电站厂房岩壁吊车梁开挖质量控制技术

刘 蕊，余 健，白 威

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

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300 MW竖轴单级混流可逆式水泵水轮机组，总装机容量1 800 MW，枢纽建筑物由上水库、输水系统、地下厂房系统、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，安装间及副厂房分别布置在主机间右端和左端。地下厂房开挖尺寸222.5 m×27.5 m(26 m)×55.3 m。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层顶高程及底板高程分别为254.3、244.3 m，层高为10 m，最大开挖跨度为27.5 m。主厂房开挖由上至下共分7层。主厂房岩壁吊车梁位于厂房Ⅱ层开挖范围内，岩壁吊车梁全长202.8 m、顶部高程250.350 m、底部高程247.820 m，高2.53 m、宽1.90 m。岩壁吊车梁支护采用砂浆锚杆C36@75 cm，梅花形布置，L=9.7 m，入岩8 m；砂浆锚杆C28@75 cm，间隔布置，L=7.1 m，入岩6 m/L=7.6 m，入岩6 m。

1 地质条件

主厂房岩壁吊车梁部位地层岩性主要为元古界侵入岩花岗岩，局部有角闪岩岩脉。根据已开挖厂房一层地质资料，揭露裂隙主要发育NWW、NW和NEE三组，裂隙倾角主要以陡倾角为主，局部有缓倾角裂隙发育。三组裂隙发育特征为：①NW290～310°SW∠75～85°，裂隙多闭合，面平直粗糙，延伸长度长，无充填或少量岩屑充填；②NW310～330°SW∠70～80°，裂隙多闭合，面平直粗糙，延伸长度中等，局部见有少量岩屑充填；③NE70～80°SE∠65～85°，裂隙多闭合，面平直粗糙，延伸长度中等，局部有少量岩屑充填。发育Σ1、Σ2、Σ3三条规模较大的角闪岩岩脉，同时有较多缓倾角裂隙出露。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，基岩裂隙水渗水量随季节变化不明显。

2 厂房岩锚梁开挖程序及方法

2.1 厂房Ⅱ层开挖分区及施工流程

清原抽水蓄能电站地下厂房第Ⅱ层开挖尺寸为222.5 m×27.5 m(26 m)×10 m(长×宽×高)，开挖分区规划如图1所示。本层采用中间拉槽，两侧预留保护层的施工方法进行开挖。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，中部拉槽分2层开挖，开挖宽度为18 m，梯段爆破层高6 m，两侧保护层分3层开挖，单侧宽4.75 m/4.0 m，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[1]。第一层中部拉槽Ⅱ1层的开槽，向安装场方向梯段爆破推进30 m后开始进行上、下游边墙第一层保护层Ⅱ1-1层、Ⅱ1-2层开挖，最终形成中部拉槽推进，两侧保护层水平光面爆破滞后30 m跟进的开挖程序。在其末端进行第二层中部拉槽Ⅱ2层的开槽，向安装场方向梯段爆破推进30 m后开始进行上、下游边墙第二层保护层Ⅱ2-1层、Ⅱ2-2层的刻槽开挖，形成Ⅱ2层中部拉槽推进、第二层保护层垂直光爆滞后30 m跟进的开挖程序。第二层保护层稳步推进后，进行第三层保护层Ⅱ2-3层、Ⅱ2-4层的刻槽开挖，滞后第二层保护层30 m并同步跟进，当第三层保护层锚杆施工完成后方可进行岩壁吊车梁岩台保护层Ⅱ2-5层、Ⅱ2-6层开挖[2]。

图1 地下厂房Ⅱ层开挖分区(高程单位：m；尺寸单位：cm)

2.2 岩锚梁开挖施工程序

根据岩壁吊车梁的布置位置与设备特性相匹配，地下厂房Ⅱ层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、岩壁吊车梁开挖需与其保护层开挖相结合，岩壁吊车梁第一层保护层Ⅱ1-1、Ⅱ1-2在第一层中部拉槽开挖施工完成30 m后进行施工，期间进行光爆孔①的钻设。第一层保护层开挖结束后搭设一期样架并进行岩台上部高程250.850 m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在第二层中部拉槽开挖施工完成30 m后进行施工，第三层保护层Ⅱ2-3、Ⅱ2-4紧跟第二层保护层施工，期间进行光爆孔④的钻设[3]。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，最后分段进行岩台开挖、支护施工[4]，岩壁吊车梁施工顺序见图2。

