梅蓄電站地下廠房機(jī)坑深孔預(yù)裂爆破技術(shù)

何 毅

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650051）

1 概述

1.1 工程簡介

廣東梅州抽水蓄能電站地處廣州～汕頭粵東部分的中部，位于廣東省梅州市五華縣南部的龍村鎮(zhèn)黃獅村境內(nèi)。電站距梅州市公路里程為166 km。電站樞紐建筑物主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)及發(fā)電廠房系統(tǒng)4部分組成。上、下水庫落差約400 m，上下水庫總庫容分別為4 102萬m3和4 382萬m3。電站一期裝機(jī)容量2 400 MW，共裝設(shè)8臺(tái)單機(jī)300 MW立軸、可逆、單級混流式水泵水輪電動(dòng)發(fā)電機(jī)組，發(fā)電庫容按周調(diào)節(jié)考慮，電站滿裝機(jī)發(fā)電時(shí)間為14 h。

梅蓄電站地下廠房開挖尺寸為（長）173 m×（寬）28.30 m（巖壁吊車梁以下寬26.50 m）×（高）57.370 m（安裝間高25.17 m）；其中，主機(jī)間長105 m，機(jī)組中心間距24 m；右端安裝間長44 m，左端副廠房長24 m。廠房底板開挖高程298.00 m，機(jī)組安裝高程為315.00 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

梅蓄電站一期廠房布置區(qū)山體雄厚，廠房頂拱上覆巖體厚330 m左右，巖性為中粒黑云母花崗巖。巖體完整性好，鉆孔平均RQD值大于95%；洞室圍巖新鮮，巖體波速5 560 m/s～6 450 m/s，屬完整巖體；巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度大于70 MPa，屬堅(jiān)硬巖類。洞室圍巖質(zhì)量以Ⅱ類為主，約占66%；節(jié)理較發(fā)育部位為Ⅲ類，約占26%；局部巖脈發(fā)育段屬Ⅳ類圍巖，約占8%。

1.3 主副廠房機(jī)坑開挖體型

主副廠房機(jī)坑高程范圍為307.80 m，平臺(tái)以下至底板298.00 m，開挖深度9.8 m；平面開挖尺寸為129.1 m長×26.5 m寬。機(jī)坑內(nèi)共布置4臺(tái)機(jī)組尾水管、集水廊道和副廠房污水處理室。開挖體型見圖1。

