多裂隙Ⅳ類圍巖地質條件下地下廠房巖壁吊車梁開挖施工

梁 劍

(中國水利水電第九工程局有限公司，貴陽，550008)

1 工程概述

1.1 工程概況

山西省小浪底引黃工程位于山西省運城市，是自黃河干流上的小浪底水利樞紐工程向山西省涑水河流域調水的大型引調水工程。工程年引水量為2.47億m3，設計流量20m3/s。工程引水干線起始于垣曲縣境內板澗河河口右岸的小浪底水庫庫區(qū)，終止于聞喜縣境內的呂莊水庫，線路總長度59.6km。

地下泵站廠區(qū)主要建筑物由地下泵站(包括主泵房、安裝間和副廠房)、通風機室、出水閥室、電纜豎井及連接洞、交通洞、通風洞、灌漿排水廊道、地面廠區(qū)等建筑物組成。

地下泵站廠房安裝6臺(4臺工作2臺備用)立式、單吸、三級離心泵，單機引用流量5m3/s，水泵設計揚程236.10m。廠房由主機間、副廠房及安裝間組成，機組間距11m/11.05m，吊車梁以上開挖寬度22.1m，以下開挖寬度20.9m，從上至下依次為電動機層、電纜層、水泵層和進水閥層，其中水泵安裝高程為211.4m，電動機層高程為223.5m，頂拱開挖高程244.0m，最大開挖高度40.5m。主泵房長77.05m，安裝間長16m，副廠房位于主泵房左側，長16.95m，泵房總長110m。

1.2 工程地質條件

地下泵站最大埋深240m，泵站圍巖以層狀巖層為主，均一性較差，根據地下廠房開挖揭露的地質情況，地下泵站廠房巖壁吊車梁地層為奧陶系下統(tǒng)(O1)，巖層產狀NE16°～39°、SE∠22°～30°淺黃色薄～中厚層夾厚層白云巖，巖層傾向下游偏河谷。巖體中主要發(fā)育四組節(jié)理裂隙：①NE4°～30°、NW∠61°～85°；②NE69°～88°、NW或NE∠67°～85°；③NW300°～330°、SW∠62°～87°；④NE40°～60°、NW∠55°～85°。延伸長度一般0.3m～1.3m，裂隙面平直粗糙，泥鈣質充填或無充填，裂隙寬度一般2mm～6mm，最大可見寬度13mm。

1.3 工程結構形式

巖壁吊車梁為廠房第二層開挖，高程235.0m～228.0m，層高7.0m，巖壁吊車梁拐點以上寬22.1m、巖壁吊車梁拐點以下寬20.9m，拐點以上高2.90m、拐點以下高3.23m；巖壁吊車梁斜面高程232.10m～231.23m，寬60cm。

2 施工技術方案

2.1 施工道路布置

地下泵房巖壁吊車梁層施工道路布置主要利用已開挖完成的1#通風洞、上層灌漿廊道、1#交通洞作為出渣通道。后期巖壁吊車梁混凝土澆筑主要利用1#交通洞作為施工通道。施工道路布置詳見圖1。

圖1 施工道路布置

2.2 開挖分區(qū)

巖壁吊車梁為廠房第二層開挖，開挖高程235.0m～228.0m，層高7.0m，巖壁吊車梁底以下開挖高3.23m；巖壁吊車梁層以下為第三層開挖，開挖高程228.0m～223.0m，層高5.0m。巖壁吊車梁層分3區(qū)進行開挖，分別為：中間拉槽區(qū)、兩側預留保護層區(qū)、巖壁吊車梁開挖區(qū)。中間拉槽一次開挖完成；保護層分三層自上而下開挖完成；巖壁吊車梁一次開挖形成。

中間拉槽區(qū)寬13.9m；巖壁吊車梁保護層寬3.5m；巖壁吊車梁頂寬0.6m。

巖壁吊車梁層開挖分區(qū)平面布置見圖2。

圖2 巖壁吊車梁層開挖分區(qū)平面布置

2.3 開挖順序

首先進行巖壁吊車梁層中間拉槽，中間拉槽至安裝間底板，具備從安裝間底板經1#交通洞出渣后，開始進行上游面巖壁吊車梁保護層開挖；上游巖壁吊車梁保護層開挖進尺30m后，開始進行下游面巖壁吊車梁保護層開挖；下游面巖壁吊車梁保護層開挖進尺30m后，開始進行上游面巖壁吊車梁開挖；上游面巖壁吊車梁進尺30m后，開始進行下游面巖壁吊車梁開挖。具體開挖順序如下：

