大渡河雙江口水電站地下廠房巖錨梁爆破開挖設(shè)計

和江濤，唐青山，王 剛，龔航里，宋磊博

(1.中國葛洲壩集團 第一工程有限公司，湖北 宜昌 443000； 2.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000； 3.武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430000)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展和對電能需求量的日益增多，一系列水電站工程陸續(xù)建成，如三峽工程[1]、白鶴灘水電站[2]、溪洛渡水電站[3]、烏東德水電站[4]和錦屏二級水電站[5]等。全國水電裝機容量達3.5億kW，年發(fā)電量13 220億kW·h。水電工程對保障中國能源安全和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)發(fā)揮了重要作用[6-8]。

在開發(fā)中國西部山區(qū)水電資源的同時，往往要面臨水電站地下廠房地下洞室群的鉆孔爆破開挖問題。其中，巖錨梁是大型水利樞紐工程地下廠房的重要組成結(jié)構(gòu)，其充分利用圍巖自承的能力，在減少圍巖開挖量的同時，還可提前安裝吊車、方便混凝土澆筑及機組安裝，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各大水電站地下廠房施工中[9-12]。巖錨梁的爆破開挖是地下廠房施工的重難點問題和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其開挖質(zhì)量關(guān)乎地下廠房巖壁吊車運行安全和施工效率。因此，在巖錨梁部位的開挖過程中必須進行相關(guān)爆破試驗，尋求最優(yōu)爆破參數(shù)，以達到工程質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求[13-14]。近年來，相關(guān)學(xué)者對巖錨梁爆破開挖問題進行了大量研究，為地下廠房巖錨梁爆破開挖積累了施工經(jīng)驗。王媛等[15]以兩河口水電站地下廠房為例，研究了砂板巖區(qū)巖錨梁精細化開挖技術(shù)，在開挖中嚴格遵循“薄層開挖、隨層支護”原則，確保巖錨梁開挖優(yōu)質(zhì)成型。周建平等[16]研究了大朝山水電站地下廠房巖錨梁保護層的開挖工藝，并對巖錨梁施工中有關(guān)技術(shù)問題進行了分析和總結(jié)。樊鵬等[17]基于官地水電站，研究了地下廠房巖錨梁巖臺爆破開挖施工方法和質(zhì)量控制方法，以及不同地質(zhì)情況下的巖臺開挖成型控制技術(shù)。陳明等[18]利用LS-DYNA數(shù)值模擬，研究了爆破開挖震動下巖錨梁的動態(tài)響應(yīng)特性，并結(jié)合龍灘水電站地下廠房巖錨梁開挖爆破進行了實例分析。

雙江口水電站地下廠房工程處于高地應(yīng)力和圍巖完整性差的特殊力學(xué)環(huán)境及復(fù)雜地質(zhì)條件中，在巖錨梁爆破開挖施工過程中，圍巖開挖爆破卸荷松弛現(xiàn)象嚴重，易產(chǎn)生大范圍板狀或片狀的破裂、破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致巖錨梁成型困難。本文結(jié)合現(xiàn)場試驗及監(jiān)測數(shù)據(jù)，總結(jié)了巖錨梁施工過程中的技術(shù)問題，對類似工程具有一定借鑒意義。

1 工程背景

1.1 工程概況

雙江口水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣、金川縣境內(nèi)，是大渡河流域水電梯級開發(fā)的上游控制性水庫工程。地下廠房布置于該水電站大壩左壩肩的壩軸線上游，主廠房最小水平埋深約400 m，垂直埋深約320～500 m，與烏東德水電站、白鶴灘水電站[19-21]等同類工程相比，該區(qū)域地應(yīng)力更高，地下廠房實測最高地應(yīng)力可達40 MPa[22]。水電站地基圍巖主要為似斑狀黑云鉀長花崗巖，巖體新鮮，致密堅硬，結(jié)構(gòu)完整。巖錨梁布置于廠房Ⅲ層的主機間和安裝間，單側(cè)長度為189.08 m，總長378.16 m，巖錨梁上拐點高程為2 267.4 m，下拐點高程2 265.3 m，總高度為2.1 m，斜面長2.58 m，與主廠房邊墻成35.54°夾角。

