陳強(qiáng)CHEN Qiang

（中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450000）

0 引言

地下廠房是地下空間利用的一種形式，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在水電工程領(lǐng)域中，國內(nèi)第一座抽水蓄能電站地下廠房建立是在上個(gè)世紀(jì)九十年代，廠房空間大，裝機(jī)最高達(dá)到110MW，目前抽水蓄能電站地下廠房數(shù)量已經(jīng)達(dá)到1541座，隨著水利行業(yè)的不斷發(fā)展，地下廠房的數(shù)量和規(guī)模將會(huì)不斷增多和擴(kuò)大，開挖施工質(zhì)量要求也將會(huì)不斷提高。巖壁開挖是地下廠房修建施工的一個(gè)重要部分，由于巖壁開挖斷面比較大，并且地下廠房邊墻比較高，巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此地下廠房巖壁開挖施工具有一定的施工難度。現(xiàn)行的施工方法在實(shí)際應(yīng)用中開始逐漸顯現(xiàn)其弊端，最大的問題就是施工效率較低，難以滿足抽水蓄能電站地下廠房修建實(shí)際需求，施工速度緩慢，導(dǎo)致抽水蓄能電站地下廠房巖壁開挖施工周期延長(zhǎng)，從而提高了地下廠房修建成本，現(xiàn)有的施工方法產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益較低，說明現(xiàn)行的施工方法還存在較大的優(yōu)化空間。此外，國內(nèi)對(duì)于該方面的研究理論比較少，無法為實(shí)際施工提供豐富的理論依據(jù)，為此提出此次課題研究。

1 工程概況

本文以河南五岳抽水蓄能電站地下廠房為例，地下廠房巖壁吊車梁施工長(zhǎng)度為144.83m，沿主廠房上、下游各布置一根。廠房中部一帶斜穿廠房，破碎帶寬度小于0.1m，帶內(nèi)充填石英脈、斷層泥，見蝕變蒙脫石，石英脈擠壓破碎。地下廠房圍巖類別以Ⅲ類為主，約占69%，Ⅱ類則約為11%左右，Ⅳ類約為20%。據(jù)勘探平洞揭露，在節(jié)理密集帶和小斷層的斷層帶巖體均有不同程度的風(fēng)化或蝕變，巖體質(zhì)量相對(duì)較差，為Ⅳ類。五岳抽水蓄能電站地下廠房布置于錢大灣西側(cè)的牢山花崗巖體內(nèi)，多基巖裸露，根據(jù)地表地質(zhì)調(diào)查及ZK8（長(zhǎng)觀孔）、ZK84、ZK97等勘探鉆孔揭露，廠房區(qū)無地表水及泉水發(fā)育，因地形相對(duì)較陡，地下水埋深較大，一般在56m-76m左右，地下水的補(bǔ)給源為大氣降水，向坡腳一帶排泄。從推薦的樞紐布置方案來看，地下廠房和主變洞拱頂位于地下水位以下210m-240m。廠房區(qū)巖體屬裂隙型含水體，從鉆孔壓水試驗(yàn)成果看，巖體透水性差，因此，巖體的上述特性決定了廠房區(qū)巖體富水性差。根據(jù)PD1勘探平洞揭露，在洞深0-131m段，地下水相對(duì)較為豐富，雨季常見洞頂有數(shù)處線狀流水，流量可達(dá)10L-20L/min，平常則多為滴水，流量在3L-5L/min左右，但從未出現(xiàn)枯竭現(xiàn)象。從該廠房地質(zhì)條件和巖石條件來看，巖壁開挖施工難度系數(shù)較高，難以把控開挖施工質(zhì)量和效率，以該地下廠房為例，根據(jù)其開挖施工情況，對(duì)現(xiàn)有施工方法進(jìn)行優(yōu)化和完善。

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及方法

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 地下廠房巖壁吊車梁部位開挖施工涉及到的施工機(jī)械設(shè)備比較多，根據(jù)河南五岳抽水蓄能電站地下廠房實(shí)際情況，以及巖壁吊車梁部位開挖施工需求，準(zhǔn)備的機(jī)械設(shè)備具體如表1所示。

表1 施工機(jī)械設(shè)備

開挖施工材料包括鋼筋、水泥、炸藥、定型鋼模板、竹膠板、架子管等[1]。所需的鋼筋、水泥（袋裝）、定型鋼模板、竹膠板等主材統(tǒng)一采購。所需其它工程輔助材料（包括木材、架子管、外加劑）由項(xiàng)目部在當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)自行購置。

