清原抽水蓄能电站地下厂房岩锚梁开挖施工技术研究

刘 蕊，白 威，余 健

（1．中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京市 100024；2．内蒙古呼和浩特抽水蓄能发电有限责任公司，内蒙古自治区呼和浩特市 010051 ）

1 工程概况

清原抽水蓄能电站位于辽宁省清原满族自治县境内，为大（1）型一等工程，规划6台单机容量300MW竖轴单级混流可逆式水泵水轮机组，总装机容量1800MW，枢纽建筑物由上水库、输水系统、地下厂房、下水库等组成。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，安装间布置在主机间右端，副厂房则布置在左端。地下厂房开挖尺寸222.5m×27.5m（26m）×55.3m。按照机械设备作业性能参数、洞室空间结构形式、通道布设等多重因素考虑，以便于开挖支护施工机械设备布设及施工方便，第Ⅱ层开挖高度为10m，最大跨度为27.5m。主厂房由上至下共分7层开挖，岩锚梁位于厂房Ⅱ层开挖范围内，岩壁梁全长202.8m、高2.53m、宽1.90m。岩锚梁支护采用砂浆锚杆C36@75cm，梅花形布置，L=9.7m，入岩8m；砂浆锚杆C28@75cm，间隔布置，L=7.1m，入岩6m[1]。

2 地质条件

地下厂房岩锚梁岩台围岩为微新花岗岩，为硬质岩，岩体结构为次块状～块状结构，岩体较完整，围岩类别为Ⅲ类，工程地质条件较好。发育角闪岩脉Σ1、Σ2、Σ3。地下厂房岩锚梁岩台开挖过程中，Σ2、Σ3和花岗岩接触带与三组裂隙组合，可能产生不稳定楔形块体；Σ1等缓倾角裂隙，可能与陡倾角结构面形成不稳定块体，对岩台稳定有一定影响，需加强支护处理措施。局部裂隙的不利组合会产生掉块或块体失稳，特别是倾向洞内中等倾角裂隙对吊车梁部位围岩稳定存在不利影响。施工期需注意对局部裂隙组合形成的不稳定块体的随机支护处理。根据前期勘察成果，岩锚梁部位地应力属中等地应力状态，从目前开挖揭露情况看，厂房区未出现明显的岩爆现象，局部开挖后易产生二次应力集中，主要表现为表层岩块可能发生脱落、产生新的裂隙等现象，对吊车梁部位围岩稳定不利。

3 开挖施工方法

3.1 开挖分层分区规划

清原抽水蓄能电站地下厂房第Ⅱ层开挖尺寸为222.5m×27.5m（26m）×10m，总开挖工程量约6万m3。厂房Ⅱ层为岩壁梁施工层，本层采用分两层开挖，上下层均采用中间拉槽，两侧预留保护层的施工方法进行开挖；上层及下层前期从通风洞出渣，下层后期从进厂交通洞出渣。为减小爆破振动对岩壁梁部位围岩的影响，在梯段爆破与保护层开挖的分界线采用预裂爆破，中部拉槽开挖宽度为18m，梯段爆破层高6m，两侧预留保护层开挖，单侧宽4.75m/4.0m，保护层开挖层高选择是在考虑为保证岩壁梁岩面整体完整以及混凝土浇筑要求而确定的，分3层进行开挖施工。

3.2 岩锚梁开挖施工程序

根据岩锚梁的布置位置与设备特性相匹配，采取两侧预留保护层，中间梯段爆破，三角岩台区一次性光面爆破切割成型。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、岩锚梁开挖需与其保护层开挖相结合，岩锚梁第一层保护层 II1-1、II1-2在第一层中部拉槽II1开挖施工完成30m后即可进行施工，期间进行光爆孔①的钻设。第一层保护层II1-1、II1-2开挖结束后搭设一期样架并进行岩台上部EL250.850处边墙竖直光爆孔②及保护层竖直光爆孔③的钻设。第二层保护层II2-1、II2-2在第二层中部拉槽II2开挖施工完成30m后即可进行施工，第三层保护层II2-3、II2-4紧跟第二层保护层II2-1、II2-2施工，期间进行光爆孔④的钻设。所有保护层开挖完成后搭设二期样架进行岩台光爆孔⑤钻设，最后分段进行岩台II2-5、II2-6开挖施工。岩锚梁开挖分层及施工顺序见图1。