1.2 爆破開挖工序及施工難點

考慮工期影響，廠房Ⅱ?qū)拥拈_挖支護與廠房Ⅲ層開挖同步進行，開挖程序如圖1所示。巖錨梁在施工過程中面臨地應(yīng)力大、地質(zhì)條件復(fù)雜、控制爆破振動速度要求高、鉆孔角度控制難度大及開挖工期緊等諸多難題。

2 巖錨梁爆破方案

受巖錨梁下游層較高地應(yīng)力的影響，巖石擠壓較大，層間裂隙斷層較嚴重，上游巖體擠壓稍小。爆破方案嚴格遵循“預(yù)支護、短進尺、弱爆破，及時支護、早封閉、勤量測”的施工原則進行設(shè)計，以確保洞室的安全穩(wěn)定。

2.1 最大單向藥量反演分析

基于廠房第Ⅱ?qū)又胁坷郾圃囼?，對現(xiàn)場實際測試的振速值、單段藥量和爆心距進行統(tǒng)計，采用薩道夫斯基的經(jīng)驗公式進行反演分析，如式(1)～(2)所示。

(1)

(2)

式中：V為振速值，cm/s；K為與巖石和爆破方法等因素有關(guān)的系數(shù)；α為與地質(zhì)條件有關(guān)的地震波衰減系數(shù)；Q為與振速值V相對應(yīng)的最大起爆藥量，kg；R為測點與爆心的直線距離，m；ρ為比例藥量，kg/m。

對爆破振動測試采集的數(shù)據(jù)進行整理，對巖體爆破開挖測試數(shù)據(jù)進行回歸分析，求得振動速度傳播經(jīng)驗公式中的K，α值，如表1所示。

表1 爆破振動衰減規(guī)律

選取Ⅱ?qū)又胁坷?次試驗中K與α的平均值作為巖錨梁層4區(qū)的開挖爆破衰減規(guī)律，相應(yīng)徑向、切向及豎直向計算公式如下。

水平徑向：

(3)

圖1 廠房Ⅲ層開挖程序(尺寸單位：cm)

水平切向：

(4)

豎直方向：

(5)

根據(jù)式(3)～(5)進行反演可得到不同水平距離處的最大允許振動速度。最大爆破振動速度由預(yù)裂爆破引起，因此按照爆破振動傳播衰減規(guī)律進行回歸分析，得到距爆源10 m處的反演結(jié)果。依據(jù)《四川省大渡河雙江口水電站引水發(fā)電系統(tǒng)地下洞室群開挖支護施工技術(shù)要求》，水平徑向、水平切向和豎直向最大峰值質(zhì)點振速值為7 cm/s時，對應(yīng)最大單響藥量分別為67.6，36.63 kg和35.87 kg。綜上討論，考慮選取豎直向最大峰值質(zhì)點振速值作為地下廠房圍巖安全控制標(biāo)準(zhǔn)，即現(xiàn)場以35.87 kg的單響藥量進行。

2.2 上游側(cè)保護層爆破優(yōu)化試驗

2.2.1 第一次開挖試驗

保護層第一次開挖試驗于2020年6月7日在上游側(cè)預(yù)留保護層上進行，長度為10 m，高度為2.6 m，保護層光爆孔孔距為40 cm，手風(fēng)鉆垂直造孔，單孔裝藥500 g，線裝藥密度192.3 g/m，孔數(shù)25個，爆破聯(lián)網(wǎng)及典型裝藥結(jié)構(gòu)見圖2～3。

圖3 保護層光爆孔典型裝藥結(jié)構(gòu)(單位：cm)

