水电站超大型地下厂房高边墙深孔预裂施工技术应用研究

水电站超大型地下厂房高边墙深孔预裂施工技术应用研究【摘要】向家坝水电站地下厂房跨度大，高度高，地质条件十分复杂，在开挖工期十分不利的情况下，采用了高边墙深孔预裂爆破技术，加快了施工工期，节约了工程成本，对其他水电站快速施工有一定借鉴意义。

【关键词】地下厂房；高边墙；深孔预裂0.概述目前，已建或在建的水电站地下厂房中下层开挖施工（如鲁布革水电站、龚嘴水电站、铜头水电站、小关子水电站等），基本上都采用了先中部拉槽，后两侧保护层跟进开挖的施工方式。

该种施工方式主要优点：开挖超挖小，开挖质量宜控制；利于边墙提前释放应力，洞室整体稳定性好；主要缺点：不利于快速开挖施工，工程造价相对较高。

为确保水电站地下厂房快速安全施工，一直以来，工程技术人员在不断探索地下厂房中下层开挖施工方式是否可采用直接边墙深孔预裂，再进行全断面开挖。

这种施工方式如能成功，则在一定程度上提高施工速度，节约工程造价，对工程建设大有裨益。

但苦于国内现有的钻孔设备不能紧贴墙边边墙造成超挖量大、地下厂房中下层开挖震动要对岩壁梁影响要小、高边墙预裂爆破对厂房稳定影响不确定等原因，未能付诸实施。

向家坝水电站地下厂房开挖最大宽度33.4m、最大高度88.2m（均为世界第一）。

由于向家坝水电站地下厂房处于软硬相间的15o～20°缓倾角水平层状砂岩和泥岩中，地质构造发育，岩性变化巨大，跨度大，在顶拱层开挖支护中采取了较为安全的开挖方式（先开挖中上导洞再分两次扩挖到位），故花费了10个月的时间。

顶拱层以下各层开挖（8层，含岩壁梁层）需要在23个月内完成，即：除岩壁梁层外（有岩壁梁砼浇筑），其他各层开挖均要在2～2.5个月内完成，工期紧，任务重。

2007年，随着一种新型的钻孔设备KSZ-100Y型的出现，在向家坝水电站地下厂房采用先高边墙深孔预裂再全断面开挖施工成为一种可能。

1.预裂爆破试验为确保地下厂房开挖能快速连续施工，工程技术人员积极查阅有关资料，与相关机械厂家联系协商预裂爆破钻孔设备事宜，同时选定在主变洞第Ⅱ层0-27.25～0+100m（EL282.39～EL279.99，9.4m高）段进行高边墙预裂试验（6段，每段15m长），以提前获取相关爆破参数。

2007年10～11月份，在有关单位的共同参与下，预裂爆破孔（孔径80mm）孔距分别选取80cm 、70cm，炸药采用φ32乳化炸药，线装药量密度分别选取选500g/m、600g/m、700g/m三种，进行了高边墙预裂试验，取得了相应的爆破参数：Ⅱ、Ⅲ类围岩，孔距70cm，线装药量密度600g/m左右；Ⅳ、Ⅴ类围岩，孔距70cm，线装药量密度500g/m左右。

爆破震动检测在主变洞爆破点10m远处进行，检测结果显示爆破震动满足有关规范要求。

图1KSZ-100Y型钻机图2主变洞深孔预裂爆破试验2.深孔预裂爆破施工2.1施工方案地下厂房采用高边墙深孔预裂爆破，KZS100Y潜孔钻机造孔，样架导向。

预裂爆破与全断面开挖钻孔平行作业，互不交叉，预裂超前全断面开挖不少于20m爆破，爆破区域距离边墙支护区不少于30m。

前期开挖控制结构预裂速度，便于及时调整爆破设计，提高预裂效果，保障边墙成型质量，减小拉槽对厂房边墙的爆破振动影响，提高开挖施工速度。

2.2工艺流程爆破设计审批—测量放线—样架搭设（验收签《准钻证》）—钻孔（终孔验收签《钻孔合格证》）—装药—网络连接（验收签《准爆证》）—爆破—通风、散烟—爆破后评价、总结—优化调整爆破设计。

