不良地質(zhì)條件下地下廠房巖錨梁開(kāi)挖施工技術(shù)

劉培偉

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，成都，610213)

1 工程背景

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定市境內(nèi)，樞紐建筑物主要由攔河壩、兩岸泄洪及放空建筑物、右岸首部式地下引水發(fā)電系統(tǒng)等組成[1]。引水發(fā)電建筑物布置于河道右岸，采用首部式地下廠房，電站裝機(jī)容量170萬(wàn)kW(4×42.5萬(wàn)kW)。

引水發(fā)電建筑物布置于河道右岸，最大垂直埋深約660m、最大水平埋深約300m。主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室三大洞室平行布置[2]，主廠房219.5m×29.2m×68.7m(長(zhǎng)×寬×高)，主變室139m×18.8m×25.2m(長(zhǎng)×寬×高)，尾調(diào)室140.5m×23.5m×75.0m(長(zhǎng)×寬×高)；尾水調(diào)壓室中心線和廠房頂拱中心線間距為134.9m，主變室與廠房和尾水調(diào)壓室間巖柱厚度分別為45.0m和44.75m。引水采用“單管單機(jī)”供水，尾水采用“兩機(jī)一室一洞”布置[1-3]。

地質(zhì)勘探實(shí)測(cè)最大地應(yīng)力為36.4MPa，如此之高的地應(yīng)力在國(guó)內(nèi)水電工程已建成的地下洞室中實(shí)屬罕見(jiàn)。σ2、σ3最大值達(dá)29.80MPa、22.32MPa，測(cè)值均較大，且與廠房軸線大角度相交，σ2與巖層走向小角度相交，對(duì)洞室的穩(wěn)定不利，在洞室開(kāi)挖解除σ2、σ3后，將產(chǎn)生拉張應(yīng)力，并使得剪應(yīng)力增大，從而造成圍巖強(qiáng)烈劈裂破壞，對(duì)洞室的穩(wěn)定性極為不利[2-3]。

2 施工工藝流程

針對(duì)猴子巖水電站地下廠房高地應(yīng)力，提出了超前固灌、先錨后挖、提前預(yù)裂等方法，有效規(guī)避在不良地質(zhì)條件下常規(guī)施工方法所面臨的邊墻穩(wěn)定差、巖臺(tái)成形質(zhì)量差的難題，既保證了施工質(zhì)量，同時(shí)也確保了巖錨梁邊墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

施工工藝流程見(jiàn)圖1：

圖1 巖錨梁層開(kāi)挖施工工藝流程

3 施工方法

3.1 巖錨梁層分層、分區(qū)設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)原則[4]

(1)根據(jù)巖錨梁所在位置，確定巖錨梁上層的洞室開(kāi)挖厚度，合理選擇施工設(shè)備和施工方法，巖錨梁層及下面一層的開(kāi)挖分層以4m～8m為宜。

(2)根據(jù)巖錨梁錨桿鉆孔和安裝的施工需要，確定巖錨梁層底板開(kāi)挖高度。

(3)為保證下層開(kāi)挖不對(duì)巖錨梁造成損害，巖錨梁底部混凝土距離下層開(kāi)挖層的高度不宜小于3m。

(4)確定巖錨梁層開(kāi)挖分層高度后，根據(jù)施工機(jī)械設(shè)備的特性及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，合理確定中部中槽和兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層的寬度，保護(hù)層寬度宜為2m～4m。

(5)中部主爆區(qū)與兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層宜先預(yù)裂，兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層巖體開(kāi)挖在中部主爆區(qū)推進(jìn)30m后進(jìn)行。

3.1.2 分層、分區(qū)設(shè)計(jì)[5]

巖錨梁段開(kāi)挖由上至下包括巖錨梁段上拐點(diǎn)以上至下拐點(diǎn)以下、按橫截面分成中部中槽和兩側(cè)保護(hù)層進(jìn)行。其中，中槽分上、下兩層進(jìn)行開(kāi)挖；兩側(cè)保護(hù)層均分別分上、中、下三層進(jìn)行開(kāi)挖，保護(hù)層中層至少覆蓋下拐點(diǎn)。

圖2 巖錨梁洞室開(kāi)挖分區(qū)分塊示意

3.2 開(kāi)挖設(shè)計(jì)技術(shù)要求

3.2.1 巖錨梁巖壁開(kāi)挖要求

(1)巖壁吊車(chē)梁層開(kāi)挖時(shí)，吊車(chē)梁附近應(yīng)預(yù)留2m～4m厚的巖石保護(hù)層。

(2)巖壁吊車(chē)梁的巖壁開(kāi)挖應(yīng)采取光面爆破，爆破參數(shù)需經(jīng)試驗(yàn)確定。嚴(yán)格控制一次起爆藥量，確保巖壁成形，保證巖壁的完整和穩(wěn)定，盡量減小由于爆破而產(chǎn)生的巖石松動(dòng)范圍[6-7]。

