《1 前言》

1 前言

目前，水电站地下厂房开挖已呈现地形地质条件复杂、开挖质量要求高、开挖强度大和工期紧迫等特点。向家坝水电站地下厂房开挖跨度、高度均为已建同类工程之最，属超大型工程；其岩壁梁岩台水平开挖宽度仅1 m，岩壁梁施工完毕后有超大型桥式起重机在其上运行；岩壁梁部位Ⅳ、Ⅴ类围岩的分布占总开挖长度的一半。相对于类似规模地下厂房岩壁梁，向家坝水电站地下厂房岩壁梁开挖宽度更窄、承受荷载更大、地质条件更复杂、质量要求更高，加之工期紧迫，因此，向家坝水电站地下厂房岩壁梁开挖面临更严峻挑战。通过贯彻实施 “精细爆破”技术体系所倡导的定量设计、精心施工和实时监测与反馈等技术措施，确保了岩壁梁的开挖成型质量，取得了优良的爆破效果。

《2 工程概况》

2 工程概况

向家坝水电站地下厂房装机4台，单机容量均为800 MW。

地下厂房开挖尺寸：长×宽×高＝255.4 m× 33.4 m×88.2 m。相邻的主变室开挖尺寸：长×宽×高＝192.3 m×26.3 m×24.4 m。

岩壁梁设置在厂房第三层上下游墙，全长为 255 m，开挖岩台水平宽为 1 m，浇筑成型后宽为 2 m，高为 3 m，有 2 台 1 200/200 t 桥式起重机及 1台50/20 t临时桥式起重机在岩壁梁上运行。

《2.1 地质条件》

2.1 地质条件

地下厂房岩性主要由砂岩和粉砂质泥岩等构成，存在多个包含这些岩性的“旋回层”，各岩性层在空间的厚度变化大。厂区岩层产状一般为60°～ 80°/SE∠15°～20°。岩壁梁位于软硬相间的缓倾角砂岩和泥岩中，地质构造很发育，岩性变化大，岩壁梁部位Ⅳ、Ⅴ类围岩的分布占岩壁部位总开挖长度的一半。

《2.2 施工特点》

2.2 施工特点

1）地下厂房开挖跨度为 33.4 m，开挖高度为 88.2 m，厂房开挖尺寸巨大，均为已建同类工程世界之最。

2）厂房位于关键直线工期线路上，开挖总工期仅30个月，工期十分紧张。

3）岩壁梁开挖岩台水平宽度窄，仅为1 m，形似牛腿，开挖轮廓复杂，施工质量要求高。

4）须严格控制爆破振动，爆破振动速度控制标准：爆区边缘水平距离 10 m 处为 10 cm/s；防渗帷幕、固结灌浆为1.2～1.5 cm/s；预应力锚索、锚杆为 2～5 cm/s。

5）工程地质条件比类似规模的地下厂房更复杂，岩壁梁开挖成型更为困难。向家坝水电站地下厂房岩壁梁部位工程地质条件见图1。

《图1》

图1 地下厂房岩壁梁部位工程地质条件

Fig. 1 Engineering geology condition of underground workshop crane beam of rock wall

《3 精细爆破开挖》

3 精细爆破开挖

《3.1 合理的施工顺序》

3.1 合理的施工顺序

根据厂房开挖施工特点，将开挖与支护分为九层施工。吊车梁岩壁位于第三层，开挖高度为9 m，宽33.4 m，分6区开挖。

厂房第三层开挖施工顺序为：中槽预裂→ Ⅲ1 区（中槽）开挖→Ⅲ5区岩台竖向光爆孔和辅助孔提前造孔→Ⅲ2区保护层开挖→Ⅲ3区保护层开挖→Ⅲ4区保护层开挖→下拐点锁角保护→Ⅲ5区岩台开挖→下拐点直墙支护施工→Ⅲ6区保护层开挖→第Ⅳ层施工预裂→第Ⅳ层结构预裂。第三层开挖施工顺序如图2所示。

