室空间结构形式、通道布设、施工工艺质量、爆破装药结构等多重因素相互影响和制约下，在确保厂房顶拱结构稳定条件下，选取适合清原抽水蓄能电站地下厂房分层、分区域的规划，顶拱层以错距并切割若干小跨度断面的开挖方法[1]。因此，地下厂房顶拱层开挖以水平掘进方式通过厂房顶部通风兼安全洞侧贯入，以中导洞延伸进入顶拱层掘进开挖，整体行进方向由左端墙至右端墙单向掘进方式。顶拱层分部位开挖法以中导洞摸顶领先，两侧边拱扩挖渐近错距跟进的施工顺序，分部分区域错距“之字形”推进方式实施。

3.2 爆破设计

为最大限度提升爆破效率及开挖轮廓线的平整度，减小爆破对围岩振动破坏和缩小爆破松弛圈范围，地下厂房在开挖施工前必须进行爆破设计。爆破设计的目的是根据围岩地质条件和掘进掌子面尺寸，设计最优孔深、孔距、掏槽型式、装药量、装药结构及起爆顺序等爆破参数[2]。清原抽水蓄能电站地下厂房顶拱层开挖施工均采用周边孔光面爆破，不耦合间隔装药，底部加强装药；掏槽孔、崩落孔、底孔不耦合连续装药，导爆索、非电导爆管敷设起爆网络。在实际施工中，爆破设计参数应依据地质条件的变化和爆破效果及时进行动态调整优化，严格控制炸药单耗，尽量降低单孔装药量以控制爆破振动，以期达到最佳爆破效果，并指导后续施工。

3.3 掏槽形式选择

掏槽孔爆破只有一个自由面，破碎岩石的难度较大，而掏槽质量又直接影响其它炮孔的爆破效果，因此必须选择适合的掏槽形式，使岩石完全破碎形成掏槽空间以达到较高的掏槽孔利用率。掏槽爆破孔有多种布置形式，归纳起来可分为斜孔掏槽和直孔掏槽两大类[3]。结合清原抽水蓄能电站地下厂房围岩地质条件和掘进掌子面尺寸，考虑钻孔难度及钻孔角度，该工程选用垂直楔形掏槽的形式进行造孔。斜孔掏槽适用于各种岩层并能获得较好的掏槽效果，所需掏槽孔数目少，单位耗药量少，槽孔位置和倾角的精度对爆破效果影响较小，容错率较高。

4 开挖质量控制

地下厂房顶拱层开挖施工遵循“短进尺、弱爆破、勤支护”原则，每循环施工工序包括施工准备、测量放样、炮孔布置、造孔、装药联网爆破、通风排烟、安全检查及处理、出渣、清底、随机支护、系统支护等项目，各工序衔接对于地下厂房施工作业有序开展尤为重要。

4.1 测量放样

洞室爆破开挖的第一道工序为孔位的测量放样，测量精度是总体开挖质量控制的基础和前提。为保证洞室施工测量精度，施工时配备专业测量技术人员及全站仪进行测量。

1）测量工序。洞内测量利用洞口导线控制点在洞口设置精度控制点；再利用洞口导线控制点进行测量，洞内的开挖控制点进行测量设置，即增加测回次数，对一个点在不同的条件下进行多次观测，并利用弦线偏角法和进口已联测的大地坐标系统相互进行控制。开挖掌子面的轮廓线放样主要根据掌子面的桩号计算出洞顶、拱脚及圆弧段圆心等特征点高程，现场放样洞轴线及上述相关特征点高程，根据圆心点位置定出设计开挖轮廓线。

2）孔位放样。造孔前由专业测量技术人员负责测量放样工作，根据设计开挖断面，采用红外线激光定位技术放样，通过逐孔放点方式精确测设所有周边孔开孔点位置，并用红油漆清晰标记，每个周边孔的坐标应提前计算确定。采用隔孔放点方式给每两个周边孔点位测设一个后视点，用于钻工进钻时校正炮孔的孔位偏差、高差以及孔斜，后视点距离掌子面2.0～2.5 m，且后视点必须注明实际超挖值，以便钻工参照该值控制钻杆钎尾与设计轮廓线的相对距离，防止出现过大的外插角。

