五岳抽水蓄能电站地下厂房岩壁吊车梁开挖技术

李 闯

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450000）

1 工程概况

五岳抽水蓄能电站位于河南省信阳市光山县殷棚乡、罗山县定远乡境内，距信阳市区直线距离约70km。电站总装机容量1000MW，安装4 台单机容量250MW 水泵水轮发电机组，承担河南电网调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用等任务。枢纽工程由上水库、输水发电系统、下水库等建筑物组成。

地下厂房岩壁吊车梁位于厂房第二层，长度为144.83m，布置高程范围38.080m～34.880m，轨顶高程38.080m，上拐点高程36.179m，下拐点高程34.880m，岩台宽0.75m，斜面长1.5m，斜面与竖直方向夹角30°。

2 主要地质情况

地下厂房开挖揭露岩性为灰白色中粒二长花岗岩，多属微风化，岩体以块状、次块状为主。根据厂房地质编录成果，断层发育2 条，产状NE55°NW ∠75°～85°，宽度0.2m～0.8m，由碎裂岩、断层泥等组成；裂隙发育6 组，走向以NWW、NE 向为主，多闭合，断层及裂隙以陡倾角为主，缓倾角及中等倾角裂隙仅局部发育；揭露裂隙密集带24 条，宽度0.5m～1.0m，对岩壁吊车梁岩台开挖成型及结构稳定影响较大；地下水不发育，仅局部存在点滴状渗水。厂房区地应力为3.5MPa～8.4MPa，最大主应力方向NW346°～NE27°。地下厂房轴线方向为NW345°，主要结构面与厂房轴线呈大角度相交，最大主应力与厂房轴线呈小角度相交，对洞室边墙围岩稳定有利[1]。

3 分层分区开挖

为减少爆破振动破坏，确保岩台开挖成型，岩壁吊车梁开挖采用“三层六区”分区方案和“中部梯段爆破、两侧保护层开挖跟进”施工方法，岩壁吊车梁层整体开挖分层高度9.5m（EL41.500～EL32.000），分层分区如图1 所示。中部拉槽宽度16.5m，分2 层2 区（①区和③区），先行预裂爆破至本层底部，后分两层进行拉槽爆破开挖；两侧保护层厚度4.75m，分3 层3 个区域（②区、④区和⑤区）进行开挖；岩壁吊车梁岩台为⑥区，为开挖关键部位，分层开挖顺序为①→②→③→④→⑤→⑥。1）①区开挖高度3.1m，宽度16.5m，采用手风钻进行钻孔爆破，孔径42mm、孔深3.1m，孔距1.0m，排距1.35m，主爆孔线装药密度770g/m。2）②区开挖高度3.1m，宽度4.75m，采用手风钻进行钻孔爆破，边墙光爆孔钻孔时相对第二层技术超挖10cm，满足岩壁梁上直墙架钻要求；孔径42mm，孔深3.1m，孔距40cm，采用竹片绑扎炸药，不耦合装药，线装药密度130g/m；主爆孔孔径42mm，孔深3.1m，孔距1.0m/1.5m，排距1.5m，初拟线装药密度670g/m。3）③区开挖高度6.0m，宽度16.5m，采用D7 钻机进行钻孔爆破，孔径76mm，孔深6.0m，孔距1.0m，排距1.5m，线装药密度800g/m。4）④区开挖高度2.5m，宽度4.1m，采用手风钻进行钻孔爆破，开挖时相对⑤区宽度方向超挖10cm，满足岩壁梁下直墙架钻要求，孔径42mm，孔深2.5m，孔距1.0m，排距1.2m，初拟线装药密度500g/m；光爆孔采用手风钻进行钻孔，孔径42mm，孔深2.5m，孔距40cm，采用竹片绑扎炸药，不耦合装药，线装药密度90g/m～120g/m。5）⑤区开挖高度3.5m，宽度4.0m，采用手风钻进行钻孔爆破，孔径42mm，孔深3.5m，孔距1.0m/1.5m，排距1.2m，线装药密度500g/m。垂直光爆孔，采用搭设样架手风钻进行钻孔，孔径42mm，孔深3.5m，孔距30cm，采用竹片绑扎炸药，不耦合装药，线装药密度90g/m～120g/m[3]。6）⑥区为岩锚梁区，高度3.52m，宽度0.65m，采用手风钻搭设样架进行钻孔爆破，斜面光爆孔孔径42mm，孔深1.51m，孔距30cm，采用竹片绑扎炸药，不耦合装药，线装药密度60g/m～80g/m；岩台垂直光爆孔孔径42mm，孔深2.27m，孔距30cm，采用竹片绑扎炸药，不耦合装药，线装药密度60g/m～80g/m。

