地下厂房岩壁梁岩台成型措施及岩体损伤的研究

2015-06-05史永跃熊细和左华根

水电站设计 2015年1期

关键词：岩壁吊车厂房

史永跃，熊细和，吴勇，左华根

（四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都 610072）

地下厂房岩壁梁岩台成型措施及岩体损伤的研究

史永跃，熊细和，吴勇，左华根

（四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都 610072）

岩壁锚杆吊车梁（简称岩壁梁）开挖是地下厂房施工的重点和难点，为了充分发挥围岩的承载能力，开挖精度要求非常高，爆破开挖岩台成型要好，且对岩体的损伤也要降到最低。本文以黄金坪水电站地下厂房岩壁梁爆破开挖为例，针对Ⅲ类花岗岩体制定了合理的开挖方案和爆破参数，为了确保岩壁梁岩台在结构面较发育部位的成型质量，采取了一系列切实有效的措施。岩壁梁开挖完成后，通过现场调查对爆破裂隙、超欠挖、平整度和残孔率进行统计、分析，进而采用声波检测仪评价了岩壁梁岩台开挖对岩体的损伤程度。

黄金坪水电站；岩壁梁；花岗岩体；结构面；损伤

0 前言

地下厂房岩壁梁是一项集控制爆破、锚固、混凝土、监测于一体的综合性施工技术，它是通过两组受拉锚杆和一组受压锚杆承受荷载，把钢筋混凝土吊车梁锚固在地下厂房岩壁斜面上的受力结构，使钢筋混凝土吊车梁与地下厂房边墙岩体形成一个牢固的整体［1］。采用岩壁梁这种结构形式，无需吊车柱或墙，可充分利用围岩自身的承载能力，而且吊车或施工临时吊桥可先期投入运行，经济效益十分显著。

根据岩壁梁受力稳定特性，只要受拉锚杆或岩壁受压区中任一方发生破坏，整个岩壁吊车梁就会发生变形破坏［2］。因此，保证岩台成型和降低对岩体的损伤是岩壁梁开挖的关键，而爆破开挖质量的好坏直接影响到围岩的完整性和力学特性，进而影响到随后支护工程量的大小和岩壁梁的安全运行。本文通过对黄金坪水电站地下厂房岩壁梁的开挖方案和围岩的损伤情况进行分析，研究了开挖爆破对花岗岩体的影响程度、范围、破坏规律和特点，采取了减小岩体损伤和有利于岩台成型的一系列措施，并取得了明显的效果。

1 黄金坪水电站地下厂房工程地质条件

黄金坪水电站地下厂房（包括主、副厂房、安装间）“一”字型布置于左岸山体内。围岩为晋宁～澄江期的斜长花岗岩，微风化，其间穿插辉绿玢岩岩脉、花岗细晶岩脉和石英闪长岩团块。微新斜长花岗岩平均弹性模量为53.2 GPa，湿抗压强度为146 MPa，软化系数0.83，属坚硬岩。

地下厂房水平埋深240～490 m，垂直埋深约295 m，根据平硐地应力测试结果，最大水平主应力均值为16.8 MPa，方向N80°E，与厂房轴线N70°W的夹角为30°。地下厂房开挖揭露的围岩结构面中等发育，岩体多呈镶嵌、次块状结构，主要发育近平行厂房轴线的陡倾结构面N50°～85°W／SW∠65°～85°和垂直于厂房轴线的缓倾结构面N20°～25° E／NW∠27°，结构面起伏、粗糙、闭合、无充填，表面黄褐色轻微锈蚀，其间距0.2～0.5 m，延伸长度一般3～10 m，另外还有两组N30°W／NE∠75°～80°和N40°E／NW∠30°不太发育的刚性结构面。岩壁梁开挖揭露的洞壁潮湿，未见渗滴水现象，围岩绝大部分为Ⅲ类，断层带及裂隙密集部位为Ⅳ、Ⅴ类。