預留保護層預裂→中間拉槽→上游保護層開挖→下游保護層開挖→上游巖壁吊車梁開挖→下游巖壁吊車梁開挖。

2.4 中間拉槽開挖

在進行中間拉槽開挖前，先進行巖壁吊車梁保護層預裂爆破，具體方案如下。

2.4.1 開挖分區(qū)

首先采用潛孔鉆造預裂孔，從副廠房廠左0+30.40樁號向安裝間廠右0+79.60樁號分區(qū)域進行施工，30m長為一開挖區(qū)；預裂爆破后立即進行中間拉槽開挖，預裂爆破超前中間拉槽爆破30m。

2.4.2 周邊預裂爆破

預裂爆破采用潛孔鉆造孔，在造孔前，先用紅油漆標識出開挖分區(qū)邊線，在預裂區(qū)通一條直線，潛孔鉆參照直線位置及高程進行造孔；造孔過程中隨時對孔向進行檢查，確保孔向垂直底板。

根據巖層條件，結合廠房235.00m以上開挖爆破施工經驗，具體參數如下：

(1)造孔：孔徑70mm、孔距0.8m、孔深7.0m。

(2)裝藥量：采用φ32mm的乳化炸藥裝藥，線裝藥密度300g/m～400g/m?？椎撞?.0m范圍內的線裝藥密度為設計線裝藥密度的兩倍；炮孔頂部1.0m范圍內的線裝藥密度為設計線裝藥密度的一半。

(3)裝藥：根據設計裝藥量，將2～4節(jié)φ32mm的乳化炸藥綁在一起，并與導爆索同時捆綁在竹片上放入孔中，然后用導爆索將所有起爆孔連接起來。

(4)堵塞：孔口采用鉆屑堵塞，堵塞長度1.0m～1.5m。

2.4.3 中間拉槽開挖

采用潛孔鉆造孔，根據巖層條件，結合廠房235.00m高程以上開挖爆破施工經驗，具體參數如下：

(1)造孔：孔徑90mm、孔距2.0m×2.0m、孔深7.0m，孔位成梅花型布置，主爆孔距預裂邊線1.0m。

(2)裝藥量：采用φ70mm的乳化炸藥裝藥，單耗0.45kg/m3～0.55kg/m3。

(3)裝藥：將藥卷劃破，把炸藥裝入孔內，并將竹竿放入孔內進行擠壓，確保炸藥填滿孔內。

(4)堵塞：采用鉆屑堵塞，長度2.0m～2.5m。

2.4.4 出渣

爆破石渣采用3m3側卸式裝載機配合1.0m3挖掘機裝渣，20t自卸車運渣至棄渣場。

2.5 巖壁吊車梁保護層開挖

巖壁吊車梁為廠房第二層開挖，分3區(qū)進行開挖，中間拉槽至安裝間后，開始進行保護層開挖。保護層開挖采用手風鉆造孔，按照常規(guī)保護層分3層一次爆破成型，但由于小浪底引黃工程地下泵站巖壁梁圍巖條件差，裂隙發(fā)育延伸長、夾泥，按照傳統(tǒng)的保護層一次爆破開挖容易造成在保護層開挖過程中就將巖臺下拐點部位破壞。

為減少爆破擾動影響范圍，對開挖的巖壁梁3.5m保護層采取兩次光面爆破開挖，第一次光面爆破開挖1.75m，第二次光面爆破開挖1.75m，每輪開挖長度15m，光面孔與主爆孔之間排距為90cm，主爆孔間距100cm，周邊孔間距40cm，線裝藥密度為80g/m～100g/m，開挖順序按照圖3中序號①-⑥進行。

具體分層詳見圖3。保護層開挖時，布置1排主爆孔和1排光面孔，爆破參數詳見表1。

圖3 巖壁梁保護層二次分層開挖分層

表1 巖壁梁保護層二次分層開挖爆破參數

2.6 巖壁吊車梁開挖

巖壁吊車梁豎直光爆孔與保護層第②區(qū)造孔同時進行，保護層開挖進尺30m后，開始進行巖壁吊車梁斜面造孔，造孔在樣架上進行。造孔完成后，垂直面與斜面同時裝藥及起爆，一次爆破長度按15m進行分區(qū)爆破。

