天臺抽水蓄能電站巖壁梁爆破開挖精細化控制技術

摘 要：巖壁梁具有經(jīng)濟可靠、方便施工、加快進度等優(yōu)點，在地下廠房的建設中得到廣泛使用。以浙江天臺抽水蓄能電站中巖壁梁的開挖爆破施工為工程背景，基于現(xiàn)場爆破試驗，提出了精細化爆破參數(shù)與網(wǎng)路設計方案，總結了現(xiàn)場采用的巖壁梁爆破施工精細控制方法，對比分析了各種施工措施實際應用后的現(xiàn)場效果與監(jiān)測結果，可供類似工程參考。

關鍵詞：巖壁梁；爆破；精細化控制；地下廠房；天臺抽水蓄能電站

中圖分類號：TV554；TV542" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

0 引 言

巖壁梁是我國20世紀80年代中期從挪威引入的一項施工技術。工程中巖壁梁可以代替立柱，將力由注漿錨桿直接傳遞至巖體，充分利用圍巖的承載能力。巖壁梁具有縮減主廠房跨度，減小工程量，縮短施工周期，降低工程造價等優(yōu)點；有利于整個洞室開挖施工，為開挖出渣和混凝土澆筑創(chuàng)造有利條件；還可提前安裝永久性橋吊，方便發(fā)電機組的安裝[1]。國內(nèi)不少學者對巖壁梁開挖做了相關的研究。董家興等[2]研究了開挖過程中巖壁梁巖臺的三種主要破壞模式。劉蕊等[3]提出了實際用于清原抽水蓄能電站的開挖質量控制技術。黃輝等[4]以兩河口水電站工程為例介紹了復雜地質情況下的巖壁梁施工技術。王淑瑩[5]介紹了烏東德水電站工程中使用的技術措施。隨著地下廠房規(guī)模的不斷擴大，施工中遇到各種復雜不良地質條件的情況隨之增加。由于巖石不是連續(xù)介質，存在著大量的斷層、節(jié)理裂隙等缺陷，這些缺陷的存在，使得巖體具有典型的非連續(xù)性和各向異性[6]，影響爆破能量的傳遞，需要對爆破方案進行專門的優(yōu)化和設計。例如，豐寧抽水蓄能電站巖壁梁巖臺開挖施工中首次使用PVC半管合并、剖縫輔助傳爆技術，結果顯示，PVC管剖縫順設計開挖面布置時巖臺平整度更優(yōu)[7]。

在許多水利工程中，存在地應力較高的情況，尤其當?shù)貞Ψ较蚝蛷S房軸線方向相交或者夾角較小時，開挖后，地應力得到釋放，張拉應力隨之產(chǎn)生，并使得剪應力增大，會造成圍巖強烈劈裂破壞，對洞室的穩(wěn)定性極為不利[8]，進而會影響到巖臺區(qū)域的穩(wěn)定，甚至會影響到整個吊車梁的安全。雙江口水電站所在地區(qū)屬于典型的高地應力區(qū)，該工程嚴格執(zhí)行一炮一支護的措施，嚴格控制支護時機，對于會出現(xiàn)巖石應力釋放迅速、巖爆頻發(fā)的危險部位6～8 h內(nèi)完成錨桿支護[9]，較好地解決了地應力問題。兩河口水電站則采用精細化施工技術，嚴格遵循“薄層開挖、隨層支護”原則，嚴格執(zhí)行“定人、定機、定孔位施鉆”，同時使用反饋分析結果及時進行支護參數(shù)動態(tài)調(diào)整[10]，保證了開挖質量。

本文以天臺抽水蓄能電站工程為依托，開展了巖壁梁爆破開挖精細化控制方法研究，圍繞精細化爆破參數(shù)與網(wǎng)路設計方案、鉆孔精度與質量控制、超欠挖控制、巖體變形控制等，詳細介紹了工程中的爆破施工設計與措施。

