黃登水電站主廠房開挖施工技術措施綜述

李炳秀，周 維，劉振東

（中國水利水電第十四工程局有限公司）

關鍵詞：黃登水電站　主廠房開挖　施工技術措施　綜述

1 工程概況

黃登水電站引水發電系統地下主、副廠房按一字形布置，從右至左依次布置右端副廠房、安裝間、機組段、左端副廠房，相應長度分別為25.15m、60m、141m、21.15m，總長247.3m，高度80.5m，巖壁梁以上寬度32m，以下29.3m。

2 地質條件

地下主廠房段地層主要為變質火山角礫巖、變質火山細礫巖夾變質凝灰巖，變質凝灰巖巖體較破碎，劈理和順層積壓面發育。侏羅系中統花開左組板巖巖體較破碎，呈薄層狀結構。

洞室巖體呈次塊狀—塊狀，以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，巖體完整性好；斷層破碎帶及較大劈理發育或擠壓面發育的變質凝灰巖夾層為Ⅳ、Ⅴ類圍巖。洞室在局部可能會出現的變形破壞形式主要為由結構面組合形成的楔體塌滑或崩塌破壞及斷層帶的坍塌破壞。

3 開挖方法

3.1 分層

主廠房從上至下共分10層進行爆破開挖。具體分層見圖1。

主廠房Ⅰ、Ⅱ層開挖以空調機室為施工通道，Ⅲ層及部分Ⅳ層以主廠房運輸洞為主要運輸通道，Ⅳ層、Ⅴ層及部分Ⅵ層以母線洞為通道，Ⅶ、Ⅷ層以引水下平洞作為通道。下部Ⅸ、Ⅹ層石渣從溜渣井下至后延段，以尾水支洞為施工通道。

主廠房開挖采用鉆孔爆破法進行施工，主要施工技術有預裂爆破、光面爆破、掏槽等，主要施工工藝有導洞法、導井法、先洞后墻法等。

3.2 巖錨梁開挖

綜合廠房各層開挖特點及復雜程度，巖錨梁的開挖匯集了組織水平、技術水平以及施工人員個人素質等各要素，將直接關系到巖錨梁的成型質量。另外，巖錨梁開挖成型質量與地質條件息息相關。

巖錨梁具體開挖過程及成果描述如下：

（1）地下廠房巖錨梁范圍開挖高度8.8m，巖臺坡比為1∶0.7。

（2）開挖總體程序：①吊頂小牛腿澆筑基本完成后，進行Ⅲ層開挖支護；②Ⅲ層中部拉槽先進行施工，預裂待Ⅱ層錨索施工完成后緊跟施工。

（3）施工方法簡述。巖錨梁采取中部拉槽水平開挖，兩側邊墻預留保護層，巖臺部分采用手風鉆雙向光爆。施工過程中首先采取在上游側從空調機室修建施工便道的方式進入工作面，進行Ⅲ_①層開挖支護施工；Ⅲ_①層施工完成后利用主廠房運輸洞（局部區域墊渣）升坡進行上游側施工便道拆除，并進行占壓部分的Ⅲ_①層開挖施工及Ⅲ_②層開挖及支護施工。Ⅲ_②層開挖時，上、下游邊墻留2.5m保護層，YT-28手風鉆造豎直孔，淺孔小藥量光爆。為此，需增加一道施工預裂，孔距60cm。考慮無自由面，施工預裂線裝藥密度初擬170g/m，可根據爆破試驗和現場實際地質條件優化。施工預裂超前于Ⅲ_②層中槽開挖，上、下游側保護層開挖適時跟進，掌子面錯開30m左右。

Ⅲ層巖錨梁巖臺采用雙向控爆法開挖。Ⅲ層中槽開挖超前巖臺保護層30m，巖臺上部直墻面光爆孔造孔與預裂孔可同時施工。導向鋼管采用φ48鋼管，鉆孔樣架全部采用φ38鋼管搭設，孔位定位鋼管間距35cm，孔深控制鋼管全長布置。外側保護層開挖結束后，從下部搭設鋼管樣架，采用手風鉆從下部鉆巖臺斜面光爆孔。斜面光爆孔與預先施工的上部直墻面光爆孔組成雙向光爆網，同步起爆挖除巖臺三角體。根據項目部多座地下廠房巖臺施工的成功經驗，優選巖臺三角體雙向光爆參數，并根據巖層不同地質結構調整裝藥參數是保證巖臺成型質量的關鍵。巖錨梁巖臺雙向控爆開挖方法見圖2。

