抽水蓄能電站地下廠房Ⅰ層爆破開挖施工技術

劉 蕊，余 健

（中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京100024）

1 工程概況

清原抽水蓄能電站為大（1）型一等工程，規(guī)劃6 臺單機容量300 MW 豎軸單級混流可逆式水泵水輪機組，總裝機容量1800 MW。地下廠房采用中部布置方式，由主機間、安裝間和副廠房組成，呈“一”字形布置。地下廠房開挖尺寸222.5 m×27.5 m（26.0 m）×55.3 m。地下廠房I 層為頂拱層，開挖層高為10.5 m，最大開挖跨度為27.5 m。洞室結構采用噴錨支護：砂漿錨桿￠28/預應力樹脂錨桿￠32@1.5 m×1.5 m，L=6 m/9 m，間隔布置；掛網φ8@200 mm×200 mm，龍骨筋φ12@1.5 m×1.5 m，噴C30 混凝土20 cm。

2 工程地質條件

清原抽水蓄能電站地下廠房地表高程552.00～635.00 m，拱頂高程264.80 m，洞室頂拱上覆巖體厚度284.00～371.00 m。地下廠房頂拱圍巖為微新花崗巖，巖體內未見較大斷裂構造發(fā)育，圍巖穩(wěn)定。地下廠房圍巖主要以Ⅲ類為主，部分Ⅱ類，斷層帶Ⅳ類。

3 地下廠房開挖技術分析

3.1 開挖程序規(guī)劃

針對地下廠房自身結構特性、地勘資料、施工機械選型、洞室空間結構形式、通道布設、施工工藝質量、爆破裝藥結構等多重因素相互影響和制約下，在確保廠房頂拱結構穩(wěn)定條件下，選取適合清原抽水蓄能電站地下廠房分層、分區(qū)域的規(guī)劃，頂拱層以錯距并切割若干小跨度斷面的開挖方法[1]。因此，地下廠房頂拱層開挖以水平掘進方式通過廠房頂部通風兼安全洞側貫入，以中導洞延伸進入頂拱層掘進開挖，整體行進方向由左端墻至右端墻單向掘進方式。頂拱層分部位開挖法以中導洞摸頂領先，兩側邊拱擴挖漸近錯距跟進的施工順序，分部分區(qū)域錯距“之字形”推進方式實施。

3.2 爆破設計

為最大限度提升爆破效率及開挖輪廓線的平整度，減小爆破對圍巖振動破壞和縮小爆破松弛圈范圍，地下廠房在開挖施工前必須進行爆破設計。爆破設計的目的是根據圍巖地質條件和掘進掌子面尺寸，設計最優(yōu)孔深、孔距、掏槽型式、裝藥量、裝藥結構及起爆順序等爆破參數[2]。清原抽水蓄能電站地下廠房頂拱層開挖施工均采用周邊孔光面爆破，不耦合間隔裝藥，底部加強裝藥；掏槽孔、崩落孔、底孔不耦合連續(xù)裝藥，導爆索、非電導爆管敷設起爆網絡。在實際施工中，爆破設計參數應依據地質條件的變化和爆破效果及時進行動態(tài)調整優(yōu)化，嚴格控制炸藥單耗，盡量降低單孔裝藥量以控制爆破振動，以期達到最佳爆破效果，并指導后續(xù)施工。

3.3 掏槽形式選擇

掏槽孔爆破只有一個自由面，破碎巖石的難度較大，而掏槽質量又直接影響其它炮孔的爆破效果，因此必須選擇適合的掏槽形式，使巖石完全破碎形成掏槽空間以達到較高的掏槽孔利用率。掏槽爆破孔有多種布置形式，歸納起來可分為斜孔掏槽和直孔掏槽兩大類[3]。結合清原抽水蓄能電站地下廠房圍巖地質條件和掘進掌子面尺寸，考慮鉆孔難度及鉆孔角度，該工程選用垂直楔形掏槽的形式進行造孔。斜孔掏槽適用于各種巖層并能獲得較好的掏槽效果，所需掏槽孔數目少，單位耗藥量少，槽孔位置和傾角的精度對爆破效果影響較小，容錯率較高。

