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1 工程概況

豐寧抽水蓄能電站規(guī)劃裝機(jī)容量360萬(wàn)kW，是世界上裝機(jī)容量最大的抽水蓄能電站。其主廠房洞總長(zhǎng) 414.0 m，南北走向。主廠房Ⅲ層為巖錨梁層，開(kāi)挖高度 6.55 m(高程 995.55～ 989.0 m)。巖錨梁上拐點(diǎn)高程 994.319 m，下拐點(diǎn)高程 993.02 m；巖臺(tái)橫斷面寬為 0.75 m，斜面長(zhǎng) 1.5 m，斜面與鉛垂面的夾角為30°。

主廠房巖錨梁部位巖性主要為微風(fēng)化三疊紀(jì)中粗粒花崗巖，巖體以次塊狀結(jié)構(gòu)為主，完整性一般，局部存在蝕變現(xiàn)象。圍巖類(lèi)別以Ⅲb類(lèi)為主，斷層出露部位為Ⅳ類(lèi)。多條斷層穿越廠房Ⅲ層，走向與洞軸線(xiàn)夾角較小，為中等和陡傾角斷層，斷層及影響帶巖體破碎，成型條件較差。裂隙按走向可分為東西和西北兩組，均為共軛的剪切節(jié)理，裂隙相互切割，產(chǎn)生隨機(jī)的小規(guī)模不穩(wěn)定塊體，對(duì)巖錨梁部位圍巖穩(wěn)定不利。

2 開(kāi)挖分區(qū)與作業(yè)流程

為減小爆破振動(dòng)，以利于開(kāi)挖成型，主廠房洞Ⅲ層開(kāi)挖采取兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層，先預(yù)裂拉槽，在保護(hù)層分區(qū)垂直光爆剝離，靠近邊墻結(jié)構(gòu)面處淺層垂直光爆開(kāi)挖，最后精細(xì)雙向巖臺(tái)開(kāi)挖。主廠房洞Ⅲ層開(kāi)挖分區(qū)如圖1所示。中槽主開(kāi)挖區(qū)(Ⅲ1區(qū))寬8 m，高 4.75 m；中槽外 6.5 m范圍內(nèi)保護(hù)層分兩區(qū)(Ⅲ2區(qū)、Ⅲ3區(qū))進(jìn)行光爆剝離。兩側(cè)巖臺(tái)預(yù)留保護(hù)層厚 2.0 m，高 6.55 m，分兩薄層開(kāi)挖(Ⅲ4區(qū)、Ⅲ5區(qū))，層高分別為 3.25 m和 3.3 m。為保證邊墻后續(xù)施工設(shè)備操作空間最低需求，擬定Ⅲ4區(qū)底部技術(shù)超挖10 cm，Ⅲ5區(qū)底部技術(shù)超挖30 cm(噴混凝土厚度15 cm，Ⅳ層結(jié)構(gòu)預(yù)裂潛孔鉆造孔厚度15 cm)。巖錨梁巖臺(tái)保護(hù)層為Ⅲ6區(qū)，為開(kāi)挖施工重點(diǎn)控制部位[1-2]。

圖1 主廠房洞Ⅲ層開(kāi)挖分區(qū)(單位：cm)

3 巖臺(tái)仿真爆破試驗(yàn)

廠房Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖時(shí)，進(jìn)行了多次巖錨梁巖臺(tái)仿真爆破試驗(yàn)，以Ⅱ2區(qū)臨時(shí)邊墻模擬Ⅲ6區(qū)開(kāi)挖，以獲取巖臺(tái)豎向孔和斜面孔的鉆孔及裝藥等爆破參數(shù)，使巖臺(tái)開(kāi)挖時(shí)達(dá)到最佳光爆效果[3]。

3.1 爆破設(shè)計(jì)

巖臺(tái)光面爆破分段長(zhǎng)度為10 m，豎向與斜面合計(jì)68孔，采用直徑Φ25的藥卷間隔裝藥，豎向光爆孔線(xiàn)裝藥密度 80.6 g/m ，斜面光爆孔線(xiàn)裝藥密度78.4 g/m，單段藥量為7.48 kg，單耗為 0.53 kg/m3。為防止巖臺(tái)開(kāi)挖時(shí)出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象，對(duì)該部位采用雙向閉合起爆網(wǎng)路[4-5]。相關(guān)爆破參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖臺(tái)光面爆破參數(shù)