1 工程概況

1.1 基本情況

天臺抽水蓄能電站位于浙江省天臺縣。電站裝機容量1700 MW，額定水頭724 m，線路直線距離約29 km。工程于2022年5月1日開工，計劃于2025年12月首臺機組并網(wǎng)發(fā)電，2027年3月工程完工。

地下廠房布置在輸水系統(tǒng)的中部，軸線方向為N30°E。廠房所處位置山體雄厚，地下廠房上覆巖體厚約620～670 m。巖性以熔結凝灰?guī)r為主，斷層較多，并且節(jié)理裂隙較為發(fā)育，總體以NWW、NEE向中，陡傾角為主。地下水較豐富且地應力偏高，局部地區(qū)存在應力集中現(xiàn)象，有發(fā)生輕微巖爆的潛在可能。一般洞段的圍巖以Ⅲ1類和Ⅱ類為主，斷層破碎帶附近以及其影響帶的洞室圍巖為Ⅳ和Ⅴ類，圍巖的穩(wěn)定性較差，需要采取噴錨支護等措施來確保施工安全和工程質量。

地下廠房由主機段、副廠房及安裝場組成，呈“一”字形布置，安裝場和副廠房分別布置在主機段的左、右兩端。主副廠房尺寸196.9 m×

27 m/25.5 m×60.4 m（長×寬×高）。巖壁梁位于地下廠房上下游兩側邊墻位置廠右0+019.4～廠左0+156.5，EL109.3 m～EL112.15 m。

1.2 開挖設計

主副廠房第Ⅱ層開挖高程為EL116.00 m～

EL107.00 m，總高度9 m。該層開挖分四個區(qū)域，分別為Ⅱ1中部拉槽區(qū)域、Ⅱ2預留保護層開挖區(qū)域、Ⅱ3預留保護層開挖區(qū)域、Ⅱ4巖壁梁開挖區(qū)域。本文主要介紹Ⅱ4區(qū)即巖壁梁區(qū)域的爆破開挖以及支護方案。圖1為地下廠房第二層施工分區(qū)示意圖。

實際施工中利用通風兼安全洞以10.0%降坡至Ⅱ層底板作為第Ⅱ層施工通道，同時從進廠交通洞底板開挖斜坡道以12.75%升坡至第Ⅱ層底板形成施工通道，利用該通道進行巖壁梁開挖。

巖壁吊車梁巖臺開挖施工從第Ⅱ層3.5 m預留保護層開挖組織施工開始。Ⅱ2-1和Ⅱ3-1開挖結束后，Ⅱ4的垂直光爆孔與Ⅱ2-2、Ⅱ3-2炮孔一起施工。巖臺在Ⅱ2-2、Ⅱ3-2爆破時，安裝PPR管保護。待Ⅱ2-3和Ⅱ3-3開挖完成，再搭設樣架進行斜孔造孔，并進行巖臺光面爆破開挖，最終形成巖壁吊車梁巖臺。

2 精細化爆破設計

2.1 開挖樣架搭設

樣架采用Ф48 mm、壁厚3 mm的鋼管，按照測量放樣的桿位進行安裝；Ⅱ4的垂直光爆孔與Ⅱ2-2、Ⅱ3-2部位的炮孔一起施工，只需要完成一次樣架搭設；下斜孔待第Ⅱ層Ⅱ2-3、Ⅱ3-3保護層開挖完成后，開始搭設樣架鉆孔。為保證鉆孔過程中樣架穩(wěn)固，樣架搭設過程中與系統(tǒng)錨桿連接固定或打設錨筋樁與樣架固定，并在樣架外側設置斜撐（見圖2）。