2.2實(shí)驗(yàn)方法 地下廠房巖壁吊車梁部位開挖施工效率與巖臺(tái)爆破質(zhì)量有直接關(guān)系，巖臺(tái)爆破主要是通過引爆爆破孔內(nèi)炸藥，破壞地下廠房巖石結(jié)構(gòu)，如果爆破不徹底，就會(huì)減少石渣量，為了方便巖壁吊車梁部位開挖，還需要進(jìn)行二次爆破，從而降低了地下廠房巖壁吊車梁部位開挖施工效率，因此巖臺(tái)爆破施工比較重要。相關(guān)研究資料表明，巖臺(tái)爆破質(zhì)量與爆破孔孔距設(shè)計(jì)相關(guān)，因此此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了爆破孔孔距30cm、35cm、40cm、45cm、50cm5個(gè)工況，對(duì)比不同工況下巖臺(tái)爆破率以及巖壁吊車梁部位開挖施工耗時(shí)。

3 開挖施工方法

3.1開挖分區(qū)

廠房第二層整體開挖分層高度9.1m（EL41.500-EL32.400），其中保護(hù)層及巖壁吊車梁開挖分3層6個(gè)區(qū)域。①第二層整體開挖分層高度9.1m（EL41.500-EL32.400），中部拉槽分2層2區(qū)，先行預(yù)裂爆破至本層底部，后分兩層進(jìn)行拉槽開挖；兩側(cè)保護(hù)層分3層4個(gè)區(qū)域進(jìn)行開挖；②第1區(qū)開挖高度3.1m，寬度16.5m，采用手風(fēng)鉆進(jìn)行鉆孔爆破；③第2區(qū)開挖高度3.1m，寬度4.75m，采用手風(fēng)鉆進(jìn)行鉆孔爆破，邊墻光爆孔鉆孔時(shí)相對(duì)二層技術(shù)超挖10cm，滿足巖壁梁上直墻架鉆要求；④第3區(qū)開挖高度6.0m，寬度16.5m，采用多臂鉆進(jìn)行鉆孔爆破；⑤第4區(qū)開挖高度2.5m，寬度4.1m，采用手風(fēng)鉆進(jìn)行鉆孔爆破，開挖時(shí)相對(duì)5區(qū)寬度方向超挖10cm，滿足巖壁梁下直墻架鉆要求；⑥第5區(qū)開挖高度3.5m，寬度4.0m，采用手風(fēng)鉆進(jìn)行鉆孔爆破；⑦第6區(qū)為巖錨梁區(qū)，高度3.52m，寬度0.65m，采用手風(fēng)鉆搭設(shè)樣架進(jìn)行鉆孔爆破。

在1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)開挖完成后，進(jìn)行4區(qū)鉆孔爆破。4區(qū)鉆孔的同時(shí)進(jìn)行6區(qū)巖壁吊車梁上部邊墻垂直孔樣架搭設(shè)，對(duì)巖壁吊車梁上直墻鉆孔，鉆孔完成后對(duì)6區(qū)直墻孔內(nèi)插入PVC管保護(hù)，不進(jìn)行裝藥，待6區(qū)斜孔鉆孔完成后一塊爆破。在4區(qū)開挖完成后，進(jìn)行5區(qū)開挖。先搭設(shè)5區(qū)巖壁吊車梁下直墻垂直孔樣架并鉆孔，采用光面爆破法完成5區(qū)爆破開挖。保護(hù)層開挖完成后，搭設(shè)斜孔樣架，進(jìn)行6區(qū)巖壁吊車梁斜壁爆破鉆孔[2]。巖壁吊車梁上部垂直孔與斜孔布孔孔間距應(yīng)保持相同，每個(gè)橫剖面上垂直孔、斜孔一一對(duì)應(yīng)[3]。鉆孔完成后采取光面爆一次爆破成型的方法，分段長(zhǎng)度初步定為15m。

3.2巖臺(tái)爆破工藝

主廠房巖石巖性為花崗巖，主要以II、III類為主，爆破設(shè)計(jì)根據(jù)第一層施工經(jīng)驗(yàn)及巖壁吊車梁開挖爆破試驗(yàn)取得的參數(shù)進(jìn)行選取。廠房第二層采用中部拉槽開挖（EL41.500m～EL32.400m），進(jìn)行100E鉆機(jī)鉆孔進(jìn)行預(yù)裂爆破，預(yù)裂孔深9.1m，孔徑52mm，孔距60cm，預(yù)裂孔初擬線裝藥密度150g/m。預(yù)裂爆破完成后進(jìn)行分層分塊開挖。