图1 岩壁吊车梁分区开挖图（单位：m）

4 岩台开挖技术

岩壁吊车梁是地下厂房桥式起重机运行轨道，是整个地下厂房施工的重难点和关键点。其在施工过程中是否能保证开挖成型质量、是否能保证爆破后岩体完整性以及相关的岩壁梁锚固体系，都对地下厂房桥机运行安全性起直接作用。因此，项目开工伊始就将岩壁吊车梁岩台开挖作为地下厂房施工的重中之重，项目部采取一系列措施来提高岩台开挖质量。

4.1 预固结灌浆

在厂房岩壁吊车梁①区、②区开挖完成后，边墙区域存在多处陡倾角节理密集带，爆破后多处不稳定块体掉落，导致光面爆破效果较差，为确保岩台开挖成型质量，提高岩石完整性，在④区开挖前对岩台边墙节理密集带区域进行固结灌浆，详见表1。灌浆钻孔孔径φ45mm，孔间距1.0m，孔深L=4.0m（至岩锚梁下拐点以下10cm），孔位布置如图2 所示。

图2 岩壁吊车梁固结灌浆布置图（单位：m）

表1 厂房岩壁吊车梁固结灌浆区域

在具体施工过程中，要注意以下要点：固结灌浆采用全孔一次从底孔灌至顶孔。采用φ45mm机械塞进行卡塞灌注，塞位控制在20cm～30cm。在灌浆固结环节，除须使用纯水泥浆外，还要确保灌浆浆液浓度能以“由稀变浓、逐级变浆”的原则进行施工；该工程采用了4 个比级的水泥浆液的水灰比，分别为2 ∶1、1 ∶1、0.8 ∶1、0.5 ∶1。

浆液变换标准如下：①灌浆压力保持不变而注入率持续减少，或注入率不变而压力持续升高时，不得改变水灰比。②当某一级浆液注入量达到300L 以上，而灌浆压力和注入率无改变或改变不明显时，可加浓一级。③当注入率大于30L/min 时，可视情况越级变浆。

在灌浆孔顺序方面，不仅要将其分为两序，还要严格遵循“分序加密”这一原则；具体在实际施工中，在要先完成I 序孔施工后，方可对II 序孔进行施工。工程中，Ⅰ序孔与Ⅱ序孔固结灌浆压力分别为0.2MPa、0.3MPa。

4.2 岩台钻孔作业

岩壁吊车梁岩台⑥区竖向孔在④区开挖钻孔同时进行钻孔，成孔后孔内插入PVC 管保护，不进行装药，待⑥区斜孔钻孔完成后一块爆破。斜向光爆孔在⑤区开挖完成后，搭设斜样架进行钻孔，采用YT28 手风钻钻孔，孔径为φ42mm，孔间距均为30cm（预固结灌浆区域间距25cm）[2]。垂直孔和斜向孔采用搭设钢管样架进行钻孔角度、长度控制，样架搭设详见图3、图4。