2 岩壁梁开挖方案及爆破参数

黄金坪水电站地下厂房开挖尺寸为206.3 m× 28.8（25.5）m×68.8 m（长×宽×高），岩壁梁以上开挖宽度为28.8 m，岩壁梁以下开挖宽度为25.5 m。岩壁梁位于厂房第Ⅲ层内，布置于桩号（厂横）0＋000～（厂横）0＋183.40 m，自安装间向副厂房方向推进，单侧长度为183.4 m，上下游合计366.8 m。

岩壁梁上拐点位于高程1 421.3 m，下拐点位于高程1 419.15 m，设计宽为1.65 m，高2.15 m，岩台斜面与水平面夹角成52.5°。

岩壁梁开挖是施工的重点和难点，精度要求非常高，岩壁梁岩台不允许出现欠挖，控制岩台斜面角度偏差在1°以内。Ⅰ、Ⅱ类围岩残孔率应大于90%，Ⅲ类围岩残孔率应大于80%，局部不良地质段及断层带残孔率应大于50%。

根据DL／T 5198－2004制定专项开挖措施，结合具体地质条件，为了保证岩壁梁开挖成型质量，共分三层六序开挖，即Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示分层数，①～⑥表示分序数（见图1）。

图1 岩壁梁开挖分层分序开挖程序（标注以“cm”计）

对于同一施工区段，总体开挖程序为：中部拉槽→保护层开挖→岩台开挖。岩壁梁开挖具体程序为：岩台竖直光爆孔造孔、中部拉槽①序开挖→保护层②序开挖→中部拉槽③序开挖→保护层④序开挖→保护层⑤序开挖→下拐点以下锁口锚杆、系统锚杆及喷混凝土支护、岩台提前支护→岩台开挖（⑥序）→岩壁梁锚杆、锚索造孔施工→岩壁梁锚杆安装→上、下拐点锚索张拉。对于不良地质段，适当减小拉槽宽度，自厂房中心向两侧分层、分次开挖爆破，以降低对围岩的扰动。

在岩壁梁开挖之前通过试验确定开挖施工程序、施工工艺、爆破参数及钻孔精度控制方法。实际开挖时，参考生产性试验推荐的爆破设计参数进行爆破开挖（见图2、表1），结构面发育部位孔距适当调整为20 cm，根据爆破效果和地质条件执行“一茬炮一设计”制度。在进行光面爆破开挖时，为加快施工进度，预先在洞外将φ25药卷剖成两半，再搓成圆柱体，按爆破段的设计参数切成不同的段数绑在竹片上，装药时运至洞内直接安装，竹片靠非崩落区方向放置。

图2 岩壁梁光爆孔装药结构（标注以“cm”计）

表1 岩壁梁开挖爆破参数

3 确保岩壁梁成型质量的施工措施

根据地下厂房开挖情况，花岗岩体在爆破扰动时，沿结构面会进一步扩展，极易发生结构面的组合破坏，结构面发育部位岩体进一步碎裂化，对岩壁梁的成型极为不利。为了尽量保证岩壁梁岩台成型质量，采取了如下措施：

3.1 提前加固措施

保护层开挖前，对于围岩较破碎或裂隙张开较大的部位，先喷射20 cm厚混凝土封闭，再进行固结灌浆。超前预灌浆加固钻孔＠2×2 m，灌浆压力0.1～0.2 MPa，钻孔深度应深入岩台1 m，以提高岩体的完整性。

保护层开挖完成后，在岩台下拐点以下20 cm布置一排φ25、L＝3 m、间距1 m的锁脚锚杆，在长大结构面附近调整锚杆间距，并在结构面两侧增加锁脚锚杆，下拐点以下3 m范围内采取挂网喷混凝土封闭，确保下拐点不被破坏。

3.2 爆破孔质量控制措施

岩壁梁受压区体型控制在开挖过程中尤为重要，即岩壁梁⑥序开挖，也是岩台成型效果的最关键一步，而爆破孔成孔精度是岩台成型质量的关键。竖直光爆孔和斜面光爆孔造孔均采用导向管定位，采用定位销精确定向，用限位管以及定长钻杆控制孔深。导向管严格按照设计孔间距及孔向搭设，搭设后须经测量人员用全站仪进行校核，并经验收合格后方可开钻造孔，以保证钻孔质量达到“平、直、齐”的效果（见图3）。