图1 地下厂房岩锚梁开挖施工程序（单位：cm）Figure 1 Construction procedure for excavation of rock anchor beam in underground powerhouse（unit：cm）

3.3 爆破参数确定

为保证岩锚梁开挖质量，在岩锚梁施工前，通过爆破工艺性试验确定合理爆破参数、适宜的开挖分段，用于指导岩锚梁开挖施工。为达到本次工艺性试验目的，爆破工艺性试验时完全模拟岩锚梁开挖结构形式、光爆孔布置方式、样架结构进行试验，试验区选择典型地质断面和不良地质断面进行。试验段通过使用不同线装药密度进行爆破试验，现场实施中可根据具体地质条件动态优化爆破设计，提高开挖面爆破半孔率和平整度，有效降低爆破振动对围岩的不利影响[2]。最终通过爆破试验确定的岩锚梁光面爆破最优参数如表1所示，光面爆破孔采用YT-28手风钻钻孔，孔位、孔斜、孔向、孔深采用样架严格控制，钻孔孔径42mm，净孔距34cm，竖向光爆孔线装药密度77g/m，斜向光爆孔线装药密度77g/m，岩锚梁竖向光爆孔及斜向光爆孔的装药结构如图2、图3所示。

表1 地下厂房岩锚梁光面爆破基本参数表Table 1 Basic parameters of smooth blasting of rock anchor beam in underground powerhouse

图2 地下厂房岩锚梁竖向光爆孔装药结构（单位：cm）Figure 2 Vertical light blasting charge structure of rock anchor beam in underground powerhouse（unit：cm）

图3 地下厂房岩锚梁斜向光爆孔装药结构（单位：cm）Figure 3 Oblique light blasting charge structure of rock anchor beam in underground powerhouse（unit：cm）

4 开挖施工工艺控制

4.1 测量放样

岩锚梁开挖施工放样所采用测量点均以控制网点为基础。周边光爆孔放样时，采用设站导线控制点测出轮廓点附近任意点的坐标，利用计算器编程计算任意点与设计的差值，调整后再测量，直至调整至设计线为止。岩锚梁光面爆破孔必须逐孔放样，记录孔口高程、半宽，样架搭设完成后测设样架导向管顶口桩号、高程、半宽及底孔桩号、高程、半宽，用以控制样架设计角度、钻孔深度。钻孔过程中测量及时抽查样架是否移动、倾斜，防止样架因固定不牢靠导致移位，从而造成钻孔偏移。

4.2 钻孔工艺

岩锚梁炮孔钻设必须严格按照测量放样的孔位开孔，分段开挖的光面爆破孔必须搭设样架，利用样架控制光爆孔间排距、孔深及钻孔角度。钻孔前在钻杆上标记钻孔深度，开孔时配备钻工按照测量放样的开孔位置扶杆定位，防止钻头滑动、偏移，开孔后操作手扶正钻机并经常检查钻杆与样架导向管之间是否存在卡滞现象，如发生卡滞现象则说明钻进角度存在问题需及时进行调整，在整个钻进过程中配备一名钻工全程检查样架稳定情况，是否发生滑动、偏移、倾斜，钻杆进尺至孔深标记处立即停止钻孔，利用高压风水吹孔，经质检人员检查合格后方可进行下一个光爆孔钻设[3]。岩壁吊车梁光爆孔钻孔的孔位偏差≤2cm，孔深偏差≤2cm，孔向偏差≤1.5°，孔距偏差≤3cm，炮孔有效深度内无岩粉、块石、泥浆等杂物。

