績(jī)溪水電站地下廠房巖壁梁精細(xì)化開(kāi)挖技術(shù)

張士勇 （中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211800）

0 前言

巖壁吊車(chē)梁是地下廠房開(kāi)挖過(guò)程中常用的一種結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土制成的巖壁梁可通過(guò)錨桿與巖臺(tái)形成共同受力體，共同承擔(dān)吊車(chē)所受的力和吊車(chē)自身的重力。它具有受力情況好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[1]。在績(jī)溪水電站施工過(guò)程中針對(duì)遇到的施工重難點(diǎn)，施工人員通過(guò)選用合理的施工方法、不斷地試驗(yàn)，形成了一套適用于復(fù)雜地層大尺寸地下廠房巖壁梁開(kāi)挖的施工方法。

1 工程概況

安徽績(jī)溪抽水蓄能電站位于安徽省績(jī)溪縣伏嶺鎮(zhèn)，水電站由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房等主體建筑組成?？?jī)溪抽水蓄能電站的主副廠房硐總長(zhǎng)為210.0 m，最大開(kāi)挖高度為53.4 m。主副廠房硐開(kāi)挖施工分七層、四區(qū)進(jìn)行，分層分區(qū)如圖1所示。巖壁吊車(chē)梁位于第Ⅱ?qū)樱瑤r壁梁全長(zhǎng)189 m，開(kāi)挖巖臺(tái)寬1.95 m，高2.8 m，巖壁梁底部距離地下廠房第Ⅱ?qū)拥装?.2 m，建成后將在巖壁梁上布置2臺(tái)250t/50t的單小車(chē)橋機(jī)。

圖1 廠房第Ⅱ?qū)颖Ｗo(hù)層及巖壁開(kāi)挖分區(qū)圖

1.1 地質(zhì)條件

績(jī)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(jí)以Ⅱ～Ⅲ類(lèi)為主，局部為Ⅳ類(lèi)，斷層破碎帶為Ⅳ～Ⅴ類(lèi)，圍巖情況如圖2，詳細(xì)分類(lèi)情況見(jiàn)表1。地下廠房洞圍巖基本是較為穩(wěn)定的狀態(tài)，但是在局部存在穩(wěn)定性較差和破碎帶嚴(yán)重的問(wèn)題。

圖2 地下廠房巖壁梁地質(zhì)條件

1.2 施工特點(diǎn)與難點(diǎn)

①地下廠房總長(zhǎng)210.0 m，開(kāi)挖高度為53.4 m，廠房開(kāi)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(duì)開(kāi)挖質(zhì)量要求較高。

③類(lèi)似工程巖壁梁巖臺(tái)開(kāi)挖多在地下廠房第Ⅲ層進(jìn)行，且開(kāi)挖層厚度一般為7m，本工程則規(guī)劃在第Ⅱ?qū)舆M(jìn)行開(kāi)挖施工，且開(kāi)挖層厚度高達(dá)10.5m，為施工工序的規(guī)劃增加了難度，且地質(zhì)條件比類(lèi)似工程更復(fù)雜。

④施工對(duì)爆破振動(dòng)要求較高，爆破振動(dòng)速度需要嚴(yán)格把控小于10 cm/s。

2 開(kāi)挖規(guī)劃及施工順序

巖壁梁開(kāi)挖施工流程為：巖壁梁層中部拉槽施工預(yù)裂、梯段開(kāi)挖→巖臺(tái)垂直光爆孔造孔→側(cè)向保護(hù)層①、②區(qū)開(kāi)挖→巖壁梁層中部拉槽開(kāi)挖→側(cè)向保護(hù)層③、④區(qū)開(kāi)挖→鎖口錨桿→巖壁梁巖臺(tái)斜面光爆孔造孔、巖臺(tái)垂直加斜面雙向光面控制爆破[2]。

