胡紫航，張一波，黃凌宇，劉建新，叢中方

（山東文登抽水蓄能有限公司，山東省威海市 264419）

0 引言

巖壁吊車梁作為重要的承載橋機(jī)永久運行結(jié)構(gòu)，巖臺開挖質(zhì)量要求高，巖臺超欠挖、巖臺不平整度和半孔率控制是施工重難點[1]，爆破參數(shù)選擇及施工過程質(zhì)量控制尤其重要，因文登抽水蓄能電站地下洞室群處于中高地應(yīng)力地區(qū)，地下廠房上游側(cè)邊墻應(yīng)力釋放，實際開挖中存在片幫掉塊現(xiàn)象，需嚴(yán)格控制邊孔藥量及總藥量，并根據(jù)現(xiàn)場及時調(diào)整孔距與線裝藥密度，不斷優(yōu)化控制措施，保證施工質(zhì)量。

1 工程概況

1.1 工程參數(shù)

文登抽水蓄能電站地下廠房開挖總尺寸為214.5m×25（26.5）m×53.5m（長×寬×高），巖壁吊車梁以上跨度為26.5m，以下為25m，上、下游巖壁吊車梁分別長194.5m。巖臺設(shè)計高程59.32～61.85m，總高2.53m，斜面長1.5m，斜面與鉛垂面夾角為30°。

1.2 地質(zhì)條件

巖壁吊車梁段部位巖性以石英二長巖和二長花崗巖為主，以整體塊狀—塊狀為主，局部為塊狀—碎裂狀結(jié)構(gòu)，在下游邊墻發(fā)育一條Ⅲ級結(jié)構(gòu)面，寬2～10cm，呈壓扭性，與邊墻成大角度相交，斷層及其影響帶規(guī)模較小，圍巖以Ⅰ～Ⅱ類為主，斷層部位為Ⅲ類，具有整體完整性。廠房區(qū)域最大水平主應(yīng)力為9.32～19.67MPa，屬于中高地應(yīng)力地區(qū)，方向為NWW向（NW280°～300°），與廠房軸線夾角為35°～55°。

2 施工工藝

2.1 爆破試驗

在巖壁吊車梁正式開挖前，選擇與地下廠房同等地質(zhì)條件主變壓器洞Ⅱ?qū)舆厜M(jìn)行工藝性試驗，確定施工方法、鉆爆參數(shù)（含開挖鉆孔角度、孔距、孔深、單孔裝藥量），有效控制直孔與斜孔錯位及超欠挖情況，防止爆破裂縫產(chǎn)生，確保巖壁吊車梁巖臺成型質(zhì)量[2]。

巖壁吊車梁保護(hù)層及巖臺區(qū)開挖分層方式有兩種，方案1為三層一區(qū)，方案2為二層一區(qū)（如圖1所示）。方案2是優(yōu)化至兩層開挖，是充分考慮提高施工效率增加的比對方案。

圖1 工藝試驗巖臺分層分區(qū)圖Figure 1 Layered zoning diagram of process test platform

方案1和方案2巖臺開挖試驗區(qū)分別長10m、上部寬3m、下部寬2.25m、高6m。方案1：Ⅰ層高1.5m、Ⅱ?qū)痈?.8m、Ⅲ層高1.7m、保護(hù)層分三次爆破。方案2：Ⅰ層高3.8m、Ⅱ?qū)痈?.2m、保護(hù)層分兩次爆破。兩種方案均按照5m長分兩段進(jìn)行。試驗段光爆孔距均為30cm，主爆孔距60～80cm（從里到外每排中兩孔距為60、70、80cm），排距40～65cm（四排，從里到外每排中兩孔距為40、60、60、65cm），均采用導(dǎo)爆索、非電雷管及φ32乳化炸藥，從里到外炸藥依次為9、7、5、3段位，光爆孔采用竹片間隔裝藥。炮孔平面布置及立面布置如圖2所示，炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 炮孔平面布置圖及炮孔立面示意圖Figure 2 Blasthole layout and elevation diagram of blasthole

圖3 保護(hù)層炮孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Diagram of charging structure of protective hole

