劉 蕊，白 威，余 健

（1．中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京市 100024；2．內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市 010051 ）

1 工程概況

清原抽水蓄能電站位于遼寧省清原滿族自治縣境內(nèi)，為大（1）型一等工程，規(guī)劃6臺(tái)單機(jī)容量300MW豎軸單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組，總裝機(jī)容量1800MW，樞紐建筑物由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房、下水庫(kù)等組成。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，安裝間布置在主機(jī)間右端，副廠房則布置在左端。地下廠房開(kāi)挖尺寸222.5m×27.5m（26m）×55.3m。按照機(jī)械設(shè)備作業(yè)性能參數(shù)、洞室空間結(jié)構(gòu)形式、通道布設(shè)等多重因素考慮，以便于開(kāi)挖支護(hù)施工機(jī)械設(shè)備布設(shè)及施工方便，第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖高度為10m，最大跨度為27.5m。主廠房由上至下共分7層開(kāi)挖，巖錨梁位于廠房Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖范圍內(nèi)，巖壁梁全長(zhǎng)202.8m、高2.53m、寬1.90m。巖錨梁支護(hù)采用砂漿錨桿C36@75cm，梅花形布置，L=9.7m，入巖8m；砂漿錨桿C28@75cm，間隔布置，L=7.1m，入巖6m[1]。

2 地質(zhì)條件

地下廠房巖錨梁巖臺(tái)圍巖為微新花崗巖，為硬質(zhì)巖，巖體結(jié)構(gòu)為次塊狀～塊狀結(jié)構(gòu)，巖體較完整，圍巖類別為Ⅲ類，工程地質(zhì)條件較好。發(fā)育角閃巖脈Σ1、Σ2、Σ3。地下廠房巖錨梁巖臺(tái)開(kāi)挖過(guò)程中，Σ2、Σ3和花崗巖接觸帶與三組裂隙組合，可能產(chǎn)生不穩(wěn)定楔形塊體；Σ1等緩傾角裂隙，可能與陡傾角結(jié)構(gòu)面形成不穩(wěn)定塊體，對(duì)巖臺(tái)穩(wěn)定有一定影響，需加強(qiáng)支護(hù)處理措施。局部裂隙的不利組合會(huì)產(chǎn)生掉塊或塊體失穩(wěn)，特別是傾向洞內(nèi)中等傾角裂隙對(duì)吊車梁部位圍巖穩(wěn)定存在不利影響。施工期需注意對(duì)局部裂隙組合形成的不穩(wěn)定塊體的隨機(jī)支護(hù)處理。根據(jù)前期勘察成果，巖錨梁部位地應(yīng)力屬中等地應(yīng)力狀態(tài)，從目前開(kāi)挖揭露情況看，廠房區(qū)未出現(xiàn)明顯的巖爆現(xiàn)象，局部開(kāi)挖后易產(chǎn)生二次應(yīng)力集中，主要表現(xiàn)為表層巖塊可能發(fā)生脫落、產(chǎn)生新的裂隙等現(xiàn)象，對(duì)吊車梁部位圍巖穩(wěn)定不利。

3 開(kāi)挖施工方法

3.1 開(kāi)挖分層分區(qū)規(guī)劃

清原抽水蓄能電站地下廠房第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖尺寸為222.5m×27.5m（26m）×10m，總開(kāi)挖工程量約6萬(wàn)m3。廠房Ⅱ?qū)訛閹r壁梁施工層，本層采用分兩層開(kāi)挖，上下層均采用中間拉槽，兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層的施工方法進(jìn)行開(kāi)挖；上層及下層前期從通風(fēng)洞出渣，下層后期從進(jìn)廠交通洞出渣。為減小爆破振動(dòng)對(duì)巖壁梁部位圍巖的影響，在梯段爆破與保護(hù)層開(kāi)挖的分界線采用預(yù)裂爆破，中部拉槽開(kāi)挖寬度為18m，梯段爆破層高6m，兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層開(kāi)挖，單側(cè)寬4.75m/4.0m，保護(hù)層開(kāi)挖層高選擇是在考慮為保證巖壁梁巖面整體完整以及混凝土澆筑要求而確定的，分3層進(jìn)行開(kāi)挖施工。

