地下廠房巖壁梁巖臺(tái)成型措施及巖體損傷的研究

史永躍，熊細(xì)和，吳 勇，左華根

（四川二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610072）

地下廠房巖壁梁巖臺(tái)成型措施及巖體損傷的研究

史永躍，熊細(xì)和，吳 勇，左華根

（四川二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610072）

巖壁錨桿吊車梁（簡(jiǎn)稱巖壁梁）開挖是地下廠房施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，為了充分發(fā)揮圍巖的承載能力，開挖精度要求非常高，爆破開挖巖臺(tái)成型要好，且對(duì)巖體的損傷也要降到最低。本文以黃金坪水電站地下廠房巖壁梁爆破開挖為例，針對(duì)Ⅲ類花崗巖體制定了合理的開挖方案和爆破參數(shù)，為了確保巖壁梁巖臺(tái)在結(jié)構(gòu)面較發(fā)育部位的成型質(zhì)量，采取了一系列切實(shí)有效的措施。巖壁梁開挖完成后，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查對(duì)爆破裂隙、超欠挖、平整度和殘孔率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，進(jìn)而采用聲波檢測(cè)儀評(píng)價(jià)了巖壁梁巖臺(tái)開挖對(duì)巖體的損傷程度。

黃金坪水電站；巖壁梁；花崗巖體；結(jié)構(gòu)面；損傷

0 前 言

地下廠房巖壁梁是一項(xiàng)集控制爆破、錨固、混凝土、監(jiān)測(cè)于一體的綜合性施工技術(shù)，它是通過兩組受拉錨桿和一組受壓錨桿承受荷載，把鋼筋混凝土吊車梁錨固在地下廠房巖壁斜面上的受力結(jié)構(gòu)，使鋼筋混凝土吊車梁與地下廠房邊墻巖體形成一個(gè)牢固的整體［1］。采用巖壁梁這種結(jié)構(gòu)形式，無(wú)需吊車柱或墻，可充分利用圍巖自身的承載能力，而且吊車或施工臨時(shí)吊橋可先期投入運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

根據(jù)巖壁梁受力穩(wěn)定特性，只要受拉錨桿或巖壁受壓區(qū)中任一方發(fā)生破壞，整個(gè)巖壁吊車梁就會(huì)發(fā)生變形破壞［2］。因此，保證巖臺(tái)成型和降低對(duì)巖體的損傷是巖壁梁開挖的關(guān)鍵，而爆破開挖質(zhì)量的好壞直接影響到圍巖的完整性和力學(xué)特性，進(jìn)而影響到隨后支護(hù)工程量的大小和巖壁梁的安全運(yùn)行。本文通過對(duì)黃金坪水電站地下廠房巖壁梁的開挖方案和圍巖的損傷情況進(jìn)行分析，研究了開挖爆破對(duì)花崗巖體的影響程度、范圍、破壞規(guī)律和特點(diǎn)，采取了減小巖體損傷和有利于巖臺(tái)成型的一系列措施，并取得了明顯的效果。

1 黃金坪水電站地下廠房工程地質(zhì)條件

黃金坪水電站地下廠房（包括主、副廠房、安裝間）“一”字型布置于左岸山體內(nèi)。圍巖為晉寧～澄江期的斜長(zhǎng)花崗巖，微風(fēng)化，其間穿插輝綠玢巖巖脈、花崗細(xì)晶巖脈和石英閃長(zhǎng)巖團(tuán)塊。微新斜長(zhǎng)花崗巖平均彈性模量為53.2 GPa，濕抗壓強(qiáng)度為146 MPa，軟化系數(shù)0.83，屬堅(jiān)硬巖。