為進(jìn)一步提高巖錨梁開(kāi)挖成型質(zhì)量，在每個(gè)光面爆破孔內(nèi)布置一根Φ40 mm×1.8 mm PVC管，將其對(duì)剖成兩半(提前批量制作完成)，待綁藥完成并連接好導(dǎo)爆索后，再與另一半合并綁扎后裝入孔內(nèi)。PVC管剖縫在光爆孔內(nèi)布置方式以5 m為一段(豎向與斜面合計(jì)34孔)，可分為兩種：一種剖縫順設(shè)計(jì)開(kāi)挖面布置，另一種與設(shè)計(jì)開(kāi)挖面大角度相交。

3.2 鉆孔作業(yè)

巖錨梁豎向和斜向光爆孔孔徑為Φ42，孔間距均為30 cm。光爆孔全部采用鉆孔樣架進(jìn)行控制，開(kāi)鉆前采用全站儀、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，經(jīng)檢查無(wú)變形和移位后開(kāi)鉆[6]。在臨時(shí)邊墻開(kāi)挖出露之前將巖臺(tái)垂直孔鉆好，以提前釋放巖臺(tái)地應(yīng)力，減少爆破振動(dòng)影響。為防止堵塞，在垂直孔孔內(nèi)插入PVC管進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)作為巖臺(tái)斜面鉆孔的參照。針對(duì)斜向光爆孔，鉆孔前清除上部浮渣并測(cè)量標(biāo)識(shí)每個(gè)光爆孔孔位；開(kāi)鉆點(diǎn)先采用風(fēng)鎬開(kāi)鑿3 cm深孔窩，以便于鉆桿掛鉆并確保施鉆孔位準(zhǔn)確[7]；光爆孔鉆孔采用2次換釬方式，將鉆桿截?cái)喑山y(tǒng)一長(zhǎng)度，以減少人為施工誤差；同時(shí)利用導(dǎo)向管控制孔向，利用定位橫桿控制孔深[8]。

3.3 開(kāi)挖效果

經(jīng)過(guò)一系列控制措施，巖臺(tái)仿真爆破試驗(yàn)結(jié)果如下：①巖臺(tái)最大欠挖6 cm，最大超挖7 cm；②巖臺(tái)開(kāi)挖面整體平整，平整度11.7 cm，其中PVC管剖縫順設(shè)計(jì)開(kāi)挖面部位平整度(9.9 cm)優(yōu)于其它部位；③巖臺(tái)殘留半孔率73.5%；④斷層與破碎帶出露部位仿真巖臺(tái)完整性較差，清理松動(dòng)石塊造成仿真巖臺(tái)超挖，最大超挖深度達(dá)31 cm；⑤仿真巖臺(tái)下邊墻存在超挖現(xiàn)象，下拐點(diǎn)部位局部被破壞，最大超挖達(dá)27 cm；⑥Ⅱ2區(qū)臨時(shí)邊墻出露后，巖體裂隙有擴(kuò)張跡象，在裂隙發(fā)育部位表現(xiàn)尤為顯著。

4 巖臺(tái)實(shí)體開(kāi)挖

巖臺(tái)實(shí)體開(kāi)挖的爆破設(shè)計(jì)和鉆孔作業(yè)參數(shù)與仿真爆破試驗(yàn)相同。對(duì)導(dǎo)向管進(jìn)行了優(yōu)化，創(chuàng)新性地采用了內(nèi)、外雙導(dǎo)向管，分別采用Φ33.7δ=4 mm和Φ48δ=3 mm鋼管；為減小孔位偏差，在內(nèi)導(dǎo)管中部及管口焊外徑為Φ38管套(L=4 cm)，并且在內(nèi)導(dǎo)管焊有管套的端頭焊一塊10 cm×10 cm，δ=5 mm的支撐板。樣架導(dǎo)向管搭設(shè)先實(shí)施Φ48外導(dǎo)管，將內(nèi)導(dǎo)管套在帶有鉆頭的鉆桿上，在施鉆時(shí)插入外導(dǎo)管。為避免巖臺(tái)出現(xiàn)欠挖，進(jìn)而影響后續(xù)巖錨梁混凝土澆筑，垂直及斜面光爆孔開(kāi)孔位置技術(shù)超挖5 cm，孔底均按技術(shù)超挖8 cm控制。

造孔施工順序?yàn)椋孩?區(qū)開(kāi)挖→Ⅲ4、Ⅲ6區(qū)豎向光爆孔造孔→Ⅲ4、Ⅲ5區(qū)保護(hù)層開(kāi)挖→巖錨梁下拐點(diǎn)以下系統(tǒng)錨噴支護(hù)→Ⅳ層結(jié)構(gòu)預(yù)裂施工→Ⅲ6區(qū)巖錨梁斜向光爆孔造孔施工→巖錨梁雙向光面爆破。PVC管剖縫在光爆孔內(nèi)均為順設(shè)計(jì)開(kāi)挖面布置。

