深孔預(yù)裂及全斷面梯段爆破在向家壩水電站地下廠房開挖中的應(yīng)用

王 波

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司,四川成都 610081)

1 概 述

向家壩水電站是金沙江梯級(jí)開發(fā)中的最后一個(gè)梯級(jí),位于四川省與云南省交界處的金沙江下游河段,工程開發(fā)以發(fā)電為主,同時(shí)改善航運(yùn)條件,兼顧防洪、灌溉并具有攔沙和對(duì)溪洛渡水電站進(jìn)行反調(diào)節(jié)等綜合作用。

工程樞紐建筑物主要由混凝土重力擋水壩、左岸壩后廠房、右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)及左岸河中垂直升船機(jī)等組成。大壩擋水建筑物從左至右由左岸非溢流壩段、沖沙孔壩段、升船機(jī)壩段、壩后廠房壩段、泄水壩段及右岸非溢流壩段組成,壩頂高程 384.00m,最大壩高 162m,壩頂長(zhǎng)度為909.26m;發(fā)電廠房分設(shè)于右岸地下和左岸壩后,各裝機(jī) 4臺(tái),單機(jī)容量均為 750MW,總裝機(jī)容量6000MW,左岸壩后廠房安裝間與通航建筑物呈立體交叉布置。

廠房工程由主廠房、主變室、母線及電纜豎井等組成,主廠房總長(zhǎng)度 245m(含安裝間長(zhǎng)度 80 m),開挖寬度 31.4m(巖錨梁以上寬度為 33.4 m),最大開挖高度為 85.5m。

2 工程地質(zhì)情況

該地下廠房布置于右岸壩頭上游山體內(nèi),軸線與岸坡走向近垂直,方位角為 NE30°,廠房水平埋深 126～371m,鉛直埋深 110～220m,頂拱距T33底板最小厚度約 50m左右。

右岸地下廠房區(qū)地層產(chǎn)狀較平緩,巖體受地質(zhì)構(gòu)造破壞的程度相對(duì)較低,無較大斷層發(fā)育,主要結(jié)構(gòu)面為層面、層間軟弱夾層和節(jié)理裂隙。巖層走向 60°～80°,傾向下游偏山內(nèi),傾角 15°～20°。根據(jù)主廠房勘探平洞廠房段(PD47洞深130～382m、PD48洞深 150～414m)節(jié)理裂隙調(diào)查統(tǒng)計(jì),洞室圍巖中的節(jié)理裂隙主要有 NEE、NWW和 NW等 3組,優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀分別為:80°/NW∠65°、295°/NE∠67°、345°/NE∠81°。

區(qū)內(nèi)分布地層主要有:T32-5、T32-6、T33、T34和 J1-2Z。洞室位于邊坡卸荷帶以內(nèi),洞室圍巖主要為微風(fēng)化 ～新鮮巖體。T33巖組為一含煤地層,煤層厚度不穩(wěn)定,一般為薄至極薄層狀,或呈透鏡狀煤脈分布,其中成層較好的煤有 7層,且有民間開采歷史。T32-6巖組由 T32-6-1～T32-6-3以中厚至巨厚層砂巖為主的地層組成,僅各亞層的頂部有薄至中厚層狀巖體分布,巖體呈微風(fēng)化 ～新鮮。T32-6-1主要為中厚層 ～巨厚層,T32-6-2和 T32-6-3、T32-6-4絕大部分為巨厚層 ～厚層結(jié)構(gòu)。