圖1 梅蓄一期地下廠房機(jī)坑設(shè)計(jì)體型

2 地下廠房機(jī)坑深孔預(yù)裂爆破施工

2.1 地下廠房機(jī)坑爆破開挖方法綜述

機(jī)坑開挖是地下廠房開挖的最后一層，是整個(gè)廠房開挖中體型最復(fù)雜，洞室相貫最多，廠房邊墻保留巖體應(yīng)力釋放最劇烈，挖空率最高，廠房高邊墻應(yīng)力應(yīng)變臨近最大值的一層，也是爆破施工管理難度最大的一層。以往工程中常采用1號、3號…等奇數(shù)機(jī)坑超前開挖支護(hù)，2號、4號…等偶數(shù)機(jī)坑隨后跟進(jìn)的間隔開挖程序，每一機(jī)坑采用層高3 m～5 m薄層開挖，手風(fēng)鉆垂直或水平鉆孔，密孔小藥量崩落，周邊光爆開挖。從長期實(shí)踐來看，這一方法存在各機(jī)坑爆破施工干擾較大，機(jī)坑坑槽開挖面平整度差、爆破殘孔率低，以及機(jī)坑開挖多次爆破擾動(dòng)后，機(jī)坑開口線附近巖體脫落嚴(yán)重等問題；同時(shí)，機(jī)坑爆破使得廠房兩側(cè)高邊墻原有的支撐作用突然解除，邊墻保留巖體內(nèi)應(yīng)力的急劇變化將帶來較大的邊墻變形，可能引發(fā)機(jī)坑附近的上部母線洞、下部尾水管巖體變形過大問題。因此，在梅蓄一期機(jī)坑開挖中，采用的是機(jī)坑上部預(yù)留1.5 m～2 m保護(hù)層，對機(jī)坑全部開挖面先進(jìn)行深孔垂直預(yù)裂，再組織各機(jī)坑間隔開挖，各機(jī)坑采用手風(fēng)鉆水平鉆孔，3 m～5 m薄層鉆爆開挖，排炮循環(huán)進(jìn)尺5 m～7 m。深孔預(yù)裂設(shè)計(jì)范圍從保護(hù)層頂面至機(jī)坑底部，安排深孔預(yù)裂施工在機(jī)坑上部一層廠房邊墻支護(hù)過程中同步鉆孔，每鉆孔完成30 m～50 m范圍即進(jìn)行預(yù)裂爆破。因此從深孔預(yù)裂完成到機(jī)坑巖體全部挖除就有較長可調(diào)節(jié)時(shí)間。期間，深孔預(yù)裂雖然形成了減振保護(hù)縫，但機(jī)坑巖體與廠房邊墻又未完全脫離，廠房邊墻保留巖體不僅有了充裕的應(yīng)力釋放時(shí)間，還因機(jī)坑巖體仍然存在部分支撐作用使得廠房邊墻變形受到限制，有利于邊墻穩(wěn)定。且后續(xù)機(jī)坑開挖中僅進(jìn)行主爆孔鉆孔爆破，不穿插進(jìn)行光面控制爆破，使得機(jī)坑大規(guī)模開挖時(shí)的爆破施工程序大大減少，裝藥爆破工作量減少，極大縮短機(jī)坑爆破開挖循環(huán)時(shí)間，對加快廠房機(jī)坑開挖進(jìn)度較為有利。

2.2 深孔預(yù)裂爆破孔布置

2.2.1 孔深

深孔預(yù)裂爆破孔共分為兩類，機(jī)坑集水廊道兩側(cè)預(yù)裂孔自機(jī)坑保護(hù)層頂面EL.309.30 m開孔，鉆至機(jī)坑底部建基面EL.298.00 m，無超深，總孔深11.3 m；尾水管兩側(cè)預(yù)裂孔底部高程為300.30 m，無超深，總孔深9 m。

2.2.2 孔向

為免欠挖，預(yù)裂孔自設(shè)計(jì)開挖線外偏10 cm處開孔，再按孔底處超挖5 cm控制，11.3 m深及9 m深孔的鉆孔外偏角分別為arctan（0.05 m/11.3 m）=0.254°，以及arctan（0.05 m/9 m）=0.318°。

2.2.3 孔徑

綜合考慮鉆機(jī)和鉆具型號，鉆孔效率，以及預(yù)裂孔不耦合系數(shù)要求，機(jī)坑深孔預(yù)裂爆破孔孔徑選擇為Φ90 mm。

2.2.4 孔間距

深孔預(yù)裂孔間距按10倍爆破孔直徑初選，約90 cm左右，結(jié)合機(jī)坑開挖體型，深孔預(yù)裂爆破孔間距為60 cm～94 cm，詳見圖2。

2.2.5 轉(zhuǎn)角處炮孔設(shè)置

機(jī)坑兩個(gè)相互垂直的壁面交角處有“陽角”和“陰角”兩種情況，未免“陽角”處巖體被過度擾動(dòng)而缺角，也為免“陰角”處欠挖，將機(jī)坑側(cè)壁垂直相交的每一個(gè)轉(zhuǎn)角處3個(gè)預(yù)裂孔孔距加密為60 cm，且將該3個(gè)炮孔及其兩端相鄰的兩個(gè)預(yù)裂孔裝藥量減小，以減少對陽角的損傷，并確保陰角處不欠挖。

