績溪水電站地下廠房巖壁梁精細化開挖技術

張士勇 （中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京 211800）

0 前言

巖壁吊車梁是地下廠房開挖過程中常用的一種結構，鋼筋混凝土制成的巖壁梁可通過錨桿與巖臺形成共同受力體，共同承擔吊車所受的力和吊車自身的重力。它具有受力情況好、結構簡單等特點[1]。在績溪水電站施工過程中針對遇到的施工重難點，施工人員通過選用合理的施工方法、不斷地試驗，形成了一套適用于復雜地層大尺寸地下廠房巖壁梁開挖的施工方法。

1 工程概況

安徽績溪抽水蓄能電站位于安徽省績溪縣伏嶺鎮，水電站由上水庫、輸水系統、地下廠房等主體建筑組成。績溪抽水蓄能電站的主副廠房硐總長為210.0 m，最大開挖高度為53.4 m。主副廠房硐開挖施工分七層、四區進行，分層分區如圖1所示。巖壁吊車梁位于第Ⅱ層，巖壁梁全長189 m，開挖巖臺寬1.95 m，高2.8 m，巖壁梁底部距離地下廠房第Ⅱ層底板4.2 m，建成后將在巖壁梁上布置2臺250t/50t的單小車橋機。

圖1 廠房第Ⅱ層保護層及巖壁開挖分區圖

1.1 地質條件

績溪抽水蓄能電站地下廠房洞室群的圍巖以塊狀～次塊狀為主，圍巖分級以Ⅱ～Ⅲ類為主，局部為Ⅳ類，斷層破碎帶為Ⅳ～Ⅴ類，圍巖情況如圖2，詳細分類情況見表1。地下廠房洞圍巖基本是較為穩定的狀態，但是在局部存在穩定性較差和破碎帶嚴重的問題。

圖2 地下廠房巖壁梁地質條件

1.2 施工特點與難點

①地下廠房總長210.0 m，開挖高度為53.4 m，廠房開挖尺寸較大。

②地下廠房位置在水電站地下施工直線工期線路上，工期較為緊張，且對開挖質量要求較高。

③類似工程巖壁梁巖臺開挖多在地下廠房第Ⅲ層進行，且開挖層厚度一般為7m，本工程則規劃在第Ⅱ層進行開挖施工，且開挖層厚度高達10.5m，為施工工序的規劃增加了難度，且地質條件比類似工程更復雜。

④施工對爆破振動要求較高，爆破振動速度需要嚴格把控小于10 cm/s。

2 開挖規劃及施工順序

巖壁梁開挖施工流程為：巖壁梁層中部拉槽施工預裂、梯段開挖→巖臺垂直光爆孔造孔→側向保護層①、②區開挖→巖壁梁層中部拉槽開挖→側向保護層③、④區開挖→鎖口錨桿→巖壁梁巖臺斜面光爆孔造孔、巖臺垂直加斜面雙向光面控制爆破[2]。