在巖壁吊車梁保護(hù)層開挖試驗完成后，進(jìn)行巖臺開挖爆破試驗[3]。為保證開挖輪廓平整度，開挖過程中，邊線直墻和斜孔孔底相互錯開，垂直孔孔底相對巖臺設(shè)計上拐點向邊墻內(nèi)偏移5cm、向下偏移5cm；垂直孔底部裝藥前先填充5cm深細(xì)砂。方案1中巖臺區(qū)爆破設(shè)計參數(shù)為：孔距30cm，垂直孔線裝藥密度70g/m，斜面孔線裝藥密度60g/m，每孔裝藥。方案2中巖臺區(qū)爆破設(shè)計參數(shù)為：孔距30cm，垂直孔線裝藥密度60g/m，斜面孔線裝藥密度50g/m，每孔裝藥。

方案1和方案2保護(hù)層及巖臺區(qū)炮孔裝藥參數(shù)見表1。

表1 巖壁吊車梁試驗鉆孔裝藥參數(shù)表Table 1 Rock wall crane beam test borehole charging parameters table

根據(jù)巖壁吊車梁開挖試驗效果，綜合巖臺成型質(zhì)量、巖體松弛圈深度、施工效率等因素，文登抽水蓄能電站巖壁吊車梁施工采用方案2（二層一區(qū)）開挖方式，選取爆破參數(shù)如下：保護(hù)層采用豎向光爆、孔徑42mm、周邊孔孔距30cm、抵抗線40cm、線裝藥密度65g/m；巖臺區(qū)開挖垂直孔孔距30cm、抵抗線40cm、線裝藥密度65g/m，斜面孔孔距30cm、抵抗線40cm、線裝藥密度55g/m。同時，在施工中如遇地質(zhì)條件重大變化，及時調(diào)整爆破參數(shù)。

2.2 施工工藝控制及措施

巖壁吊車梁開挖施工工藝流程主要包括：爆破參數(shù)設(shè)計→測量放點→樣架搭設(shè)→鉆孔及驗孔→樣架拆除及裝藥爆破→通風(fēng)散煙及排險出渣→質(zhì)量檢查→調(diào)整爆破參數(shù)→下一循環(huán)[4]。

2.2.1 爆破參數(shù)設(shè)計

因巖壁吊車梁開挖爆破必須保證巖臺擾動最小，為減少爆破振動影響，按照《水電水利工程巖壁梁施工規(guī)程》（DL/T 5198—2013）采用中部拉槽、兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層方法，結(jié)合已知地質(zhì)條件，預(yù)留保護(hù)層寬度2.25m，符合規(guī)程2～4m的要求。地下廠房主爆區(qū)與預(yù)留保護(hù)層先預(yù)裂施工。結(jié)合預(yù)留保護(hù)層寬度及建設(shè)項目圍巖類別，編制爆破試驗大綱，進(jìn)行現(xiàn)場試驗后確定爆破參數(shù)[5]，見本文2.1的內(nèi)容。

2.2.2 測量放點

組織施工專業(yè)測量人員測量放線，用紅漆明顯標(biāo)識放樣點位。放樣內(nèi)容包括：樣架定位點、所有周邊孔的開孔點等。測量過程由施工技術(shù)人員全程參與，監(jiān)理測量工程師針對重點點位復(fù)核。

2.2.3 樣架搭設(shè)

為保證巖壁吊車梁巖臺體型結(jié)構(gòu)成型率，鉆孔時搭設(shè)樣架，采用鋼管排架搭設(shè)垂直孔樣架、斜孔樣架，鉆孔樣架如圖4所示。樣架桿件設(shè)置和連接應(yīng)牢固穩(wěn)定，樣架與基礎(chǔ)面及邊墻連接可靠，避免鉆孔過程出現(xiàn)偏移影響鉆孔位置、垂直度[6]。樣架搭設(shè)完畢后，經(jīng)專業(yè)測量人員校核及質(zhì)量管理部門驗收方可投入使用。

圖4 鉆孔樣架搭設(shè)示意圖Figure 4 Schematic diagram of drilling sample frame erection

樣架搭設(shè)順序為：樁號及高程測量放樣→固定管造孔→安裝樁號控制鋼管→安裝高程控制鋼管→支撐排架搭設(shè)→導(dǎo)向管安裝→導(dǎo)向管套管安裝。