廠區(qū)分布的軟弱巖層(夾層)由泥質(zhì)巖石、破碎夾層、破碎夾泥層、泥化夾層組成。T32-5巖組泥質(zhì)類軟巖、較軟巖相對(duì)較多,部分有層間錯(cuò)動(dòng),巖性相對(duì)較軟弱、強(qiáng)度相對(duì)較低、規(guī)模較大,分類為 1級(jí)軟弱夾層,僅在部分機(jī)組的尾水管底部出露。2級(jí)軟弱夾層主要有 4條,連續(xù)或斷續(xù)分布于整個(gè)洞室群區(qū),其中 JC2-1位于安裝間頂拱以上,JC2-2和 JC2-3在部分洞段洞室?guī)r錨梁附近出露,JC2-4在洞室下部出露。區(qū)內(nèi) 2級(jí)軟弱夾層呈透鏡狀分布,短距離(幾十米)范圍內(nèi)可見寬度 1.5～2.0m并逐漸尖滅。3級(jí)軟弱夾層有 6條,僅在局部范圍分布。

洞室圍巖主要為Ⅱ類,泥質(zhì)類軟弱巖石分布洞段為Ⅳ類,層間錯(cuò)動(dòng)破碎夾泥層為Ⅴ類。主廠房頂拱Ⅱ ～Ⅲ類在 85%以上,邊墻和端墻Ⅱ類圍巖比例在 85%以上。

工程區(qū)地震基本烈度為 7度。

3 地下廠房開挖的主要特點(diǎn)

(1)工程規(guī)模大。主廠房成型最大寬度為33.4m,高 88.2m,長(zhǎng) 255.4m,為目前世界上跨度、高度最大的地下廠房,開挖難度大。

(2)工程工期緊。主廠房開工時(shí)間因交面等因素影響推遲約 5個(gè)月,致使廠房開挖工期偏緊,工期風(fēng)險(xiǎn)很大。

(3)施工方案第Ⅳ ～Ⅷ層均分為兩區(qū)開挖,即分為中部大面開挖和邊墻保護(hù)層開挖,為較為成熟且常采用的方案,即先中部拉槽,再在下游側(cè)預(yù)留保護(hù)層開挖的方式。該施工方案耗時(shí)較多,開挖進(jìn)度較慢,不適宜在工期較緊的工程中采用。

按上述方法施工,主廠房原第Ⅳ～Ⅷ層開挖支護(hù)時(shí)間計(jì)劃需時(shí) 13個(gè)月,將會(huì)嚴(yán)重影響工程總工期,難以按期完成開挖工作。

(4)開挖與支護(hù)施工采取“平面多工序”、“立體多層次”原則作業(yè),噴錨支護(hù)緊跟保護(hù)層開挖工作面,相互干擾大。

正因?yàn)樯鲜鲋T多因素,故需對(duì)廠房開挖提出改進(jìn)措施。

4 施工程序及施工方法

結(jié)合實(shí)際情況,對(duì)地下廠房開挖進(jìn)行了分析,最終確定對(duì)第Ⅳ ～Ⅶ層開挖方案進(jìn)行調(diào)整:優(yōu)化分層高度,同時(shí)優(yōu)化開挖鉆爆方法。優(yōu)化調(diào)整后,廠房總體采用“邊墻結(jié)構(gòu)深孔預(yù)裂,全斷面梯段爆破開挖”的方式進(jìn)行開挖,即上層支護(hù)的過程中穿插下一層的邊墻結(jié)構(gòu)預(yù)裂,結(jié)構(gòu)預(yù)裂又超前梯段爆破鉆孔進(jìn)行,三者交叉施工而又互不干擾,以加快開挖進(jìn)度。

(1)第Ⅳ層開挖的施工程序及方法。

為盡量減少第Ⅳ層開挖爆破振動(dòng)對(duì)巖錨梁混凝土所造成的影響,同時(shí)也為下一層開挖提供更好的技術(shù)參數(shù)以供調(diào)整參考,將第Ⅳ層開挖分兩層(Ⅳ1和Ⅳ2)逐層開挖,均采用一次性全斷面梯段爆破進(jìn)行開挖。Ⅳ1層開挖斷面寬 31.4m,梯段高度為 4m,開挖斷面面積為 125.6m2;Ⅳ2層開挖標(biāo)準(zhǔn)斷面寬 31.4m,梯段高度為 4.5m,開挖斷面面積 125.6m2。