《图2》

图2 第三层开挖施工顺序图(单位：cm)

Fig. 2 Construction sequence of the third layer (unit：cm)

注：施工程序：分6区开挖，先中部拉槽后保护层开挖；中部拉槽宽 23.4 m，保护层宽 4～5 m，共分为 5 区开挖，分层高度分别为 2.45 m、3 m、1.55 m、3.55 m和2 m。中部拉槽先施工预裂再梯段爆破，两侧保护层均采用搭设样架，光面爆破技术。

《3.2 精细爆破设计》

3.2 精细爆破设计

中部先锋槽Ⅲ1区爆破采用施工预裂爆破适当超前，梯段爆破紧跟的开挖方式。

Ⅲ2～Ⅲ6 区爆破均采用“双层光面爆破”。所谓“双层光面爆破”就是将设计轮廓光爆孔外的缓冲孔同样按爆破原理进行设计，形成双层光面保护屏障，这样既可最大限度地降低二圈孔爆破对设计壁面的损伤，也可使轮廓光爆孔的抵抗线更加均匀，最终形成高质量的设计轮廓面。

针对特有的复杂地质条件，除适当加密双层光爆孔外，还要将设计轮廓光爆孔装药变“集中”为 “分散”，实行“均匀微量化装药”。

3.2.1 中部先锋槽Ⅲ1区爆破设计

中部先锋槽和保护层边界面的施工预裂爆破设计参数：孔径为 76 mm，孔间距为 80 cm，孔深9.5 m，线装药密度为 450～500 g/m，药卷ϕ 32 mm，堵塞90 cm。

梯段爆破设计参数：孔径为76 mm，孔间排距为 2.38×2 m，孔深 9.7 m，药卷ϕ 60 mm，堵塞 2 m。采用非电毫秒雷管V型延时起爆网路。

3.2.2 岩壁梁保护层爆破设计

Ⅲ3、Ⅲ5区爆破与岩壁梁开挖成型质量关系密切，爆破参数须精心设计，其保护层爆破设计参数如表1所示。

《表1》

表1 岩壁梁Ⅲ3、Ⅲ5区保护层爆破参数

Table 1 Protective layer blasting parameters of Ⅲ3，Ⅲ5 zone

《3.3 精细的爆破施工》

3.3 精细的爆破施工

3.3.1 合理配置施工机具

厂房第三层中部拉槽Ⅲ1 区采用 D7 液压钻钻孔，周边施工预裂爆破；岩壁保护层Ⅲ2～Ⅲ6区扩挖采用气腿钻钻孔，周边光面爆破。石碴采用 1.6 m3 反铲配20 t自卸汽车出碴。

3.3.2 精细的钻孔工艺

Ⅲ2、Ⅲ3、Ⅲ5区保护层光爆孔及缓冲孔全部采用钢管钻孔样架进行施工。

钻孔样架主要由支撑钢管排架、导向管钢管排架以及钻孔操作平台钢管排架三大部分组成，并架设内外导向管，规范钻孔施工，确保钻孔精度。钢管钻孔样架具有施工稳定性好、钻孔精度高、钻孔均匀、开挖面不平整度小、超欠挖易控制等优点。

向家坝水电站岩壁梁Ⅲ5区岩台开挖竖向孔钻孔样架搭设如图3所示。

《图3》

图3 Ⅲ5区岩台开挖竖向孔钻孔样架搭设

Fig. 3 Steel tube frame for vertical drilling of crane beam excavation in Ⅲ5 zone

《3.4 提高岩壁面成型质量的主要措施》

3.4 提高岩壁面成型质量的主要措施

3.4.1 错孔布置技术

岩壁梁岩台上拐点直孔、岩台斜孔和岩台下拐点直孔，三孔在垂直投影面上不是成一条连续的直线即“三孔一线”，而是采用三孔错孔布置，使炸药能量在上下拐点部位的分布由集中变为分散均匀微量化，使岩台上下拐点部位岩体损伤更小，最终达到岩台上下拐角成型更好的目的。