3.2 巖錨梁開(kāi)挖施工程序

根據(jù)巖錨梁的布置位置與設(shè)備特性相匹配，采取兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層，中間梯段爆破，三角巖臺(tái)區(qū)一次性光面爆破切割成型。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)、巖錨梁開(kāi)挖需與其保護(hù)層開(kāi)挖相結(jié)合，巖錨梁第一層保護(hù)層 II1-1、II1-2在第一層中部拉槽II1開(kāi)挖施工完成30m后即可進(jìn)行施工，期間進(jìn)行光爆孔①的鉆設(shè)。第一層保護(hù)層II1-1、II1-2開(kāi)挖結(jié)束后搭設(shè)一期樣架并進(jìn)行巖臺(tái)上部EL250.850處邊墻豎直光爆孔②及保護(hù)層豎直光爆孔③的鉆設(shè)。第二層保護(hù)層II2-1、II2-2在第二層中部拉槽II2開(kāi)挖施工完成30m后即可進(jìn)行施工，第三層保護(hù)層II2-3、II2-4緊跟第二層保護(hù)層II2-1、II2-2施工，期間進(jìn)行光爆孔④的鉆設(shè)。所有保護(hù)層開(kāi)挖完成后搭設(shè)二期樣架進(jìn)行巖臺(tái)光爆孔⑤鉆設(shè)，最后分段進(jìn)行巖臺(tái)II2-5、II2-6開(kāi)挖施工。巖錨梁開(kāi)挖分層及施工順序見(jiàn)圖1。

圖1 地下廠房巖錨梁開(kāi)挖施工程序（單位：cm）Figure 1 Construction procedure for excavation of rock anchor beam in underground powerhouse（unit：cm）

3.3 爆破參數(shù)確定

為保證巖錨梁開(kāi)挖質(zhì)量，在巖錨梁施工前，通過(guò)爆破工藝性試驗(yàn)確定合理爆破參數(shù)、適宜的開(kāi)挖分段，用于指導(dǎo)巖錨梁開(kāi)挖施工。為達(dá)到本次工藝性試驗(yàn)?zāi)康?，爆破工藝性試?yàn)時(shí)完全模擬巖錨梁開(kāi)挖結(jié)構(gòu)形式、光爆孔布置方式、樣架結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)選擇典型地質(zhì)斷面和不良地質(zhì)斷面進(jìn)行。試驗(yàn)段通過(guò)使用不同線裝藥密度進(jìn)行爆破試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施中可根據(jù)具體地質(zhì)條件動(dòng)態(tài)優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，提高開(kāi)挖面爆破半孔率和平整度，有效降低爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的不利影響[2]。最終通過(guò)爆破試驗(yàn)確定的巖錨梁光面爆破最優(yōu)參數(shù)如表1所示，光面爆破孔采用YT-28手風(fēng)鉆鉆孔，孔位、孔斜、孔向、孔深采用樣架嚴(yán)格控制，鉆孔孔徑42mm，凈孔距34cm，豎向光爆孔線裝藥密度77g/m，斜向光爆孔線裝藥密度77g/m，巖錨梁豎向光爆孔及斜向光爆孔的裝藥結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

表1 地下廠房巖錨梁光面爆破基本參數(shù)表Table 1 Basic parameters of smooth blasting of rock anchor beam in underground powerhouse

圖2 地下廠房巖錨梁豎向光爆孔裝藥結(jié)構(gòu)（單位：cm）Figure 2 Vertical light blasting charge structure of rock anchor beam in underground powerhouse（unit：cm）

圖3 地下廠房巖錨梁斜向光爆孔裝藥結(jié)構(gòu)（單位：cm）Figure 3 Oblique light blasting charge structure of rock anchor beam in underground powerhouse（unit：cm）

4 開(kāi)挖施工工藝控制

4.1 測(cè)量放樣

巖錨梁開(kāi)挖施工放樣所采用測(cè)量點(diǎn)均以控制網(wǎng)點(diǎn)為基礎(chǔ)。周邊光爆孔放樣時(shí)，采用設(shè)站導(dǎo)線控制點(diǎn)測(cè)出輪廓點(diǎn)附近任意點(diǎn)的坐標(biāo)，利用計(jì)算器編程計(jì)算任意點(diǎn)與設(shè)計(jì)的差值，調(diào)整后再測(cè)量，直至調(diào)整至設(shè)計(jì)線為止。巖錨梁光面爆破孔必須逐孔放樣，記錄孔口高程、半寬，樣架搭設(shè)完成后測(cè)設(shè)樣架導(dǎo)向管頂口樁號(hào)、高程、半寬及底孔樁號(hào)、高程、半寬，用以控制樣架設(shè)計(jì)角度、鉆孔深度。鉆孔過(guò)程中測(cè)量及時(shí)抽查樣架是否移動(dòng)、傾斜，防止樣架因固定不牢靠導(dǎo)致移位，從而造成鉆孔偏移。