地下廠房水平埋深240～490 m，垂直埋深約295 m，根據(jù)平硐地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，最大水平主應(yīng)力均值為16.8 MPa，方向N80°E，與廠房軸線N70°W的夾角為30°。地下廠房開挖揭露的圍巖結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育，巖體多呈鑲嵌、次塊狀結(jié)構(gòu)，主要發(fā)育近平行廠房軸線的陡傾結(jié)構(gòu)面N50°～85°W／SW∠65°～85°和垂直于廠房軸線的緩傾結(jié)構(gòu)面N20°～25° E／NW∠27°，結(jié)構(gòu)面起伏、粗糙、閉合、無(wú)充填，表面黃褐色輕微銹蝕，其間距0.2～0.5 m，延伸長(zhǎng)度一般3～10 m，另外還有兩組N30°W／NE∠75°～80°和N40°E／NW∠30°不太發(fā)育的剛性結(jié)構(gòu)面。巖壁梁開挖揭露的洞壁潮濕，未見滲滴水現(xiàn)象，圍巖絕大部分為Ⅲ類，斷層帶及裂隙密集部位為Ⅳ、Ⅴ類。

2 巖壁梁開挖方案及爆破參數(shù)

黃金坪水電站地下廠房開挖尺寸為206.3 m× 28.8（25.5）m×68.8 m（長(zhǎng)×寬×高），巖壁梁以上開挖寬度為28.8 m，巖壁梁以下開挖寬度為25.5 m。巖壁梁位于廠房第Ⅲ層內(nèi)，布置于樁號(hào)（廠橫）0＋000～（廠橫）0＋183.40 m，自安裝間向副廠房方向推進(jìn)，單側(cè)長(zhǎng)度為183.4 m，上下游合計(jì)366.8 m。

巖壁梁上拐點(diǎn)位于高程1 421.3 m，下拐點(diǎn)位于高程1 419.15 m，設(shè)計(jì)寬為1.65 m，高2.15 m，巖臺(tái)斜面與水平面夾角成52.5°。

巖壁梁開挖是施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，精度要求非常高，巖壁梁巖臺(tái)不允許出現(xiàn)欠挖，控制巖臺(tái)斜面角度偏差在1°以內(nèi)。Ⅰ、Ⅱ類圍巖殘孔率應(yīng)大于90%，Ⅲ類圍巖殘孔率應(yīng)大于80%，局部不良地質(zhì)段及斷層帶殘孔率應(yīng)大于50%。

根據(jù)DL／T 5198－2004制定專項(xiàng)開挖措施，結(jié)合具體地質(zhì)條件，為了保證巖壁梁開挖成型質(zhì)量，共分三層六序開挖，即Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示分層數(shù)，①～⑥表示分序數(shù)（見圖1）。

圖1 巖壁梁開挖分層分序開挖程序（標(biāo)注以“cm”計(jì)）

對(duì)于同一施工區(qū)段，總體開挖程序?yàn)椋褐胁坷邸Ｗo(hù)層開挖→巖臺(tái)開挖。巖壁梁開挖具體程序?yàn)椋簬r臺(tái)豎直光爆孔造孔、中部拉槽①序開挖→保護(hù)層②序開挖→中部拉槽③序開挖→保護(hù)層④序開挖→保護(hù)層⑤序開挖→下拐點(diǎn)以下鎖口錨桿、系統(tǒng)錨桿及噴混凝土支護(hù)、巖臺(tái)提前支護(hù)→巖臺(tái)開挖（⑥序）→巖壁梁錨桿、錨索造孔施工→巖壁梁錨桿安裝→上、下拐點(diǎn)錨索張拉。對(duì)于不良地質(zhì)段，適當(dāng)減小拉槽寬度，自廠房中心向兩側(cè)分層、分次開挖爆破，以降低對(duì)圍巖的擾動(dòng)。

