一种抽水蓄能电站地下厂房岩壁吊车梁部位开挖施工方法

陈强CHEN Qiang

（中国水利水电第十一工程局有限公司，郑州 450000）

0 引言

地下厂房是地下空间利用的一种形式，目前已经被广泛应用在水电工程领域中，国内第一座抽水蓄能电站地下厂房建立是在上个世纪九十年代，厂房空间大，装机最高达到110MW，目前抽水蓄能电站地下厂房数量已经达到1541座，随着水利行业的不断发展，地下厂房的数量和规模将会不断增多和扩大，开挖施工质量要求也将会不断提高。岩壁开挖是地下厂房修建施工的一个重要部分，由于岩壁开挖断面比较大，并且地下厂房边墙比较高，岩层结构复杂，因此地下厂房岩壁开挖施工具有一定的施工难度。现行的施工方法在实际应用中开始逐渐显现其弊端，最大的问题就是施工效率较低，难以满足抽水蓄能电站地下厂房修建实际需求，施工速度缓慢，导致抽水蓄能电站地下厂房岩壁开挖施工周期延长，从而提高了地下厂房修建成本，现有的施工方法产生的经济效益和社会效益较低，说明现行的施工方法还存在较大的优化空间。此外，国内对于该方面的研究理论比较少，无法为实际施工提供丰富的理论依据，为此提出此次课题研究。

1 工程概况

本文以河南五岳抽水蓄能电站地下厂房为例，地下厂房岩壁吊车梁施工长度为144.83m，沿主厂房上、下游各布置一根。厂房中部一带斜穿厂房，破碎带宽度小于0.1m，带内充填石英脉、断层泥，见蚀变蒙脱石，石英脉挤压破碎。地下厂房围岩类别以Ⅲ类为主，约占69%，Ⅱ类则约为11%左右，Ⅳ类约为20%。据勘探平洞揭露，在节理密集带和小断层的断层带岩体均有不同程度的风化或蚀变，岩体质量相对较差，为Ⅳ类。五岳抽水蓄能电站地下厂房布置于钱大湾西侧的牢山花岗岩体内，多基岩裸露，根据地表地质调查及ZK8（长观孔）、ZK84、ZK97等勘探钻孔揭露，厂房区无地表水及泉水发育，因地形相对较陡，地下水埋深较大，一般在56m-76m左右，地下水的补给源为大气降水，向坡脚一带排泄。从推荐的枢纽布置方案来看，地下厂房和主变洞拱顶位于地下水位以下210m-240m。厂房区岩体属裂隙型含水体，从钻孔压水试验成果看，岩体透水性差，因此，岩体的上述特性决定了厂房区岩体富水性差。根据PD1勘探平洞揭露，在洞深0-131m段，地下水相对较为丰富，雨季常见洞顶有数处线状流水，流量可达10L-20L/min，平常则多为滴水，流量在3L-5L/min左右，但从未出现枯竭现象。从该厂房地质条件和岩石条件来看，岩壁开挖施工难度系数较高，难以把控开挖施工质量和效率，以该地下厂房为例，根据其开挖施工情况，对现有施工方法进行优化和完善。

2 实验准备及方法

2.1实验准备 地下厂房岩壁吊车梁部位开挖施工涉及到的施工机械设备比较多，根据河南五岳抽水蓄能电站地下厂房实际情况，以及岩壁吊车梁部位开挖施工需求，准备的机械设备具体如表1所示。

表1 施工机械设备

开挖施工材料包括钢筋、水泥、炸药、定型钢模板、竹胶板、架子管等[1]。所需的钢筋、水泥（袋装）、定型钢模板、竹胶板等主材统一采购。所需其它工程辅助材料（包括木材、架子管、外加剂）由项目部在当地市场自行购置。

2.2实验方法 地下厂房岩壁吊车梁部位开挖施工效率与岩台爆破质量有直接关系，岩台爆破主要是通过引爆爆破孔内炸药，破坏地下厂房岩石结构，如果爆破不彻底，就会减少石渣量，为了方便岩壁吊车梁部位开挖，还需要进行二次爆破，从而降低了地下厂房岩壁吊车梁部位开挖施工效率，因此岩台爆破施工比较重要。相关研究资料表明，岩台爆破质量与爆破孔孔距设计相关，因此此次实验设计了爆破孔孔距30cm、35cm、40cm、45cm、50cm5个工况，对比不同工况下岩台爆破率以及岩壁吊车梁部位开挖施工耗时。