表2 巖臺(tái)爆破參數(shù)表

根據(jù)設(shè)計(jì)的巖臺(tái)爆破參數(shù)，開始進(jìn)行巖臺(tái)爆破施工，爆破施工分為測(cè)量放線、巖壁吊車梁鉆孔樣架搭設(shè)、鉆孔、驗(yàn)孔、裝藥、起爆六個(gè)工序。首先利用全站儀進(jìn)行測(cè)量放樣，根據(jù)全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)，布置爆破孔點(diǎn)位、駕定位點(diǎn)以及主爆孔周邊開孔點(diǎn)[4]。重點(diǎn)控制巖壁吊車梁周邊孔放樣精度，放樣先放出本區(qū)域兩端開孔點(diǎn)，再進(jìn)行中間孔位進(jìn)行放樣。根據(jù)周邊孔位及鉆孔角度進(jìn)行樣架搭設(shè)，在巖壁吊車梁垂直孔樣架和斜孔樣架搭設(shè)完畢后，需由測(cè)量人員對(duì)樣架定位管進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)收，保證定位準(zhǔn)確。

為實(shí)現(xiàn)巖壁吊車梁開挖鉆孔精準(zhǔn)控制，巖壁吊車梁巖臺(tái)開挖爆破孔采取搭設(shè)鉆孔樣架進(jìn)行。樣架分為垂直孔樣架和斜孔樣架，樣架立桿間距1.8m進(jìn)行設(shè)置，導(dǎo)向孔口設(shè)置φ30內(nèi)套管對(duì)中，各桿件之間采用鋼管扣件連接，為了加固鉆孔樣架整體的穩(wěn)定性，在各個(gè)結(jié)點(diǎn)處設(shè)置長(zhǎng)度為1.5m的插筋[5]。采用手風(fēng)鉆聯(lián)合多臂鉆方式對(duì)各個(gè)開挖區(qū)域進(jìn)行鉆孔，巖壁吊車梁周邊孔鉆孔重點(diǎn)控制，巖壁吊車梁巖臺(tái)光爆孔鉆孔間距30cm，在一茬爆破孔鉆孔同時(shí)在下一茬炮相鄰3-4個(gè)孔提前鉆孔，作為導(dǎo)向孔，保證周邊徑向爆破裂隙的連續(xù)性[6]。巖壁吊車梁部位開挖為防止出現(xiàn)欠挖，鉆孔時(shí)適當(dāng)進(jìn)行技術(shù)超挖，上拐點(diǎn)部位垂直孔水平偏斜值5cm，傾斜孔垂直偏斜值5cm，下拐點(diǎn)傾斜孔垂直偏斜值取3cm。鉆孔完成之后需要對(duì)鉆孔質(zhì)量進(jìn)行逐一檢查，包括鉆孔孔徑、孔深以及排距等是否與事先設(shè)計(jì)一致，允許存在1%的誤差[7]。在鉆好的鉆孔內(nèi)裝入事先準(zhǔn)備的炸藥，保護(hù)層爆破主爆孔藥徑32mm，孔內(nèi)連續(xù)裝藥；巖壁吊車梁光面爆破藥徑32mm，孔內(nèi)間隔裝藥，裝藥時(shí)采用木棍孔內(nèi)送藥。裝好炸藥后，撤離場(chǎng)內(nèi)所有人員，并做好防護(hù)措施，在爆破區(qū)20m外布設(shè)警戒線，確認(rèn)好所有準(zhǔn)備工作完成后，對(duì)炸藥進(jìn)行引爆。

3.3石渣開挖方式

開挖石渣采用側(cè)卸裝載機(jī)或挖機(jī)裝車20t自卸車運(yùn)輸出渣，開挖出的渣料運(yùn)輸路線為：通風(fēng)兼安全洞→6號(hào)道路→2號(hào)道路→毛料堆存場(chǎng)。廠房第二層及巖壁吊車梁開挖嚴(yán)格充分結(jié)合第一層開挖揭露出的地質(zhì)條件，對(duì)于出現(xiàn)斷層、破碎帶等不良地質(zhì)地段，提前考慮加強(qiáng)支護(hù)措施，及時(shí)調(diào)整開挖爆破參數(shù)，保證施工安全及質(zhì)量要求。開挖后及時(shí)采取隨機(jī)錨桿的手段在圍巖失穩(wěn)前及早提高圍巖的穩(wěn)定性[8]。在穿越斷層之前，首先準(zhǔn)備好必要而充足的支護(hù)手段及物資儲(chǔ)備，做到先有預(yù)案，后有手段，使項(xiàng)目始終處于受控狀態(tài)。此次采用錨桿支護(hù)方式，其支護(hù)施工流程如圖2所示。