在巖壁梁開挖之前通過試驗(yàn)確定開挖施工程序、施工工藝、爆破參數(shù)及鉆孔精度控制方法。實(shí)際開挖時(shí)，參考生產(chǎn)性試驗(yàn)推薦的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行爆破開挖（見圖2、表1），結(jié)構(gòu)面發(fā)育部位孔距適當(dāng)調(diào)整為20 cm，根據(jù)爆破效果和地質(zhì)條件執(zhí)行“一茬炮一設(shè)計(jì)”制度。在進(jìn)行光面爆破開挖時(shí)，為加快施工進(jìn)度，預(yù)先在洞外將φ25藥卷剖成兩半，再搓成圓柱體，按爆破段的設(shè)計(jì)參數(shù)切成不同的段數(shù)綁在竹片上，裝藥時(shí)運(yùn)至洞內(nèi)直接安裝，竹片靠非崩落區(qū)方向放置。

圖2 巖壁梁光爆孔裝藥結(jié)構(gòu)（標(biāo)注以“cm”計(jì)）

表1 巖壁梁開挖爆破參數(shù)

3 確保巖壁梁成型質(zhì)量的施工措施

根據(jù)地下廠房開挖情況，花崗巖體在爆破擾動(dòng)時(shí)，沿結(jié)構(gòu)面會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，極易發(fā)生結(jié)構(gòu)面的組合破壞，結(jié)構(gòu)面發(fā)育部位巖體進(jìn)一步碎裂化，對(duì)巖壁梁的成型極為不利。為了盡量保證巖壁梁巖臺(tái)成型質(zhì)量，采取了如下措施：

3.1 提前加固措施

保護(hù)層開挖前，對(duì)于圍巖較破碎或裂隙張開較大的部位，先噴射20 cm厚混凝土封閉，再進(jìn)行固結(jié)灌漿。超前預(yù)灌漿加固鉆孔＠2×2 m，灌漿壓力0.1～0.2 MPa，鉆孔深度應(yīng)深入巖臺(tái)1 m，以提高巖體的完整性。

保護(hù)層開挖完成后，在巖臺(tái)下拐點(diǎn)以下20 cm布置一排φ25、L＝3 m、間距1 m的鎖腳錨桿，在長(zhǎng)大結(jié)構(gòu)面附近調(diào)整錨桿間距，并在結(jié)構(gòu)面兩側(cè)增加鎖腳錨桿，下拐點(diǎn)以下3 m范圍內(nèi)采取掛網(wǎng)噴混凝土封閉，確保下拐點(diǎn)不被破壞。

3.2 爆破孔質(zhì)量控制措施

巖壁梁受壓區(qū)體型控制在開挖過程中尤為重要，即巖壁梁⑥序開挖，也是巖臺(tái)成型效果的最關(guān)鍵一步，而爆破孔成孔精度是巖臺(tái)成型質(zhì)量的關(guān)鍵。豎直光爆孔和斜面光爆孔造孔均采用導(dǎo)向管定位，采用定位銷精確定向，用限位管以及定長(zhǎng)鉆桿控制孔深。導(dǎo)向管嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)孔間距及孔向搭設(shè)，搭設(shè)后須經(jīng)測(cè)量人員用全站儀進(jìn)行校核，并經(jīng)驗(yàn)收合格后方可開鉆造孔，以保證鉆孔質(zhì)量達(dá)到“平、直、齊”的效果（見圖3）。

圖3 巖壁吊車梁開挖鉆孔示意

光爆孔要做到孔向互相平行，孔底處于同一高程，并使斜面孔與豎直孔兩孔底在上拐點(diǎn)部位交于一個(gè)點(diǎn)上。其中豎直孔在保護(hù)層爆破之前就將孔造好，并在孔內(nèi)插入PVC管以免塌孔，孔口采用編織袋等材料填充保護(hù)，避免渣料、巖粉進(jìn)入孔內(nèi)，導(dǎo)致孔眼堵塞或改變不耦合系數(shù)。造孔完成一段后（30 m以后），拆除導(dǎo)向管，取出豎直光爆孔堵塞的PCV管，用簡(jiǎn)易平臺(tái)車裝藥，每段長(zhǎng)度不大于20 m，采用豎直孔與斜孔雙向同時(shí)光面爆破一次開挖的方法，減少了爆破對(duì)巖壁的擾動(dòng)，確保了巖臺(tái)開挖成型質(zhì)量。

