抽水蓄能電站地下廠房Ⅰ層爆破開(kāi)挖施工技術(shù)

劉 蕊，余 健

（中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)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(tái)單機(jī)容量300 MW 豎軸單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組，總裝機(jī)容量1800 MW。地下廠房采用中部布置方式，由主機(jī)間、安裝間和副廠房組成，呈“一”字形布置。地下廠房開(kāi)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(kāi)挖層高為10.5 m，最大開(kāi)挖跨度為27.5 m。洞室結(jié)構(gòu)采用噴錨支護(hù)：砂漿錨桿￠28/預(yù)應(yīng)力樹(shù)脂錨桿￠32@1.5 m×1.5 m，L=6 m/9 m，間隔布置；掛網(wǎng)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(zhì)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(nèi)未見(jiàn)較大斷裂構(gòu)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(kāi)挖技術(shù)分析

3.1 開(kāi)挖程序規(guī)劃

針對(duì)地下廠房自身結(jié)構(gòu)特性、地勘資料、施工機(jī)械選型、洞室空間結(jié)構(gòu)形式、通道布設(shè)、施工工藝質(zhì)量、爆破裝藥結(jié)構(gòu)等多重因素相互影響和制約下，在確保廠房頂拱結(jié)構(gòu)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(cuò)距并切割若干小跨度斷面的開(kāi)挖方法[1]。因此，地下廠房頂拱層開(kāi)挖以水平掘進(jìn)方式通過(guò)廠房頂部通風(fēng)兼安全洞側(cè)貫入，以中導(dǎo)洞延伸進(jìn)入頂拱層掘進(jìn)開(kāi)挖，整體行進(jìn)方向由左端墻至右端墻單向掘進(jìn)方式。頂拱層分部位開(kāi)挖法以中導(dǎo)洞摸頂領(lǐng)先，兩側(cè)邊拱擴(kuò)挖漸近錯(cuò)距跟進(jìn)的施工順序，分部分區(qū)域錯(cuò)距“之字形”推進(jìn)方式實(shí)施。

3.2 爆破設(shè)計(jì)

為最大限度提升爆破效率及開(kāi)挖輪廓線的平整度，減小爆破對(duì)圍巖振動(dòng)破壞和縮小爆破松弛圈范圍，地下廠房在開(kāi)挖施工前必須進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)。爆破設(shè)計(jì)的目的是根據(jù)圍巖地質(zhì)條件和掘進(jìn)掌子面尺寸，設(shè)計(jì)最優(yōu)孔深、孔距、掏槽型式、裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)及起爆順序等爆破參數(shù)[2]。清原抽水蓄能電站地下廠房頂拱層開(kāi)挖施工均采用周邊孔光面爆破，不耦合間隔裝藥，底部加強(qiáng)裝藥；掏槽孔、崩落孔、底孔不耦合連續(xù)裝藥，導(dǎo)爆索、非電導(dǎo)爆管敷設(shè)起爆網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際施工中，爆破設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)依據(jù)地質(zhì)條件的變化和爆破效果及時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)化，嚴(yán)格控制炸藥單耗，盡量降低單孔裝藥量以控制爆破振動(dòng)，以期達(dá)到最佳爆破效果，并指導(dǎo)后續(xù)施工。

3.3 掏槽形式選擇

掏槽孔爆破只有一個(gè)自由面，破碎巖石的難度較大，而掏槽質(zhì)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(dá)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(lái)可分為斜孔掏槽和直孔掏槽兩大類[3]。結(jié)合清原抽水蓄能電站地下廠房圍巖地質(zhì)條件和掘進(jìn)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(jìn)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(shù)目少，單位耗藥量少，槽孔位置和傾角的精度對(duì)爆破效果影響較小，容錯(cuò)率較高。

4 開(kāi)挖質(zhì)量控制

地下廠房頂拱層開(kāi)挖施工遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、勤支護(hù)”原則，每循環(huán)施工工序包括施工準(zhǔn)備、測(cè)量放樣、炮孔布置、造孔、裝藥聯(lián)網(wǎng)爆破、通風(fēng)排煙、安全檢查及處理、出渣、清底、隨機(jī)支護(hù)、系統(tǒng)支護(hù)等項(xiàng)目，各工序銜接對(duì)于地下廠房施工作業(yè)有序開(kāi)展尤為重要。