2.3爆破设计主厂房预裂在边墙设计线上开孔，钻孔直接钻至各结构设计高度，孔径80mm，孔间距70cm，30m～40m一段，领先全断面开挖20m爆破。

2.3.1爆破参数（1）爆破分层及孔深、孔向确定。

鉴于底板起伏不平，高程不一致，预裂孔样架横杆同一高程，使钻杆在预裂孔孔线（由孔底高程及需向边墙超挖值确定）的延长线上，便于预裂孔在同一平面上，提高造孔质量。

（2）装药结构及起爆网络结构。

结构预裂根据实际孔深进行装药：采用竹片上绑整节φ32药卷间隔装药，深孔孔底加强装药量为2kg——2节φ32药卷绑扎为一段，连续装5段，再连续装φ32药卷，间隔14cm；孔口堵塞结构为：先用编织袋堵塞10～20cm，剩余65cm采用细砂堵塞。

正常装药线装药量密度550～600g/m（根据围岩情况调整）。

孔内导爆索，孔外MS3延迟雷管传爆，火雷管起爆。

不同孔底高程的预裂须分开爆破，每段连接处及边墙转角处需放置空孔，防止拉裂。

单响药量不大于35kg，不少于4孔一响，中上部药卷间隔可适当加大。

预裂爆破必须考虑临近建筑物对振速的要求，爆破振动速度控制在相关建筑物对爆破振速要求范围之内。

爆破后，需对爆破效果进行仔细分析，及时优化爆破设计。

尤其对预裂缝开展情况进行检查，需满足如下要求：结构预裂缝宽度在0.1～0.3cm范围以内。

2.4各工序施工方法2.41测量放样测量放样分两个步骤进行：①预裂孔样架横杆高程、控制点高程、桩号及超挖值放样；②样架校核及方向点放样。

2.4.2样架搭设样架搭设的好坏在一定程度上决定了预裂爆破的成败。

预裂孔孔位及立柱插筋孔孔位已由测量完成放样；根据测量所放首尾立柱插筋孔拉线按1.4m间距放出其余插筋孔孔位，然后由钻工按设计要求进行造孔。

插筋孔完成后，插入立柱及后排插杆，并搭设横向连接杆，同时进行上层插筋孔造孔，插筋孔孔位距底步横杆1.6m高差左右，拉线控制插筋孔基本在同一水平线上。

完成后插入上层插杆，同时，后排横杆搭设、底部横杆搭设，过程拉线量测控制，务必保证横杆与开口线平行且在同一高程上。

上层插杆完成后，搭设上层横杆，要求与底部横杆相同，水平位置采用吊线控制。

然后进行底部插筋孔造孔，同时架立斜撑，斜撑底部需紧抵岩面，斜撑与上层横杆（紧贴立柱与上层横杆连接扣件）、上层插杆以及下部横向连接杆采用扣件连接（斜撑两端均须紧抵基岩面）；斜撑完成后，样架雏形已形成。

吊线进行倾角初步校核；再由测量进行检校，并按测量结果进行样架微调，调整完毕后，测量在样架上、下横杆上逐一放出方向点。

样架经测量校核符合要求后，进行样架初步加固。

钻机架设时，对准测量所放方向点，钻机中心线须与方向线重合。

钻机架设好后，进行倾角及方位角检校，确认无误后进行样架最终加固：主要是在入岩立柱之间再增加立柱、相应横向连接杆、腰部横杆及中层斜撑。

所增加立柱、横向拉杆及斜撑均需紧抵岩面。

造孔过程中，需加强对样架的观测。

有晃动时必须停钻校核，确认无偏差后采取措施进行加固。

若有卡钻情况，提出钻杆时，通常会对样架产生较大扰动，需及时进行纠偏。

2.4.3钻孔开孔作为钻孔最重要环节必须严加把关。

开孔前，对孔口不平处由人工进行凿平，或使用架管辅助限位进行开孔；开孔时，钻工务必操作钻机低钻速、慢钻进，注意钻杆是否偏斜，及时调整；分别在开孔后钻进20cm、60cm、1m时进行倾角及方位角检查（倾角采用磁力线垂对钻杆进行检查，方位角通过测量在上、下层横杆上所放方向点控制，按照质量控制标准，上、下同向偏差不超过1.6cm，异向偏差不超过8mm），严格要求，及时纠偏；开孔三次校钻及调整结果需据实填写在钻孔记录表上。