4 巖壁梁開挖爆破對(duì)巖體的損傷

4.1 巖壁梁開挖爆破裂隙調(diào)查

巖壁梁開挖結(jié)束后，結(jié)合爆破裂隙略張開、連續(xù)性差、延展性差（一般小于1 m）、形態(tài)不規(guī)則、面粗糙等特點(diǎn)，選取幾段有代表性的洞段對(duì)巖臺(tái)爆破裂隙進(jìn)行素描。首先，把巖臺(tái)上的浮渣全部清理，并用高壓水把巖面沖洗干凈；然后，約半小時(shí)后巖面略干且爆破裂隙明顯顯現(xiàn)時(shí)，地質(zhì)工程師在施工技術(shù)員的配合下（主要是照明），利用汽車吊上的操作平臺(tái)靠近巖壁梁的開挖面對(duì)爆破裂隙進(jìn)行逐條編錄，并按照爆破裂隙的長(zhǎng)度和角度繪制在厘米紙的展開圖上，具體檢查部位見表2。

表2 巖壁吊車梁爆破次生裂隙檢查部位

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件和總體爆破效果選取的典型調(diào)查洞段，圍巖類別均為Ⅲ類，局部結(jié)構(gòu)面略發(fā)育。上游側(cè)抽查了4段，累計(jì)長(zhǎng)度97 m，結(jié)構(gòu)面發(fā)育未能形成巖臺(tái)的有14 m，實(shí)際爆破次生裂隙統(tǒng)計(jì)洞段83 m；下游側(cè)抽查了3段，累計(jì)長(zhǎng)度80 m，結(jié)構(gòu)面發(fā)育未能形成巖臺(tái)的有20 m，實(shí)際爆破次生裂隙統(tǒng)計(jì)洞段60 m?？傆?jì)調(diào)查了177 m，占開挖總長(zhǎng)366.8 m的48.26%，基本上覆蓋了不同地質(zhì)條件下的爆破效果，評(píng)價(jià)結(jié)果能夠代表整個(gè)巖壁梁的開挖效果。調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)面發(fā)育的Ⅲ類圍巖，超前預(yù)灌漿的部位巖壁梁成型較好，而未灌漿的洞段巖壁梁基本未形成完整的巖臺(tái)。

主要把長(zhǎng)度大于0.2 m的裂隙作為調(diào)查重點(diǎn)，其余零星分布的緊閉微裂隙對(duì)巖壁梁的影響小，且現(xiàn)場(chǎng)也不易發(fā)現(xiàn)，故未進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3、圖4。

總計(jì)發(fā)現(xiàn)了次生爆破裂隙278條，累計(jì)裂隙長(zhǎng)度177.05 m，在143 m統(tǒng)計(jì)洞段內(nèi)，每米發(fā)育1.94條，每米開挖范圍內(nèi)次生裂隙長(zhǎng)度1.24 m，但主要集中于結(jié)構(gòu)面發(fā)育的圍巖部位，完整圍巖基本未發(fā)現(xiàn)爆破裂隙。觀察到的裂隙中最長(zhǎng)的一條為3.0 m，在0.2～0.8 m的最為集中，占到了總數(shù)的79.5%，且絕大部分為微張平直的裂隙，個(gè)別呈斷續(xù)狀；大于0.8 m的次生裂隙僅占20.5%，且零星分布，以張裂隙為主，多數(shù)受原生結(jié)構(gòu)面的控制，與結(jié)構(gòu)面斜交或遷就延伸發(fā)展。

表3 長(zhǎng)度大于0.2 m的次生裂隙統(tǒng)計(jì)

圖4 長(zhǎng)度大于0.2 m的爆破裂隙分布

4.2 爆破裂隙的形成規(guī)律

根據(jù)對(duì)巖壁梁開挖效果的總體檢查，尤其對(duì)爆破裂隙產(chǎn)生的部位、長(zhǎng)度、間距、性狀和圍巖質(zhì)量的綜合分析，爆破裂隙的形成具有如下規(guī)律：