3 开挖施工方法

3.1开挖分区

厂房第二层整体开挖分层高度9.1m（EL41.500-EL32.400），其中保护层及岩壁吊车梁开挖分3层6个区域。①第二层整体开挖分层高度9.1m（EL41.500-EL32.400），中部拉槽分2层2区，先行预裂爆破至本层底部，后分两层进行拉槽开挖；两侧保护层分3层4个区域进行开挖；②第1区开挖高度3.1m，宽度16.5m，采用手风钻进行钻孔爆破；③第2区开挖高度3.1m，宽度4.75m，采用手风钻进行钻孔爆破，边墙光爆孔钻孔时相对二层技术超挖10cm，满足岩壁梁上直墙架钻要求；④第3区开挖高度6.0m，宽度16.5m，采用多臂钻进行钻孔爆破；⑤第4区开挖高度2.5m，宽度4.1m，采用手风钻进行钻孔爆破，开挖时相对5区宽度方向超挖10cm，满足岩壁梁下直墙架钻要求；⑥第5区开挖高度3.5m，宽度4.0m，采用手风钻进行钻孔爆破；⑦第6区为岩锚梁区，高度3.52m，宽度0.65m，采用手风钻搭设样架进行钻孔爆破。

在1区、2区和3区开挖完成后，进行4区钻孔爆破。4区钻孔的同时进行6区岩壁吊车梁上部边墙垂直孔样架搭设，对岩壁吊车梁上直墙钻孔，钻孔完成后对6区直墙孔内插入PVC管保护，不进行装药，待6区斜孔钻孔完成后一块爆破。在4区开挖完成后，进行5区开挖。先搭设5区岩壁吊车梁下直墙垂直孔样架并钻孔，采用光面爆破法完成5区爆破开挖。保护层开挖完成后，搭设斜孔样架，进行6区岩壁吊车梁斜壁爆破钻孔[2]。岩壁吊车梁上部垂直孔与斜孔布孔孔间距应保持相同，每个横剖面上垂直孔、斜孔一一对应[3]。钻孔完成后采取光面爆一次爆破成型的方法，分段长度初步定为15m。

3.2岩台爆破工艺

主厂房岩石岩性为花岗岩，主要以II、III类为主，爆破设计根据第一层施工经验及岩壁吊车梁开挖爆破试验取得的参数进行选取。厂房第二层采用中部拉槽开挖（EL41.500m～EL32.400m），进行100E钻机钻孔进行预裂爆破，预裂孔深9.1m，孔径52mm，孔距60cm，预裂孔初拟线装药密度150g/m。预裂爆破完成后进行分层分块开挖。

表2 岩台爆破参数表

根据设计的岩台爆破参数，开始进行岩台爆破施工，爆破施工分为测量放线、岩壁吊车梁钻孔样架搭设、钻孔、验孔、装药、起爆六个工序。首先利用全站仪进行测量放样，根据全站仪测量数据，布置爆破孔点位、驾定位点以及主爆孔周边开孔点[4]。重点控制岩壁吊车梁周边孔放样精度，放样先放出本区域两端开孔点，再进行中间孔位进行放样。根据周边孔位及钻孔角度进行样架搭设，在岩壁吊车梁垂直孔样架和斜孔样架搭设完毕后，需由测量人员对样架定位管进行复核验收，保证定位准确。

为实现岩壁吊车梁开挖钻孔精准控制，岩壁吊车梁岩台开挖爆破孔采取搭设钻孔样架进行。样架分为垂直孔样架和斜孔样架，样架立杆间距1.8m进行设置，导向孔口设置φ30内套管对中，各杆件之间采用钢管扣件连接，为了加固钻孔样架整体的稳定性，在各个结点处设置长度为1.5m的插筋[5]。采用手风钻联合多臂钻方式对各个开挖区域进行钻孔，岩壁吊车梁周边孔钻孔重点控制，岩壁吊车梁岩台光爆孔钻孔间距30cm，在一茬爆破孔钻孔同时在下一茬炮相邻3-4个孔提前钻孔，作为导向孔，保证周边径向爆破裂隙的连续性[6]。岩壁吊车梁部位开挖为防止出现欠挖，钻孔时适当进行技术超挖，上拐点部位垂直孔水平偏斜值5cm，倾斜孔垂直偏斜值5cm，下拐点倾斜孔垂直偏斜值取3cm。钻孔完成之后需要对钻孔质量进行逐一检查，包括钻孔孔径、孔深以及排距等是否与事先设计一致，允许存在1%的误差[7]。在钻好的钻孔内装入事先准备的炸药，保护层爆破主爆孔药径32mm，孔内连续装药；岩壁吊车梁光面爆破药径32mm，孔内间隔装药，装药时采用木棍孔内送药。装好炸药后，撤离场内所有人员，并做好防护措施，在爆破区20m外布设警戒线，确认好所有准备工作完成后，对炸药进行引爆。