4.3 装药结构

光爆孔孔内采用导爆索起爆，末端最后一节药卷设置1发非电毫秒延时雷管，采用PVC半管绑扎实现间隔装药；主爆孔孔内采用毫秒微差导爆管起爆，每孔设置2发非电毫秒延时雷管，孔外采用导爆管按照设计分段将光爆孔、主爆孔连接在一起，形成起爆网路。岩锚梁光爆孔炸药采用2号岩石乳化炸药，现场采用φ25mm药卷改制成小药卷，按照爆破设计要求的间隔宽度与导爆索一同绑扎在PVC半管上，统一送入孔内至设计深度，孔口最后一段药卷内设置1发非电毫秒雷管，岩台竖直孔与斜孔导爆管连接一同起爆。

5 开挖关键技术措施

岩锚梁是地下厂房的主要结构之一，其开挖施工质量的好坏直接影响后期桥机的安全运行。岩锚梁开挖精度要求较高，不允许有欠挖现象，除因特殊地质原因引起的超挖外，尽量减少超挖。岩锚梁开挖前应借鉴类似工程的施工经验，通过现场爆破试验不断总结经验，调整和优化爆破参数，并采取行之有效的控制爆破技术，以达到上拐点边墙、斜台和下拐点边墙三面炮孔三线合一且相邻两孔间岩面完整，无明显的爆破裂隙的良好开挖效果[4]。

5.1 样架搭设

岩锚梁样架分两期布置，岩锚梁岩台顶部竖直光爆孔样架及保护层竖直光爆孔样架为一期样架、岩锚梁岩台斜孔样架为二期样架。样架均采用φ48mm钢管制作，主管两端管口内套加限位器，导向管与排架、排架与支腿斜撑之间均由扣件连接，导向管安装完成后需测量放样其顶口桩号、高程、半宽及底孔桩号、高程、半宽，控制钻孔深度、插入角度符合试验要求，样架位置测设完毕后利用锚筋连墙件及斜撑进行加固。

5.2 钻孔角度控制

确保钻孔在同一平面内且互相平行是保证光面爆破质量的前提，是确保岩壁梁开挖质量的重点控制措施。垂直孔钻孔垂直度采用垂线球方法进行控制，钻孔设备采用手风钻，当钻孔完毕后，在孔内插入一个两倍于孔深长度的标杆，量测标杆外露部分的垂度即为钻孔垂度。斜孔钻孔角度控制在实施钻孔作业时难度较大，涉及垂直方向上的岩台斜面角度及岩台斜面内的角度控制[5]。垂直方向上的岩台斜面角度控制采用钢架管搭设钻机平台的方法，钻机平台的角度与高度采用测量放线及木制三角样板的方法，岩台斜面内角度控制采用木制直角样板进行。

5.3 岩台技术超挖

岩锚梁的开挖是厂房开挖施工的重中之重，特别是岩台的开挖成型，对岩锚梁的受力条件有直接影响，施工中必须确保岩台成型良好。在岩台开挖过程中进行适当技术超挖，能保证岩台不出现欠挖现象，对后续岩锚梁钢筋安装及混凝土浇筑有好处[6]。岩锚梁保护层竖直光面爆破孔③孔按照超挖0.0～5.0cm进行控制，样架顶口高程EL250.850，孔底布置在岩锚梁下拐点以下107cm处，对应高程为EL246.750，钻杆进尺长度4.1m，孔向为竖直方向。岩锚梁岩台竖直光爆孔②孔按照EL250.850高程处超挖3cm，EL249.119高程超挖8cm控制，样架顶口高程EL250.850，孔向与竖直方向夹角2°，底孔高程EL249.119，钻杆进尺长度1.73m。岩锚梁岩台斜面光爆孔⑤孔按照超深2cm进行控制，开孔位置对应高程EL247.820，孔向与水平方向夹角59°，钻杆进尺1.54m。岩锚梁岩台技术超挖如图4所示。