4.2 鉆孔工藝

巖錨梁炮孔鉆設(shè)必須嚴(yán)格按照測(cè)量放樣的孔位開(kāi)孔，分段開(kāi)挖的光面爆破孔必須搭設(shè)樣架，利用樣架控制光爆孔間排距、孔深及鉆孔角度。鉆孔前在鉆桿上標(biāo)記鉆孔深度，開(kāi)孔時(shí)配備鉆工按照測(cè)量放樣的開(kāi)孔位置扶桿定位，防止鉆頭滑動(dòng)、偏移，開(kāi)孔后操作手扶正鉆機(jī)并經(jīng)常檢查鉆桿與樣架導(dǎo)向管之間是否存在卡滯現(xiàn)象，如發(fā)生卡滯現(xiàn)象則說(shuō)明鉆進(jìn)角度存在問(wèn)題需及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，在整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中配備一名鉆工全程檢查樣架穩(wěn)定情況，是否發(fā)生滑動(dòng)、偏移、傾斜，鉆桿進(jìn)尺至孔深標(biāo)記處立即停止鉆孔，利用高壓風(fēng)水吹孔，經(jīng)質(zhì)檢人員檢查合格后方可進(jìn)行下一個(gè)光爆孔鉆設(shè)[3]。巖壁吊車梁光爆孔鉆孔的孔位偏差≤2cm，孔深偏差≤2cm，孔向偏差≤1.5°，孔距偏差≤3cm，炮孔有效深度內(nèi)無(wú)巖粉、塊石、泥漿等雜物。

4.3 裝藥結(jié)構(gòu)

光爆孔孔內(nèi)采用導(dǎo)爆索起爆，末端最后一節(jié)藥卷設(shè)置1發(fā)非電毫秒延時(shí)雷管，采用PVC半管綁扎實(shí)現(xiàn)間隔裝藥；主爆孔孔內(nèi)采用毫秒微差導(dǎo)爆管起爆，每孔設(shè)置2發(fā)非電毫秒延時(shí)雷管，孔外采用導(dǎo)爆管按照設(shè)計(jì)分段將光爆孔、主爆孔連接在一起，形成起爆網(wǎng)路。巖錨梁光爆孔炸藥采用2號(hào)巖石乳化炸藥，現(xiàn)場(chǎng)采用φ25mm藥卷改制成小藥卷，按照爆破設(shè)計(jì)要求的間隔寬度與導(dǎo)爆索一同綁扎在PVC半管上，統(tǒng)一送入孔內(nèi)至設(shè)計(jì)深度，孔口最后一段藥卷內(nèi)設(shè)置1發(fā)非電毫秒雷管，巖臺(tái)豎直孔與斜孔導(dǎo)爆管連接一同起爆。

5 開(kāi)挖關(guān)鍵技術(shù)措施

巖錨梁是地下廠房的主要結(jié)構(gòu)之一，其開(kāi)挖施工質(zhì)量的好壞直接影響后期橋機(jī)的安全運(yùn)行。巖錨梁開(kāi)挖精度要求較高，不允許有欠挖現(xiàn)象，除因特殊地質(zhì)原因引起的超挖外，盡量減少超挖。巖錨梁開(kāi)挖前應(yīng)借鑒類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整和優(yōu)化爆破參數(shù)，并采取行之有效的控制爆破技術(shù)，以達(dá)到上拐點(diǎn)邊墻、斜臺(tái)和下拐點(diǎn)邊墻三面炮孔三線合一且相鄰兩孔間巖面完整，無(wú)明顯的爆破裂隙的良好開(kāi)挖效果[4]。

5.1 樣架搭設(shè)