钻进过程中注意观察样架稳定性，晃动过大，立即采取措施加固；钻工需注意钻机钻进速度变化、根据经验判断是否遇到软弱夹层、层面、节理裂隙等地质问题，当钻杆猛然沉降或卡钻时，需及时通过调整钻进速度等措施进行控制，防止飘钻。

对已钻完的孔采取周密保护措施，孔口用编织袋堵塞严实，将周边浮渣及积水清排干净，以防堵孔。

2.4.4验孔装药前，作业队逐孔进行孔深、孔斜及间距检查并填写检查记录表，按照“深堵浅补”要求进行处理，完成后由质量部进行终检，终检合格申请验收。

2.4.5装药对装药所用竹片进行检查，竹片宽度需在3cm～4cm之间，不符合要求的竹片进行剔除；在竹片上做好预裂孔孔深及堵塞段标记；根据装药间隔长度做好标尺；药卷及导爆索采用胶布绑扎紧密，药卷间隔距离误差不超过1cm；装药时，竹片靠近边墙一侧，药卷朝向外侧。

装药过程中，因堵孔、塌孔造成无法装药的孔，及时反映，进行处理。

2.4.6堵孔堵孔人员在炮棍上用油漆或胶布做出堵塞长度标记，严格按爆破设计所要求的堵塞材料、堵塞长度、及堵塞形式进行堵孔。

2.4.7 联网网络连接严格按照爆破设计执行，作业队技术主管旁站把关，导爆索搭接长度在15cm以上，保证网络可靠度。

合格后申请验收。

2.4.8爆破经验收装药、联网合格并签《准爆证》后进行爆破警戒。

爆破前，负责起爆的炮工需得到所有哨点警戒人员警戒工作就绪的通知后方能起爆。

2.4.9炮根处理办法边墙揭露后，若根部存在岩坎，对炮根按设计要求进行预裂或光面爆破处理，保证根部不留错台，边墙预裂面满足质量要求。

3.爆破检测3.1爆破振动观测在厂房、主变洞等部位布置振动测点，采用TOPBOX 爆破振动测试系统，进行水平径向、水平切向和竖直向三个方向的监测，实测振动速度峰值一般控制在10cm/s以内。

3.2松动圈检测检测结果显示，厂房第Ⅳ层以下高边墙的开挖影响深度值为0.2～0.7m，说明在主厂房高边墙深孔预裂所实施的一系列精细爆破技术，有效地控制了对围岩原有质量的影响。

4.围岩稳定分析地下厂房主要布置有：围岩变形监测（多点位移计及收敛监测）、锚杆应力监测（锚杆应力计）、锚索受力状态监测（锚索测力计）。

目前顶拱最大变形12.87mm，边墙变形最大6.5mm，厂区围岩变形已趋于稳定且处于安全受控状态。

5.施工质量采用高边墙深孔预裂技术，其炮孔半孔率Ⅱ类围岩98.9%；Ⅲ类围岩94.5%；Ⅳ类围岩87.6%，；不平整度0至8cm；超挖8至10cm,炮孔半孔率在设计轮廓面上平行均匀分布，地下厂房高边墙深孔预裂爆破质量完全达到预期设计效果，并获得了样板工程。

6.结语在向家坝水电站地下厂房开挖爆破过程中，推行取消高边墙保护层，进行高边墙深孔预裂爆破，创造条件进行深孔梯段延时爆破全断面开挖，在确保施工质量的前提下，减少了施工工序和施工干扰，加快了施工进度（地下厂房岩壁梁层以下开挖提前1个月完成），降低了施工成本，对其他水电站地下厂房快速施工有一定借鉴意义。

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