广东清远抽水蓄能电站地下厂房开挖施工

广东清远抽水蓄能电站地下厂房开挖施工

刘芳明

中国水利水电第十四工程局有限公司广东分公司刘芳明

摘要：本文全面总结清远抽水蓄能电站地下厂房开挖过程中的施工工艺、施工方法及施工参数，施工过程中针对不同的围岩地质情况，采用精细爆破开挖，通过大量的爆破试验，制定了不同的爆破技术参数，使爆破成型质量达到了优良标准，对类似的工程开挖有一定的借鉴价值。

关键词：地下厂房开挖；精细爆破；光面及预裂爆破；线装药密度

1、工程概况

清远抽水蓄能电站位于广东省清远市的清新县太平镇境内，地理位置处于珠江三角洲西北部，直线距广州75km。枢纽工程由上水库、下水库、水道系统、地下厂房洞室群及开关站、永久道路等部分组成。电站总装机容量1280MW（4×320MW），平均设计水头470m，最大水头502m。

地下厂房由主厂房、副厂房和安装间三部分组成。主厂房开挖尺寸为长108.5m、宽25.5m（岩壁吊车梁以上开挖宽度为26.5m）、开挖高度55.70m。厂房内装设4台320MW立轴单级可逆混流式水泵水轮机发电电动机组，吸出高度为-66m，安装高程为42m，机组间距为24m。厂房内设置一台2×2500/500/100kN电动双梁双小车桥式起重机和一台300/50kN电动双梁桥式起重机，采用岩壁吊车梁。

安装间长37m，宽度与主厂房相同。场地高程为57.00m，与发电机层同高，开挖高度24.75m。安装场下游侧连接进厂交通洞。安装场下部开槽净宽8.6m，底板高程49.70m，与主厂房中间层同高。安装场右侧与进风出渣洞连接。副厂房长24m，宽度与主厂房相同，底部开挖高程为36.6m，顶拱高程为75.65m，开挖总高度39.55m。副厂房端部与排风洞、上层排水廊道连接，下游侧设有一条电缆及巡视通道与主变洞相连。

2、工程地质

地下厂房区主要分布燕山三期（γ52（3））中粗粒黑云母花岗岩，以深成、中深成的侵入体为主。以岩基、岩株和岩脉等出露。花岗岩体中局部可见少量高岭石化蚀变、绿泥石化蚀变等，多呈不规则团块状，局部沿断裂构造和裂隙带两侧发育。地下厂房深埋于微风化～新鲜的燕山三期花岗岩中，岩体新鲜完整，具整体～块状结构，地质条件好。厂房区地质构造以断层、裂隙为主。裂隙主要有3组，以近NE向节理最发育，产状N25°～40°E/NW∠55°～85°，而后依次为NW、NNW向，均为陡倾角。厂房区断层主要有3组，没有规模较大断层，小断层共有18条，围岩类别以Ⅰ～Ⅱ类为主，Ⅰ类围岩26段共441m，占53.8%；Ⅱ类围岩28段共245m，占29.9%；Ⅲ类围岩16段共132m，占16.1%；Ⅳ类围岩1段2m，占0.2%。从厂房区探洞揭露的水文地质条件分析，近EW向组构造、裂隙多为张性，胶结一般～较差，地下水活动较强烈。

3、地下厂房开挖技术

清远抽水蓄能电站地下厂房共分Ⅷ层进行开挖，分层情况如图1所示，分层高度充分考虑到锚杆施工及小牛腿、岩锚梁等的布置情况，并根据分层情况布置各层施工通道。Ⅰ层开挖支护施工通道为进风出渣洞，Ⅱ层开挖支护的施工通道为排风洞平洞，Ⅲ层开挖支护由交通洞进入，Ⅳ层开挖支护由5#施工支洞进入施工，Ⅴ、Ⅵ层开挖利用扩挖后的3#引水支管，Ⅶ、Ⅷ层开挖支护利用扩挖后的2#尾水支管。厂房系统施工通道布置见图2，分层及施工通道见表1。

3.1施工程序

厂房Ⅰ层开挖共分4个区，中导洞、顶拱扩挖和两侧边扩挖。中导洞开挖断面9.0m×7.0m，顶拱扩挖厚2.5m，两边扩挖宽分别为8.75m。分层高度为9.5m，主要考虑顶拱保护层光爆和锚杆施工。

厂房Ⅱ层开挖由于岩壁梁在此层，开挖分层高度11.2m，分Ⅱ1～Ⅱ66个区进行开挖施工，其中Ⅱ1～Ⅱ5区分层高度分别为3.0m、4.7m、4.0m、3.5m、4.2m，每个区分层均考虑对岩壁梁岩台的影响。