图3 岩壁吊车梁开挖钻孔示意

光爆孔要做到孔向互相平行，孔底处于同一高程，并使斜面孔与竖直孔两孔底在上拐点部位交于一个点上。其中竖直孔在保护层爆破之前就将孔造好，并在孔内插入PVC管以免塌孔，孔口采用编织袋等材料填充保护，避免渣料、岩粉进入孔内，导致孔眼堵塞或改变不耦合系数。造孔完成一段后（30 m以后），拆除导向管，取出竖直光爆孔堵塞的PCV管，用简易平台车装药，每段长度不大于20 m，采用竖直孔与斜孔双向同时光面爆破一次开挖的方法，减少了爆破对岩壁的扰动，确保了岩台开挖成型质量。

4 岩壁梁开挖爆破对岩体的损伤

4.1 岩壁梁开挖爆破裂隙调查

岩壁梁开挖结束后，结合爆破裂隙略张开、连续性差、延展性差（一般小于1 m）、形态不规则、面粗糙等特点，选取几段有代表性的洞段对岩台爆破裂隙进行素描。首先，把岩台上的浮渣全部清理，并用高压水把岩面冲洗干净；然后，约半小时后岩面略干且爆破裂隙明显显现时，地质工程师在施工技术员的配合下（主要是照明），利用汽车吊上的操作平台靠近岩壁梁的开挖面对爆破裂隙进行逐条编录，并按照爆破裂隙的长度和角度绘制在厘米纸的展开图上，具体检查部位见表2。

表2 岩壁吊车梁爆破次生裂隙检查部位

根据现场施工条件和总体爆破效果选取的典型调查洞段，围岩类别均为Ⅲ类，局部结构面略发育。上游侧抽查了4段，累计长度97 m，结构面发育未能形成岩台的有14 m，实际爆破次生裂隙统计洞段83 m；下游侧抽查了3段，累计长度80 m，结构面发育未能形成岩台的有20 m，实际爆破次生裂隙统计洞段60 m。总计调查了177 m，占开挖总长366.8 m的48.26%，基本上覆盖了不同地质条件下的爆破效果，评价结果能够代表整个岩壁梁的开挖效果。调查过程中发现，结构面发育的Ⅲ类围岩，超前预灌浆的部位岩壁梁成型较好，而未灌浆的洞段岩壁梁基本未形成完整的岩台。

主要把长度大于0.2 m的裂隙作为调查重点，其余零星分布的紧闭微裂隙对岩壁梁的影响小，且现场也不易发现，故未进行统计，结果见表3、图4。

总计发现了次生爆破裂隙278条，累计裂隙长度177.05 m，在143 m统计洞段内，每米发育1.94条，每米开挖范围内次生裂隙长度1.24 m，但主要集中于结构面发育的围岩部位，完整围岩基本未发现爆破裂隙。观察到的裂隙中最长的一条为3.0 m，在0.2～0.8 m的最为集中，占到了总数的79.5%，且绝大部分为微张平直的裂隙，个别呈断续状；大于0.8 m的次生裂隙仅占20.5%，且零星分布，以张裂隙为主，多数受原生结构面的控制，与结构面斜交或迁就延伸发展。

表3 长度大于0.2 m的次生裂隙统计

图4 长度大于0.2 m的爆破裂隙分布

4.2 爆破裂隙的形成规律

根据对岩壁梁开挖效果的总体检查，尤其对爆破裂隙产生的部位、长度、间距、性状和围岩质量的综合分析，爆破裂隙的形成具有如下规律：

（1）在岩体较完整部位，爆破影响深度浅，次生裂隙极少、短且闭合，爆破效果好，起伏差小于3 cm，残孔率达100%；

（2）结构面较发育部位，长大结构面两侧爆破裂隙多，且缓倾结构面的上下两侧爆破裂隙平行发育，间距一般5～10 cm，在两条长大结构面围成的岩块内爆破裂隙相对较发育；在间距小于1 m的平行或小角度相交的长大、平直结构面之间发育间距约5～10 cm的贯通裂隙，两侧个别有断续的次生裂隙；