巖錨梁樣架分兩期布置，巖錨梁巖臺(tái)頂部豎直光爆孔樣架及保護(hù)層豎直光爆孔樣架為一期樣架、巖錨梁巖臺(tái)斜孔樣架為二期樣架。樣架均采用φ48mm鋼管制作，主管兩端管口內(nèi)套加限位器，導(dǎo)向管與排架、排架與支腿斜撐之間均由扣件連接，導(dǎo)向管安裝完成后需測(cè)量放樣其頂口樁號(hào)、高程、半寬及底孔樁號(hào)、高程、半寬，控制鉆孔深度、插入角度符合試驗(yàn)要求，樣架位置測(cè)設(shè)完畢后利用錨筋連墻件及斜撐進(jìn)行加固。

5.2 鉆孔角度控制

確保鉆孔在同一平面內(nèi)且互相平行是保證光面爆破質(zhì)量的前提，是確保巖壁梁開(kāi)挖質(zhì)量的重點(diǎn)控制措施。垂直孔鉆孔垂直度采用垂線球方法進(jìn)行控制，鉆孔設(shè)備采用手風(fēng)鉆，當(dāng)鉆孔完畢后，在孔內(nèi)插入一個(gè)兩倍于孔深長(zhǎng)度的標(biāo)桿，量測(cè)標(biāo)桿外露部分的垂度即為鉆孔垂度。斜孔鉆孔角度控制在實(shí)施鉆孔作業(yè)時(shí)難度較大，涉及垂直方向上的巖臺(tái)斜面角度及巖臺(tái)斜面內(nèi)的角度控制[5]。垂直方向上的巖臺(tái)斜面角度控制采用鋼架管搭設(shè)鉆機(jī)平臺(tái)的方法，鉆機(jī)平臺(tái)的角度與高度采用測(cè)量放線及木制三角樣板的方法，巖臺(tái)斜面內(nèi)角度控制采用木制直角樣板進(jìn)行。

5.3 巖臺(tái)技術(shù)超挖

巖錨梁的開(kāi)挖是廠房開(kāi)挖施工的重中之重，特別是巖臺(tái)的開(kāi)挖成型，對(duì)巖錨梁的受力條件有直接影響，施工中必須確保巖臺(tái)成型良好。在巖臺(tái)開(kāi)挖過(guò)程中進(jìn)行適當(dāng)技術(shù)超挖，能保證巖臺(tái)不出現(xiàn)欠挖現(xiàn)象，對(duì)后續(xù)巖錨梁鋼筋安裝及混凝土澆筑有好處[6]。巖錨梁保護(hù)層豎直光面爆破孔③孔按照超挖0.0～5.0cm進(jìn)行控制，樣架頂口高程EL250.850，孔底布置在巖錨梁下拐點(diǎn)以下107cm處，對(duì)應(yīng)高程為EL246.750，鉆桿進(jìn)尺長(zhǎng)度4.1m，孔向?yàn)樨Q直方向。巖錨梁巖臺(tái)豎直光爆孔②孔按照EL250.850高程處超挖3cm，EL249.119高程超挖8cm控制，樣架頂口高程EL250.850，孔向與豎直方向夾角2°，底孔高程EL249.119，鉆桿進(jìn)尺長(zhǎng)度1.73m。巖錨梁巖臺(tái)斜面光爆孔⑤孔按照超深2cm進(jìn)行控制，開(kāi)孔位置對(duì)應(yīng)高程EL247.820，孔向與水平方向夾角59°，鉆桿進(jìn)尺1.54m。巖錨梁巖臺(tái)技術(shù)超挖如圖4所示。

圖4 巖錨梁巖臺(tái)技術(shù)超挖示意圖（單位：cm）Figure 4 Schematic diagram of over-excavation of rock anchor beam rock bench technology（unit：cm）

5.4 巖錨梁下拐點(diǎn)預(yù)加固

為了防止巖錨梁下拐點(diǎn)開(kāi)挖爆破成型出現(xiàn)掉塊或超挖現(xiàn)象，影響開(kāi)挖整體成型質(zhì)量，在第二層保護(hù)層II2-1、II2-2開(kāi)挖揭露后，對(duì)巖錨梁下拐點(diǎn)（EL247.757）進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，該措施在國(guó)內(nèi)多個(gè)電站巖錨梁的開(kāi)挖施工中已得到應(yīng)用，常規(guī)方法采用的有普通砂漿錨桿、槽鋼或角鋼焊接貼壁圍護(hù)[7]。鑒于巖錨梁下直面邊墻實(shí)際開(kāi)挖平整度不足，采用槽鋼或者角鋼焊接效果不佳，因此在清原抽水蓄能電站地下廠房巖錨梁下拐點(diǎn)增設(shè)砂漿錨桿采用鎖口方式進(jìn)行預(yù)加固。具體在巖錨梁下拐點(diǎn)以下20cm處增設(shè)1排鎖口砂漿錨桿，砂漿錨桿C22@75cm，間隔布置，L=3.0m，入巖2.85m。