采用圖2～3所示的孔網(wǎng)結(jié)構(gòu)和裝藥結(jié)構(gòu)進行保護層爆破開挖，爆破效果如圖4所示，現(xiàn)場觀察結(jié)果顯示：① 爆破后每個孔位留有半孔，但半孔成型僅為炮孔的1/3，分段裝藥處半孔破壞較嚴重；② 孔間巖面平順光滑，平整度好；③ 部分半孔的孔壁內(nèi)有爆破裂隙；④ 爆破后3 d，光爆面存在明顯的片幫現(xiàn)象。

圖4 保護層第一次開挖試驗效果

2.2.2 第二、三次開挖試驗

主爆孔裝藥不變，通過調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)，調(diào)整線裝藥密度。保護層第二次開挖試驗于2020年6月12日在上游側(cè)預(yù)留保護層上進行，長度為10 m，高度為2.6 m，保護層光爆孔孔距為40 cm，手風(fēng)鉆垂直造孔，單孔裝藥300 g，線裝藥密度165 g/m，孔數(shù)25個。

保護層第三次開挖使用第二次的試驗結(jié)果做驗證，于2020年6月15日在上游側(cè)預(yù)留保護層上進行，長度為10 m，高度為2.6 m，保護層光爆孔孔距為40 cm，手風(fēng)鉆垂直造孔，單孔裝藥412.5 g，線裝藥密度158.7 g/m，孔數(shù)25個，典型裝藥結(jié)構(gòu)及爆破聯(lián)網(wǎng)見圖5～6。

圖6 優(yōu)化后保護層開挖爆破布孔及聯(lián)網(wǎng)(單位：cm)

圖5 優(yōu)化后光爆孔典型裝藥結(jié)構(gòu)(單位：cm)

爆破效果如圖7所示?，F(xiàn)場觀察結(jié)果顯示：① 爆破后每個孔位留有半孔，半孔成型較好；② 半孔內(nèi)孔壁沒有明顯的爆破裂隙，且分段裝藥處沒有明顯的爆破裂隙、半孔沒有明顯破壞，爆點清晰可見；③ 孔底部位出現(xiàn)一條橫向裂縫，影響整體成型效果。

圖7 保護層第二、三次開挖爆破效果

2.3 巖臺開挖優(yōu)化試驗

2.3.1 上游側(cè)巖臺第一次開挖試驗

2020年8月4日20∶00進行(廠橫)0+10至(廠橫)0+30巖臺開挖試驗，垂直光爆孔單孔裝藥162.5 g，線裝藥密度99.1 g/m；斜面光爆孔單孔裝藥312.5 g，線裝藥密度120 g/m。共60個孔，最大單響藥量為27.75 kg，典型裝藥結(jié)構(gòu)及爆破聯(lián)網(wǎng)見圖8～10。

圖8 垂直光爆孔典型裝藥結(jié)構(gòu)(單位：cm)

圖9 斜面光爆孔典型裝藥結(jié)構(gòu)(單位：cm)

圖10 巖臺開挖爆破布孔聯(lián)網(wǎng)(單位：cm)

爆后效果檢查結(jié)果(圖11)：① 爆點清晰，半孔率達95%以上，孔壁無爆破裂隙；② 對開挖輪廓面進行平整度檢測，共選取37個測點，最大值為9.20 cm，最小值為1.40 cm，平均值為4.81 cm；③ 斜壁面(廠橫)0+13、(廠橫)0+20、(廠橫)0+24、(廠橫)0+29等4個斷面顯示沒有欠挖存在，上拐點位置處超挖最大值為9 cm，最小值為2.6 cm；④ 對巖臺斜壁面成型角度進行測量，角度大致為36°，設(shè)計巖臺斜面角度為35.54°，可滿足質(zhì)量要求；⑤ 保護層試驗開挖后、巖臺開挖前即揭露存在一條橫向裂隙，(廠橫)0+30至(廠橫)0+20段巖臺開挖揭示在巖錨梁上拐點(高程2 267.4 m)附近存在水平裂隙，水平裂隙高程約為2 267.1 m，影響了上拐點的開挖成型；⑥ (廠橫)0+20至(廠橫)0+10開挖前自身較破碎，開挖后斜面光爆孔出現(xiàn)塌孔，影響裝藥，該段開挖成型較差；⑦ 下拐點成型較好，無破壞現(xiàn)象發(fā)生。