为了减少施工工序，减少施工干扰，加快施工进度，降低施工成本，厂房Ⅲ～Ⅵ层开挖取消边墙保护层，对边墙进行预裂，每层一半一半开挖，且高度大于5.0m，每层再分小层进行开挖，即Ⅳ、Ⅴ层均分为4m两小层。厂房Ⅶ、Ⅷ由于保证厂房开挖节点目标，由2#尾水支管在厂房Ⅴ层开挖之前以洞挖形式完成。

厂房开挖程序每层根据施工通道布置情况如下：

Ⅰ层开挖程序：中导洞→顶拱扩挖→两侧扩挖

Ⅱ层开挖程序：Ⅱ1边墙预裂→Ⅱ1上（下）游开挖→Ⅱ6岩台竖向光爆孔提前造孔（插PVC管保护）→Ⅱ2中槽预裂→Ⅱ2中槽开挖→Ⅱ3保护层开挖→Ⅱ4中槽预裂→Ⅱ4中槽开挖→Ⅱ5保护层开挖→Ⅱ6岩台斜孔造孔→下拐点锁脚保护→Ⅱ6岩台开挖→Ⅲ层边墙预裂

Ⅲ～Ⅵ层开挖程序：边墙预裂→上（下）游侧一半开挖→下（上）游侧一半开挖

Ⅶ、Ⅷ层开挖程序：上层按洞挖开挖，下部按边墙预裂再抬底施工。

3.2施工方法

厂房采用分层开挖的方法，在施工布置上，充分利用施工支洞条件，按“平面多工序、立体多层次”的施工原则依次展开厂房各层的开挖，并尽早将各主要洞室的上部与永久或临时通风洞（或通风竖井）连通。

3.2.1厂房Ⅰ层开挖

厂房Ⅰ层开挖从进风出渣洞终点底板以12%坡度降至Ⅰ层底板高程作为施工通道，厂房Ⅰ层开挖时分四次开挖到设计边线。首先采用断面为9.0×7.0m中导洞超前开挖，紧跟两排炮的位置扩挖中导洞顶拱至采设计边线，两侧剩余8.75m宽保护层在滞后中部扩挖大约30m的位置，一次开挖到设计边线。在自厂房北端墙位置进行两侧8.75m保护层开挖时，先自厂房0+169.5桩号以30°向两边扩挖至设计开挖线，在顺轴向进行保护层开挖，南端墙开挖两侧8.75m宽的保护层时，在中导洞已开挖至设计端线且两侧保护层剩最后一排炮的情况下，采用在中导洞打辐射孔光面爆破的方式开挖。

Ⅰ层开挖钻孔采用YT28型手风钻，孔深一般3～4m，中导洞开挖采用复式楔形掏槽，按减弱抛掷爆破设计，周边孔采用光爆以保证成型良好，两侧扩挖周边轮廓采用标准光面爆破，孔径为50mm。在厂房Ⅰ层的中导洞开挖过程中，进行了大量的爆破试验，最终确定周边孔孔距为50cm，线装药密度120~135g/m。

3.2.2厂房Ⅱ层开挖

厂房Ⅱ层采用排风洞平洞53m位置处以12%的降坡至厂房Ⅱ层底板高程，作为Ⅱ层开挖的主要施工通道。Ⅱ层开挖底板主要作为岩锚梁的施工平台，岩锚梁是地下厂房开挖施工中难度最大、质量要求最高的重要部位，岩台开挖质量的好坏将直接影响到厂房岩壁吊车的运行安全。Ⅱ层开挖轮廓的成型控制，是整个厂房开挖控制的核心。

厂房Ⅱ层考虑到下层开挖爆破对岩壁吊车梁下拐点的影响，以及岩壁吊车梁斜面开挖及受拉锚杆安装的需要，将Ⅱ层分层高程确定为71.70m～60.5m，开挖高度为11.2m。为保证岩锚吊车梁的成形效果，厂房Ⅱ层开挖分四部分进行，其中Ⅱ1层结合下层岩壁吊车梁上拐点的保护层高度的要求，将分层高程确定为71.70m～68.70m，开挖高度为3.00m，施工时采用Ⅱ层边墙预裂，上（下）游错距开挖。Ⅱ2、Ⅱ4层分层高度分别为4.7m、3.5m，施工中部拉槽先行，上下游保护层错距跟进，中部拉槽宽度为17.5m，保护层上部宽度为4.5m，下部宽度为4.0m，保护层施工时分两层进行开挖。厂房边墙预裂在Ⅱ层中间拉槽进行了试验，预裂孔孔距0.5m，深度5.0m，线装药密度在280g/m～320g/m比较合适。