4.1 測(cè)量放樣

洞室爆破開(kāi)挖的第一道工序?yàn)榭孜坏臏y(cè)量放樣，測(cè)量精度是總體開(kāi)挖質(zhì)量控制的基礎(chǔ)和前提。為保證洞室施工測(cè)量精度，施工時(shí)配備專業(yè)測(cè)量技術(shù)人員及全站儀進(jìn)行測(cè)量。

1）測(cè)量工序。洞內(nèi)測(cè)量利用洞口導(dǎo)線控制點(diǎn)在洞口設(shè)置精度控制點(diǎn)；再利用洞口導(dǎo)線控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，洞內(nèi)的開(kāi)挖控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量設(shè)置，即增加測(cè)回次數(shù)，對(duì)一個(gè)點(diǎn)在不同的條件下進(jìn)行多次觀測(cè)，并利用弦線偏角法和進(jìn)口已聯(lián)測(cè)的大地坐標(biāo)系統(tǒng)相互進(jìn)行控制。開(kāi)挖掌子面的輪廓線放樣主要根據(jù)掌子面的樁號(hào)計(jì)算出洞頂、拱腳及圓弧段圓心等特征點(diǎn)高程，現(xiàn)場(chǎng)放樣洞軸線及上述相關(guān)特征點(diǎn)高程，根據(jù)圓心點(diǎn)位置定出設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓線。

2）孔位放樣。造孔前由專業(yè)測(cè)量技術(shù)人員負(fù)責(zé)測(cè)量放樣工作，根據(jù)設(shè)計(jì)開(kāi)挖斷面，采用紅外線激光定位技術(shù)放樣，通過(guò)逐孔放點(diǎn)方式精確測(cè)設(shè)所有周邊孔開(kāi)孔點(diǎn)位置，并用紅油漆清晰標(biāo)記，每個(gè)周邊孔的坐標(biāo)應(yīng)提前計(jì)算確定。采用隔孔放點(diǎn)方式給每?jī)蓚€(gè)周邊孔點(diǎn)位測(cè)設(shè)一個(gè)后視點(diǎn)，用于鉆工進(jìn)鉆時(shí)校正炮孔的孔位偏差、高差以及孔斜，后視點(diǎn)距離掌子面2.0～2.5 m，且后視點(diǎn)必須注明實(shí)際超挖值，以便鉆工參照該值控制鉆桿釬尾與設(shè)計(jì)輪廓線的相對(duì)距離，防止出現(xiàn)過(guò)大的外插角。

4.2 鉆孔工藝

為達(dá)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(cuò)臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃，達(dá)到“一孔到底”的效果。地下廠房開(kāi)挖施工中，鉆孔工藝是開(kāi)挖成型質(zhì)量控制的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而鉆孔質(zhì)量好壞受孔位、孔徑、孔深、孔斜、孔向、孔數(shù)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(zhǔn)”要求，即炮孔相互平行，炮孔垂直于開(kāi)挖斷面，炮眼孔底整齊落在同一平面上，炮孔開(kāi)孔位置準(zhǔn)確。

1）開(kāi)孔精度控制。開(kāi)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(kāi)鉆容易打滑使開(kāi)孔方向產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致與下排炮開(kāi)孔位置無(wú)法平順相接。因此，當(dāng)掌子面開(kāi)孔巖面不平整時(shí)，應(yīng)該由多人從各方位對(duì)鉆孔位移進(jìn)行有效約束確保開(kāi)孔精度，盡量減小開(kāi)孔方向的偏差；同時(shí)對(duì)局部凸起不平影響鉆頭開(kāi)孔的巖面進(jìn)行修鑿平整，確保鉆機(jī)沿設(shè)計(jì)的孔向進(jìn)鉆，精確控制開(kāi)孔位置。其次鉆孔時(shí)優(yōu)先采用短鉆桿開(kāi)孔，且開(kāi)孔階段鉆進(jìn)壓力不宜過(guò)大，避免鉆桿出現(xiàn)向下或側(cè)向的彎曲，影響開(kāi)孔角度。