2.6.1 樣架搭設

巖壁吊車梁豎直光爆孔、斜面光面孔，采用手風鉆在搭設的鋼管樣架上進行造孔，以控制鉆孔精度，搭設步驟及具體要求如下：

(1)樣架分為巖壁吊車梁豎直孔樣架與斜面孔樣架，豎直孔樣架搭設在巖壁吊車梁233.00m層，斜面孔樣架搭設在228.00m層。

(2)樣架由支撐管、導向管組成，樣架搭設順序為先支撐鋼管、后導向管，鋼管與鋼管之間采用扣件進行連接，與導向管相鄰部位縱向水平鋼管的連接須采用對接扣件。在邊墻已開挖巖面先設置φ25、L=1.0m的錨桿，樣架搭設前應再次檢查超欠挖情況，嚴格按照測量放線進行搭設。先搭設橫向固定鋼管，鋼管與設置在邊墻上的錨桿固定；再搭設豎向定位鋼管和縱向連接鋼管，豎向定位鋼管底部緊貼基巖面，以保證樣架穩(wěn)定；最后搭設斜撐鋼管，搭設完后將樣架加固在邊墻錨桿上。樣架搭設固定好后安裝導向管，采用扣件將導向管固定在樣架上、扭緊螺帽加固。

(3)所有樣架搭設必須牢固可靠，鋼管端部與開挖面距離20cm，橫向鋼管與設置在邊墻上的錨桿連接，以形成整體穩(wěn)定。

(4)導向管采用φ48鋼管(內徑42mm)，導向管采用扣件固定在樣架上，按照測量放線調整好孔向、孔位后，扭緊螺帽加固。為了確保造孔精度，導向鋼管周轉使用視現(xiàn)場實際情況確定，不得超過3次，導向管一但出現(xiàn)變形、彎曲時，嚴禁使用。

2.6.2 下拐點鎖腳錨桿施工

為保證巖壁吊車梁成型質量，在進行巖壁吊車梁爆破前，在拐點以下按照設計圖紙先施工一排錨桿進行加固，然后再進行巖壁吊車梁開挖作業(yè)。巖壁吊車梁巖壁處巖體較差時，巖壁爆破前采取在下拐點布設短錨桿、扁鐵縱向焊接進行下拐點保護。錨桿布置在下拐點以下20cm處，布置兩排φ25錨桿，L=1.5m，間距1m；設置2道鍍鋅扁鋼(型號-80×6)與錨桿焊接，并在表面噴射C25混凝土保護。具體詳見圖4。

圖4 巖壁梁下拐點保護圖

2.6.3 測量放樣

采用精度較高的萊卡全站儀施測，檢查已開挖底板和邊墻的超欠挖情況，對樣架設計高程和位置進行放樣，確保樣架搭設滿足導向管安裝及作業(yè)人員造孔施工。巖壁吊車梁豎直孔與斜面孔測量放樣要求放出孔口高程、樁號，同時還需放出孔向角度(包括超鉆的5cm在內)，經測量放樣后，采用紅漆在墻上標記出孔位編號，對鉆工進行詳細的技術交底，包括孔向角度、鉆孔孔深等。豎直孔與斜面孔孔位必須在同一樁號，將孔底重合在一點。

2.6.4 爆破參數設計

(1)造孔

為了避免引起欠挖，以巖壁吊車梁轉角點為起點，將豎直孔及斜面孔孔底水平向外移動5cm，造孔孔深增加5cm，孔底采用石粉封堵，以保證巖壁梁巖臺開挖上拐點成型，由此引起的超挖采用與巖壁吊車梁同標號的混凝土澆筑。

采用手風鉆造孔，豎直光面孔與斜面光面孔孔距為35cm，孔徑均為42mm，鉆孔精度通過樣架上的導向管進行控制。

用油漆標注出鉆孔位置，開孔前檢查孔位是否在開口線位置，確?？孜粺o誤后再繼續(xù)施鉆，并在鉆進過程中注意檢查。鉆孔根據孔深，采用不同長度的鉆桿進行更換。對于孔深控制，施鉆過程中除了現(xiàn)場技術人員采用卷尺進行實測外，同時還采取在樣架上設置限位桿或在鉆桿上做標記控制。

巖壁吊車梁保護層第二層鉆孔時，巖壁吊車梁豎直光面孔一并實施，造孔完成后，立即插入φ35PPR管并用棉紗進行孔口堵塞保護，避免保護層開挖爆破震動將孔內堵塞，PPR管端部超出孔口高20cm。巖壁吊車梁垂直孔造孔完成后，拆除樣架，進行保護層造孔。保護層開挖完成后，在228.00m高程搭設樣架，再進行斜面光面孔造孔。