为了防止爆破对厂房上下游边墙及吊车梁岩台造成破坏，把Ⅱ层高程为68.70m～60.50m层分为五个区开挖。上下游Ⅱ3、Ⅱ5区保护层的开挖均采用人工手风钻施钻，错距跟进。对Ⅱ2保护层光爆造孔的同时对Ⅱ6岩台垂直孔进行造孔，由于Ⅱ6岩台垂直孔需待Ⅱ6岩台斜向孔钻完后才能爆破，岩壁梁和保护层爆破参数表2。为防止垂直孔堵塞，垂直孔每孔钻完后采用PVC管插入孔内进行保护，爆破装药时将PVC管拨出，若PVC管被石渣卡住拨不出，则直接在PVC管内装药。Ⅱ6岩台垂直光爆孔采用每隔5m搭设钢管样架控制孔向和孔深；Ⅱ6岩台斜面孔采用钢管样架控制孔向、孔深和角度，具体做法：垂直光爆每1.5m左右搭设一榀钢管样架，在钻孔孔位上斜向孔钢管架的斜向钢管位置通过测量定位并和现场检查，设置导向管，并与纵向钢管固定，在造孔时，钻头插入导向管，钻杆施钻方向与孔向一致，孔深通过计算，采用在钻杆上画线结合水平定位钢管的方法进行控制。为避免欠挖，④区岩台垂直孔超深5cm，Ⅱ6岩台斜面孔在下拐点的设计高程以下5cm开孔，沿开挖方向超深5cm。Ⅱ6岩台垂直孔和斜孔施工见岩锚梁开挖造孔示意图3。另外为保证斜孔钻孔的精度和保护下拐点，确保其成型质量，拟在岩台下拐点以下▽65.120m上通长布置一条∠30mm×30mm的角钢，角钢采用M12膨胀螺丝焊接固定，并在角钢以下1m以下范围内先素喷5cm的C25砼。

3.2.3厂房Ⅲ～Ⅵ层开挖

厂房Ⅲ层分层开挖高度为405cm，施工通道为交通洞。安装间（底部高程EL.56.45）在此层开挖结束，安装间开挖时，底板预留1.5m保护层，当Ⅲ层开挖结束后，再进行安装间段保护层水平孔光面爆破开挖，安装间保护层、中部拉槽和边墙保护层均采用手风钻施工。厂房水平梯段爆破设计参数：孔径φ42，孔深5.0m，孔间排距为1.5m×1.2m，药卷φ32，堵塞1.5m，采用非电毫秒雷管“V”型延时起爆网络。每次作业时只起爆3排孔。

在岩锚梁混凝土浇筑前，为了使厂房Ⅲ层的开挖不影响岩锚梁混凝土的施工，首先进行了厂房Ⅲ层边墙预裂，预裂完成后再进行岩锚梁混凝土施工。Ⅲ层开挖沿中部分上（下）游错距跟进开挖。

Ⅳ层开挖方式与Ⅲ层开挖基本相同，开挖施工通道为5#施工支洞，Ⅳ层开挖前，为了保证5#施工支洞的延长段边墙与安装间的成型质量，在5#施工支洞延长段的两侧边墙及安装间与主厂房相交处均进行预裂爆破，5#支洞延长段两侧预裂及安装间与主厂房相交处预裂均采用手风钻造孔，孔深5.00m。厂房Ⅴ、Ⅵ层开挖采用扩挖后的3#引水支管作为施工通道，3#引支的扩挖尺寸为7m×6.5m（宽×高），厂房Ⅴ、Ⅵ层开挖前，从3#引水支管进入厂房约2～3m，在洞口周边进行4m深的辐射孔预裂。副厂房在Ⅴ层开挖结束。副厂房底板开挖时，预留1.5m保护层，保护层采用手风钻造水平孔光面爆破开挖。开挖方式同Ⅲ层，水平梯段爆破，钻孔深5.0m，Ⅵ层设计底板同副厂房预留1.5m保护层。

3.2.4厂房Ⅶ、Ⅷ层开挖

先通过2#尾水支管开挖厂房2#尾水支管、机坑段上部6.8m和集水廊道、管廊道上部6.8m，待集水廊道、管廊道上部6.8m开挖完成后再开挖厂房尾水支管、机坑段下部及集水廊道、管廊道下部，其中1#、2#、4#尾水支管、机坑段由集水廊道、管廊道挖到时同时开挖。集水廊道、管廊道和尾水支管、机坑段上部周边均采用光面爆破，线装药密度在120~135g/m；下部边墙采用预裂，底板采用光面爆破，线装药密度在150~180g/m。钻孔均采用手风钻，在各洞口及交岔段开挖前先施作锁口锚杆。如图5所示。

3.3爆破振动观测和松动圈检测

3.3.1爆破振动观测

采用四川拓普测控科技有限公司生产的UBOX-5016爆破振动智能监测仪。UBOX-5016-Ⅳ爆破振动记录仪能对传感器（包括速度、加速度、压力、应变、温度等）产生的动态、静态模拟信号自动进行A/D转换和存储。