巖錨梁巖臺的開挖，嚴格控制光面爆破孔的鉆孔方向、孔距、裝藥量，并根據地質條件的變化、爆破效果及時修正孔距和裝藥量。爆破孔裝藥采用間隔裝藥，嚴格控制裝藥量。斜面孔裝藥結構圖見圖3、圖4。

根據巖錨梁爆破試驗成果，推薦光面爆破參數見表1。

圖4 偶數斜面孔裝藥結構圖（單位：cm）

巖錨梁部位的巖壁及巖臺面不允許欠挖，局部超挖不得大于10cm，不允許產生爆破裂隙。巖壁開挖后，清除爆破產生的裂隙及松動巖石，清潔巖壁面，及時進行巖壁斜面修整。

廠房Ⅲ層主要采用YT-28手風鉆鉆水平孔開挖，分左、右幅開挖。手風鉆水平抬動開挖時，為保證具有良好臨空面，采用毫秒雷管微差起爆網絡。邊墻采用手風鉆分兩次進行超前預裂，在設計開挖邊線上形成一條貫穿裂縫，以緩沖、反射開挖爆破的振動波，減小對保留巖體的爆破振動破壞，使之獲得較平整的開挖輪廓。

3.3 開挖工藝流程

（1）施工準備。洞內風、水、電就緒，施工人員、機具準備就位。技術員對各班操作手進行技術交底。

（2）測量放線。洞內導線控制網采用全站儀進行測量。每排炮后進行洞室中心線、設計開挖規格線及控制點測放，并根據爆破設計參數點布孔位。

（3）鉆孔作業。采用YT-28手風鉆鉆孔，由合格鉆工嚴格按照測量定出的中心線、開挖規格線、控制點、尾線和測量布孔進行鉆孔作業。在已經造好的孔上插上PVC管進行定向。

在鉆孔作業過程中，技術人員現場旁站，便于及時發現和解決現場技術問題。每排炮由值班技術員按“平、直、齊”的要求進行檢查，做到炮孔的孔底落在爆破規定的同一個鉛直斷面上；為了減少超挖，周邊孔的外偏角控制在設備所能達到的最小角度。炮孔裝藥之前，質檢員對掌子面上的炮孔進行檢查，如有遺漏，則要補鉆。對炮孔的各項指標檢驗合格后，方可裝藥。

（4）裝藥、連線、起爆。裝藥前用高壓風沖掃孔內，炮孔經檢查合格后，方可進行裝藥爆破；炮孔的裝藥、堵塞和引爆線路的連接，由專業的炮工嚴格按批準的鉆爆設計進行施作，裝藥嚴格遵守爆破安全操作規程。

掏槽孔由熟練的炮工負責裝藥，光爆孔、預裂孔用小藥卷捆綁于竹片上間隔裝藥。水平開挖利用自制平臺架裝藥，炸藥裝好之后，理順導爆管，先進行同段炮非電雷管的并聯，再進行不同段的串聯，然后用黏土進行炮孔的封堵，要求連線、封堵良好，封堵長度不小于炸藥的最小抵抗線。再由技術員和專業炮工分片分區查看，并進行網絡接線檢查。撤退工作面其他工作人員、設備、材料至安全位置。炮工負責引爆。

（5）開挖前，完成超前支護。超前支護形式主要采用超前錨桿。超前支護完成后，確保洞室能滿足開挖爆破施工要求時，才能鉆進爆破開挖，并在開挖結束后系統支護跟進。對層間錯動帶、小斷層及節理裂隙較為突出的部位進行隨機支護或加強支護。同時，開挖進尺控制在1～1.5m，遵循“短進尺，弱爆破”的原則。