2）鉆孔方向控制。鉆工在進(jìn)鉆時(shí)如果無(wú)法有效控制鉆機(jī)的位置，鉆桿尾部與孔內(nèi)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(chǎn)生彎曲；其次鉆進(jìn)壓力過(guò)大迫使鉆桿出現(xiàn)撓度在旋轉(zhuǎn)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(xiàn)彎曲的弧度偏向一側(cè)孔壁形成“飄孔”。因此為了有效控制鉆孔方向，鉆工在造孔過(guò)程中應(yīng)該將釬桿尾部對(duì)準(zhǔn)后視點(diǎn)，保證開(kāi)孔點(diǎn)、后視點(diǎn)及鉆機(jī)卡釬器三點(diǎn)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(jìn)，同時(shí)嚴(yán)格控制鉆孔推進(jìn)壓力，盡量減小鉆孔方向偏差。實(shí)際鉆孔過(guò)程中，如在孔道內(nèi)遇到裂隙、軟弱夾層、滑面、軟硬互層等結(jié)構(gòu)構(gòu)造使巖層具有不均質(zhì)性時(shí)，鉆頭也易沿著層理面方向鉆進(jìn)偏離鉆孔軸線而發(fā)生彎曲。

3）鉆孔外插角控制。鉆工在實(shí)際炮孔鉆進(jìn)過(guò)程中，由于手風(fēng)鉆尾部的消音罩需占用大約10 cm的空間，導(dǎo)致鉆桿尾部無(wú)法緊貼巖面處于設(shè)計(jì)開(kāi)挖線上，而掌子面開(kāi)鉆時(shí)必須按照設(shè)計(jì)輪廓線開(kāi)孔，使得鉆工在進(jìn)鉆時(shí)必須考慮一定的外插角，因此炮孔出現(xiàn)孔斜孔底產(chǎn)生超挖是必然的，并且上排炮孔底部位是下排炮的開(kāi)鉆位置，孔底合理的超挖為下排炮開(kāi)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(kāi)挖施工技術(shù)規(guī)范》要求，“相鄰兩茬炮之間的臺(tái)階或鉆孔的最大偏斜值應(yīng)小于20 cm”，實(shí)際鉆孔過(guò)程中控制外插角不超過(guò)arcsin（0.15/3.0）=2.87°，確保相鄰兩排炮接茬部位的超挖錯(cuò)臺(tái)不超過(guò)15 cm。

4）人為因素控制。鉆孔質(zhì)量受人為因素影響較大，鉆孔時(shí)應(yīng)挑選熟練的操作手，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)鉆爆圖的規(guī)定鉆孔作業(yè)，架設(shè)鉆機(jī)開(kāi)孔時(shí)必須在測(cè)量標(biāo)記的孔位開(kāi)鉆。實(shí)施造孔施工規(guī)劃，各鉆工分區(qū)、分部位定人定位施鉆，實(shí)行嚴(yán)格的鉆工作業(yè)質(zhì)量經(jīng)濟(jì)考核責(zé)任制，以增強(qiáng)管控手段提升鉆工對(duì)工程的質(zhì)量意識(shí)及重視程度。鉆孔作業(yè)期間由技術(shù)員及時(shí)對(duì)炮孔的孔位、孔深、孔斜等施工參數(shù)進(jìn)行檢查是否滿足規(guī)范要求。

鉆孔結(jié)束后，利用高壓風(fēng)進(jìn)行吹孔，直至巖屑和石碴全部清除出孔外，最后由技術(shù)人員對(duì)孔號(hào)、孔徑、孔深、鉆孔角度進(jìn)行編錄，炮孔需經(jīng)過(guò)監(jiān)理工程師驗(yàn)收合格后方可裝藥聯(lián)網(wǎng)爆破。