4 開挖質量控制

地下廠房頂拱層開挖施工遵循“短進尺、弱爆破、勤支護”原則，每循環(huán)施工工序包括施工準備、測量放樣、炮孔布置、造孔、裝藥聯(lián)網爆破、通風排煙、安全檢查及處理、出渣、清底、隨機支護、系統(tǒng)支護等項目，各工序銜接對于地下廠房施工作業(yè)有序開展尤為重要。

4.1 測量放樣

洞室爆破開挖的第一道工序為孔位的測量放樣，測量精度是總體開挖質量控制的基礎和前提。為保證洞室施工測量精度，施工時配備專業(yè)測量技術人員及全站儀進行測量。

1）測量工序。洞內測量利用洞口導線控制點在洞口設置精度控制點；再利用洞口導線控制點進行測量，洞內的開挖控制點進行測量設置，即增加測回次數，對一個點在不同的條件下進行多次觀測，并利用弦線偏角法和進口已聯(lián)測的大地坐標系統(tǒng)相互進行控制。開挖掌子面的輪廓線放樣主要根據掌子面的樁號計算出洞頂、拱腳及圓弧段圓心等特征點高程，現場放樣洞軸線及上述相關特征點高程，根據圓心點位置定出設計開挖輪廓線。

2）孔位放樣。造孔前由專業(yè)測量技術人員負責測量放樣工作，根據設計開挖斷面，采用紅外線激光定位技術放樣，通過逐孔放點方式精確測設所有周邊孔開孔點位置，并用紅油漆清晰標記，每個周邊孔的坐標應提前計算確定。采用隔孔放點方式給每兩個周邊孔點位測設一個后視點，用于鉆工進鉆時校正炮孔的孔位偏差、高差以及孔斜，后視點距離掌子面2.0～2.5 m，且后視點必須注明實際超挖值，以便鉆工參照該值控制鉆桿釬尾與設計輪廓線的相對距離，防止出現過大的外插角。

4.2 鉆孔工藝

為達到地下廠房頂拱爆破成型規(guī)整和提高周邊輪廓線半孔率，減小排炮錯臺和縮減兩孔之間起伏度的目的，頂拱層按周邊孔以“一字線”作為控制標準規(guī)劃，達到“一孔到底”的效果。地下廠房開挖施工中，鉆孔工藝是開挖成型質量控制的最關鍵環(huán)節(jié)，而鉆孔質量好壞受孔位、孔徑、孔深、孔斜、孔向、孔數等因素的綜合影響，周邊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，鉆孔必須滿足“平、直、齊、準”要求，即炮孔相互平行，炮孔垂直于開挖斷面，炮眼孔底整齊落在同一平面上，炮孔開孔位置準確。

1）開孔精度控制。開鉆的掌子面受爆破作用巖面一般都為有角度的斜面，鉆頭在斜面開鉆容易打滑使開孔方向產生偏差，導致與下排炮開孔位置無法平順相接。因此，當掌子面開孔巖面不平整時，應該由多人從各方位對鉆孔位移進行有效約束確保開孔精度，盡量減小開孔方向的偏差；同時對局部凸起不平影響鉆頭開孔的巖面進行修鑿平整，確保鉆機沿設計的孔向進鉆，精確控制開孔位置。其次鉆孔時優(yōu)先采用短鉆桿開孔，且開孔階段鉆進壓力不宜過大，避免鉆桿出現向下或側向的彎曲，影響開孔角度。

2）鉆孔方向控制。鉆工在進鉆時如果無法有效控制鉆機的位置，鉆桿尾部與孔內鉆桿不在一條直線上，鉆桿在鉆頭與釬尾的雙重約束下將產生彎曲；其次鉆進壓力過大迫使鉆桿出現撓度在旋轉作用下也可能造成鉆桿和炮孔軸線不在同一條直線上，鉆桿出現彎曲的弧度偏向一側孔壁形成“飄孔”。因此為了有效控制鉆孔方向，鉆工在造孔過程中應該將釬桿尾部對準后視點，保證開孔點、后視點及鉆機卡釬器三點在同一直線上，用以保持鉆孔方向角度不發(fā)生偏斜，確保鉆桿在炮孔軸線方向推進，同時嚴格控制鉆孔推進壓力，盡量減小鉆孔方向偏差。實際鉆孔過程中，如在孔道內遇到裂隙、軟弱夾層、滑面、軟硬互層等結構構造使巖層具有不均質性時，鉆頭也易沿著層理面方向鉆進偏離鉆孔軸線而發(fā)生彎曲。