在巖錨梁混凝土澆筑前即對(duì)Ⅳ層進(jìn)行雙預(yù)裂施工,以減小梯段爆破對(duì)高邊墻圍巖及巖錨梁混凝土造成的影響。采用 ROCD7液壓鉆機(jī)造孔,預(yù)裂孔和梯段孔均采用延時(shí)爆破。

(2)第Ⅴ層開挖的施工程序及方法。

第Ⅴ層開挖的施工程序總體為自南向北進(jìn)行施工,邊墻結(jié)構(gòu)預(yù)裂先行,考慮為母線洞剩余開挖支護(hù)與主變室電纜溝槽的開挖提供施工通道,本層以廠房邊導(dǎo)洞為界,上游為①區(qū),下游為②區(qū),北端墻 262.24m高程平臺(tái)與南端安Ⅲ建基面預(yù)留保護(hù)層,開挖順序?yàn)棰賲^(qū)→②區(qū)→保護(hù)層。

鉆爆設(shè)備通道為 4#母線洞,出碴通道為 5#-1施工支洞(圖 1)。

圖 1 第Ⅴ層開挖施工方法示意圖

①第Ⅴ層①區(qū)開挖的施工方法。

根據(jù)引水洞下平段施工進(jìn)度,5#-1施工支洞最遲提供通道的時(shí)間為 6月 15日,待 5#-1施工支洞提供通道后,開始進(jìn)行①區(qū)開挖。①區(qū)開挖先在 5#-1施工支洞部位進(jìn)行抽槽爆破(先導(dǎo)井后擴(kuò)挖的方式),貫穿 5#-1施工支洞,為后續(xù)全斷面開挖創(chuàng)造臨空面,同時(shí)利用爆破石碴從 5#-1施工支洞口升坡進(jìn)入廠房Ⅴ層底板(高程260.12m)。

開挖采用 ROCD7鉆機(jī)造孔,1.9m3反鏟挖裝 25t自卸汽車出碴。抽槽開挖完成后自南向北進(jìn)行全斷面梯段爆破開挖,梯段長(zhǎng) 8m。

②第Ⅴ層②區(qū)開挖的施工方法。

②區(qū)開挖在 1～3#母線洞Ⅱ1層開挖支護(hù)完成、4#母線洞南端電纜溝槽開挖支護(hù)完成后進(jìn)行,先在 1、2#母線洞間進(jìn)行抽槽開挖,然后分南、北兩個(gè)工作面進(jìn)行全斷面梯段爆破開挖,梯段長(zhǎng)10.2m。

開挖采用 ROCD7鉆機(jī)造孔,1.9m3反鏟挖裝 25t自卸汽車出碴。

(3)第Ⅵ層開挖的施工程序及施工方法。

第Ⅵ層以 1#引水下平洞為界,南端為①區(qū),北端為②區(qū),其中①區(qū)以 5#-1施工支洞底板高程為界,分為①-1層(高度 5.32m)和①-2層(高度 3.68m)兩層。鉆爆設(shè)備通道與出碴通道均為 5#-1施工支洞,詳見圖 2、3。

圖 2 1#引水下平洞南端側(cè)分層開挖示意圖

①第Ⅵ層①區(qū)開挖。

①區(qū)以 5#-1施工支洞底板(高程 254.80 m)為界限,分為①-1層與①-2層。

①-1層開挖自南向北、自上游向下游進(jìn)行全斷面開挖,開挖前 5#-1施工支洞積碴向北端出碴推進(jìn),鉆爆設(shè)備利用積碴臨時(shí)修路進(jìn)入鉆爆工作面,爆破后的石碴從 5#-1施工支洞出碴。開挖采用 ROCD7鉆孔,1.9m3反鏟挖裝 25t自卸汽車出碴。1#、2#引水洞間剩余隔墻采用手風(fēng)鉆進(jìn)行全斷面豎向光爆開挖。