巖壁梁開(kāi)挖過(guò)程的具體分層分區(qū)如圖3所示。

以下為開(kāi)挖施工的具體流程。

①施工預(yù)裂：在距離地下廠房上下游邊墻5.35 m的范圍內(nèi)采用爆破的方法進(jìn)行施工預(yù)裂。

②開(kāi)挖第Ⅱ1層：第Ⅱ1層采用梯段爆破的方法進(jìn)行開(kāi)挖。

③保護(hù)層①、②施工及直墻爆破孔施工：在Ⅱ1層開(kāi)挖30 m后，開(kāi)始兩側(cè)保護(hù)層①、②的施工。在進(jìn)行保護(hù)層②鉆孔作業(yè)的同時(shí)進(jìn)行直墻光爆孔的施工作業(yè)，并用PVC管保護(hù)。

④第Ⅱ2層開(kāi)挖：第Ⅱ2層開(kāi)挖深度為5.5 m，采用梯段爆破的方法進(jìn)行施工，在兩側(cè)預(yù)留厚4.6 m的保護(hù)層。

⑤保護(hù)層③、④施工：在第Ⅱ2層開(kāi)挖30 m后，進(jìn)行保護(hù)層③、④的鉆孔施工作業(yè)，爆破鉆孔作業(yè)采用手風(fēng)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(fēng)鉆鉆斜面孔，提前搭設(shè)鉆孔所需的樣架，利用樣架?chē)?yán)格控制鉆孔角度。

⑦巖臺(tái)開(kāi)挖：在直墻孔與斜面孔中填裝炸藥，直墻孔與斜面孔同時(shí)起爆。

地下廠房圍巖分類(lèi)匯總表 表1

圖3 主副廠巖壁梁分層分區(qū)圖

3 巖壁梁開(kāi)挖施工方法

3.1 中部拉槽預(yù)裂

為了減小由中部拉槽爆破施工造成的巖臺(tái)部位巖石的松動(dòng)和爆破裂隙的延伸，可在保護(hù)層與中部巖石之間通過(guò)爆破施工一道預(yù)裂縫。預(yù)裂縫可減小爆破產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)的傳播范圍，也可以防止中部拉槽爆破產(chǎn)生的破裂縫通過(guò)側(cè)向保護(hù)層向巖臺(tái)傳播，從而減小中部拉槽爆破施工對(duì)已經(jīng)施工完成的上層地下廠房的影響。此次施工預(yù)裂裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 主副廠房施工預(yù)裂裝藥結(jié)構(gòu)圖

3.2 保護(hù)層開(kāi)挖

巖壁梁巖臺(tái)的保護(hù)層緊靠?jī)蓚?cè)巖壁，使用手風(fēng)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(kāi)挖邊界與鉆孔孔位的測(cè)量放樣標(biāo)注后，進(jìn)行樣架的架設(shè)，然后使用手風(fēng)鉆按照鉆孔樣架確定的角度和間距鉆鑿邊墻鉆孔[3]。

開(kāi)挖過(guò)程中，使保護(hù)層②區(qū)的光爆孔向外側(cè)偏移20 cm，以保證下部保護(hù)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(tái)區(qū)的邊線直墻光爆孔與保護(hù)層②區(qū)巖臺(tái)直墻光爆孔同時(shí)鉆孔，與巖臺(tái)斜面光爆孔同一段起爆。巖壁梁巖臺(tái)側(cè)向保護(hù)層在層高方向上分3小區(qū)開(kāi)挖，每小區(qū)目的、作用不同，鉆孔爆破設(shè)計(jì)考慮不一樣，開(kāi)挖具體措施如下。

①側(cè)向保護(hù)層1區(qū)：光爆孔線向外移10cm～20 cm，以減少巖臺(tái)內(nèi)側(cè)夾制的巖石。

②側(cè)向保護(hù)層2區(qū)：為減少下拐點(diǎn)以下直立巖面超挖，2區(qū)光爆孔在巖臺(tái)下拐點(diǎn)處按欠挖5 cm鉆孔；為搭設(shè)保護(hù)層3區(qū)樣架，2區(qū)光爆孔在底部按超挖5 cm鉆孔。為減少保護(hù)層爆破對(duì)巖壁梁下拐點(diǎn)區(qū)域造成隱性拉傷、破壞，巖壁梁巖臺(tái)側(cè)向保護(hù)層2區(qū)頂部高程應(yīng)比下拐點(diǎn)高1.0 m，底部高程比下拐點(diǎn)低1.0 m。