3）鉆孔外插角控制。鉆工在實際炮孔鉆進過程中，由于手風鉆尾部的消音罩需占用大約10 cm的空間，導致鉆桿尾部無法緊貼巖面處于設計開挖線上，而掌子面開鉆時必須按照設計輪廓線開孔，使得鉆工在進鉆時必須考慮一定的外插角，因此炮孔出現孔斜孔底產生超挖是必然的，并且上排炮孔底部位是下排炮的開鉆位置，孔底合理的超挖為下排炮開孔創(chuàng)造了必要的空間。按照DL/T 5099-2011《水工建筑物地下工程開挖施工技術規(guī)范》要求，“相鄰兩茬炮之間的臺階或鉆孔的最大偏斜值應小于20 cm”，實際鉆孔過程中控制外插角不超過arcsin（0.15/3.0）=2.87°，確保相鄰兩排炮接茬部位的超挖錯臺不超過15 cm。

4）人為因素控制。鉆孔質量受人為因素影響較大，鉆孔時應挑選熟練的操作手，嚴格按照設計鉆爆圖的規(guī)定鉆孔作業(yè)，架設鉆機開孔時必須在測量標記的孔位開鉆。實施造孔施工規(guī)劃，各鉆工分區(qū)、分部位定人定位施鉆，實行嚴格的鉆工作業(yè)質量經濟考核責任制，以增強管控手段提升鉆工對工程的質量意識及重視程度。鉆孔作業(yè)期間由技術員及時對炮孔的孔位、孔深、孔斜等施工參數進行檢查是否滿足規(guī)范要求。

鉆孔結束后，利用高壓風進行吹孔，直至巖屑和石碴全部清除出孔外，最后由技術人員對孔號、孔徑、孔深、鉆孔角度進行編錄，炮孔需經過監(jiān)理工程師驗收合格后方可裝藥聯(lián)網爆破。

4.3 裝藥工藝

1）裝藥參數。為達到高質量的光爆效果，周邊孔必須選用不耦合裝藥方式，空氣間隔為爆破形成的爆轟沖擊波提供了緩沖空間，有效衰減了作用于孔壁上的爆轟波能量，降低爆炸時孔壁上的壓力峰值，從而在炮孔內形成準靜壓狀態(tài)，這是光面爆破實現的必備條件。合適的周邊孔不耦合系數使爆炸后作用于炮孔巖壁的壓力低于圍巖抗壓強度，而高于抗拉強度。通過經驗和實踐證明，當不耦合系數為2.0左右時，緩沖作用最佳，光爆效果最好。清原抽水蓄能電站由于爆破器材的限制，周邊孔選用2號巖石乳化炸藥，標準φ25 mm 藥卷（L=20 cm，q=100 g），其不耦合系數D=42/25=1.68，滿足光面爆破參數要求。同時周邊孔光面爆破裝藥參數必須嚴格控制裝藥集中度，依據DL/T5099-2011《水工建筑物地下工程開挖施工技術規(guī)范》要求，光面爆破在中硬巖-硬巖段一般取200～350 g/m，地下廠房周邊孔裝藥采用直徑為25 mm的藥卷，藥卷質量為100 g/卷，為便于現場裝藥施工，周邊孔裝藥取0.7 kg/孔，此時周邊孔線裝藥密度為270 g/m，符合規(guī)范取值要求。