4.2 钻孔工艺

为达到地下厂房顶拱爆破成型规整和提高周边轮廓线半孔率，减小排炮错台和缩减两孔之间起伏度的目的，顶拱层按周边孔以“一字线”作为控制标准规划，达到“一孔到底”的效果。地下厂房开挖施工中，钻孔工艺是开挖成型质量控制的最关键环节，而钻孔质量好坏受孔位、孔径、孔深、孔斜、孔向、孔数等因素的综合影响，周边孔及掏槽孔的孔位偏差不得大于5 cm，主爆孔孔位偏差不得大于10 cm，钻孔必须满足“平、直、齐、准”要求，即炮孔相互平行，炮孔垂直于开挖断面，炮眼孔底整齐落在同一平面上，炮孔开孔位置准确。

1）开孔精度控制。开钻的掌子面受爆破作用岩面一般都为有角度的斜面，钻头在斜面开钻容易打滑使开孔方向产生偏差，导致与下排炮开孔位置无法平顺相接。因此，当掌子面开孔岩面不平整时，应该由多人从各方位对钻孔位移进行有效约束确保开孔精度，尽量减小开孔方向的偏差；同时对局部凸起不平影响钻头开孔的岩面进行修凿平整，确保钻机沿设计的孔向进钻，精确控制开孔位置。其次钻孔时优先采用短钻杆开孔，且开孔阶段钻进压力不宜过大，避免钻杆出现向下或侧向的弯曲，影响开孔角度。

2）钻孔方向控制。钻工在进钻时如果无法有效控制钻机的位置，钻杆尾部与孔内钻杆不在一条直线上，钻杆在钻头与钎尾的双重约束下将产生弯曲；其次钻进压力过大迫使钻杆出现挠度在旋转作用下也可能造成钻杆和炮孔轴线不在同一条直线上，钻杆出现弯曲的弧度偏向一侧孔壁形成“飘孔”。因此为了有效控制钻孔方向，钻工在造孔过程中应该将钎杆尾部对准后视点，保证开孔点、后视点及钻机卡钎器三点在同一直线上，用以保持钻孔方向角度不发生偏斜，确保钻杆在炮孔轴线方向推进，同时严格控制钻孔推进压力，尽量减小钻孔方向偏差。实际钻孔过程中，如在孔道内遇到裂隙、软弱夹层、滑面、软硬互层等结构构造使岩层具有不均质性时，钻头也易沿着层理面方向钻进偏离钻孔轴线而发生弯曲。

3）钻孔外插角控制。钻工在实际炮孔钻进过程中，由于手风钻尾部的消音罩需占用大约10 cm的空间，导致钻杆尾部无法紧贴岩面处于设计开挖线上，而掌子面开钻时必须按照设计轮廓线开孔，使得钻工在进钻时必须考虑一定的外插角，因此炮孔出现孔斜孔底产生超挖是必然的，并且上排炮孔底部位是下排炮的开钻位置，孔底合理的超挖为下排炮开孔创造了必要的空间。按照DL/T 5099-2011《水工建筑物地下工程开挖施工技术规范》要求，“相邻两茬炮之间的台阶或钻孔的最大偏斜值应小于20 cm”，实际钻孔过程中控制外插角不超过arcsin（0.15/3.0）=2.87°，确保相邻两排炮接茬部位的超挖错台不超过15 cm。

4）人为因素控制。钻孔质量受人为因素影响较大，钻孔时应挑选熟练的操作手，严格按照设计钻爆图的规定钻孔作业，架设钻机开孔时必须在测量标记的孔位开钻。实施造孔施工规划，各钻工分区、分部位定人定位施钻，实行严格的钻工作业质量经济考核责任制，以增强管控手段提升钻工对工程的质量意识及重视程度。钻孔作业期间由技术员及时对炮孔的孔位、孔深、孔斜等施工参数进行检查是否满足规范要求。

钻孔结束后，利用高压风进行吹孔，直至岩屑和石碴全部清除出孔外，最后由技术人员对孔号、孔径、孔深、钻孔角度进行编录，炮孔需经过监理工程师验收合格后方可装药联网爆破。

4.3 装药工艺

1）装药参数。为达到高质量的光爆效果，周边孔必须选用不耦合装药方式，空气间隔为爆破形成的爆轰冲击波提供了缓冲空间，有效衰减了作用于孔壁上的爆轰波能量，降低爆炸时孔壁上的压力峰值，从而在炮孔内形成准静压状态，这是光面爆破实现的必备条件。合适的周边孔不耦合系数使爆炸后作用于炮孔岩壁的压力低于围岩抗压强度，而高于抗拉强度。通过经验和实践证明，当不耦合系数为2.0左右时，缓冲作用最佳，光爆效果最好。清原抽水蓄能电站由于爆破器材的限制，周边孔选用2号岩石乳化炸药，标准φ25 mm 药卷（L=20 cm，q=100 g），其不耦合系数D=42/25=1.68，满足光面爆破参数要求。同时周边孔光面爆破装药参数必须严格控制装药集中度，依据DL/T5099-2011《水工建筑物地下工程开挖施工技术规范》要求，光面爆破在中硬岩-硬岩段一般取200～350 g/m，地下厂房周边孔装药采用直径为25 mm的药卷，药卷质量为100 g/卷，为便于现场装药施工，周边孔装药取0.7 kg/孔，此时周边孔线装药密度为270 g/m，符合规范取值要求。