根据工程爆破界公认的萨道夫斯基的爆破振动经验公式进行回归计算爆破地震波传播规律：

由此可计算厂房开挖最大方向的振速和允许单响药量，及时调整厂房拉槽台阶爆破由10孔一段变为6孔一段，3孔一段，对厂房开挖控制起到至关重要内容。

3.3.2松动圈检测

声波测试采用武汉岩海公司生产的RS-STO1C非金属声波检测仪，使用二臂台车在岩壁梁层中部拉槽后的保护层直墙、岩壁梁岩台直墙以及Ⅴ层边墙开挖直墙布置声波孔进行松动圈检测，声波孔孔深5.0m，声波采用跨孔测试，每个声波孔采样间隔0.25m，由孔底往外逐点测试。

检测结果显示：厂房边墙松动圈厚度均不大于1.0m，仅有一个测点数据达到1.5m；岩壁梁岩台预留5.5m保护层是足够安全的，预裂孔药量是合理、安全的。为此厂房开挖实施的一系列施工方法、施工程序和施工措施，有效地控制了爆破震动对围岩实体质量的影响。

3.4科学管理

为了确保实现精细施工，项目部成立了爆破质量开挖质量跟踪小组，由项目总工程师、技术质量部、生产部管理人员现场全过程监督跟踪，全面地统计爆破开挖参数，并根据爆破效果分析问题，通过调整和优化爆破参数，为取得优良的爆破效果打下了坚实的基础。主要体现内容为：

①组织技术娴熟钻工进场，施工前对钻工进行现场考核合格后才允许施钻。从人员施钻素质源头控制好造孔质量。

②以现行规范作为质量控制的依据。

③制定可行的《质量管理和考核办法》，明确开挖质量控制目标，由质量管理部对开挖质量进行监控、评估、考核。

④在钻孔过程中，对预裂孔、光爆孔方位角、倾角的质量控制，严格实行“三级质检”制，质检员全面过程跟踪控制，每个孔验收合格方能装药。

⑤严格执行开挖爆破施工“三证”管理（即准钻孔证、准装药证、准爆证）和“三定”制度（定人、定机、定钻作业），确保开挖质量稳定。

⑥实行旁站监督制，由专职技术人员在装药、连网过程中现场按监理审批的方案进行过程控制。

⑦在开挖过程中不断对钻爆参数进行分析、总结、制定改进措施、优化成果，施工过程中不断优化设计爆破参数，每部位开挖开始每炮进行总结，直至开挖质量稳定，遇到地质变化再进行调整，保证开挖质量水平不断提高。

4、爆破效果

清蓄电站厂房采用了精细爆破关键技术组织开挖施工。施工过程中综合运用预裂与光面爆破技术，有效地控制了围岩的松驰，开挖成型良好，厂房开挖Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩半孔率分别达到100%、98.6%和93.5%，不平整度控制在6cm以内。

5、结束语

清远抽水蓄能电站地下厂房开挖主要控制Ⅰ层顶拱开挖、Ⅱ层岩台开挖、最后一层基坑的开挖及各隧洞贯入厂房相交部位的开挖，总结如下：

（1）严格按照精细爆破的“定量设计，精心施工，实时监控，科学管理”来组织施工。

（2）顶拱开挖采用导洞先进，顶拱及两边预裂保护层方式进行，开挖光爆质量较好。

（3）厂房Ⅱ层岩台开挖首先对Ⅱ层中部进行预裂，两边保证层开挖采用手风钻进行光爆，岩台上拐点以上预留高度不小于1.5m以上，岩台爆破时采用垂直孔和斜面孔同时起爆方式。

（4）各隧洞贯入厂房相交部位开挖采用“大洞贯小洞”、“先洞后墙”的方式，洞室开口前要先做好锁口和超前支护，并在交叉口二倍洞径洞段内采取浅孔多循环、弱爆破的方式开挖，并且爆破时采用控制爆破振动速度、围岩变形观测等监测方法控制爆破，以确保安全。

（5）在设计、施工、监测和管理等方面做到了规范化、程序化、制度化，解决了工程难题，取得了良好爆破开挖效果，值得在类似工程推广。

参考文献：

[1]杨立峰，刘芳明.清远抽水蓄能电站地下工程精细爆破施工关键技术研究.抽水蓄能电站建设文集2012：378-381.

[2]水工建筑物地下工程开挖施工技术规范（DL/T5099-2011）

[3]水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范（DL/T5389-2007）

[4]爆破安全规程（GB6722-2003）

[5]水电水利工程爆破施工技术规范（DL/T5135-2013）