樣架搭設(shè)控制要點：樣架及支撐排架安裝前，對底板及邊墻清翹，清理工作面，保證表面基本平整、無浮渣，保證具有搭設(shè)穩(wěn)定的環(huán)境。根據(jù)腳手架與樁號線相對位置布設(shè)豎向鋼管[7]。鉆孔樣架主要由支撐管、導(dǎo)向管（如圖5所示）組成，鋼管間采用扣件連接，重復(fù)利用的搭設(shè)材料，使用前檢查是否彎曲變形。

圖5 導(dǎo)向管結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Guide pipe structure diagram

搭設(shè)樣架前，先用手風(fēng)鉆進(jìn)行樁號、高程控制管鉆孔，孔徑50mm，孔深不少于50cm，在搭設(shè)過程中，高程和樁號偏差應(yīng)控制在5mm內(nèi)，滿足要求后，用鋼管扣件完成鎖定。導(dǎo)向管端口（對于鉆設(shè)垂直光爆孔時為上端口，對于鉆設(shè)斜面光爆孔時為下端口）的中心高程應(yīng)在同一高程線上。

為確保支撐排架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保護(hù)層及巖臺的鉆孔樣架通過測量隊測量校核，經(jīng)監(jiān)理驗收合格后使用。

2.2.4 鉆孔及驗孔

樣架布置3處，分別為Ⅰ層3排周邊孔施工樣架、Ⅱ?qū)又苓吙资┕蛹芎蛶r臺區(qū)斜面周邊孔施工樣架，借助樣架沿著每個周邊孔套管位置采用YT-28手風(fēng)鉆鉆孔，直徑φ42mm。每個孔開孔后檢查孔位是否符合設(shè)計要求，確?？孜缓罄^續(xù)施鉆。光爆孔在鉆孔過程中，須在導(dǎo)向管孔口插入直徑30mm、長度≥30cm的套管，鉆孔完成后拆除套管。根據(jù)各區(qū)開挖深度確定導(dǎo)向管的長度，并在鉆桿上標(biāo)記，當(dāng)鉆桿標(biāo)記與套管邊沿重合時，即達(dá)到設(shè)計孔深。

為保證鉆孔質(zhì)量，采用長度≤1.5m鉆桿開孔，再用長鉆桿鉆至設(shè)計孔深。用高壓風(fēng)清孔，對每個孔進(jìn)行編號，檢查周邊孔孔向、孔深，做好表格記錄，孔深不足進(jìn)行補打，超深孔填入彈性墊層，最后拆除樣架，插入脆性PVC管封堵保護(hù)。孔位偏差控制在±20mm，孔向傾角偏差控制在±3°。周邊孔孔位及孔向控制措施主要為：先放出兩端點位后鉆孔施工，在端孔檢查合格后立標(biāo)志桿，兩端標(biāo)志桿拉線后等間隔確定中間孔位。周邊孔應(yīng)導(dǎo)向管，巖臺上部周邊孔和斜面孔須交叉錯開。鉆孔孔深檢查宜采用以15m為一段的兩端孔立上標(biāo)志桿，在巖壁吊車梁臺上方50～100cm處注上標(biāo)記、拉線，然后量測的方法。

2.2.5 樣架拆除及裝藥爆破

在所有鉆孔驗收合格后，分段拆除樣架，并將拆除的樣架鋼管分類存放，以備下階段使用。巖臺開挖現(xiàn)場選用φ32炸藥，周邊孔及巖臺面采用光面爆破。根據(jù)巖臺開挖試驗成果報告，初步擬定巖臺區(qū)豎直孔線裝藥密度65g/m，斜面孔線裝藥密度55g/m。周邊孔采用竹片不連續(xù)間隔裝藥，藥卷利用電工膠帶分段均勻間隔的綁扎在竹片上，導(dǎo)爆索連線；其余爆破孔連續(xù)裝藥，非電雷管連線；在進(jìn)行保護(hù)層爆破時，巖臺豎直孔已預(yù)先采用脆性PVC管插入孔底進(jìn)行保護(hù)，在進(jìn)行巖臺爆破裝藥時，直接在PVC管內(nèi)進(jìn)行裝藥。裝藥量根據(jù)驗孔記錄和線裝藥密度，計算對應(yīng)編號的每個孔的藥量，然后借助吊車平臺將綁好的炸藥插入孔內(nèi)。巖臺上部周邊孔與巖臺斜面孔最后同時起爆。特別注意：裝藥孔底5cm不裝藥，以保護(hù)上拐點不受損壞，孔口堵塞30cm。