樣架搭設應滿足：①樣架鋼管必須選用平直無變形的優(yōu)質鋼管，橫桿與橫桿采用一字卡連接，橫桿立桿、樣架采用十字扣連接，橫桿、立桿與斜撐采用萬向扣連接。②立桿、斜撐桿間距1.2 m，與系統(tǒng)錨桿或插筋固定牢固。③每輪循環(huán)鉆孔施工前，由測量隊按照設計定出的開挖輪廓線和炮孔位置放樣，并搭設樣架布置導向管。

2.2 爆破參數(shù)選擇

根據(jù)炸藥爆破原理，為保證爆破開挖后，形成平整、光滑的巖壁梁，必須采用光面爆破技術和低爆速炸藥進行巖壁梁部位的爆破開挖。

光面爆破是一種通過在開挖邊界布置密集炮孔，使用不耦合裝藥，在主爆區(qū)爆破之后起爆，以減少超欠挖、形成平整輪廓面的爆破作業(yè)。光面爆破成縫機理有應力波干涉理論、高壓氣體成縫理論、爆炸應力波和高壓氣體聯(lián)合成縫理論等三種解釋。

應力波干涉理論認為炮孔間裂隙主要由應力波形成。爆炸時產(chǎn)生的應力波在兩炮孔軸線連接面上的壓應力部分抵消，環(huán)向的拉應力增強使巖石破壞形成裂縫。

高壓氣體理論主張是爆生高壓氣體在炮孔周圍形成的準靜態(tài)應力場產(chǎn)生了炮孔連線方向上的拉應力使巖石破壞。

聯(lián)合成縫理論則主張裂縫由應力波和爆生氣體共同作用形成。主要表現(xiàn)在應力波形成的初始裂隙會為爆生氣體形成進一步的貫穿裂縫提供初始的有利條件。

根據(jù)相關規(guī)范，光面爆破的孔距一般由抵抗線決定，采用式（1）、式（2）進行計算：

式中，Wmin是光爆孔的最小抵抗線（m）；d是鉆孔直徑（mm）；a是光爆孔的孔距（mm）。

一般情況下，光面爆破的爆破孔孔徑d在40～50 mm，本工程中孔徑初定為42 mm，根據(jù)式（1）和（2）計算出抵抗線和光爆孔的孔距的范圍。本次爆破試驗中，最小抵抗線和光爆孔孔距分別取為50、30 mm。

根據(jù)爆破試驗結果，最終Ⅱ4區(qū)域的爆破參數(shù)定為：垂直光爆孔孔徑Ф40 mm，孔深2.3 m，孔距30 mm，采用Ф32 mm藥卷間隔不耦合裝藥，線裝藥密度71.7 g，單孔藥量為165 g，堵塞長度0.3 m；斜光爆孔孔徑Ф40 mm，孔深1.6 m，孔距30 mm，采用Ф32 mm藥卷間隔不耦合裝藥，線裝藥密度65.6 g，單孔藥量為105 g，堵塞長度0.3 m，具體爆破參數(shù)見表1。為保證巖壁吊車梁巖壁成型，采用控制爆破技術。采用電子雷管起爆-導爆索傳爆網(wǎng)路，開挖前精心進行爆破設計與試驗，爆破參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實際情況及所獲得的振動數(shù)據(jù)進行調(diào)整，以保證爆破效果。

2.3 施工精度控制方法

巖壁梁雖有諸多優(yōu)點，但由于地形地質情況復雜，施工難度大，技術條件要求高，實際工程中需要使用多種控制措施來滿足工程需要。

2.3.1 鉆孔精度控制

巖壁梁開挖的放樣、鉆孔等各道工序的精度要求很高，一般是使用紅外線激光定位技術放樣，精確得到鉆孔的位置，深度等信息，并使用樣架導向技術保證孔的質量（見圖3）。

本工程中巖壁梁的爆破孔采用YT-28手風鉆鉆孔開挖，巖臺采用光面爆破技術進行開挖。布孔時現(xiàn)場的技術人員根據(jù)爆破設計的要求以及測量放樣得到的結果進行嚴格布孔，保證孔位位置準確。