圖11 巖臺開挖前后的保護層形象

2.3.2 下游側(cè)巖臺第一次開挖試驗

2020年10月4日18∶00進行下游側(cè)巖臺開挖試驗。試驗在結(jié)構(gòu)輪廓線上進行。受已施工錨噴護混凝土影響，按第一次巖臺開挖試驗角度無法施工，故對垂直光爆孔及斜面光爆孔鉆孔角度進行調(diào)整。開挖樁號為(廠橫)0-40至(廠橫)0-30，垂直光爆孔單孔裝藥144 g，線裝藥密度86.7 g/m；斜面光爆孔單孔裝藥312.5 g，線裝藥密度114.5 g/m。共34個孔，最大單響藥量為13.2 kg，典型裝藥結(jié)構(gòu)及爆破聯(lián)網(wǎng)見圖12～14。

爆破后效果檢查結(jié)果：① 巖臺斜面保存基本完整；② 受中部拉槽影響，高地應(yīng)力導(dǎo)致保護層產(chǎn)生新生裂隙，呈扇形破壞，下游側(cè)保護層破碎，因而按照設(shè)計要求進行了預(yù)錨固措施施工，起到了一定效果，保證了巖臺的成型；③ 爆破后半孔率較低，個別孔位存在爆破裂隙；④ 對巖臺斜面(廠橫)0-31、(廠橫)0-35兩個斷面進行測量驗收，結(jié)果顯示斜面無欠挖情況，超挖最大值出現(xiàn)在上拐點位置處，最大值為16 cm。

圖12 垂直光爆孔典型裝藥結(jié)構(gòu)(單位：cm)

圖13 斜面光爆孔典型裝藥結(jié)構(gòu)(單位：cm)

圖14 巖臺開挖爆破布孔聯(lián)網(wǎng)(單位：cm)

2.3.3 上游側(cè)巖臺第二次開挖試驗

2020年11月2日23∶00進行巖臺第二次開挖試驗。試驗在結(jié)構(gòu)輪廓線上進行，受已施工錨索錨墩及噴護混凝土影響，上拐點以上保護層原預(yù)留的1.62 m不滿足巖臺4區(qū)垂直孔施工條件，故采用水平開挖的方式將上部1.62 m保護層削減為80 cm，同時相應(yīng)調(diào)整垂直光爆孔及斜面光爆孔鉆孔角度。本次開挖樁號為(廠橫)0+004至(廠橫)0-020，垂直光爆孔單孔裝藥106 g，線裝藥密度126 g/m；斜面光爆孔單孔裝藥375 g，線裝藥密度137 g/m。共60個孔，最大單響藥量為22.5 kg，典型爆破聯(lián)網(wǎng)及裝藥結(jié)構(gòu)見圖15～17。

爆破后效果檢查結(jié)果(圖18)：①爆點清晰，半孔率達95%以上，孔壁無爆破裂隙；② 下拐點成型較好，無破壞現(xiàn)象發(fā)生；③ 因保護層開挖爆破，巖臺4區(qū)剩余層薄，在該區(qū)斜面孔鉆孔時將角度向下傾斜，使該區(qū)開挖后有明顯的炮孔槽，形成了一定的超挖；④ 斜壁面(廠橫)0+00，0-05，0-10，0-15，0-20等5個斷面顯示沒有欠挖存在，上拐點位置處超挖最大值為18 cm，超挖最小值為2 cm。

圖15 巖臺開挖爆破布孔聯(lián)網(wǎng)(單位：cm)

圖16 垂直光爆孔典型裝藥結(jié)構(gòu)(單位：cm)

圖17 斜面光爆孔典型裝藥結(jié)構(gòu)(單位：cm)