巖壁吊車梁部位支護(hù)主要為：2排受拉錨桿Φ36，L=12m，間距0.5m/0.7m/0.75m；系統(tǒng)錨桿Φ32，L=9m，間距1.2m；抗剪錨桿Φ32，L=9m，間距0.7m/0.75m。巖壁吊車梁錨桿鉆孔施工時(shí)，應(yīng)采取樣架或其它工程措施保證錨桿孔深、孔位和傾斜角度符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，孔位必須按施工圖紙布孔，并做出明顯標(biāo)記[9]。孔位放線要根據(jù)超挖及巖面情況重新計(jì)算，可在設(shè)計(jì)高程拉線用樣架定位鉆孔，盡量減少誤差。錨桿孔直徑應(yīng)大于錨桿直徑25mm，造孔后經(jīng)檢查不合格時(shí)，應(yīng)重新鉆孔，并對(duì)廢孔注漿封堵。錨桿施工前必須進(jìn)行生產(chǎn)性工藝試驗(yàn)，巖壁吊車梁錨桿巖壁吊車梁錨桿注漿密實(shí)度和長(zhǎng)度應(yīng)進(jìn)行100%無損檢測(cè)，其質(zhì)量檢測(cè)應(yīng)滿足相關(guān)技術(shù)要求。

然后將準(zhǔn)備好的錨桿插入鉆孔內(nèi)，錨桿插入巖石深度及伸入鋼筋混凝土吊車梁長(zhǎng)度，均應(yīng)符合圖紙長(zhǎng)度，對(duì)超挖部位，錨桿應(yīng)適當(dāng)加長(zhǎng)，受拉錨桿靠近巖壁2.0m范圍內(nèi)鋼筋表面刷兩層防銹漆、涂抹瀝青，外套D50PE管，管內(nèi)填充防腐油蠟，以便將錨桿受力傳向巖石深處。最后向鉆孔內(nèi)噴注混凝土，將錨桿固定住，在注漿過程中需要使用振搗棒對(duì)孔內(nèi)漿液進(jìn)行振動(dòng)，排出漿液中的空氣。巖壁吊車梁范圍不允許進(jìn)行噴混凝土，在相鄰區(qū)域進(jìn)行噴混凝土施工時(shí)，對(duì)已開挖完成的巖壁進(jìn)行覆蓋保護(hù)，并對(duì)噴注的混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，保證錨桿的支護(hù)質(zhì)量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在施工過程中，對(duì)爆破孔孔距為30cm、35cm、40cm、45cm、50cm，5個(gè)工況下巖臺(tái)爆破情況以及開挖施工耗時(shí)進(jìn)行了記錄，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同工況下巖臺(tái)爆破率以及開挖施工耗時(shí)

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，爆破孔孔徑為40cm時(shí)，巖臺(tái)爆破率達(dá)到最高，地下廠房巖壁吊車梁部位開挖施工耗時(shí)最短。雖然爆破孔孔徑30cm-35cm范圍，巖臺(tái)爆破率也比較高，均達(dá)到了95%以上，但是地下廠房巖壁吊車梁部位開挖施工耗時(shí)，比爆破孔孔徑為40cm情況下高很多，這主要是因?yàn)楸瓶卓讖竭^短，相鄰兩個(gè)爆破孔內(nèi)炸藥爆破產(chǎn)生的荷載峰值壓力過大，作用在巖臺(tái)上，使巖臺(tái)結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重的損壞，將大塊的巖臺(tái)粉碎成石徑比較小的巖石，這樣的石渣在開挖過程中很容易從機(jī)械設(shè)備縫隙中墜落，反而降低了開挖施工效率。開挖施工最佳石渣粒徑是在20cm-25cm之間，石塊完整，碎石料少，容易機(jī)械設(shè)備挖掘和運(yùn)輸。而在爆破孔間距為40cm下，粉碎的巖石平均直徑為24.56cm，符合地下廠房巖壁吊車梁部位開挖施工要求，因此實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：地下廠房巖壁開挖施工中，爆破孔孔距為40cm時(shí)，抽水蓄能電站地下廠房巖壁粉碎效果最好，能夠有效節(jié)約地下廠房巖壁吊車梁部位開挖施工時(shí)間。

5 結(jié)束語

此次以實(shí)驗(yàn)的方式，研究了巖壁吊車梁部位開挖施工方法，實(shí)現(xiàn)了該施工方法的優(yōu)化和完善，為工程項(xiàng)目施工提供了理論依據(jù)，具有較好的現(xiàn)實(shí)意義。但是由于此次研究時(shí)間有限，僅從效率方面對(duì)該方法進(jìn)行了優(yōu)化和完善，研究?jī)?nèi)容存在一些不足，今后仍會(huì)對(duì)該課題進(jìn)行長(zhǎng)期研究與探討，豐富該方面的研究理論，促進(jìn)水電事業(yè)不斷發(fā)展。