炮孔平面布置見圖2。

圖2 梅蓄一期地下廠房機(jī)坑深孔預(yù)裂爆破孔平面布置圖（單位：cm）

2.3 鉆孔設(shè)備

鉆孔直徑Φ90 mm，深度15 m以內(nèi)，可用D7、ZY890MK、CDH-931C等液壓潛孔鉆機(jī)，也可采用QZJ-100B風(fēng)動(dòng)潛孔鉆機(jī)。前者為自帶空壓機(jī)的履帶式液壓潛孔鉆機(jī)，Φ90 mm鉆孔每臺(tái)班進(jìn)尺約200 m，廣東省液壓潛孔鉆市場價(jià)約30元/m，施工效率較高；后者需配套供風(fēng)系統(tǒng)、搭設(shè)鉆機(jī)支架等工作，每米鉆孔耗時(shí)約11 min，QZJ-100B鉆機(jī)每臺(tái)班進(jìn)尺約45 m，綜合單價(jià)約51元/m，施工效率相對較低。梅蓄一期機(jī)坑深孔預(yù)裂總量為3 870 m，若用1臺(tái)液壓潛孔鉆造孔，總價(jià)約13.61萬元（含2萬元設(shè)備進(jìn)退場費(fèi)），工期約15 d；用2臺(tái)100B鉆機(jī)則總價(jià)約20.74萬元（含1萬元設(shè)備進(jìn)退場費(fèi)），工期約30 d。因此，從經(jīng)濟(jì)性和保障進(jìn)度方面考慮，選液壓潛孔鉆為優(yōu)，但液壓潛孔鉆鉆架體積過大，無法打設(shè)緊靠邊墻的垂直預(yù)裂孔，100B鉆機(jī)則無此問題，且100B鉆機(jī)在孔深15 m以內(nèi)時(shí)孔向精度較易控制，故梅蓄一期廠房機(jī)坑預(yù)裂綜合考慮后采用QZJ-100B型潛孔鉆鉆孔[1]。鉆機(jī)采用1.5寸鋼管搭設(shè)樣架固定，測量測放鉆機(jī)方位角，坡度尺隨時(shí)檢查傾角，確保鉆孔精度。樣架如圖3所示。

圖3 深孔預(yù)裂鉆機(jī)樣架（單位：cm）

2.4 爆破器材

根據(jù)當(dāng)?shù)鼗鸸げ牧瞎?yīng)情況及爆破需求，選用的主要爆破器材包括：2號巖石乳化炸藥（Φ2×300、Φ60×400兩種藥卷）、普通棉線導(dǎo)爆索[2]、3段和15段非電ms雷管、導(dǎo)爆管和激發(fā)針等。

2.5 裝藥結(jié)構(gòu)

采用導(dǎo)爆索傳爆，竹片固定藥包，間隔不耦合裝藥。主爆藥包為雙Φ32×300藥卷，不耦合系數(shù)約1.99。各孔底部一節(jié)Φ60×400藥卷加強(qiáng)，其余主爆藥包凈距48 cm，線裝藥密度約884 g/m。起爆雷管置于藥柱上部1/3處，聚能穴向下。采用粘土堵塞，堵塞段長度2.02 m。轉(zhuǎn)角處3個(gè)加密孔及其毗鄰的2個(gè)常態(tài)孔主爆藥包為單節(jié)Φ32×300藥卷，線裝藥密度減小為496 g/m，其余參數(shù)與常態(tài)孔一致。11.3 m深孔裝藥結(jié)構(gòu)見圖4。9 m深預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)參照執(zhí)行。

圖4 深孔預(yù)裂爆破裝藥結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）

2.6 爆破連線

根據(jù)爆破振動(dòng)測試回歸分析，梅蓄地下廠房完整花崗巖中K=80.97，地震波衰減指數(shù)α=1.24，按薩道夫斯基公式和《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的廠房高邊墻允許質(zhì)點(diǎn)安全振速V=7 cm/s[3]，爆區(qū)中心至高邊墻距離按發(fā)電機(jī)層高程計(jì)算R=26 m，可反算出機(jī)坑爆破最大單響藥量為：機(jī)坑深孔預(yù)裂中11.3 m孔單孔藥量最大為8.2 kg，因此，按照最多5孔一響進(jìn)行連線?？變?nèi)起爆雷管全部采用15段非電ms雷管，每5孔為一扎，各扎間采用2發(fā)3段非電ms管傳爆，進(jìn)行孔外延時(shí)，每次爆破不超過15扎，保證傳爆全部完成后第一扎預(yù)裂孔才起爆。