為了控制上部水平向變形的發(fā)生，減少?lài)鷰r松弛變形，在主廠房Ⅲ3區(qū)開(kāi)挖前，完成高程 995.55 m以上邊墻全部支護(hù)作業(yè)(含錨索)[9]。為保證巖臺(tái)下拐點(diǎn)成型效果，在Ⅲ6區(qū)保護(hù)層開(kāi)挖前，完成下拐點(diǎn)(993.02 m)以下邊墻系統(tǒng)錨噴支護(hù)施工；其中，在巖錨梁下拐點(diǎn)以下20 cm布置一排帶墊板系統(tǒng)砂漿錨桿(型號(hào)為28 mm @1.5 m，L=6 m)，以保護(hù)下拐點(diǎn)不受到破壞。

為提高巖臺(tái)完整性，從而保證開(kāi)挖成型效果，在巖臺(tái)實(shí)體(Ⅲ6區(qū))開(kāi)挖過(guò)程前采用預(yù)固結(jié)灌漿、超前玻璃纖維錨桿對(duì)巖臺(tái)開(kāi)挖區(qū)進(jìn)行預(yù)支護(hù)；同時(shí)為避免保護(hù)層開(kāi)挖結(jié)束后因應(yīng)力釋放導(dǎo)致巖臺(tái)碎裂，采用C30鋼纖維混凝土對(duì)Ⅲ6區(qū)臨時(shí)邊墻噴護(hù)5 cm作封閉處理。

4.1 預(yù)固結(jié)灌漿施工

Ⅲ層開(kāi)挖施工前，針對(duì)地質(zhì)預(yù)報(bào)揭示的斷層和破碎帶區(qū)域，采取預(yù)灌漿措施對(duì)巖錨梁巖臺(tái)范圍區(qū)域提前進(jìn)行保護(hù)，提高巖體完整性，保證開(kāi)挖成型效果[10]。灌漿孔參數(shù)為Φ50@1.0 m，L=4.0 m，孔位與孔向布置如圖2所示。

圖2 預(yù)固結(jié)灌漿布置(單位：cm)

固結(jié)灌漿分為兩序進(jìn)行，灌漿方式采用橡膠塞孔口封阻、孔內(nèi)循環(huán)、無(wú)蓋重全孔一次低壓限流灌漿。水灰比選用2 ∶1，1 ∶1，0.8 ∶1和 0.5 ∶1四個(gè)比級(jí)，以2 ∶1比級(jí)起灌。灌漿壓力為 0.05～0.3 MPa，先施工的灌漿孔采取0.05 MPa灌漿壓力，穩(wěn)壓5 min后觀測(cè)附近巖體是否存在抬動(dòng)情況，若無(wú)明顯抬動(dòng)，則可適當(dāng)增加灌漿壓力。

4.2 超前玻璃纖維錨桿施工

鑒于該工程不利結(jié)構(gòu)面組合比較多，為防止裂隙擴(kuò)展引起超挖，提高后續(xù)開(kāi)挖成型質(zhì)量，在地下廠房巖錨梁保護(hù)層Ⅲ3區(qū)開(kāi)挖后、Ⅲ4區(qū)與Ⅲ5區(qū)開(kāi)挖前，采取4排Φ25@1.0 m，L=4.5 m系統(tǒng)玻璃纖維錨桿+隨機(jī)玻璃纖維錨桿(Φ25，L=3.0 m/6.0 m)的支護(hù)方式對(duì)巖臺(tái)進(jìn)行保護(hù)，防止片幫掉塊引起難以成型問(wèn)題。4排玻璃纖維錨桿分別布置于巖臺(tái)拐點(diǎn)以上20 cm、巖臺(tái)斜面中下部、下拐點(diǎn)以下20 cm處、下拐點(diǎn)以下70 cm處，間距1 m，梅花形布置，如圖3所示。

圖3 玻璃纖維錨桿布置(單位：cm)

4.3 巖臺(tái)臨時(shí)噴護(hù)封閉

因巖錨梁巖臺(tái)厚度僅75 cm，為避免保護(hù)層開(kāi)挖后因應(yīng)力釋放導(dǎo)致巖臺(tái)碎裂，在Ⅲ4區(qū)開(kāi)挖完成后，對(duì)出露的Ⅲ6區(qū)(巖錨梁巖臺(tái))臨時(shí)邊墻噴護(hù)5 cm厚C30鋼纖維混凝土進(jìn)行封閉，如圖4所示。