图4 岩锚梁岩台技术超挖示意图（单位：cm）Figure 4 Schematic diagram of over-excavation of rock anchor beam rock bench technology（unit：cm）

5.4 岩锚梁下拐点预加固

为了防止岩锚梁下拐点开挖爆破成型出现掉块或超挖现象，影响开挖整体成型质量，在第二层保护层II2-1、II2-2开挖揭露后，对岩锚梁下拐点（EL247.757）进行加强支护，该措施在国内多个电站岩锚梁的开挖施工中已得到应用，常规方法采用的有普通砂浆锚杆、槽钢或角钢焊接贴壁围护[7]。鉴于岩锚梁下直面边墙实际开挖平整度不足，采用槽钢或者角钢焊接效果不佳，因此在清原抽水蓄能电站地下厂房岩锚梁下拐点增设砂浆锚杆采用锁口方式进行预加固。具体在岩锚梁下拐点以下20cm处增设1排锁口砂浆锚杆，砂浆锚杆C22@75cm，间隔布置，L=3.0m，入岩2.85m。

5.5 岩台临时支护

第二层保护层II2-1、II2-2开挖完成后，揭露的岩台保护层II2-5、II2-6临时边墙岩体裂隙有扩张趋势，且岩石长期裸露容易风化产生片帮、顺层滑落风险，同时岩锚梁岩台保护层II2-5、II2-6厚度仅为75cm，开挖后由于应力释放易导致岩台碎裂掉块现象，因此在第二层保护层开挖形成后，应及时对岩台保护层临时边墙采取喷护5cm厚C30素混凝土进行临时封闭，可以有效防止岩台保护层临时边墙岩面在爆破后产生松弛卸荷及周边爆破振动对岩锚梁岩层形成再次扰动破坏[8]。

5.6 质量评价

清原抽水蓄能电站地下厂房岩锚梁于2020年10月27日全部开挖完成，岩锚梁施工过程中进行了3次爆破仿真试验，并在后续施工中依据地质条件的变化和爆破效果及时调整优化爆破参数。通过对测量放样、造孔工艺及装药结构的精细化管控，岩锚梁的开挖爆破质量达到了预期效果。岩壁吊车梁开挖质量检测成果如表2所示，从表中统计的数据可知，地下厂房岩壁吊车梁超欠挖得到有效控制，无欠挖情况，爆破半孔率及不平整度质量控制指标均满足要求。

表2 地下厂房岩壁吊车梁开挖质量检测统计表Table 2 Excavation quality inspection statistics of the rock wall crane beam of the underground powerhouse

6 结论

（1）清原抽水蓄能电站岩锚梁岩台爆破开挖是地下厂房最为关键且难度最大的环节，通过对测量放样、造孔工艺、装药结构及爆破网络等质量工艺的精细化管控，岩锚梁开挖面不平整度、残留炮孔半孔率、断面超欠挖均满足规范要求，实现岩台设计开挖轮廓成型规整，充分说明了地下厂房岩锚梁的开挖规划、爆破设计、施工方法、工艺参数的选择是科学合理的。

（2）为减小爆破振动对岩壁梁部位围岩的影响，对地下厂房Ⅱ层进行了精细化分区，保护层采用小分区薄层开挖；为了防止边墙片帮掉块难以成型，对岩台下拐点安装系统砂浆锚杆；为了避免岩台出现欠挖，对设计轮廓线进行了技术超挖；为了保证钻孔精度，采用钢管样架、导向管等措施控制孔位、孔向及孔深。同时，清原抽水蓄能电站岩锚梁的开挖施工质量达到了预期效果，满足电站安全稳定运行要求，其成果为国内大跨度地下厂房岩锚梁开挖施工提供了工程实例和技术经验。