2.7 爆破效果

梅蓄一期廠房機(jī)坑全部3 870 m深孔預(yù)裂造孔、裝藥及爆破完成共耗時(shí)27 d，比計(jì)劃工期提前3 d。機(jī)坑開挖整體成型良好，坑槽規(guī)格線清晰，開挖面平整，超挖較小，僅預(yù)裂面底部有少量巖埂。深孔預(yù)裂爆破殘孔率普遍較高，平均為95%以上；機(jī)坑坑槽壁面平整度較高，預(yù)裂孔間無巖埂，壁面整體平整度在10 cm以下，整體開挖質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

梅蓄電站一期地下廠房機(jī)坑采用深孔預(yù)裂爆破，在機(jī)坑開挖前一層支護(hù)的過程中搭接進(jìn)行預(yù)裂施工，總共4個(gè)機(jī)坑中的2個(gè)機(jī)坑深孔預(yù)裂不占直線工期，且機(jī)坑預(yù)裂一次到位后各坑槽開挖只需打設(shè)主爆孔爆破，對保證機(jī)坑整體開挖進(jìn)度較為有利。深孔預(yù)裂單響藥量較大，爆破振動(dòng)大的問題也通過減少單響孔數(shù)方式得以解決，深孔預(yù)裂爆破有害效應(yīng)可以控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。深孔爆破殘孔率較高、開挖面平整，整體開挖質(zhì)量優(yōu)良。從節(jié)約成本方面考慮，若廠房上部開挖已投入液壓潛孔鉆，則可直接采用液壓潛孔鉆機(jī)作為機(jī)坑深孔預(yù)裂主要鉆孔設(shè)備，同時(shí)補(bǔ)充少量100B鉆機(jī)打設(shè)的緊靠巖壁的預(yù)裂孔，綜合成本相對較低。但從梅蓄一期廠房機(jī)坑深孔預(yù)裂爆破效果來看主要有3點(diǎn)不足，①預(yù)裂孔底部沒有超深，雖然加大了底部裝藥量，但是預(yù)裂面底部還是出現(xiàn)個(gè)別巖埂，預(yù)裂孔底部宜超深30 mm～50 cm；②深孔預(yù)裂相對于常規(guī)的手風(fēng)鉆小孔徑密孔預(yù)裂來說，線裝藥密度增加約3倍有余，單響藥量較大，預(yù)裂爆破地震波豎直向上傳播并在地面反射拉伸，會(huì)導(dǎo)致孔口段巖體損傷嚴(yán)重，梅蓄機(jī)坑深孔預(yù)裂雖然已經(jīng)將孔口堵塞段加長到2.02 m，但是從機(jī)坑開挖成型來看，機(jī)坑上口與水平面相交處巖體大部分松動(dòng)脫落，機(jī)坑上口成型質(zhì)量不理想，宜在深孔預(yù)裂爆破之前，距離預(yù)裂面50 cm左右垂直增加1排或2排鎖口錨桿，錨桿外偏15°左右打設(shè)，間距約50～80 cm，深約3 m，且設(shè)置為沉頭錨桿，即錨桿錨入保留巖體內(nèi)，沉入機(jī)坑頂部的水平保護(hù)層以下；鎖口錨桿的主要作用是在深孔預(yù)裂爆破振動(dòng)情況下，加強(qiáng)預(yù)裂孔孔口段巖體層間連接力，防止機(jī)坑上口巖體過度損傷；③機(jī)坑之間的下游側(cè)巖柱需要三面預(yù)裂，其中2號機(jī)組巖柱最小斷面寬度僅5.3 m，三面深孔預(yù)裂爆破對巖柱保留巖體均有擾動(dòng)，導(dǎo)致巖柱局部損傷較大，因此，機(jī)墩之間巖柱的三面深孔預(yù)裂宜減小孔距，減小預(yù)裂孔線裝藥密度，并減小最大單響藥量，以最大可能減少深孔預(yù)裂對巖柱保留巖體的振動(dòng)損傷。具體爆破參數(shù)需根據(jù)爆破試驗(yàn)不斷優(yōu)化。