2.2.6 通風(fēng)散煙及排險出渣

爆破結(jié)束15min后，監(jiān)理單位、施工單位地質(zhì)工程師和水工專業(yè)工程師現(xiàn)場排查隱患，確認(rèn)無盲炮和啞炮。通風(fēng)散煙后，首次采用挖掘機(jī)配合人工進(jìn)行排險，清除松散懸石和危石[8]。然后采用裝載機(jī)和挖掘機(jī)將渣體裝至20t自卸汽車運出，出渣結(jié)束后再進(jìn)行二次排險。

2.2.7 質(zhì)量檢查

每次爆破完成后，對巖面質(zhì)量檢查，主要項目有：半孔率（≥80%）、不平整度（±15cm以內(nèi)）、超欠挖（0～20cm）和巖面的完整性。經(jīng)質(zhì)量檢查，文登抽水蓄能電站巖壁吊車梁共分9段開挖，半孔率最小的一段為90%，半孔率最高達(dá)95%，平均開挖半孔率92.73%，統(tǒng)計表如表2所示。

表2 文登電站巖壁吊車梁開挖半孔率統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of half hole rate of excavated rockwall crane beam in Wendeng Hydropower Station

2.2.8 調(diào)整爆破參數(shù)

針對質(zhì)量問題，及時分析原因，調(diào)整爆破參數(shù)。以文登抽水蓄能電站為例，因Ⅰ-Ⅱ類圍巖整體完整性好，巖石硬度高，開挖時應(yīng)力釋放較慢，在進(jìn)行上游側(cè)巖臺開挖時，部分豎直孔可適當(dāng)減少孔間距及線裝藥密度，孔間距按照28cm、線裝藥密度按照60g/m考慮，部分斜孔可適當(dāng)減少孔間距及線裝藥密度，孔間距按照28cm、線裝藥密度按照50g/m進(jìn)行考慮，進(jìn)行下一循環(huán)爆破。

2.2.9 中高地應(yīng)力釋放應(yīng)對措施

廠房上游側(cè)巖臺開挖完成后，因中高地應(yīng)力滯后釋放，導(dǎo)致上游邊墻廠左0+065～廠右0+010m、下游邊墻廠左0+010～廠左0+020m范圍以及55.0～62.5m高程位置出現(xiàn)了側(cè)壁劈裂、松脹及片幫現(xiàn)象，此范圍內(nèi)巖壁吊車梁巖臺成型差且形成光面，經(jīng)電站參建四方聯(lián)合查勘分析，中高地應(yīng)力、硬脆巖性、巖體結(jié)構(gòu)是巖臺開挖破壞基本地質(zhì)環(huán)境因素，最大水平地應(yīng)力實測方向與廠房軸線夾角關(guān)系是破壞的主要因素。經(jīng)設(shè)計優(yōu)化調(diào)整，上下游巖壁吊車梁巖臺區(qū)域增加了一排28 、長9m、入巖8.5m、排距1m的砂漿錨桿，巖壁吊車梁下部59.32～55.0m高程位置增加4排預(yù)應(yīng)力砂漿錨桿，32 @1.0×1.5m，長9m，預(yù)應(yīng)力值120kN。

2.3 爆破振動測試

為保證在中高地應(yīng)力區(qū)域地下廠房巖壁吊車梁開挖成型效果，在開挖過程中應(yīng)盡量減少爆破振動影響，依據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）、《水電水利工程爆破安全監(jiān)測規(guī)程》（DL/T 5333—2005）、《水電水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5135—2013），在主廠房巖壁梁下游側(cè)廠左0+145～廠左0+122（廠下0+010.21～廠下0+006.35）段，利用地震波法，采用TC-4850爆破測振儀，布設(shè)監(jiān)測點數(shù)6個進(jìn)行爆破振動參數(shù)測試，選取各測試點在所有通道上爆破時段的質(zhì)點振動速度最大值，判斷測點的質(zhì)點振動速度是否超標(biāo)。開挖過程中爆破振動測試數(shù)據(jù)詳見表3，爆破中心距最小的噴射混凝土測試點位波形見圖6，距離爆破中心距最小的洞壁測試點位波形見圖7。