巖壁梁開挖過程的具體分層分區如圖3所示。

以下為開挖施工的具體流程。

①施工預裂：在距離地下廠房上下游邊墻5.35 m的范圍內采用爆破的方法進行施工預裂。

②開挖第Ⅱ1層：第Ⅱ1層采用梯段爆破的方法進行開挖。

③保護層①、②施工及直墻爆破孔施工：在Ⅱ1層開挖30 m后，開始兩側保護層①、②的施工。在進行保護層②鉆孔作業的同時進行直墻光爆孔的施工作業，并用PVC管保護。

④第Ⅱ2層開挖：第Ⅱ2層開挖深度為5.5 m，采用梯段爆破的方法進行施工，在兩側預留厚4.6 m的保護層。

⑤保護層③、④施工：在第Ⅱ2層開挖30 m后，進行保護層③、④的鉆孔施工作業，爆破鉆孔作業采用手風鉆垂直鉆孔，使用樣架保證鉆孔垂直度。

⑥鉆斜面孔：采用手風鉆鉆斜面孔，提前搭設鉆孔所需的樣架，利用樣架嚴格控制鉆孔角度。

⑦巖臺開挖：在直墻孔與斜面孔中填裝炸藥，直墻孔與斜面孔同時起爆。

地下廠房圍巖分類匯總表 表1

圖3 主副廠巖壁梁分層分區圖

3 巖壁梁開挖施工方法

3.1 中部拉槽預裂

為了減小由中部拉槽爆破施工造成的巖臺部位巖石的松動和爆破裂隙的延伸，可在保護層與中部巖石之間通過爆破施工一道預裂縫。預裂縫可減小爆破產生的沖擊振動的傳播范圍，也可以防止中部拉槽爆破產生的破裂縫通過側向保護層向巖臺傳播，從而減小中部拉槽爆破施工對已經施工完成的上層地下廠房的影響。此次施工預裂裝藥結構如圖4所示。

圖4 主副廠房施工預裂裝藥結構圖

3.2 保護層開挖

巖壁梁巖臺的保護層緊靠兩側巖壁，使用手風鉆鉆Φ42 mm垂直爆破孔。為了保證鉆孔精度，必須使用鉆孔樣架固定鉆桿方向。在開挖邊界與鉆孔孔位的測量放樣標注后，進行樣架的架設，然后使用手風鉆按照鉆孔樣架確定的角度和間距鉆鑿邊墻鉆孔[3]。

開挖過程中，使保護層②區的光爆孔向外側偏移20 cm，以保證下部保護層③直墻光爆孔造孔精度[4]。為避免欠挖，使邊線直墻光爆孔和斜面光爆孔超深5 cm。巖臺區的邊線直墻光爆孔與保護層②區巖臺直墻光爆孔同時鉆孔，與巖臺斜面光爆孔同一段起爆。巖壁梁巖臺側向保護層在層高方向上分3小區開挖，每小區目的、作用不同，鉆孔爆破設計考慮不一樣，開挖具體措施如下。

①側向保護層1區：光爆孔線向外移10cm～20 cm，以減少巖臺內側夾制的巖石。

②側向保護層2區：為減少下拐點以下直立巖面超挖，2區光爆孔在巖臺下拐點處按欠挖5 cm鉆孔；為搭設保護層3區樣架，2區光爆孔在底部按超挖5 cm鉆孔。為減少保護層爆破對巖壁梁下拐點區域造成隱性拉傷、破壞，巖壁梁巖臺側向保護層2區頂部高程應比下拐點高1.0 m，底部高程比下拐點低1.0 m。

③側向保護層3區：巖壁梁下層永久直立巖面預裂采用輕型鉆機鉆孔，光爆孔在底部按超挖15cm～18 cm鉆孔。

④在所有爆破孔開鑿完畢后即可進行裝藥聯網爆，光爆孔采用Φ25的藥卷進行光面爆破，非電毫秒雷管不連續裝藥起爆，一次爆破長度為12m～18 m。

3.3 巖臺開挖

巖臺開挖中鉆孔同樣采用樣架來控制鉆孔精度[5]，如圖5所示。樣架的搭設及鉆孔工藝要求與上節基本相同。

圖5 巖臺開挖樣架搭設實物圖

巖臺垂直光爆孔與斜面光爆孔是在橫斷面上對孔，鉆孔布置示意圖如圖6所示，單元中部孔距一致，兩端1～2個孔孔距作調整。為保證巖臺上拐點直立面、巖臺斜面不欠挖，將原設計巖臺上拐點位置向下垂直移動8 cm，并向外移動8 cm；巖臺上拐點直立面光爆孔開孔位置向外移動3 cm，下拐點下移3 cm。因巖臺施工區域部分位于巖石破碎、節理發育的區域，為防止巖臺下拐點以下巖體受損，在巖臺開挖爆破前，可在下拐點處布置一排鎖口錨桿，并用熱軋不等邊角鋼對錨桿通長焊接加固，角鋼與巖面之間的空隙用砂漿填塞密實，圍巖較差部位可增加角鋼并初噴5 cm混凝土。