樣架驗收合格后選派熟練的鉆孔人員按照分區(qū)分片通過Ф48導向管+Ф32套管定位鉆孔，炮孔孔底應落在設計規(guī)定的同一個鉛直斷面上，梯段爆破為水平面。周邊光爆孔孔位偏差不大于2 cm，主爆孔孔位偏差不大于10 cm。巖臺部位光爆孔的鉆孔應嚴格按設計要求施工，鉆孔結束后馬上進行檢測，對不合格的孔進行砂漿回填，之后立即重新補鉆。鉆孔完畢后用鉆機自帶的高壓風和水及時進行掃孔、清洗，并做好炮孔的保護。

鉆孔作業(yè)過程中，技術人員現(xiàn)場旁站，以便及時發(fā)現(xiàn)和解決現(xiàn)場技術問題。鉆孔作業(yè)人員嚴格按鉆孔要求控制好開孔位置、孔向、孔深等參數(shù)。鉆孔采用標桿作為參照物，盡量做到孔底在一個平面上。炮孔裝藥之前，質檢員需對周邊光爆孔的質量進行嚴格檢查，對傾角不符合要求的炮孔，進行補鉆，確保無誤后，再進行爆破作業(yè)。

鉆孔作業(yè)中，采用“三次校桿法”保證鉆孔精度。具體施工方法為：在剛開鉆時只旋轉不沖擊，待鉆頭開始鉆進巖層后進行第一次校核，鉆孔精度滿足要求再開沖擊；等鉆頭完全鉆進巖層后，第二次進行校核，精度滿足要求后再進行鉆進；待第一段釬鉆進巖層后，進行第三次校核鉆桿精度，滿足要求繼續(xù)鉆進。在鉆桿上加兩組扶正器，保證鉆桿鉆進的精度。孔與孔之間平行，孔底偏差小于5 cm，保證預裂孔鉆孔精度。

2.3.2 裝藥和起爆網(wǎng)路控制

周邊光面爆破孔裝藥需嚴格控制裝藥結構，裝藥前用高壓風沖掃炮孔，經(jīng)爆破技術員檢查合格后進行裝藥爆破。周邊光面爆破孔選用直徑φ25 mm藥卷，間隔不耦合裝藥，插藥入孔時注意藥卷的方向，有竹片一面應貼保留巖體面一側。掏槽孔和爆破孔裝藥要密實，封堵良好，最后由炮工和值班爆破技術人員復核檢查。

本工程率先在地下廠房爆破開挖中使用電子雷管代替了常規(guī)的非電導爆管雷管。電子雷管使用電子延期元件實現(xiàn)延期功能，并能進行單向或雙向通信。電子雷管具有高精度、穩(wěn)定性和便捷性，能夠實現(xiàn)在增加每次爆破作業(yè)進尺的同時保證爆破精度。另外，掃碼型的連接方式也讓爆破網(wǎng)路的形成更加方便。

裝藥結束后，理順雷管腳線，分段分區(qū)聯(lián)炮網(wǎng)，形成符合要求的起爆網(wǎng)路。爆破技術人員進行網(wǎng)路接線導通檢查，檢查合格后，由專業(yè)爆破員負責引爆。

2.3.3 超欠挖控制

開挖施工中采用以下措施進行超欠挖控制。

（1）保持測量放線的精度。測量人員根據(jù)提供的控制點和施工圖控制坐標，定期進行導線校準，主要洞室及特殊部位每個爆破循環(huán)進行一次測量放線，放出斷面設計線，要求準確放出中心點和周邊線。洞內(nèi)測量控制點埋設牢固隱蔽，并做好保護，防止機械破壞。