2）装药结构。线装药密度表示炮孔内装药部分单位长度的药量，相同的线装药密度在不同的装药结构下，其光爆效果不同。周边孔采用φ25 mm乳化炸药空气柱间隔装药，当单孔药量不变时，如果空气间隔偏大，孔内单个药包药量过大，爆轰能量集中，会对孔壁围岩造成拉伸破坏；反之如果空气间隔偏小，孔内单个药包药量过小，必然加大药卷加工难度和成本，因此需要选择科学合理的装药结构。对于均质性较好、强度较高或岩石硬度较大的岩体，空气间隔可取10～20 cm，根据炸药本身性能及传爆效果与光爆效果好坏，可以适当增大。孔底采用加强装药方式，以减小孔底岩石夹制作用并增大起爆能量；孔口采用柔性材料或沙袋封堵20～40 cm 可以有效减少爆轰力的损失，提高爆破猛度，延长爆轰力在孔内作用时间，可以提高约8%～10%的爆破效率。药卷安装时必须按要求绑扎在竹片上，并用胶带固定，确保药卷在孔内的位置均匀准确，装药时竹片应向外侧靠近轮廓线，药卷靠内侧朝向最小抵抗线。

3）爆破网络。装药前对炮孔进行彻底冲洗，以防孔内坍塌、堵塞。周边孔齐发爆破，孔内采用导爆索进行串联，孔外采用导爆索并联成爆破网络，爆破网络由孔外非电毫秒导爆管击发，与其余孔位形成微差毫秒爆破。掏槽孔、崩落孔、底孔采用φ32 mm 乳化炸药连续装药结构，孔口封堵不小于炸药的最小抵抗线。爆破采用非电毫秒导爆管串联或并联形成爆破网络，同段并联，不同段串联。孔内非电雷管引爆，孔外由非电毫秒导爆管控制起爆顺序，形成微差毫秒爆破。爆破顺序为掏槽孔→辅助掏槽孔→崩落孔→周边孔及底孔。非电毫秒雷管段别尽量选择时差在40～200 ms 之间，并控制雷管号尽量在ms15 以下，ms15 以上延时误差较大，爆破效果不稳定。

4.4 质量评价

清原抽水蓄能电站地下厂房Ⅰ层开挖面不平整度小于15 cm。炮孔裂痕在开挖轮廓面上均匀分布，炮孔首尾相接，基本处于同一直线上。炮孔半孔率满足对于完整岩石80%以上，较完整和完整性较差岩石不小于60%，节理裂隙极发育岩石不小于20%的要求。地下厂房Ⅰ层开挖面超欠挖测量成果可知，地下厂房Ⅰ层无欠挖，超挖值小于15 cm 测点占比72.9%，超挖值小于20 cm 测点占比93.7%，平均径向超挖值为12.9 cm，超挖值满足规范推荐的“地下平洞开挖不宜大于20 cm”的技术标准。

5 结论

1）清原抽水蓄能电站地下厂房顶拱层开挖采用精益光面爆破施工技术，整体爆破开挖质量达到优良标准，满足电站安全稳定运行要求，充分说明了地下厂房顶拱层的开挖规划、爆破设计、施工方法、掏槽方式的选择是科学合理的，测量放样、钻孔工艺及装药工艺的质量控制是有效可行的，工程质量管控体系的运行是平稳可控的。同时，其施工成果也为国内大跨度地下厂房顶拱层爆破开挖施工提供了工程实例和技术经验。

2）清原抽水蓄能电站地下厂房顶拱层周边孔采用光面爆破技术，开挖岩面不平整度、残留炮孔半孔率、断面超欠挖及炮孔接茬部位的错台均满足规范要求，实现洞室设计开挖轮廓成型规整，减小围岩应力集中和局部落石现象，而且能够最大限度减轻爆破对围岩的扰动和破坏，尽可能保存围岩自身原有的承载能力，改善支护结构的受力状况，该工程光面爆破与锚喷支护相结合，即加快了锚喷支护的施工进度，同时也节省了大量喷混凝土量，降低工程造价成本，提高了施工企业经济效益。