4.3 裝藥工藝

1）裝藥參數(shù)。為達(dá)到高質(zhì)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(shí)孔壁上的壓力峰值，從而在炮孔內(nèi)形成準(zhǔn)靜壓狀態(tài)，這是光面爆破實(shí)現(xiàn)的必備條件。合適的周邊孔不耦合系數(shù)使爆炸后作用于炮孔巖壁的壓力低于圍巖抗壓強(qiáng)度，而高于抗拉強(qiáng)度。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐證明，當(dāng)不耦合系數(shù)為2.0左右時(shí)，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(hào)巖石乳化炸藥，標(biāo)準(zhǔn)φ25 mm 藥卷（L=20 cm，q=100 g），其不耦合系數(shù)D=42/25=1.68，滿足光面爆破參數(shù)要求。同時(shí)周邊孔光面爆破裝藥參數(shù)必須嚴(yán)格控制裝藥集中度，依據(jù)DL/T5099-2011《水工建筑物地下工程開(kāi)挖施工技術(shù)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(zhì)量為100 g/卷，為便于現(xiàn)場(chǎng)裝藥施工，周邊孔裝藥取0.7 kg/孔，此時(shí)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(jié)構(gòu)。線裝藥密度表示炮孔內(nèi)裝藥部分單位長(zhǎng)度的藥量，相同的線裝藥密度在不同的裝藥結(jié)構(gòu)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(dāng)單孔藥量不變時(shí)，如果空氣間隔偏大，孔內(nèi)單個(gè)藥包藥量過(guò)大，爆轟能量集中，會(huì)對(duì)孔壁圍巖造成拉伸破壞；反之如果空氣間隔偏小，孔內(nèi)單個(gè)藥包藥量過(guò)小，必然加大藥卷加工難度和成本，因此需要選擇科學(xué)合理的裝藥結(jié)構(gòu)。對(duì)于均質(zhì)性較好、強(qiáng)度較高或巖石硬度較大的巖體，空氣間隔可取10～20 cm，根據(jù)炸藥本身性能及傳爆效果與光爆效果好壞，可以適當(dāng)增大?？椎撞捎眉訌?qiáng)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(zhǎng)爆轟力在孔內(nèi)作用時(shí)間，可以提高約8%～10%的爆破效率。藥卷安裝時(shí)必須按要求綁扎在竹片上，并用膠帶固定，確保藥卷在孔內(nèi)的位置均勻準(zhǔn)確，裝藥時(shí)竹片應(yīng)向外側(cè)靠近輪廓線，藥卷靠?jī)?nèi)側(cè)朝向最小抵抗線。

3）爆破網(wǎng)絡(luò)。裝藥前對(duì)炮孔進(jìn)行徹底沖洗，以防孔內(nèi)坍塌、堵塞。周邊孔齊發(fā)爆破，孔內(nèi)采用導(dǎo)爆索進(jìn)行串聯(lián)，孔外采用導(dǎo)爆索并聯(lián)成爆破網(wǎng)絡(luò)，爆破網(wǎng)絡(luò)由孔外非電毫秒導(dǎo)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(jié)構(gòu)，孔口封堵不小于炸藥的最小抵抗線。爆破采用非電毫秒導(dǎo)爆管串聯(lián)或并聯(lián)形成爆破網(wǎng)絡(luò)，同段并聯(lián)，不同段串聯(lián)?？變?nèi)非電雷管引爆，孔外由非電毫秒導(dǎo)爆管控制起爆順序，形成微差毫秒爆破。爆破順序?yàn)樘筒劭住o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(shí)差在40～200 ms 之間，并控制雷管號(hào)盡量在ms15 以下，ms15 以上延時(shí)誤差較大，爆破效果不穩(wěn)定。

4.4 質(zhì)量評(píng)價(jià)

清原抽水蓄能電站地下廠房Ⅰ層開(kāi)挖面不平整度小于15 cm。炮孔裂痕在開(kāi)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(duì)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(kāi)挖面超欠挖測(cè)量成果可知，地下廠房Ⅰ層無(wú)欠挖，超挖值小于15 cm 測(cè)點(diǎn)占比72.9%，超挖值小于20 cm 測(cè)點(diǎn)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(kāi)挖不宜大于20 cm”的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

1）清原抽水蓄能電站地下廠房頂拱層開(kāi)挖采用精益光面爆破施工技術(shù)，整體爆破開(kāi)挖質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)，滿足電站安全穩(wěn)定運(yùn)行要求，充分說(shuō)明了地下廠房頂拱層的開(kāi)挖規(guī)劃、爆破設(shè)計(jì)、施工方法、掏槽方式的選擇是科學(xué)合理的，測(cè)量放樣、鉆孔工藝及裝藥工藝的質(zhì)量控制是有效可行的，工程質(zhì)量管控體系的運(yùn)行是平穩(wěn)可控的。同時(shí)，其施工成果也為國(guó)內(nèi)大跨度地下廠房頂拱層爆破開(kāi)挖施工提供了工程實(shí)例和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

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(shù)，開(kāi)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(cuò)臺(tái)均滿足規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)洞室設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓成型規(guī)整，減小圍巖應(yīng)力集中和局部落石現(xiàn)象，而且能夠最大限度減輕爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)和破壞，盡可能保存圍巖自身原有的承載能力，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀況，該工程光面爆破與錨噴支護(hù)相結(jié)合，即加快了錨噴支護(hù)的施工進(jìn)度，同時(shí)也節(jié)省了大量噴混凝土量，降低工程造價(jià)成本，提高了施工企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。