图2 地下厂房岩壁吊车梁施工顺序图(高程单位：m；尺寸单位：cm)

2.3 爆破试验

岩壁吊车梁开挖施工质量的好坏直接影响后期桥机的安全运行，为保证岩壁吊车梁开挖质量，在岩壁吊车梁施工前，通过爆破工艺性试验确定合理爆破参数、适宜的开挖分段，用于指导岩壁吊车梁开挖施工。地下厂房Ⅱ层中部梯段开挖完成后，在上游侧桩号厂右0+010～厂右0+100范围内选取岩石较差、竖向节理较多的试验段，利用第二层保护层Ⅱ2-2作为试验区进行岩壁吊车梁爆破工艺性试验。通过不同线装药密度进行爆破试验，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，最终选择爆破开挖质量最佳的孔距、线装药密度作为岩壁吊车梁开挖时的控制标准[5]。为达到本次工艺性试验目的，爆破试验时完全模拟岩壁吊车梁开挖结构形式、光爆孔布置方式、样架结构进行试验，试验区中光面爆破孔采用YT-28手风钻钻孔，孔位、孔向、孔斜、孔深采用样架进行控制。岩壁吊车梁爆破试验主要参数如表1所示。

表1 地下厂房岩壁吊车梁爆破试验主要参数对比

经过对三次爆破试验后的爆破效果，包括超欠挖、岩石完整性、岩面平整度、半孔率、爆震裂隙、炮孔均匀性等各项指标综合对比分析，最终确定采用第3次爆破参数组织施工，钻孔孔径42 mm，净孔距34 cm，竖直光爆孔线装药密度77 g/m，岩台光爆孔线装药密度77 g/m。岩壁吊车梁竖向光爆孔及斜向光爆孔装药结构如图3、图4所示。

图3 岩壁吊车梁竖向光爆孔装药结构(单位：cm)

图4 岩壁吊车梁斜向光爆孔装药结构(单位：cm)

3 开挖过程质量控制

3.1 质量控制目标

岩台保护层开挖是岩壁吊车梁控制的关键环节，施工中采用光面爆破技术，采取密孔打眼、隔孔装药、多循环、小进尺，并严格控制一次起爆装药量[6]。岩壁吊车梁开挖质量管控目标如下：①围岩爆破松动范围小于40 cm；②斜面进行修整后应达到设计角度，角度偏差控制在+1°以内；③岩壁吊车梁部位岩面不允许欠挖，严格控制超挖，最大超挖值应控制在15 cm以内；④岩壁吊车梁光爆孔钻孔的孔位偏差≤2 cm，孔深偏差≤2 cm，孔向偏差≤1.5°，孔距偏差≤3 cm；⑤两孔间不平整度≤8 cm；⑥残留炮孔痕迹在开挖轮廓面上均匀分布，炮孔残留率在Ⅲ类围岩中不少于90%，在Ⅳ类围岩中不少于80%[7]。保护层全部开挖完成后，立即进行岩壁成形修整，岩面修整不允许放炮，应手工进行修整。

3.2 质量控制要点

岩壁吊车梁开挖均采用YT-28手风钻造孔，保护层的主爆孔以孔间排距、孔深及装药量为质量控制要点，其目的为光爆孔提供可靠的临空面同时不破坏光爆效果。保护层光面爆破孔以孔间排距、孔向、孔深、装药结构、装药量、联网起爆方式为质量控制要点，其目的为岩壁吊车梁斜孔钻设及岩台处半孔成“三线一面”创造有利条件。岩台处竖直光面爆破孔、斜向光面爆破孔以孔间排距、孔向、孔深、装药结构、装药量、联网起爆方式为质量控制要点，其目的保证岩壁吊车梁开挖的半孔率、平整度及超欠挖质量标准。