圖4 巖臺(tái)臨時(shí)邊墻噴護(hù)封閉(單位：cm)

4.4 開(kāi)挖效果

通過(guò)對(duì)預(yù)支護(hù)、鉆孔、裝藥與連網(wǎng)的精細(xì)控制，巖臺(tái)開(kāi)挖取得理想效果(見(jiàn)圖5)：①巖臺(tái)無(wú)欠挖，最大超挖12 cm，最小超挖5 cm；②巖臺(tái)開(kāi)挖面整體平整，不平整度 9.8 cm；③巖臺(tái)半孔殘留較好，殘留半孔率93.4%；④裂隙內(nèi)水泥漿液填充飽滿(mǎn)，巖體完整性顯著提升；⑤下拐點(diǎn)及下直墻均有效保留，最大超挖13 cm；⑥開(kāi)挖面無(wú)松動(dòng)巖塊、陡坎與尖角，達(dá)到了平順、圓滑要求；⑦巖臺(tái)光爆孔孔間距均勻，孔向平行。

圖5 地下廠房巖錨梁巖臺(tái)開(kāi)挖效果

5 經(jīng)驗(yàn)與建議

根據(jù)巖臺(tái)實(shí)體開(kāi)挖過(guò)程與結(jié)果，結(jié)合前期巖臺(tái)仿真爆破試驗(yàn)分析，針對(duì)以下幾個(gè)方面，總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)并提出了建議。

(1)Ⅲ層開(kāi)挖分區(qū)。為了減小爆破振動(dòng)，廠房Ⅲ層開(kāi)挖分為6區(qū)，各保護(hù)層與最終形成的巖臺(tái)均得以有效保留，質(zhì)量得到保障。但分區(qū)過(guò)多造成施工進(jìn)度偏慢，亦增加了施工組織的難度。建議將Ⅲ1區(qū)與Ⅲ2區(qū)合并開(kāi)挖，即廠房Ⅲ層中部拉槽17 m寬一次完成；同時(shí)通過(guò)控制單段藥量來(lái)控制爆破振動(dòng)。

(2)預(yù)固結(jié)灌漿。Ⅱ2區(qū)巖臺(tái)仿真爆破試驗(yàn)未進(jìn)行預(yù)固結(jié)灌漿，斷層與破碎帶出露部位仿真巖臺(tái)完整性較差，清理松動(dòng)石塊造成仿真巖臺(tái)大面積超挖，最大超挖深度達(dá)31 cm。而進(jìn)行了預(yù)固結(jié)灌漿的Ⅲ6區(qū)，開(kāi)挖后最大超挖12 cm。對(duì)比可知，在地質(zhì)預(yù)報(bào)揭露的斷層與破碎帶部位進(jìn)行預(yù)固結(jié)灌漿是必要的。

(3)超前玻璃纖維錨桿支護(hù)。Ⅱ2區(qū)巖臺(tái)仿真爆破未進(jìn)行超前玻璃纖維錨桿支護(hù)，裂隙擴(kuò)張較為顯著，仿真巖臺(tái)下直墻存在超挖現(xiàn)象，導(dǎo)致下拐點(diǎn)部位局部被破壞，最大超挖達(dá)27 cm。而進(jìn)行了超前玻璃纖維錨桿支護(hù)的Ⅲ6區(qū)，下拐點(diǎn)及下直墻均有效保留，最大超挖13 cm。對(duì)比可知，在裂隙發(fā)育部位，超前玻璃纖維錨桿的縫合作用顯著。在各電站巖錨梁巖臺(tái)開(kāi)挖中，超前玻璃纖維錨桿支護(hù)尚屬首次使用，因其易于割除，對(duì)后期支護(hù)及混凝土澆筑影響極小，因而建議此類(lèi)開(kāi)挖使用。

(4)臨時(shí)邊墻噴混凝土。Ⅱ?qū)优cⅢ層開(kāi)挖時(shí)發(fā)現(xiàn)，臨時(shí)邊墻出露后，巖體裂隙有擴(kuò)張跡象，在裂隙發(fā)育部位表現(xiàn)尤為顯著。對(duì)臨時(shí)邊墻噴混凝土封閉，有效地緩解了應(yīng)力釋放導(dǎo)致的巖臺(tái)碎裂，且鋼纖維混凝土相對(duì)素混凝土效果更為顯著，建議在類(lèi)似情況下使用。