(2)裝藥量

采用φ32乳化炸藥，線裝藥密度為80g/m～100g/m，孔底部0.5m范圍內的線裝藥密度為設計線裝藥密度的兩倍。

(3)裝藥

斜面孔造孔結束后，將同一區(qū)域垂直孔內安裝的PPR管拔出，垂直孔與斜面孔同時裝藥。根據設計裝藥量，將φ32乳化炸藥切割成2cm～5cm長一節(jié)，全部綁在2.0cm寬竹片上，裝藥時竹片應貼保留巖壁的方向，斜面孔和豎直孔采取同時起爆。

2.6.5 出渣

爆破結束后，采取人工清除巖面石渣，嚴禁采用挖掘機清除，避免爆破巖面受損。清除石渣采用挖掘機裝車，20t自卸汽車運渣至棄渣場。

巖壁吊車梁開挖施工工序見圖5，巖壁吊車梁巖臺開挖爆破參數詳見表2。

圖5 巖壁吊車梁開挖施工工序

表2 巖壁吊車梁巖臺開挖爆破參數設計

2.7 第三層邊墻預裂

為了避免第三層開挖爆破震動對巖壁吊車梁混凝土結構造成破壞，巖壁吊車梁開挖完成后，先進行第三層邊墻預裂爆破，然后再進行系統(tǒng)錨桿及結構混凝土澆筑，第三層高5.0m，具體方案如下：

2.7.1 測量放樣

用紅油漆標識出開挖分區(qū)邊線，在作業(yè)區(qū)通一條直線，潛孔鉆在直線上進行造孔，造孔過程中隨時對孔向進行檢查，確?？紫虼怪钡装?。

2.7.2 爆破參數

采用潛孔鉆造孔，根據巖層條件，結合廠房235.00m以上開挖爆破施工經驗，造孔參數如下：

(1)造孔：孔徑70mm、孔距0.6m～0.8m、孔深5.0m。

(2)裝藥量：采用φ32mm的乳化炸藥，線裝藥密度250g/m～350g/m。孔底部1.0m范圍內的線裝藥密度為設計線裝藥密度的兩倍；炮孔頂部1.0m范圍內的線裝藥密度為設計線裝藥密度的一半。

(3)裝藥：根據設計裝藥量，將2節(jié)φ32mm的乳化炸藥邦在一起，并與導爆索同時捆綁在竹片上放入孔中，然后用導爆索將所有起爆孔連接起來。

(4)堵塞：孔口采用鉆屑堵塞，堵塞長度1.0m～1.5m。

3 主要結論

(1)爆破參數設計線裝藥密度控制在80g/m～100g/m較為合適，鑒于地質條件對爆破質量影響較大，在巖臺開挖過程中需根據已開挖部位巖臺成型情況及保護層開挖的地質條件，及時總結經驗，優(yōu)化爆破參數，以達到較高的開挖質量。

(2)地下泵站巖壁梁圍巖條件差，裂隙發(fā)育延伸長、夾泥，按照傳統(tǒng)的保護層一次開挖容易造成巖壁梁巖臺開挖成型差，下拐點易破壞。為減小爆破擾動影響范圍，對開挖的巖壁吊車梁3.5m保護層采取兩次光面爆破開挖，能夠減小爆破對巖壁梁的損壞。

(3)在巖壁吊車梁開挖鉆孔時，將垂直孔造孔孔深增加5cm，孔底采用石粉封堵，能夠有效保證巖壁梁巖臺開挖上拐點成型，避免了上拐點二次處理增加的投入。

(4)在進行巖壁吊車梁開挖爆破前，采取在下拐點布設短錨桿、縱向焊接扁鐵進行下拐點保護，并在表面噴射混凝土保護，能夠有效提高巖壁梁成型率。

4 結語

根據現(xiàn)場揭露圍巖地質情況，通過爆破參數、起爆順序的優(yōu)化，保護層分層、分塊開挖，下拐點保護措施等對多裂隙層狀結構地質條件下地下廠房巖壁梁開挖進行綜合研究，總結出一套該地質條件下地下廠房巖壁梁開挖的施工程序、方法和工藝。施工過程中，水電九局深入技術研究、優(yōu)化技術方案，解決了施工難題，順利完成了巖壁梁開挖，在施工過程中進度、質量、安全可控，同時也給類似工程提供技術參考。