3.3 质量控制技术措施

3.3.1 测量放样

岩壁吊车梁开挖施工放样前，将施工区域的平面、高程控制点、轴线点、测站点等测量成果，以及工程部位的设计图纸中的各种坐标、方位、几何尺寸等数据进行严格计算、校核，并编制成放样数据手册供放样使用。周边光爆孔钻孔前由测量人员采用全站仪按照爆破设计参数进行逐孔放样，根据实测高程、半宽及施工图纸结构设计边线计算出孔位、高程和钻孔深度，用红漆在岩面上标识出起钻点、后视点、高程及钻深。岩壁吊车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[8]。钻孔过程中测量及时对样架的移动、倾斜进行抽查，防止样架因固定不牢靠导致移位、造成孔位偏差。

3.3.2 样架搭设

岩壁吊车梁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。岩壁吊车梁样架分二期布置，岩壁吊车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，岩壁吊车梁岩台斜向光爆孔样架为二期样架。样架均采用Φ48 mm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，导向管安装完成后由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、插入角度符合施工要求，样架位置测设完毕后利用锚筋连墙件及斜撑进行加固。

3.3.3 钻孔工艺

1)孔位控制。岩壁吊车梁炮孔钻设必须严格按照测量放样的孔位开孔，垂直孔与斜向孔孔位控制均采用测量放出两端点后进行两端孔钻孔施工，在端孔检查合格后立上标志杆，由测量对标志杆进行复合、标记、拉线，通过此方式对各个孔位点进行校核，确保孔位准确且在一条直线上。开孔时配备一名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。

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，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与孔深长度的标杆，量测标杆外露部分的垂度即为钻孔角度。斜孔钻孔角度控制在实施钻孔作业时难度较大，涉及到垂直方向上的岩台斜面角度及岩台斜面内的角度控制。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[9]。开孔后钻工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，如发生卡滞现象则表明钻进角度存在问题必须及时进行调整，在整个钻进过程中配备一名钻工检查样架稳定情况，是否发生滑动、偏移、倾斜。

3)钻孔间距控制。钻孔间距控制偏差不超过3 cm，钻孔间距过大会在爆破后造成孔间起伏差过大，爆破孔的线装药密度大，对岩体的爆破损害大。

4)钻孔深度控制。深度检查采用以15 m为一段的两端孔立上标志杆，在岩台上方50～100 cm处注上标记、拉线，然后量测的方法。孔浅则重新施钻，孔深则在孔底垫岩粉。钻孔前在钻杆上标记钻孔深度，钻杆进尺至孔深标记处立即停止钻孔。

3.3.4 装药工艺

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，采用薄竹片绑扎实现间隔装药；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，形成起爆网络[10]。岩壁吊车梁光爆孔炸药采用2号岩石乳化炸药，现场采用Φ25 mm药卷切割制作成小药卷，按照爆破设计要求的间隔距离与导爆索一同绑扎在竹片上，统一送入孔内至设计深度，岩台竖直孔与斜向孔导爆管连接一同起爆。

3.4 质量控制成果

岩壁吊车梁开挖后，按每2.5 m测量一个开挖断面，根据测量断面或岩壁吊车梁上的测量控制点进行拉线检测超欠挖，以准确反映超挖实际情况，有针对性地采取补强措施。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，清原抽水蓄能电站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设计及规范要求。岩锚梁开挖3个面上的残孔实现了“三线一面”，整体开挖质量达到预期效果。

表2 地下厂房岩壁吊车梁开挖质量检测统计

4 结 语

清原抽水蓄能电站地下厂房Ⅱ层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。岩壁吊车梁岩台爆破开挖是地下厂房最为关键且难度最大的部位，施工过程中依据地质条件的变化和爆破效果及时对爆破设计参数动态调整优化，通过测量放样、钻孔工艺、装药结构、爆破网络等质量工艺控制措施，确保了地下厂房岩壁吊车梁整体爆破开挖成型质量达到预期效果，满足电站生产期安全稳定运行要求，岩壁吊车梁开挖面不平整度、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壁吊车梁的开挖规划、爆破设计、施工方法、工艺参数的选择是科学合理的，工程质量管控体系的运行是平稳可控的。同时，清原抽水蓄能电站地下厂房岩壁吊车梁施工成果也为国内大跨度地下厂房爆破开挖施工提供了工程实例和技术经验。