2）裝藥結構。線裝藥密度表示炮孔內裝藥部分單位長度的藥量，相同的線裝藥密度在不同的裝藥結構下，其光爆效果不同。周邊孔采用φ25 mm乳化炸藥空氣柱間隔裝藥，當單孔藥量不變時，如果空氣間隔偏大，孔內單個藥包藥量過大，爆轟能量集中，會對孔壁圍巖造成拉伸破壞；反之如果空氣間隔偏小，孔內單個藥包藥量過小，必然加大藥卷加工難度和成本，因此需要選擇科學合理的裝藥結構。對于均質性較好、強度較高或巖石硬度較大的巖體，空氣間隔可取10～20 cm，根據炸藥本身性能及傳爆效果與光爆效果好壞，可以適當增大。孔底采用加強裝藥方式，以減小孔底巖石夾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 可以有效減少爆轟力的損失，提高爆破猛度，延長爆轟力在孔內作用時間，可以提高約8%～10%的爆破效率。藥卷安裝時必須按要求綁扎在竹片上，并用膠帶固定，確保藥卷在孔內的位置均勻準確，裝藥時竹片應向外側靠近輪廓線，藥卷靠內側朝向最小抵抗線。

3）爆破網絡。裝藥前對炮孔進行徹底沖洗，以防孔內坍塌、堵塞。周邊孔齊發(fā)爆破，孔內采用導爆索進行串聯(lián)，孔外采用導爆索并聯(lián)成爆破網絡，爆破網絡由孔外非電毫秒導爆管擊發(fā)，與其余孔位形成微差毫秒爆破。掏槽孔、崩落孔、底孔采用φ32 mm 乳化炸藥連續(xù)裝藥結構，孔口封堵不小于炸藥的最小抵抗線。爆破采用非電毫秒導爆管串聯(lián)或并聯(lián)形成爆破網絡，同段并聯(lián)，不同段串聯(lián)。孔內非電雷管引爆，孔外由非電毫秒導爆管控制起爆順序，形成微差毫秒爆破。爆破順序為掏槽孔→輔助掏槽孔→崩落孔→周邊孔及底孔。非電毫秒雷管段別盡量選擇時差在40～200 ms 之間，并控制雷管號盡量在ms15 以下，ms15 以上延時誤差較大，爆破效果不穩(wěn)定。

4.4 質量評價

清原抽水蓄能電站地下廠房Ⅰ層開挖面不平整度小于15 cm。炮孔裂痕在開挖輪廓面上均勻分布，炮孔首尾相接，基本處于同一直線上。炮孔半孔率滿足對于完整巖石80%以上，較完整和完整性較差巖石不小于60%，節(jié)理裂隙極發(fā)育巖石不小于20%的要求。地下廠房Ⅰ層開挖面超欠挖測量成果可知，地下廠房Ⅰ層無欠挖，超挖值小于15 cm 測點占比72.9%，超挖值小于20 cm 測點占比93.7%，平均徑向超挖值為12.9 cm，超挖值滿足規(guī)范推薦的“地下平洞開挖不宜大于20 cm”的技術標準。

5 結論

1）清原抽水蓄能電站地下廠房頂拱層開挖采用精益光面爆破施工技術，整體爆破開挖質量達到優(yōu)良標準，滿足電站安全穩(wěn)定運行要求，充分說明了地下廠房頂拱層的開挖規(guī)劃、爆破設計、施工方法、掏槽方式的選擇是科學合理的，測量放樣、鉆孔工藝及裝藥工藝的質量控制是有效可行的，工程質量管控體系的運行是平穩(wěn)可控的。同時，其施工成果也為國內大跨度地下廠房頂拱層爆破開挖施工提供了工程實例和技術經驗。

2）清原抽水蓄能電站地下廠房頂拱層周邊孔采用光面爆破技術，開挖巖面不平整度、殘留炮孔半孔率、斷面超欠挖及炮孔接茬部位的錯臺均滿足規(guī)范要求，實現洞室設計開挖輪廓成型規(guī)整，減小圍巖應力集中和局部落石現象，而且能夠最大限度減輕爆破對圍巖的擾動和破壞，盡可能保存圍巖自身原有的承載能力，改善支護結構的受力狀況，該工程光面爆破與錨噴支護相結合，即加快了錨噴支護的施工進度，同時也節(jié)省了大量噴混凝土量，降低工程造價成本，提高了施工企業(yè)經濟效益。