圖6 鉆孔布置示意圖

3.4 提高爆破成型質量的關鍵措施

3.4.1 施工過程中及時改變爆破方案

爆破施工中，為保證爆破施工巖面不欠挖或超挖，可在施工時根據需要臨時調整兩端1～2個光爆孔的位置。如在開挖巖臺時，為了保證上拐點直立面和巖臺斜面不欠挖，可將原設計巖臺上拐點位置向下垂直移動8 cm，向外移動8 cm，巖臺上拐點直立面光爆孔開孔位置向外移動3 cm，下拐點下移3 cm，并適當的調整鉆孔角度。這樣可以達到更好的爆破效果，使巖壁梁有更好的成型質量。

3.4.2 預錨鎖口技術

在巖石破碎、節理發育的區段，巖臺的下拐點處極易發生應力集中、很難成型的情況，為了提高下拐角的爆破成型質量，可在巖臺開挖爆破前，在下拐點處布置一排鎖口錨桿，并用熱軋不等邊角鋼對錨桿進行焊接加固，角鋼與巖面之間的空隙用砂漿填塞密實，圍巖極差的部位可增加角鋼加固并初噴5cm混凝土來對下拐點進行保護。

4 爆破開挖相關實驗

4.1 巖臺開挖爆破參數的選取

根據廠房的地質條件，經綜合考慮現場實際情況，可進行爆破模擬試驗，模擬試驗主要以調整孔距、線裝藥密度和鉆孔角度為主[6][7]，擬按以下方案進行試驗。巖壁梁爆破試驗在主廠房進行，巖壁梁試驗區具體位置如圖7所示。每個試驗區分5組參數進行爆破試驗，每次爆破長度為5 m，寬度為2 m。炮孔間距分別按35cm、45 cm布置，鉆孔均采用樣架進行導向定位，確保鉆孔深度以及鉆孔角度與設計一致。裝藥時，孔口采用炮泥或浸濕的炸藥包裝紙進行輕堵，爆破后通過檢查對比，對爆破效果的評價如表2所示。

從表中可以看出，為了更好地確保開挖質量，經綜合比選，保護層及巖臺開挖光面爆破的鉆爆參數選用表2中的第5組，即孔距為35 cm，排距為50 cm，線裝藥密度為60 g/m。

4.2 爆破振動監測

爆破振動監測主要用于監測開挖爆破質點振動速度，測得的振動速度數據為爆破開挖和主要水工建筑物安全提供了評價依據。

圖7 巖壁梁試驗平面布置圖

保護層及巖臺開挖光面爆破試驗效果評價 表2

爆破振動檢測參數表 表3

在巖臺開挖的過中開展了多次爆破振動監測，每個測試點布置了廠房軸線水平方向、垂直廠房軸線水平方向、鉛直方向3個方向的振動速度傳感器。各監測點得到的最大振動速度為5.59 cm/s，其中廠房軸線水平方向最大振動速度為3 cm/s，垂直廠房軸線水平方向最大振動速度為2.99 cm/s，鉛直方向最大振動速度為3.36cm/s，均小于振動速度控制標準10cm/s。

4.3 松動圈聲波測試

松動圈聲波測試主要利用超聲波在不同種類的介質中傳播速度不盡相同的特性，來檢測爆破孔附近圍巖的破壞情況。

爆破施工前后，在主副廠房巖壁吊車梁壁座四個斷面部位開展了8個孔的聲波測試，共檢測了240個不同深度的測點。8個孔的聲波檢測均采用炮前炮后同一深度波速對比判斷巖石松弛深度，松動圈厚度均小于0.2 m。

5 結語

巖壁梁的施工技術是地下廠房開挖過程中最核心、最關鍵的技術。績溪水電站地下廠房巖壁梁所在的第Ⅱ層開挖施工中，在確保巖壁梁施工安全、質量良好的前提下，各工序實施了“縱向多工序，部位多協調”的平行流水作業。為了使得巖壁梁巖臺成形質量較好、確保爆破后圍巖的穩定性較高、盡量減少巖臺超欠挖及爆破振動，爆破采用了小孔距、小孔徑、密鉆孔、均布裝藥一次成形的方法，取得了良好的效果。巖壁梁巖臺開挖過程中平均半孔率達97%，開挖面平整度達0cm～5cm，巖臺孔壁無爆破裂隙，上下拐點也基本上在一條直線上。施工人員對巖壁梁開挖技術的工藝創新和成功應用也為類似工程施工提供了寶貴的經驗。

圖8 爆破成型效果