3.3石渣开挖方式

开挖石渣采用侧卸装载机或挖机装车20t自卸车运输出渣，开挖出的渣料运输路线为：通风兼安全洞→6号道路→2号道路→毛料堆存场。厂房第二层及岩壁吊车梁开挖严格充分结合第一层开挖揭露出的地质条件，对于出现断层、破碎带等不良地质地段，提前考虑加强支护措施，及时调整开挖爆破参数，保证施工安全及质量要求。开挖后及时采取随机锚杆的手段在围岩失稳前及早提高围岩的稳定性[8]。在穿越断层之前，首先准备好必要而充足的支护手段及物资储备，做到先有预案，后有手段，使项目始终处于受控状态。此次采用锚杆支护方式，其支护施工流程如图2所示。

岩壁吊车梁部位支护主要为：2排受拉锚杆Φ36，L=12m，间距0.5m/0.7m/0.75m；系统锚杆Φ32，L=9m，间距1.2m；抗剪锚杆Φ32，L=9m，间距0.7m/0.75m。岩壁吊车梁锚杆钻孔施工时，应采取样架或其它工程措施保证锚杆孔深、孔位和倾斜角度符合设计和规范要求，孔位必须按施工图纸布孔，并做出明显标记[9]。孔位放线要根据超挖及岩面情况重新计算，可在设计高程拉线用样架定位钻孔，尽量减少误差。锚杆孔直径应大于锚杆直径25mm，造孔后经检查不合格时，应重新钻孔，并对废孔注浆封堵。锚杆施工前必须进行生产性工艺试验，岩壁吊车梁锚杆岩壁吊车梁锚杆注浆密实度和长度应进行100%无损检测，其质量检测应满足相关技术要求。

然后将准备好的锚杆插入钻孔内，锚杆插入岩石深度及伸入钢筋混凝土吊车梁长度，均应符合图纸长度，对超挖部位，锚杆应适当加长，受拉锚杆靠近岩壁2.0m范围内钢筋表面刷两层防锈漆、涂抹沥青，外套D50PE管，管内填充防腐油蜡，以便将锚杆受力传向岩石深处。最后向钻孔内喷注混凝土，将锚杆固定住，在注浆过程中需要使用振捣棒对孔内浆液进行振动，排出浆液中的空气。岩壁吊车梁范围不允许进行喷混凝土，在相邻区域进行喷混凝土施工时，对已开挖完成的岩壁进行覆盖保护，并对喷注的混凝土进行养护，保证锚杆的支护质量。

4 实验结果及分析

在施工过程中，对爆破孔孔距为30cm、35cm、40cm、45cm、50cm，5个工况下岩台爆破情况以及开挖施工耗时进行了记录，具体数据如表3所示。

表3 不同工况下岩台爆破率以及开挖施工耗时

从表3中数据可以看出，爆破孔孔径为40cm时，岩台爆破率达到最高，地下厂房岩壁吊车梁部位开挖施工耗时最短。虽然爆破孔孔径30cm-35cm范围，岩台爆破率也比较高，均达到了95%以上，但是地下厂房岩壁吊车梁部位开挖施工耗时，比爆破孔孔径为40cm情况下高很多，这主要是因为爆破孔孔径过短，相邻两个爆破孔内炸药爆破产生的荷载峰值压力过大，作用在岩台上，使岩台结构遭到严重的损坏，将大块的岩台粉碎成石径比较小的岩石，这样的石渣在开挖过程中很容易从机械设备缝隙中坠落，反而降低了开挖施工效率。开挖施工最佳石渣粒径是在20cm-25cm之间，石块完整，碎石料少，容易机械设备挖掘和运输。而在爆破孔间距为40cm下，粉碎的岩石平均直径为24.56cm，符合地下厂房岩壁吊车梁部位开挖施工要求，因此实验研究结果表明：地下厂房岩壁开挖施工中，爆破孔孔距为40cm时，抽水蓄能电站地下厂房岩壁粉碎效果最好，能够有效节约地下厂房岩壁吊车梁部位开挖施工时间。

5 结束语

此次以实验的方式，研究了岩壁吊车梁部位开挖施工方法，实现了该施工方法的优化和完善，为工程项目施工提供了理论依据，具有较好的现实意义。但是由于此次研究时间有限，仅从效率方面对该方法进行了优化和完善，研究内容存在一些不足，今后仍会对该课题进行长期研究与探讨，丰富该方面的研究理论，促进水电事业不断发展。