(3)應(yīng)控制鉆孔精度。巖壁不允許欠挖，超挖不大于0.1m。巖壁開(kāi)挖后，應(yīng)清除爆破產(chǎn)生的裂隙及松動(dòng)巖石，清潔巖壁面，及時(shí)進(jìn)行巖壁斜面修整，斜面與水平面的夾角與設(shè)計(jì)值相比應(yīng)偏小，但不小于3°[6-7]。

(4)在對(duì)廠房頂拱、邊墻進(jìn)行噴混凝土作業(yè)時(shí)，必須對(duì)巖壁吊車(chē)梁范圍的巖壁面進(jìn)行遮蓋保護(hù)，防止噴混凝土回彈到巖壁面上[7]。

(5)巖壁面開(kāi)挖完成后，應(yīng)立即開(kāi)展錨桿施工，對(duì)下層周邊進(jìn)行預(yù)裂爆破，預(yù)裂深度大于6m，且必須保證預(yù)裂效果。在預(yù)裂完成后，才能開(kāi)始巖壁吊車(chē)梁的混凝土澆筑。

(6)巖壁吊車(chē)梁澆筑時(shí)，周邊區(qū)域不得進(jìn)行開(kāi)挖爆破；其下層開(kāi)挖對(duì)巖壁吊車(chē)梁的振動(dòng)速度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 一般邊墻的開(kāi)挖要求

(1)地下廠房邊(端)墻開(kāi)挖應(yīng)遵循“先洞后墻”原則[6]，邊墻在開(kāi)挖至相應(yīng)洞口高程之前，應(yīng)先完成相應(yīng)岔口開(kāi)挖及鎖口支護(hù)，再下降邊墻。

(2)采用預(yù)裂爆破。

(3)預(yù)裂爆破參數(shù)需經(jīng)試驗(yàn)確定，嚴(yán)格控制梯段爆破一次起爆藥量。

(4)開(kāi)挖巖壁應(yīng)完整、穩(wěn)定。相鄰兩炮孔間巖面不平整度不大于15cm。承包人應(yīng)采用聲波測(cè)試松動(dòng)深度，實(shí)測(cè)松動(dòng)深度滿足施工圖紙或監(jiān)理人要求。

(5)爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度滿足設(shè)計(jì)的要求。

(6)每層開(kāi)挖完成后，及時(shí)進(jìn)行噴混凝土；在下一層爆破出渣之前，進(jìn)行錨桿、錨索及二次噴混凝土等支護(hù)措施。

3.3 中部中槽開(kāi)挖

為減少中部中槽爆破振動(dòng)影響，在中槽與保護(hù)層之間設(shè)置一排預(yù)裂孔，先行起爆形成一道裂縫。并按照“深層預(yù)裂，薄層開(kāi)挖”的要求，先把預(yù)裂孔直接貫通至巖錨梁層底部，再把中部分兩層采用梯段方式進(jìn)行開(kāi)挖。

3.3.1 結(jié)構(gòu)預(yù)裂

預(yù)裂孔采用ROCD7液壓鉆造孔，孔徑一般為φ75，鉆孔深度H=巖錨梁層分層高度，間距一般為(7～12)D，采用乳化炸藥進(jìn)行爆破，底部加強(qiáng)裝藥，上部裝藥采用φ25/φ32藥卷，線密度400g/m～500g/m，最終藥量及裝藥結(jié)構(gòu)將根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定。為了使藥卷位于炮孔的中心線上，除采用竹片間隔綁藥外，還在竹片上間隔設(shè)置定位裝置，以達(dá)到爆破效果。

3.3.2 梯段開(kāi)挖

梯段爆破孔采用ROCD7液壓鉆造孔，孔徑一般為φ75，鉆孔深度H=1/2巖錨梁層分層高度，梯段爆破示意如圖3所示。炮孔間排距、最小抵抗線、裝藥量等參數(shù)[8]見(jiàn)表1。

圖3 梯段爆破示意

表1 淺孔梯段爆破參數(shù)和藥包量經(jīng)驗(yàn)公式

梯段爆破后根據(jù)爆破規(guī)模、開(kāi)挖深度及道路條件等因素確定施工設(shè)備，一般采用液壓反鏟開(kāi)挖，裝載機(jī)配合，自卸汽車(chē)出渣。