圖6 爆破中心距最小的噴射混凝土測試點位振動測試波形圖Figure 6 Waveform of vibration test of shotcrete test point with minimum blasting center distance

圖7 爆破中心距最小的洞壁測試點位振動測試波形圖Figure 7 Waveform of vibration test at the test point of the tunnel wall with the smallest distance from the blasting center

表3 爆破振動測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of blasting vibration test data

根據(jù)《水電水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5135—2013）要求，距爆區(qū)最近的噴射混凝土（7～28d齡期），爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)中，安全允許爆破振動速度應(yīng)控制在5.0～10.0cm/s，地下洞室洞壁及巖質(zhì)邊坡允許爆破質(zhì)點振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)小于10.0cm/s的規(guī)定。各測試點在三個方向上的最大振動速度值均小于規(guī)范和合同中規(guī)定的最大允許值。同時，利用式（1）薩道夫斯基回歸分析公式計算K和α數(shù)值。

式中：V——質(zhì)點振動速度，cm/s；

K、α——與爆區(qū)至測點間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)；

Q——炸藥量，齊發(fā)爆破為總裝藥量，延時爆破為最大單段藥量，kg；

R——測點至爆源的距離，m。

本次爆破單段最大藥量Q為46.8kg，將各測點X、Y及Z向振動最大速度值V及其爆心距R代入公式，進(jìn)行回歸分析可得：

X方向：K=118.10，α=1.68；Y方向：K=665.54，α=2.22；Z方向：K=59.41，α=1.34。

可通過多次做爆破振動參數(shù)試驗，獲得較為準(zhǔn)確的K、α值；根據(jù)薩道夫斯基回歸分析公式，在安全質(zhì)點振動速度范圍內(nèi)，反推其最大單段藥量，用于指導(dǎo)爆破設(shè)計及爆破參數(shù)的調(diào)整。

3 結(jié)論

（1）巖壁吊車梁上拐點、下拐點及巖臺區(qū)開挖成型孔均需借助樣架鉆孔，鉆孔要定向、定位、定深度，尤其是每排鉆孔孔底要在一條線上，樣架要有限位桿。巖臺成型孔孔口約60cm不裝藥，上拐點成型孔上部堵塞30cm。為保證巖臺下部臺角成型完整性，爆破前可在下拐點下部5～10cm位置固定角鐵或角鋼。

（2）針對文登抽水蓄能電站Ⅰ-Ⅱ類圍巖整體完整性好的地質(zhì)條件，巖臺保護(hù)層分兩層開挖，難以保證下拐點下部開挖質(zhì)量，經(jīng)實踐，保護(hù)層開挖分三層施工質(zhì)量較好。處于中高地應(yīng)力條件和類似圍巖地質(zhì)條件下的巖壁吊車梁開挖，可采用增加預(yù)應(yīng)力砂漿錨桿方式，預(yù)先進(jìn)行支護(hù)。

（3）巖臺斜面孔造孔前，要增加采用手風(fēng)鉆水平預(yù)開孔3～5cm的措施。為保證保護(hù)層上層爆破時不破壞巖臺直墻光爆孔，采用PVC管在保護(hù)層1層爆破前插入孔內(nèi)，盡量減少堵孔后無法裝藥的情況發(fā)生。

（4）由于文登抽水蓄能電站廠房上游側(cè)圍巖存在應(yīng)力釋放，存在大面積成片層狀剝落的現(xiàn)象，為保證巖臺開挖質(zhì)量，及時調(diào)整爆破參數(shù)，孔距宜調(diào)整至28cm。巖臺下拐點不可超挖，可適當(dāng)調(diào)整鉆孔角度，使鉆孔上下和左右方向均欠3cm。

（5）開挖過程中必須進(jìn)行爆破振動測試，進(jìn)行過程爆破效果評估，同時，建議進(jìn)行多次測試，取得與爆區(qū)至測點間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)；反推算最大單段裝藥量，用于指導(dǎo)爆破施工。