（2）使用分層小炮撬挖的辦法減小爆破進尺，保證爆破精度，減少超挖的可能性，避免因為欠挖后需要補炮的情況出現(xiàn)。

（3）進行人工安全撬挖、反鏟撬挖清底和爆破檢查，確保每一次爆破前后的安全。

2.3.4 砂漿錨桿施工工藝

為控制爆破后巖壁梁的變形，工程中一般使用錨桿對卸荷后的巖體變形進行限制。由于“先插桿后注漿”施工工藝中的水泥砂漿摻氣現(xiàn)象比較嚴重，砂漿密實度較差，本工程的砂漿錨桿施工主要采取“先注漿后插桿”施工工藝。M30砂漿施工配合比由砂漿錨桿注漿工藝性試驗得到進行。鉆孔采用三臂鑿巖臺車，其鉆頭直徑應大于錨桿直徑40 mm。將鉆孔孔內(nèi)的石粉和積水清除干凈，并臨時封堵孔口。注漿管必須插到孔底，再退出50～100 mm后開始注漿，注漿管隨漿液的注入緩慢勻速拔出，錨桿安裝后必須填滿漿液。

3 爆破效果分析

現(xiàn)場爆破情況如圖4所示，通過對預支護、鉆孔、裝藥與連網(wǎng)的精細控制，巖臺部位的開挖效果較為理想。具體表現(xiàn)在：

（1）巖臺無欠挖，超挖和欠挖都控制在合理的范圍內(nèi)。巖臺開挖面整體平整，不平整度為9 cm（見表2）。

（2）炮孔痕跡在開挖輪廓面上分布較均勻，總體平整度較好。巖臺半孔殘留較好，殘孔率在90%以上（見表2），下拐點及下直墻均有效保留。

（3）開挖面基本無松動巖塊、陡坎與尖角平順、圓滑。

為評估爆破開挖對周邊巖體和巖臺部分的振動影響，對巖臺爆破產(chǎn)生的振動進行了全過程監(jiān)測。表3為部分點位爆破振動監(jiān)測結果。可知最大振動速度為5.569 5 cm/s。水平徑向（X）、水平切向（Y）和鉛錘向（Z）三個方向的振動速度均在7.0 cm/s以內(nèi)，滿足振動安全標準。

4 結束語

巖壁梁巖臺爆破開挖是整個地下廠房建設中成型難度最大的環(huán)節(jié)。工程施工中對鉆孔精度、裝藥和起爆網(wǎng)路、超欠挖控制以及砂漿錨桿施工等方面進行了精細化管控。對地下廠房Ⅱ層進行了精細化分區(qū)，在保護層區(qū)域采用分層小炮撬挖的辦法減小爆破影響；圍繞測量放線、布孔等，采用了多種措施保證施工精度；采用“三次校桿法”等方法控制了鉆孔的精度和深度；采取“先注漿后插桿”施工工藝有效控制巖體變形。從工程現(xiàn)場實際情況和爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，天臺抽水蓄能電站巖壁梁開挖面的平整度、殘留炮孔半孔率、斷面的超欠挖程度均滿足工程預期，巖壁梁區(qū)巖臺爆破的最終成型效果良好。地下廠房巖壁梁部位的爆破開挖設計、施工方法和參數(shù)選擇符合本工程的實際地質條件和施工情況，精細化控制取得了預期中的效果。

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Refined Control of Blasting Excavation for Rock-bolted Crane Beam in Tiantai Pumped-storage Hydropower Station

LIU Wenbo，LI Weichao，YAO Erlei，LIU Meishan

（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：Owing to of the advantages of economic reliability，convenient construction and accelerated progress，rock-bolted crane beams are widely used in the construction of underground plants. This paper focuses on the excavation and blasting processes for the rock-bolted crane beams at Zhejiang Tiantai pumped storage power station. Based on on-site blasting tests，we propose a refined blasting parameter and network design scheme，and furthermore summarise the fine control methods durign field construction. We also compare and analyze the on-site effects and monitoring results after the application of various construction measures，offering valuable insights for similar projects.

Key words：rock-bolted crane beam；blasting；refined control；underground plant；Tiantai Pumped Storage Power Station