3.4 不良地質(zhì)段預(yù)固結(jié)灌漿

針對(duì)巖體松散破碎、完整性及穩(wěn)定性較差，為保證高地應(yīng)力條件下破碎巖體巖臺(tái)成形，在巖錨梁保護(hù)層巖體開(kāi)挖前對(duì)該段圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿。灌漿孔間排距2.5m，深入設(shè)計(jì)開(kāi)挖線5m；采用循環(huán)法全孔一次灌漿，灌漿段長(zhǎng)5m，保護(hù)層巖體內(nèi)孔段不灌漿[2]；灌漿壓力2.0MPa，采用逐級(jí)升壓方法，起始?jí)毫?.3MPa，每段增加0.3MPa～0.5MPa；灌漿孔在灌漿前用壓力水進(jìn)行裂隙沖洗，直至回水清凈為止，沖洗壓力不大于0.3MPa[9]。

圖4 巖臺(tái)預(yù)固結(jié)灌漿孔布置示意

固結(jié)灌漿根據(jù)鉆孔深度、孔徑、施工強(qiáng)度等要求確定鉆孔設(shè)備，一般采用潛孔鉆、錨索鉆機(jī)等設(shè)備進(jìn)行鉆孔。

3.5 保護(hù)層開(kāi)挖

(1)兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層巖體開(kāi)挖在中部主爆區(qū)開(kāi)挖推進(jìn)30m后進(jìn)行。

(2)對(duì)洞室頂拱起拱點(diǎn)與巖壁梁上拐點(diǎn)距離較小、巖臺(tái)較薄、巖性相對(duì)完整的巖體，可采用沿巖臺(tái)軸線方向設(shè)置水平孔小藥量光面爆破的方法，排炮孔深不宜超過(guò)3m。

(3)兩側(cè)保護(hù)層分三層開(kāi)挖，采用手風(fēng)鉆鉆孔，靠預(yù)留巖臺(tái)面和巖臺(tái)下拐點(diǎn)以下直墻面采用光面爆破，具體爆破參數(shù)如下[8]：

①最小抵抗線

W=(7～20)D

②炮孔間距

土石方開(kāi)挖時(shí)

a=(0.6～0.8)W

③單孔裝藥量，用線裝藥密度Qx表示

Qx=qaW

上述三式中D為鉆孔直徑；q為松動(dòng)爆破單位耗藥量。

(4)為保證造孔精度，采取搭設(shè)樣架+套管的形式造豎向孔。鉆孔樣架全部采用φ48鋼管搭設(shè)，主要由支撐管、導(dǎo)向管兩部分組成，樣架搭設(shè)順序?yàn)橄戎武摴芎髮?dǎo)向管，鋼管與鋼管之間采用扣件進(jìn)行連接[7，10-11]。

(5)鉆孔

①開(kāi)鉆前，當(dāng)班技術(shù)員采用鋼卷尺、地質(zhì)羅盤(pán)、水平尺對(duì)準(zhǔn)備投入使用的鉆孔排架進(jìn)行鉆前校核檢查，經(jīng)檢查無(wú)變形和移位后方可開(kāi)鉆。開(kāi)孔后應(yīng)立即檢查孔位是否在開(kāi)口線位置，確?？孜粺o(wú)誤后再繼續(xù)施鉆，并在鉆進(jìn)過(guò)程中注意檢查[7，10-11]。

②巖臺(tái)光爆孔位置造孔嚴(yán)格執(zhí)行換釬制度，首次開(kāi)孔采用短釬，再換為長(zhǎng)釬，終孔鉆桿長(zhǎng)度=光爆孔設(shè)計(jì)孔深+導(dǎo)向管長(zhǎng)度+釬尾長(zhǎng)度[7]。

3.6 巖臺(tái)下邊墻系統(tǒng)支護(hù)及鎖口支護(hù)

上、下游兩側(cè)保護(hù)層下層開(kāi)挖完成后就立即進(jìn)行邊墻結(jié)構(gòu)面系統(tǒng)支護(hù)，及時(shí)完成巖石錨固，減少邊墻巖石裸露及應(yīng)力釋放的時(shí)間，確保邊墻的穩(wěn)定及成形質(zhì)量。在巖臺(tái)三角體開(kāi)挖前在下拐點(diǎn)位置增設(shè)一排鎖口錨桿+角鋼進(jìn)行保護(hù)[12]，提前完成該部位巖體錨固，減少爆破震動(dòng)對(duì)下拐點(diǎn)及周邊巖體的破壞，確保巖臺(tái)成形質(zhì)量。邊墻支護(hù)如圖5所示。