(5)下拐點(diǎn)墊板砂漿錨桿。巖臺(tái)下直面邊墻開(kāi)挖出露后(即對(duì)Ⅲ5區(qū)開(kāi)挖后)，對(duì)下拐點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)保護(hù)，已在各電站巖錨梁開(kāi)挖中形成共識(shí)，所采用的方法有普通砂漿錨桿支護(hù)、槽鋼或角鋼焊接貼壁圍護(hù)[11-12]。鑒于前期在下拐點(diǎn)以下已經(jīng)進(jìn)行了玻璃纖維錨桿超前支護(hù)，且部分下直面邊墻的平整度不足，導(dǎo)致槽鋼或角鋼焊接難以形成有效防護(hù)。因而首次采用了墊板砂漿錨桿，取得了積極的效果，具有一定參考價(jià)值。

(6)技術(shù)超挖。對(duì)于巖臺(tái)開(kāi)挖進(jìn)行一定的技術(shù)超挖，在各電站巖錨梁開(kāi)挖中已得到廣泛使用。Ⅱ2區(qū)巖臺(tái)仿真爆破，未進(jìn)行技術(shù)超挖，巖臺(tái)最大欠挖6 cm；Ⅲ6區(qū)巖臺(tái)實(shí)體開(kāi)挖，孔底均按技術(shù)超挖8 cm控制，而實(shí)際最小超挖僅5 cm(上漂3 cm)。說(shuō)明部分鉆孔存在上漂現(xiàn)象，從而驗(yàn)證了技術(shù)超挖的必要性。

(7)內(nèi)、外雙導(dǎo)向管。Ⅱ2區(qū)巖臺(tái)仿真爆破時(shí)采用Φ48鋼管作為導(dǎo)向管，巖臺(tái)斜面孔孔底最大上漂為6 cm；而Ⅲ6區(qū)開(kāi)挖時(shí)創(chuàng)造性地使用了內(nèi)、外雙導(dǎo)向管的方式控制孔向，斜面孔孔底最大上漂3 cm，表明了雙導(dǎo)向管對(duì)鉆孔孔向控制的有效性。

(8)剖縫PVC管裝藥。在其他電站的巖臺(tái)開(kāi)挖中，PVC管綁藥相對(duì)竹片更有利于爆破效果控制[13]。此次巖臺(tái)開(kāi)挖中所用PVC半管合并、剖縫輔助傳爆尚屬首次。Ⅱ2區(qū)巖臺(tái)仿真爆破就PVC管剖縫在光爆孔內(nèi)是否順設(shè)計(jì)開(kāi)挖面布置進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示，PVC管剖縫順設(shè)計(jì)開(kāi)挖面布置時(shí)巖臺(tái)平整度更優(yōu)，說(shuō)明此布置方式利于爆轟波傳播及巖臺(tái)成型，建議此類(lèi)開(kāi)挖推廣使用。

6 結(jié) 語(yǔ)

巖錨梁巖臺(tái)開(kāi)挖是地下廠房中最為重要且難度最大的環(huán)節(jié)，豐寧抽水蓄能電站地下廠房的不良地質(zhì)條件加大了開(kāi)挖施工難度。在巖臺(tái)仿真爆破試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，巖臺(tái)實(shí)體開(kāi)挖優(yōu)化了鉆孔裝藥方式，同時(shí)采用了預(yù)支護(hù)等控制措施。

為了減小爆破振動(dòng)，對(duì)開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了精細(xì)化分區(qū)，保護(hù)層采用小分區(qū)薄層剝離；為了提高巖體完整性，對(duì)圍巖破碎與斷層處進(jìn)行預(yù)灌漿處理；為了防止片幫掉塊引起的難以成型問(wèn)題，對(duì)巖臺(tái)區(qū)域進(jìn)行預(yù)錨固；為了避免應(yīng)力釋放導(dǎo)致巖臺(tái)碎裂，對(duì)Ⅲ6區(qū)臨時(shí)邊墻噴鋼纖維混凝土進(jìn)行封閉；為了保護(hù)巖臺(tái)下拐點(diǎn)，在下拐點(diǎn)以下布置了帶墊板系統(tǒng)砂漿錨桿；為了保證爆破效果，采用了剖縫PVC管裝藥方式；為了避免巖臺(tái)出現(xiàn)欠挖，對(duì)結(jié)構(gòu)線(xiàn)進(jìn)行了5～8 cm技術(shù)超挖；為了保證鉆孔精度，采用了鋼管樣架、雙導(dǎo)向管、定位橫桿等措施控制孔位、孔向、孔深。巖臺(tái)開(kāi)挖取得了理想效果，得到同行專(zhuān)家的好評(píng)，可供類(lèi)似項(xiàng)目施工借鑒。