3.4 關鍵及特殊部位開挖技術

主廠房開挖成型質量的關鍵部位在于巖錨梁、洞室交叉部位的施工。

（1）地下洞室及巖錨梁對爆破質點振動速度要求非常嚴格（小于7cm/s），每層拉槽開挖前必須進行周邊設計輪廓線預裂，加快地震波的衰減速度，從而盡可能減小爆破振動對圍巖及支護結構的影響；由于第Ⅳ層離巖錨梁比較近，為減少第Ⅳ層開挖爆破對巖錨梁的振動影響，巖錨梁錨桿需在第Ⅳ層邊墻預裂完成后方可進行安裝，然后進行巖錨梁混凝土澆筑。在廠房第Ⅳ層開挖時必須進行爆破振動測試，控制單響藥量和質點振動速度，求得本區實測的K、a值。

（2）引水壓力管道、母線洞、尾水管擴散段、主變運輸洞、主變交通洞等都必須在高邊墻上開洞口，高邊墻穩定問題突出。因此，施工中采取以下措施，確保施工質量：第一，測量放線認真準確，巖錨梁等關鍵部位由上級測量單位復核；第二，由經驗豐富的鉆手施鉆，技術員跟班指導，巖錨梁等重要部位組織質量跟蹤小組，對每道工序進行質量跟蹤；第三，在技術人員指導下，由經驗豐富的炮工進行裝藥連線，嚴防用錯雷管段數；第四，嚴格控制最大單響裝藥量，以防止爆破振動對廠房高邊墻，特別是巖錨梁造成損壞；第五，為保證邊墻開挖輪廓，廠房除Ⅰ層外，其余每層開挖前均對上下游邊墻及端墻進行預裂；第六，高邊墻上開洞口時，盡可能采用小洞貫大洞的方式并預先做好洞口的鎖口支護，并按“先洞后墻”的原則進行施工，做好各洞口與廠房相交處的環向預裂。

（3）巖錨梁施工技術要點。

1）巖錨梁位于廠房第Ⅲ開挖層內，為保證巖錨梁巖臺成型，開挖時采用控制爆破技術，采用高精度非電雷管。開挖前精心進行爆破設計與試驗，試驗選擇在先施工段進行，爆破工藝性試驗通過后才能大量展開施工。巖錨梁部位的開挖采用預留保護層的開挖方式，保護層與中部槽挖之間采取預裂爆破分開。中部槽挖先行，用液壓潛孔鉆垂直鉆孔，梯段爆破，超前兩側保護層開挖約30～50m，保護層厚度初擬4.0m，施工中根據爆破試驗優化參數。

2）巖錨梁保護層必須按爆破振動試驗確定的爆破參數嚴格控制下直墻外側垂直鉆爆的單響藥量，鉆孔時采用三次鉆桿校桿法和加扶正器法保證下直墻面預裂孔垂直，孔與孔之間平行，孔底偏差小于10cm，保證預裂孔鉆孔精度。巖臺三角體上直墻面及斜面光爆孔間距30～35cm，鉆孔深度及角度用測量儀器嚴格控制。巖石三角體雙向光爆采用高精度非電毫秒雷管，磁電雷管起爆。

3）巖錨梁施工中，采用激光定位技術放樣，精確測放輪廓線。鉆孔方位角采用地質羅盤控制，水平鉆孔用水平尺控制水平度，斜面傾斜孔仰（傾）角及深度用幾何法控制。開孔前用全站儀測定每一孔位應鉆深度。

4）巖錨梁三排深孔受力錨桿設置鉆孔樣架。錨桿孔深根據超挖情況重新計算，并用全站儀準確測量定位。受拉錨桿采用鑿巖臺車造孔，受壓錨桿采用潛孔鉆造孔。錨桿孔上、下偏差不大于±3cm，左右偏差不大于±10cm，孔深偏差不大于5cm，角度偏差不大于+2°。巖錨梁錨桿安裝在Ⅳ層邊墻預裂完成后進行，以減小爆破對巖錨梁錨桿的擾動。

3.5 鉆爆設計

3.5.1 鉆爆設計原則

根據主廠房地質條件及相關技術規范要求、開挖方法及以往施工經驗，隧洞開挖爆破設計按“短進尺、弱爆破”的原則進行；嚴格控制最大單響藥量，減小對圍巖的擾動，并按規范和設計要求的質點振速等要求對爆破參數進行測驗，根據實測參數進行爆破設計。