③側(cè)向保護(hù)層3區(qū)：巖壁梁下層永久直立巖面預(yù)裂采用輕型鉆機(jī)鉆孔，光爆孔在底部按超挖15cm～18 cm鉆孔。

④在所有爆破孔開(kāi)鑿?fù)戤吅蠹纯蛇M(jìn)行裝藥聯(lián)網(wǎng)爆，光爆孔采用Φ25的藥卷進(jìn)行光面爆破，非電毫秒雷管不連續(xù)裝藥起爆，一次爆破長(zhǎng)度為12m～18 m。

3.3 巖臺(tái)開(kāi)挖

巖臺(tái)開(kāi)挖中鉆孔同樣采用樣架來(lái)控制鉆孔精度[5]，如圖5所示。樣架的搭設(shè)及鉆孔工藝要求與上節(jié)基本相同。

圖5 巖臺(tái)開(kāi)挖樣架搭設(shè)實(shí)物圖

巖臺(tái)垂直光爆孔與斜面光爆孔是在橫斷面上對(duì)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(gè)孔孔距作調(diào)整。為保證巖臺(tái)上拐點(diǎn)直立面、巖臺(tái)斜面不欠挖，將原設(shè)計(jì)巖臺(tái)上拐點(diǎn)位置向下垂直移動(dòng)8 cm，并向外移動(dòng)8 cm；巖臺(tái)上拐點(diǎn)直立面光爆孔開(kāi)孔位置向外移動(dòng)3 cm，下拐點(diǎn)下移3 cm。因巖臺(tái)施工區(qū)域部分位于巖石破碎、節(jié)理發(fā)育的區(qū)域，為防止巖臺(tái)下拐點(diǎn)以下巖體受損，在巖臺(tái)開(kāi)挖爆破前，可在下拐點(diǎn)處布置一排鎖口錨桿，并用熱軋不等邊角鋼對(duì)錨桿通長(zhǎng)焊接加固，角鋼與巖面之間的空隙用砂漿填塞密實(shí)，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(zhì)量的關(guān)鍵措施

3.4.1 施工過(guò)程中及時(shí)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(shí)根據(jù)需要臨時(shí)調(diào)整兩端1～2個(gè)光爆孔的位置。如在開(kāi)挖巖臺(tái)時(shí)，為了保證上拐點(diǎn)直立面和巖臺(tái)斜面不欠挖，可將原設(shè)計(jì)巖臺(tái)上拐點(diǎn)位置向下垂直移動(dòng)8 cm，向外移動(dòng)8 cm，巖臺(tái)上拐點(diǎn)直立面光爆孔開(kāi)孔位置向外移動(dòng)3 cm，下拐點(diǎn)下移3 cm，并適當(dāng)?shù)恼{(diào)整鉆孔角度。這樣可以達(dá)到更好的爆破效果，使巖壁梁有更好的成型質(zhì)量。

3.4.2 預(yù)錨鎖口技術(shù)

在巖石破碎、節(jié)理發(fā)育的區(qū)段，巖臺(tái)的下拐點(diǎn)處極易發(fā)生應(yīng)力集中、很難成型的情況，為了提高下拐角的爆破成型質(zhì)量，可在巖臺(tái)開(kāi)挖爆破前，在下拐點(diǎn)處布置一排鎖口錨桿，并用熱軋不等邊角鋼對(duì)錨桿進(jìn)行焊接加固，角鋼與巖面之間的空隙用砂漿填塞密實(shí)，圍巖極差的部位可增加角鋼加固并初噴5cm混凝土來(lái)對(duì)下拐點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)。

4 爆破開(kāi)挖相關(guān)實(shí)驗(yàn)