圖18 巖臺開挖前后的保護層形象

3 爆破安全監(jiān)測及成型效果分析

3.1 爆破振動監(jiān)測

主副廠房巖錨梁開挖爆破試驗在距離爆區(qū)10～30 m范圍內(nèi)的邊墻上布置5個測點，相鄰測點間距為5～10 m，各測點按水平徑向、水平切向和豎直向布置傳感器。爆破振動監(jiān)測點隨開挖位置變化而變化。固定傳感器時，首先用電鉆在側(cè)墻上打膨脹螺絲孔，然后把質(zhì)點振動儀固定在側(cè)墻上，擰緊螺栓至無松動現(xiàn)象，保證其可隨圍巖同時振動。在安裝過程中，豎直方向Z應(yīng)保持與水平面垂直，水平X方向與廠房軸線平行，水平Y(jié)向垂直廠房內(nèi)壁。為防止爆破飛石的破壞，監(jiān)測儀器及傳感器用加裝膨脹螺絲的鐵盒進行一體式保護，如圖19(a)所示。

圖19 爆破振動現(xiàn)場監(jiān)測

保護層3區(qū)一次性開挖20 m，在距離爆源10 m處，上游側(cè)巖臺第一次開挖試驗的最大爆破振動數(shù)值為5.88 cm/s；下游側(cè)巖臺第一次開挖試驗為4.62 cm/s；上游側(cè)巖臺第二次開挖試驗為6.47 cm/s，爆破振動速度滿足開挖最低要求(7 cm/s)。中層排水廊道布置2個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面布置2支爆破振動傳感器。沿1號機組中心線(廠橫)0+0.00布置2支爆破振動傳感器，分別布置于靠近主廠房側(cè)中排上游邊墻及靠近尾水調(diào)壓室側(cè)中排下游邊墻上，編號BP.ZP.1，BP.ZP.2。沿3號機組中心線(廠橫)0+60.04共布置2支爆破傳感器，分別布置于靠近主廠房側(cè)中排下游邊墻及靠近尾水調(diào)壓室側(cè)中排上游邊墻上，編號BP.ZP.3，BP.ZP.4。爆破振動現(xiàn)場監(jiān)測典型結(jié)果如圖19(b)所示。

3.2 圍巖松動圈測試

為有效檢測巖臺開挖爆破對圍巖松弛深度的影響，在(廠橫)0+31、(廠橫)0+27、(廠橫)0+17、(廠橫)0+5處使用潛孔鉆分別鉆設(shè)圍巖松弛深度檢測孔，深度10 m，孔徑90 mm，檢測孔布置見圖20。在爆破試驗開挖前及開挖結(jié)束后各進行一次圍巖松弛深度檢測，以對比巖臺開挖爆破的圍巖松弛影響深度。

圖20 巖臺圍巖松弛深度檢測孔平面布置示意(尺寸單位：cm)

主廠房0-30斷面測孔爆前圍巖松動圈深度為2.0 m，爆后圍巖松動圈深度為1.0 m，挖去臺階深度1.2 m，爆破前后圍巖松弛深度變化為20 cm，爆前松動圈外平均波速5 360 m/s，爆后為5 360 m/s，符合設(shè)計要求，且檢測結(jié)果符合規(guī)范要求。主廠房0-40斷面測孔爆前圍巖松動圈深度為1.6 m，爆后圍巖松動圈深度為0.8 m，挖去臺階深度1.0 m，爆破前后圍巖松弛深度變化為20 cm，爆前松動圈外平均波速5 400 m/s，爆后5 370 m/s，變化不大，符合設(shè)計要求，且檢測結(jié)果符合規(guī)范要求。檢測結(jié)果(表2)表明：開挖控制較好，圍巖松弛深度較小，滿足開挖技術(shù)要求。斷面爆前、爆后波速測試結(jié)果如圖21所示(藍色表示爆前波速、黃色表示爆后波速)。

表2 圍巖松動圈檢測數(shù)據(jù)