3.5.2 爆破參數選擇

廠房Ⅰ層采用手風鉆造水平孔開挖，鉆孔直徑為50mm，循環進尺根據不同圍巖類別暫定為：Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段3m，Ⅳ類圍巖洞段1.0～1.5m，周邊光爆孔間距50cm，爆破效率按 91%考慮。

3.5.3 爆破器材選用

（1）炸藥：采用塑料膜包裝的卷狀乳化炸藥，水位線以下開挖可采用4#巖石抗水炸藥。成品卷狀乳化炸藥密度為0.95～1.3g/cm³，爆速不小于4500m/s，作功能力不小于320mL，猛度不小于16mm，殉爆距離不小于4cm。

（2）雷管：采用普通非電毫秒雷管，塑料導爆管雷管的單發準確率應在99.9%以上，延時精度符合出廠質量要求。

（3）導爆索：浸水前導爆索爆速不低于6500m/s，能可靠傳爆和起爆炸藥，導爆索爆速不低于6000m/s。

（4）起爆裝置：采用磁電起爆。

3.5.4 爆破允許質點振速

按照招標文件技術條款，廠房高邊墻等部位最大允許質點振速應不超過7cm/s，其余應滿足《水工建筑物地下工程開挖施工技術規范》和《引水發電系統地下洞室開挖與支護施工技術要求（A版）》的要求。

4 開挖質量控制

（1）嚴格按照設計圖紙、施工技術規范、監理批復的措施施工。

（2）建立和完善 “三檢”質量管理制度，執行質量一票否決制。

（3）施工用原材料必須有出廠合格證、材質證明書，需要抽檢的必須及時通知試驗室取樣，檢查合格后方可使用。

（4）嚴格控制開挖邊界尺寸，盡量避免超欠挖，有結構要求的不允許欠挖，超挖不大于15cm（不良地質段除外）。

（5）光面爆破須達到以下要求：

1）殘留炮孔痕跡應在開挖輪廓面上均勻分布。

2）炮孔痕跡保存率：完整巖石在80%以上，較完整和完整性差的巖石不少于50%，較破碎和破碎巖石不少于20%。

相鄰兩孔間的巖面平整，孔壁不應有明顯的爆震裂隙。

（6）嚴格按爆破設計進行布孔裝藥爆破。

（7）開挖要求四點一線（底線點、中線點、起拱點、頂點）的孔位在同一直線上。

（8）QC（全面質量管理）小組定期召開廠房開挖質量和工藝討論會，并經常到作業現場收集實際資料（圍巖地質條件、鉆爆參數等），對數據進行分析整理，為不斷提高廠房開挖質量提供依據。

5 結語

黃登水電站地下廠房系統洞室群施工除具有常規地下廠房施工難度外，還受到特殊地質條件的影響，洞室開挖后圍巖會產生較強烈的變形破壞。尤其是在下游邊墻部位，開挖形成的洞室交叉段、巖柱等應力集中部位變形破壞更為嚴重。開挖過程中對應不同結構及地質情況選擇了適應性的措施：

（1）根據地下廠房及臨近洞室施工順序及進度計劃安排，周密規劃施工通道，并考慮由于地質條件變化而導致施工順序發生變化的情況，編制多種切實可行的方案。

（2）對于臨近交叉洞室開挖，高邊墻上開洞口時，盡可能采用小洞貫大洞的方式并預先做好洞口的鎖口支護，并按“先洞后墻”的原則進行施工，做好各洞口與廠房相交處的環向預裂。

（3）巖錨梁開挖控制要點：

1）爆破質點振速要求不超過7cm/s。每層拉槽開挖前必須進行周邊設計輪廓線預裂。

2）采用預留保護層的開挖方式，保護層與中部槽挖之間采取預裂爆破分開。

3）嚴格控制鉆孔精度。

（4）尾水管后延伸段部位由于挖空率高，加上地質條件差，開挖過程中風險極大，對結構突變位置先進行環向輻射孔預裂，采取導洞、分層開挖的方式，并隨層進行一次襯砌支護。