3.4.2 预锚锁角技术

由于地质结构面发育，在爆破开挖过程中下拐角容易发生应力集中，很难成型，为更有利于下拐角成型质量优良，在下拐角爆破成型之前通过增设锚杆、角钢和喷砼等技术，对下拐角提前实施加固。

《4 爆破振动观测及松动圈检测》

4 爆破振动观测及松动圈检测

《4.1 爆破振动观测》

4.1 爆破振动观测

采用TOPBOX爆破振动测试系统，通过上升沿外触发方式，自动记录从传感器输出的电讯号，再通过RS232接口向计算机传输数据，打印输出。

在厂房底板、边墙及主变洞等部位布置振动测点，进行爆破振动观测。爆破振动测点按照近密远疏的原则布置，每个测点均按照垂直、水平径向和水平切向3个方向布设传感器。

根据实测资料并按萨道夫斯基公式进行回归计算。

式（1）中，R 为爆源与需要保护的建筑物之间的距离，m；Q为炸药量，kg，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量；V为保护对象所在地质点振动安全允许速度，cm/s；K、α 分别为与爆破点至计算保护对象间的地形地质条件有关的系数和衰减指数。

为了更便捷和安全地对爆破振动进行预测预报，选取振速最大的方向进行振速预报和允许单响药量计算。厂房岩壁梁开挖爆破振速预报公式如表2所示。

《表2》

表2 岩壁梁开挖爆破振速预报公式

Table 2 Prediction formulas for blasting vibration of crane beam excavation

在实际施工中，依据相应的安全振动控制指标 [V ] 来确定允许的最大单段药量，及时调整钻爆参数，使开挖爆破对保护对象的振动影响控制在安全范围之内。

《4.2 松动圈检测》

4.2 松动圈检测

钻孔声波测试采用中国科学院武汉岩土力学研究所研制的 RSM-SY5 智能声波检测仪；孔内采用FSY-2型一发双收探头进行声波测试；采用IBM 笔记本电脑存储数据。

检测结果显示，中部拉槽（预裂）对预留保护层的开挖影响深度值为 0.5～1.5 m。由此说明预留 4～5 m厚的岩壁保护层是足够安全的；保护层开挖对岩壁的开挖影响深度值为 0.2～0.7 m，说明在主厂房Ⅲ层保护层开挖时，所实施的各类爆破有效地控制了对岩壁梁区域围岩原有质量的影响。主厂房岩壁梁开挖围岩爆破影响深度如表3所示。

《表3》

表3 主厂房岩壁梁开挖围岩爆破影响深度统计

Table 3 Influence depth statistics affected by crane beam blasting excavation

《5 爆破效果》

5 爆破效果

岩壁梁岩台光爆孔半孔率：Ⅱ类围岩为100 %，Ⅲ类围岩为99.2 %，Ⅳ类围岩为90 %～97.3 %。岩壁无欠挖，平均超挖仅2.9 cm；不平整度为0～4 cm；由爆破和围岩卸荷造成的影响深度在 0.2～0.7 m，开挖质量优良。爆破对已开挖的洞室及其他建筑物的爆破质点振动速度均控制在国家标准和有关技术条款所允许的范围以内。图4为岩壁梁开挖爆破效果图。

《图4》

图4 岩壁梁精细爆破开挖效果

Fig. 4 Results of precision blasting excavation of crane beam of rock wall

《6 结语》

6 结语

通过向家坝水电站地下厂房岩壁梁精细爆破开挖的实践，可以得出如下主要结论。

1）制定的向家坝水电站地下厂房岩壁梁开挖施工程序、爆破设计、施工方法和工艺、施工监测等措施是合理的。

2）依据岩壁梁开挖爆破振速预报公式和爆破振动监测手段来不断优化爆破参数，对爆破振动进行控制是成功的。

3）精细爆破技术体系所倡导的定量设计、精心施工和实时监测与反馈等措施可确保苛刻条件下的爆破效果，具有广阔的应用前景。