圖21 廠橫不同斷面爆破前后波速

3.3 爆破成型效果

(1) 上游側(cè)保護層開挖光爆孔線裝藥密度為165 g/m，單次開挖長度20 m，光爆孔間距為40 cm；巖錨梁保護層光面爆破開挖炮孔間距痕跡分布均勻，孔間巖面平整，半孔率均為100%，半孔內(nèi)均無明顯爆破裂隙，達到爆破效果要求，可以作為上游側(cè)保護層開挖參數(shù)。下游側(cè)保護層光爆孔采用的爆破參數(shù)為孔距30 cm、線裝藥密度129.8 g/m、單次梯段長度10 m。因保護層呈層狀結(jié)構(gòu)，雖留有半孔，但總體成型較差，廠房各個機組段布置的物探檢測孔顯示：扇形破壞基本存在于保護層中，邊墻結(jié)構(gòu)線仍保持完整。下一步開挖過程中以下游側(cè)試驗爆破參數(shù)作為基礎(chǔ)，根據(jù)現(xiàn)場實際保護層破碎情況動態(tài)調(diào)整爆破藥量，采用小藥量爆破，以減少爆破對結(jié)構(gòu)面的破壞。

(2) 上游側(cè)巖臺斜面光爆孔間距為30 cm，Φ25 mm乳化炸藥入孔，單孔裝藥375 g(底部1/2支、間隔20 cm裝1/4支)，線裝藥密度137 g/m；巖臺垂直光爆孔間距為30 cm，Φ25 mm乳化炸藥入孔，單孔裝藥106 g(底部1/2支、間隔15 cm裝1/8支)，線裝藥密度126 g/m；炮孔間距痕跡分布均勻，孔間巖面平整，半孔率均為100%，半孔內(nèi)均無明顯爆破裂隙，達到爆破效果要求，可指導(dǎo)上游側(cè)巖臺開挖施工。下游側(cè)巖臺斜面光爆孔間距為30 cm，Φ25 mm乳化炸藥入孔，單孔裝藥312.5 g(間隔30 cm裝1/4支)，線裝藥密度114.5 g/m；巖臺垂直光爆孔間距為30 cm，Φ25 mm乳化炸藥入孔，單孔裝藥144 g(底部1/3支、間隔20 cm裝1/8支)，線裝藥密度86.7 g/m；炮孔間距痕跡分布均勻，孔間巖面平整，雖半孔率較差，但半孔內(nèi)均無明顯爆破裂隙，巖石成型達到要求。

4 結(jié) 論

本文針對雙江口水電站地下廠房錨梁爆破開挖成型困難的問題，采用保護層開挖爆破工藝，進行了分層、分區(qū)精細化、多工序開挖，保證了巖錨梁順利開挖，并得到如下結(jié)論。

(1) 巖錨梁保護層開挖光爆孔線裝藥密度為129.8～165.0 g/m，單次開挖長度20 m，光爆孔間距為30～40 cm，可達到爆破效果要求。根據(jù)現(xiàn)場實際保護層破碎情況，在具體實施過程中動態(tài)調(diào)整爆破藥量，采用小藥量爆破，減少了爆破對結(jié)構(gòu)面的破壞，確保巖錨梁開挖優(yōu)質(zhì)成型。

(2) 巖臺斜面光爆孔間距為30 cm，單孔裝312.5～375.0 g乳化炸藥，線裝藥密度114.5～137.0 g/m；巖臺垂直光爆孔間距為30 cm，單孔裝藥106～144 g乳化炸藥，線裝藥密度86.7～126.0 g/m。該設(shè)計可使炮孔間距痕跡分布均勻、孔間巖面平整，半孔率達100%，巖石成型優(yōu)良。

(3) 施工過程中，爆破振動、圍巖松動圈的測試結(jié)果表明：爆破施工滿足安全要求，該巖錨梁的爆破開挖方案設(shè)計合理、施工過程可靠，可為同類型開挖施工提供參考。