图3 ⑥区垂直孔样架

图4 ⑥区斜孔样架

样架搭设前由专业测量人员进行样架搭设放样，放样内容包括样架定位点、样架高程控制点、爆破孔孔位布置点。搭设人员根据测量点位及钻孔角度进行样架搭设，在垂直孔样架和斜孔样架搭设完毕后，须由测量人员对样架定位管进行复核验收，保证定位准确。

岩台钻孔导向管采用φ48mm，壁厚3mm 钢管和φ30mm硬质橡胶管双套管结构，缩小钻杆与导向管之间间隙，降低钻孔过程中由于钻杆的晃动引起漂钻偏孔，开钻前由测量队采用全站仪对钻孔样架高程、角度进行复核。

另外，对质检人员来说，为确保所检查结果的准确性，要使用钢卷尺、电子角度仪、水平尺等设备来钻前校核即将投入使用的钻孔排，且在所得检查结果确认没有发生变形和移位前提下，方可让施工人员进行开钻施工。

在钻孔过程中，由技术人员进行现场旁站，确保钻孔质量。同时为避免岩台出现欠挖，影响后续岩锚梁钢筋绑扎，垂直孔向外偏斜1°，孔底超钻5cm，斜向孔开孔位置向下3cm，孔底超钻5cm 进行控制。

4.3 岩台下拐点增加锁口锚杆

岩壁吊车梁⑤区开挖完成后，对岩台下拐点以下边墙围岩情况进行排查，对节理密集带部位采用对下拐点进行锁口锚杆施工，锁口锚杆位于下拐点以下0.2m 处（高程EL34.680），采用砂浆锚杆，直径22mm，长3.0m，入岩2.85m，间距1.0m；同时下拐点以下50cm 挂φ8mm@200mm钢筋网，喷射15cm 厚C25 混凝土，形成锁口锚喷支护，进而保证岩台下拐点开挖完整性。

4.4 爆破参数控制

为取得岩台爆破最优爆破参数，在厂房④区下游侧CZ0-41.500～CZ0-21.700，长19.8m、宽0.75m、高3.52m，进行岩台1：1 爆破试验，采用55g/m、65g/m、75g/m 和4 根导爆索，四种线装药密度对比分析，每种线装药密度装约5m爆破范围，验证钻孔样架搭设的稳定性、准确性；确定光爆孔的孔位、孔距、孔斜、孔深；选定最优岩台光面爆破参数如下：1）岩台采用垂直孔和斜向孔同时起爆方式。2）炮孔直径为φ42mm，孔距25cm～30cm，竖孔孔深2.27m，斜孔孔深1.51m，线装药密度约为65g/m（垂直孔安装6 节25g 药卷、斜向孔安装4 卷25g 药卷）。3）节理密集带部位直接采用4 根导爆索并联结构进行装药[4]。

4.5 成型效果

通过对岩壁吊车梁区域提前固结灌浆、下拐点预支护、搭设精准钻孔样架、挑选技术精湛钻工、优化爆破参数和进行严格地施工管控，岩台除节理密集带小范围直壁超挖外，开挖成型完整率达到95%以上。

岩台开挖取得理想效果（见图5）：①岩台整体平整、整齐，无欠挖，最大超挖13.6cm，最小超挖3cm。②岩台残孔垂直孔与斜孔相连，残孔率达到98%以上。③下拐点及垂直边墙均保留完整。④残孔中无爆破破坏裂隙，对岩体扰动较小。

图5 理想效果下的岩台开挖示意图

5 结语

在五岳抽水蓄能电站岩壁吊车梁开挖过程中，采用分薄层开挖、对节理密集带与断层处进行固结灌浆、爆破前对岩台下拐点进行锁口锚杆加固、采用精细化钻孔手段、合理的技术超挖方法以及最优的装药结构，在爆破的过程中根据地质情况及时进行“一炮一设计，一炮一验收，一炮一总结”。该工程岩壁吊车梁通过精细化开挖施工，并在完成后确保了工程平整度好、残孔率高、质量优良的特征，值得进一步推广与应用。