圖 3 1#引水下平洞北端側(cè)開挖示意圖

①-2層施工先利用 1#引水下平洞自上游向下游進(jìn)行抽槽,形成臨空面,然后自北向南進(jìn)行①-2層全斷面開挖施工,開挖采用 ROCD7造孔,1.9m3反鏟挖裝 25t自卸汽車從 3#引水下平洞出碴,在向南端開挖的同時(shí)利用爆破石碴形成 5#-1施工支洞下Ⅵ層底板(高程 251.12m)的出碴道路。

②第Ⅵ層②區(qū)開挖。

②區(qū)采用自南向北全斷面施工的原則,施工前,形成 3#引水洞上Ⅵ層頂部(高程 260.12m)的施工道路,完成Ⅴ層剩余支護(hù),同時(shí)作為②區(qū)施工鉆爆設(shè)備的通道,出碴通道為 5#-1施工支洞。

施工時(shí),5#-1施工支洞的積碴隨著②區(qū)的開挖向北挖除,上游側(cè)引水洞間隔墩可利用積碴為通道,采用 ROCD7鉆孔,與下游側(cè)同時(shí)爆破,自南向北全斷面梯段爆破,梯段長(zhǎng) 10.2m。②區(qū)施工采用 ROCD7鉆機(jī)造孔,1.9m3反鏟挖裝 25t自卸汽車出碴。

下游墻蝸殼刻槽區(qū)域待②區(qū)開挖出露后分兩層進(jìn)行施工,上部 9m為Ⅰ層(高程 260.5～251.5m),利用開挖爆破石碴形成臨時(shí)平臺(tái),采用多臂鉆進(jìn)行上部造孔施工,完成后挖出臨時(shí)平臺(tái)進(jìn)行下部剩余造孔施工,密孔、小藥量、全斷面爆破施工。Ⅱ?qū)?高程 251.5～249.5m)的開挖在廠房Ⅶ層施工時(shí)進(jìn)行。

(4)第Ⅶ的開挖施工程序及施工方法(圖 4)。

第Ⅶ層開挖自北向南進(jìn)行,鉆爆設(shè)備通道為3#引水下平洞,出碴通道為 4#-1施工支洞。

先在 4#-1施工支洞廠房段頂部打 φ3.0m導(dǎo)井,然后圍繞導(dǎo)井?dāng)U大開挖,并向上游開挖形成臨空面,采用 ROCD7造孔,ZL50C裝載機(jī)在 4#-1施工支洞出碴。隨著抽槽的進(jìn)行,利用爆破石碴從 4#-1施工支洞升坡進(jìn)入Ⅶ層底部(高程243.00m),形成出碴通道。

臨空面形成后,自北向南全斷面進(jìn)行開挖,單循環(huán)進(jìn)尺 10.2m,采用 ROCD7造孔,1.9m3液壓反鏟挖裝 25t自卸汽車從 4#-1施工支洞出碴。

圖 4 第Ⅶ層開挖方法示意圖

5 邊墻結(jié)構(gòu)預(yù)裂與全斷面爆破設(shè)計(jì)

主廠房Ⅴ～Ⅶ層的開挖總體采用邊墻結(jié)構(gòu)預(yù)裂先行,后進(jìn)行全斷面梯段爆破施工。在爆破設(shè)計(jì)方面參照主廠房Ⅲ、Ⅳ層與主變室Ⅱ、Ⅲ層相關(guān)的爆破參數(shù)以及合同文件的要求,在滿足規(guī)程規(guī)范的前提條件下,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)。

(1)邊墻結(jié)構(gòu)預(yù)裂。

邊墻結(jié)構(gòu)預(yù)裂施工避開了支護(hù)作業(yè)面,超前全斷面開挖掌子面 50m距離。采用 KZS100Y潛孔鉆機(jī)(專門鉆高邊墻深孔預(yù)裂孔的鉆機(jī))造預(yù)裂孔,φ48鋼管樣架導(dǎo)向。預(yù)裂孔間距 70cm,第Ⅴ ～Ⅶ層梯段爆破參數(shù)見表 1。