5.5 巖臺(tái)臨時(shí)支護(hù)

第二層保護(hù)層II2-1、II2-2開(kāi)挖完成后，揭露的巖臺(tái)保護(hù)層II2-5、II2-6臨時(shí)邊墻巖體裂隙有擴(kuò)張趨勢(shì)，且?guī)r石長(zhǎng)期裸露容易風(fēng)化產(chǎn)生片幫、順層滑落風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)巖錨梁巖臺(tái)保護(hù)層II2-5、II2-6厚度僅為75cm，開(kāi)挖后由于應(yīng)力釋放易導(dǎo)致巖臺(tái)碎裂掉塊現(xiàn)象，因此在第二層保護(hù)層開(kāi)挖形成后，應(yīng)及時(shí)對(duì)巖臺(tái)保護(hù)層臨時(shí)邊墻采取噴護(hù)5cm厚C30素混凝土進(jìn)行臨時(shí)封閉，可以有效防止巖臺(tái)保護(hù)層臨時(shí)邊墻巖面在爆破后產(chǎn)生松弛卸荷及周邊爆破振動(dòng)對(duì)巖錨梁巖層形成再次擾動(dòng)破壞[8]。

5.6 質(zhì)量評(píng)價(jià)

清原抽水蓄能電站地下廠房巖錨梁于2020年10月27日全部開(kāi)挖完成，巖錨梁施工過(guò)程中進(jìn)行了3次爆破仿真試驗(yàn)，并在后續(xù)施工中依據(jù)地質(zhì)條件的變化和爆破效果及時(shí)調(diào)整優(yōu)化爆破參數(shù)。通過(guò)對(duì)測(cè)量放樣、造孔工藝及裝藥結(jié)構(gòu)的精細(xì)化管控，巖錨梁的開(kāi)挖爆破質(zhì)量達(dá)到了預(yù)期效果。巖壁吊車梁開(kāi)挖質(zhì)量檢測(cè)成果如表2所示，從表中統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可知，地下廠房巖壁吊車梁超欠挖得到有效控制，無(wú)欠挖情況，爆破半孔率及不平整度質(zhì)量控制指標(biāo)均滿足要求。

表2 地下廠房巖壁吊車梁開(kāi)挖質(zhì)量檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Excavation quality inspection statistics of the rock wall crane beam of the underground powerhouse

6 結(jié)論

（1）清原抽水蓄能電站巖錨梁巖臺(tái)爆破開(kāi)挖是地下廠房最為關(guān)鍵且難度最大的環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)測(cè)量放樣、造孔工藝、裝藥結(jié)構(gòu)及爆破網(wǎng)絡(luò)等質(zhì)量工藝的精細(xì)化管控，巖錨梁開(kāi)挖面不平整度、殘留炮孔半孔率、斷面超欠挖均滿足規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)巖臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓成型規(guī)整，充分說(shuō)明了地下廠房巖錨梁的開(kāi)挖規(guī)劃、爆破設(shè)計(jì)、施工方法、工藝參數(shù)的選擇是科學(xué)合理的。

（2）為減小爆破振動(dòng)對(duì)巖壁梁部位圍巖的影響，對(duì)地下廠房Ⅱ?qū)舆M(jìn)行了精細(xì)化分區(qū)，保護(hù)層采用小分區(qū)薄層開(kāi)挖；為了防止邊墻片幫掉塊難以成型，對(duì)巖臺(tái)下拐點(diǎn)安裝系統(tǒng)砂漿錨桿；為了避免巖臺(tái)出現(xiàn)欠挖，對(duì)設(shè)計(jì)輪廓線進(jìn)行了技術(shù)超挖；為了保證鉆孔精度，采用鋼管樣架、導(dǎo)向管等措施控制孔位、孔向及孔深。同時(shí)，清原抽水蓄能電站巖錨梁的開(kāi)挖施工質(zhì)量達(dá)到了預(yù)期效果，滿足電站安全穩(wěn)定運(yùn)行要求，其成果為國(guó)內(nèi)大跨度地下廠房巖錨梁開(kāi)挖施工提供了工程實(shí)例和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。