圖注：B是邊墻線，S是鎖口錨桿，X是系統(tǒng)錨桿

3.7 下一層邊墻結(jié)構(gòu)線預(yù)裂

在巖錨梁巖臺(tái)開(kāi)挖前，對(duì)巖錨梁下面一層的巖體邊墻進(jìn)行預(yù)裂，形成兩條預(yù)裂縫。預(yù)裂孔采用YQ100E潛孔鉆造孔，孔徑一般為φ90，鉆孔深度H=巖錨梁層下層分層高度，炮孔間排距、線裝藥密度、裝藥結(jié)構(gòu)等具體參見(jiàn)上述“3.3中部中槽開(kāi)挖”。

為保證造孔精度，采取搭設(shè)樣架的形式造豎向孔。鉆孔樣架全部采用φ48鋼管搭設(shè)，鋼管與鋼管之間采用扣件進(jìn)行連接。

3.8 巖臺(tái)開(kāi)挖

(1)巖臺(tái)區(qū)開(kāi)挖采用光面爆破，鉆孔間距按照上述“3.5保護(hù)層開(kāi)挖”公式取小值。

(2)在Ⅱ3區(qū)鉆孔時(shí)，將巖臺(tái)(Ⅱ6區(qū))豎向光爆孔一并實(shí)施，并插PVC管用面紗堵塞孔口，PVC管端部一律伸出孔口20cm。待下層預(yù)裂完成后再進(jìn)行斜向孔鉆孔。

(3)為保證造孔精度，斜向孔采取搭設(shè)樣架+套管的形式造孔。鉆孔樣架全部采用φ48鋼管搭設(shè)，主要由支撐管、導(dǎo)向管兩部分組成，樣架搭設(shè)順序?yàn)橄戎武摴芎髮?dǎo)向管，鋼管與鋼管之間采用扣件進(jìn)行連接[7，10]。

(4)裝藥前必須對(duì)所有鉆孔按“平、直、齊”的要求進(jìn)行認(rèn)真檢查驗(yàn)收并作好鉆孔檢查記錄。為盡量保護(hù)巖壁不被損壞，光爆孔竹片應(yīng)貼預(yù)留側(cè)巖壁布置[7，10]。

(5)巖臺(tái)區(qū)垂直光爆孔(設(shè)計(jì)輪廓線位置)以及巖臺(tái)斜面孔的線裝藥密度擬按40g/m～70g/m控制。光爆孔采用φ25小藥卷間隔裝藥。具體爆破裝藥量根據(jù)爆破試驗(yàn)最終確定。

(6)巖臺(tái)開(kāi)挖成形后，巖面局部松動(dòng)塊體和欠挖部位采用人工進(jìn)行清理，嚴(yán)禁采用爆破的方式進(jìn)行處理[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)地下廠房地應(yīng)力釋放特點(diǎn)及條件，在保護(hù)層與中部中槽之間設(shè)置預(yù)裂孔，達(dá)到了提前釋放應(yīng)力、減小爆破振動(dòng)損害的目的。

(2)結(jié)合機(jī)械設(shè)備功能、作業(yè)條件等要求，保護(hù)層采用分層分塊分區(qū)進(jìn)行開(kāi)挖，降低了爆破單耗和周邊孔藥量，減少了爆破振動(dòng)對(duì)邊墻的破壞。

(3)上、下游兩側(cè)保護(hù)層下層開(kāi)挖完成后就立即進(jìn)行邊墻結(jié)構(gòu)面系統(tǒng)支護(hù)，及時(shí)完成巖石錨固，減少了邊墻巖石裸露及應(yīng)力釋放的時(shí)間，確保了邊墻的穩(wěn)定及成形質(zhì)量。

(4)在巖臺(tái)三角體開(kāi)挖前在下拐點(diǎn)位置增設(shè)一排鎖口錨桿+角鋼，提前完成該部位巖體加強(qiáng)錨固，減少了爆破震動(dòng)對(duì)下拐點(diǎn)及周邊巖體的破壞，確保了巖臺(tái)成形質(zhì)量。

(5)在巖臺(tái)三角體開(kāi)挖前對(duì)巖錨梁下面一層的巖體邊墻及中部中槽的槽邊進(jìn)行預(yù)裂，形成兩條預(yù)裂縫，減少下層爆破震動(dòng)對(duì)巖錨梁的影響。

(6)與傳統(tǒng)施工方法相比，通過(guò)采取超前錨固、先錨后挖、提前預(yù)裂等一系列手段，既保證了施工質(zhì)量，又確保了巖錨梁邊墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。