表 1 Ⅴ ～Ⅶ層結(jié)構(gòu)預(yù)裂爆破參數(shù)表

(2)全斷面梯段爆破。

根據(jù)調(diào)整優(yōu)化方案,各層優(yōu)先采用全斷面開挖的施工方法以加快進(jìn)度,提高效率。全斷面梯段爆破采用 ROCD7鉆機(jī)造孔,布孔參數(shù)為孔間距 2.0m,孔排距 2.0m,靠近邊墻的 0.7m為緩沖孔,考慮單循環(huán)進(jìn)尺 10.2m,每次作業(yè)時(shí),只起爆 5排炮孔。孔網(wǎng)參數(shù)結(jié)合廠房Ⅳ層爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。第Ⅴ ～Ⅶ層梯段爆破參數(shù)見表 2。

表 2 Ⅴ ～Ⅶ層梯段爆破參數(shù)表

施工中,依據(jù)相應(yīng)的安全振動(dòng)控制指標(biāo)確定允許的最大單段藥量,及時(shí)調(diào)整鉆爆參數(shù),將開挖爆破對(duì)保護(hù)對(duì)象的振動(dòng)影響控制在安全范圍之內(nèi)。

6 開挖爆破效果

地下廠房第Ⅴ～Ⅶ層高邊墻深孔預(yù)裂半孔率:Ⅱ類圍巖 98.9%,Ⅲ類圍巖 94.5%,Ⅳ圍巖87.6%;巖壁無欠挖,超挖 0～10cm,不平整度 0～8cm;排炮臺(tái)坎一般不大于 15cm,預(yù)裂孔孔間距偏差 0～7cm;由爆破和圍巖卸荷造成的影響深度為 0.7～0.9m,爆破對(duì)已開挖的洞室及其它建筑物的爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度均控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《爆破安全規(guī)程》GB6722-2003和向家壩工程所允許的范圍內(nèi),開挖質(zhì)量?jī)?yōu)良,得到業(yè)主、監(jiān)理和設(shè)計(jì)的一致好評(píng)。

7 結(jié) 語

(1)目前主廠房開挖支護(hù)施工已全部完成。通過方案及時(shí)調(diào)整優(yōu)化實(shí)施后效果良好,邊墻深孔結(jié)構(gòu)預(yù)裂后一次成型質(zhì)量?jī)?yōu)良(主廠房第Ⅳ層高邊墻開挖被評(píng)為“樣板工程”),得到了業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理的一致好評(píng)。

(2)通過方案實(shí)施后筆者認(rèn)為,主廠房中下部開挖由原常規(guī)方案“中部拉槽 +保護(hù)層開挖”調(diào)整為“邊墻深孔預(yù)裂,全斷面梯段開挖”這一優(yōu)化調(diào)整方案是合理的。該優(yōu)化方案中省掉了保護(hù)層開挖這一環(huán)節(jié),加強(qiáng)了各工序之間的銜接,節(jié)約了總體直線工期(提前 5個(gè)月),降低了施工成本,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)邊墻一次性暴露,相比原方案預(yù)留保護(hù)層、再通過手風(fēng)鉆每 3.0m一層開挖更有利于保證邊墻成型的質(zhì)量,減小超挖回填量,同時(shí),支護(hù)可及時(shí)、有序展開,有利于高邊墻的穩(wěn)定。

(4)本工程的實(shí)踐證明:“邊墻深孔預(yù)裂,全斷面梯段開挖”這一技術(shù)不僅能夠大大加快施工進(jìn)度,提升施工質(zhì)量,確保洞室安全穩(wěn)定,并且能夠帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益,可廣泛應(yīng)用于同等條件下大型地下洞室(尤其是緩傾角巖層)的施工。

[1] 爆破安全規(guī)程,GB6722-2003[S].