4.1 巖臺(tái)開(kāi)挖爆破參數(shù)的選取

根據(jù)廠房的地質(zhì)條件，經(jīng)綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，可進(jìn)行爆破模擬試驗(yàn)，模擬試驗(yàn)主要以調(diào)整孔距、線裝藥密度和鉆孔角度為主[6][7]，擬按以下方案進(jìn)行試驗(yàn)。巖壁梁爆破試驗(yàn)在主廠房進(jìn)行，巖壁梁試驗(yàn)區(qū)具體位置如圖7所示。每個(gè)試驗(yàn)區(qū)分5組參數(shù)進(jìn)行爆破試驗(yàn)，每次爆破長(zhǎng)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(jìn)行導(dǎo)向定位，確保鉆孔深度以及鉆孔角度與設(shè)計(jì)一致。裝藥時(shí)，孔口采用炮泥或浸濕的炸藥包裝紙進(jìn)行輕堵，爆破后通過(guò)檢查對(duì)比，對(duì)爆破效果的評(píng)價(jià)如表2所示。

從表中可以看出，為了更好地確保開(kāi)挖質(zhì)量，經(jīng)綜合比選，保護(hù)層及巖臺(tái)開(kāi)挖光面爆破的鉆爆參數(shù)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(dòng)監(jiān)測(cè)

爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)主要用于監(jiān)測(cè)開(kāi)挖爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，測(cè)得的振動(dòng)速度數(shù)據(jù)為爆破開(kāi)挖和主要水工建筑物安全提供了評(píng)價(jià)依據(jù)。

圖7 巖壁梁試驗(yàn)平面布置圖

保護(hù)層及巖臺(tái)開(kāi)挖光面爆破試驗(yàn)效果評(píng)價(jià) 表2

爆破振動(dòng)檢測(cè)參數(shù)表 表3

在巖臺(tái)開(kāi)挖的過(guò)中開(kāi)展了多次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)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(gè)方向的振動(dòng)速度傳感器。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)得到的最大振動(dòng)速度為5.59 cm/s，其中廠房軸線水平方向最大振動(dòng)速度為3 cm/s，垂直廠房軸線水平方向最大振動(dòng)速度為2.99 cm/s，鉛直方向最大振動(dòng)速度為3.36cm/s，均小于振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)10cm/s。

4.3 松動(dòng)圈聲波測(cè)試

松動(dòng)圈聲波測(cè)試主要利用超聲波在不同種類(lèi)的介質(zhì)中傳播速度不盡相同的特性，來(lái)檢測(cè)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(chē)梁壁座四個(gè)斷面部位開(kāi)展了8個(gè)孔的聲波測(cè)試，共檢測(cè)了240個(gè)不同深度的測(cè)點(diǎn)。8個(gè)孔的聲波檢測(cè)均采用炮前炮后同一深度波速對(duì)比判斷巖石松弛深度，松動(dòng)圈厚度均小于0.2 m。

5 結(jié)語(yǔ)

巖壁梁的施工技術(shù)是地下廠房開(kāi)挖過(guò)程中最核心、最關(guān)鍵的技術(shù)?？?jī)溪水電站地下廠房巖壁梁所在的第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖施工中，在確保巖壁梁施工安全、質(zhì)量良好的前提下，各工序?qū)嵤┝恕翱v向多工序，部位多協(xié)調(diào)”的平行流水作業(yè)。為了使得巖壁梁巖臺(tái)成形質(zhì)量較好、確保爆破后圍巖的穩(wěn)定性較高、盡量減少巖臺(tái)超欠挖及爆破振動(dòng)，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(tái)開(kāi)挖過(guò)程中平均半孔率達(dá)97%，開(kāi)挖面平整度達(dá)0cm～5cm，巖臺(tái)孔壁無(wú)爆破裂隙，上下拐點(diǎn)也基本上在一條直線上。施工人員對(duì)巖壁梁開(kāi)挖技術(shù)的工藝創(chuàng)新和成功應(yīng)用也為類(lèi)似工程施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

圖8 爆破成型效果