（3）在结构面发育段，岩体破碎部位平整度差，起伏差在15～20 cm，岩壁吊车梁的开挖效果一般比较差，基本很难形成有效的岩台，超挖一般大于0.2 m。

4.3 开挖爆破效果检查与检测

黄金坪地下厂房岩壁梁开挖完成后，对两侧岩壁梁的超欠挖、平整度和残孔率进行了全面的检查，局部Ⅳ类围岩的开挖质量相对较差。其中最大超挖为29.9 cm，平均值为9.79 cm；最大起伏差11 cm，平均值为6.5 cm；最小的半孔率为90%，平均值达到了94%。

为了确定岩壁梁开挖爆破对岩台表面岩体的损伤情况和影响深度及程度，采用RS－ST01C型智能岩石声波检测仪和RS－SD30型单孔一发双收换能器进行检测。选取上游侧（厂横）0＋115 m、（厂横）0＋152 m和下游侧（厂横）0＋145 m三个具有代表性的围岩进行测试，爆破影响深度检测采用同孔爆前爆后声波测试的方法，同时，对上述部位进行了重点素描和编录。

根据检测结果表明，3个孔平均波速均在4 000 m／s左右，各声波孔波速总体相对比较稳定。上游（厂横）0＋115 m和（厂横）0＋152 m岩台爆后0.4 m和0.6 m范围内平均波速相对爆前分别下降了8.0%和7.0%，说明该部位岩壁梁开挖导致局部爆破破坏甚微或未破坏。下游（厂横）0＋145 m岩台爆后0.6 m范围内平均波速相对爆前下降了10.4%，该部位岩壁梁开挖导致局部0.6 m深度的轻微爆破破坏（波速变化率在10%～15%之间，略超过10%）。根据以上三个检测孔检测数据分析结果，黄金坪地下厂房岩壁梁爆破开挖总体对岩台破坏甚微或未破坏，局部0.6 m范围轻微破坏。

5 结语

水电站地下厂房大部分以Ⅱ类围岩为岩壁梁的承台，但黄金坪地下厂房在Ⅲ类围岩开挖岩壁梁的尚不多见，且花岗岩体爆破损伤现象也非常显著，故对爆破开挖的工序和工艺提出了很高的要求。工程实践证明，岩台开挖成型和表面的损伤主要受爆破参数、岩性及结构面组合控制，为了保证岩台成型和减小对岩体的损伤，采取下列措施是行之有效的。

（1）结构面较发育的Ⅲ类围岩岩壁梁开挖采用保护层与岩台分两次开挖（即二序开挖工法）是一种切实可行的方法。

（2）结构面发育部位在保护层开挖前，先喷射20 cm厚混凝土封闭，然后再进行超前固结灌浆加固，以提高岩体的完整性，且能够明显降低爆破对围岩的进一步损伤。保护层开挖完成后，在岩台下拐点以下20 cm处布置一排锁脚锚杆，对岩壁斜面下拐点不崩角及岩台成型质量有很大的作用。

（3）采用适宜的施工程序和施工方法，竖直光爆孔及斜面孔均采用定位导向钢管辅助造孔，孔距30 cm，在裂隙发育部位孔距调整为20 cm，施工中控制钻孔精度、采取均匀微量化装药等措施，岩台开挖采用双面光爆，能使爆破对围岩基本不造成损伤。

（4）原生结构面是影响爆破裂隙发育程度的一个重要因素，对岩体爆破裂隙的产生、数量、产状和规模具有控制作用。

［1］中华人民共和国行业标准编写组.DL／T 5198－2004水电水利工程岩壁梁施工规程［S］.北京：中国电力出版社，2003.

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