（1）在巖體較完整部位，爆破影響深度淺，次生裂隙極少、短且閉合，爆破效果好，起伏差小于3 cm，殘孔率達(dá)100%；

（2）結(jié)構(gòu)面較發(fā)育部位，長(zhǎng)大結(jié)構(gòu)面兩側(cè)爆破裂隙多，且緩傾結(jié)構(gòu)面的上下兩側(cè)爆破裂隙平行發(fā)育，間距一般5～10 cm，在兩條長(zhǎng)大結(jié)構(gòu)面圍成的巖塊內(nèi)爆破裂隙相對(duì)較發(fā)育；在間距小于1 m的平行或小角度相交的長(zhǎng)大、平直結(jié)構(gòu)面之間發(fā)育間距約5～10 cm的貫通裂隙，兩側(cè)個(gè)別有斷續(xù)的次生裂隙；

（3）在結(jié)構(gòu)面發(fā)育段，巖體破碎部位平整度差，起伏差在15～20 cm，巖壁吊車梁的開挖效果一般比較差，基本很難形成有效的巖臺(tái)，超挖一般大于0.2 m。

4.3 開挖爆破效果檢查與檢測(cè)

黃金坪地下廠房巖壁梁開挖完成后，對(duì)兩側(cè)巖壁梁的超欠挖、平整度和殘孔率進(jìn)行了全面的檢查，局部Ⅳ類圍巖的開挖質(zhì)量相對(duì)較差。其中最大超挖為29.9 cm，平均值為9.79 cm；最大起伏差11 cm，平均值為6.5 cm；最小的半孔率為90%，平均值達(dá)到了94%。

為了確定巖壁梁開挖爆破對(duì)巖臺(tái)表面巖體的損傷情況和影響深度及程度，采用RS－ST01C型智能巖石聲波檢測(cè)儀和RS－SD30型單孔一發(fā)雙收換能器進(jìn)行檢測(cè)。選取上游側(cè)（廠橫）0＋115 m、（廠橫）0＋152 m和下游側(cè)（廠橫）0＋145 m三個(gè)具有代表性的圍巖進(jìn)行測(cè)試，爆破影響深度檢測(cè)采用同孔爆前爆后聲波測(cè)試的方法，同時(shí)，對(duì)上述部位進(jìn)行了重點(diǎn)素描和編錄。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果表明，3個(gè)孔平均波速均在4 000 m／s左右，各聲波孔波速總體相對(duì)比較穩(wěn)定。上游（廠橫）0＋115 m和（廠橫）0＋152 m巖臺(tái)爆后0.4 m和0.6 m范圍內(nèi)平均波速相對(duì)爆前分別下降了8.0%和7.0%，說(shuō)明該部位巖壁梁開挖導(dǎo)致局部爆破破壞甚微或未破壞。下游（廠橫）0＋145 m巖臺(tái)爆后0.6 m范圍內(nèi)平均波速相對(duì)爆前下降了10.4%，該部位巖壁梁開挖導(dǎo)致局部0.6 m深度的輕微爆破破壞（波速變化率在10%～15%之間，略超過10%）。根據(jù)以上三個(gè)檢測(cè)孔檢測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，黃金坪地下廠房巖壁梁爆破開挖總體對(duì)巖臺(tái)破壞甚微或未破壞，局部0.6 m范圍輕微破壞。

5 結(jié) 語(yǔ)

水電站地下廠房大部分以Ⅱ類圍巖為巖壁梁的承臺(tái)，但黃金坪地下廠房在Ⅲ類圍巖開挖巖壁梁的尚不多見，且花崗巖體爆破損傷現(xiàn)象也非常顯著，故對(duì)爆破開挖的工序和工藝提出了很高的要求。工程實(shí)踐證明，巖臺(tái)開挖成型和表面的損傷主要受爆破參數(shù)、巖性及結(jié)構(gòu)面組合控制，為了保證巖臺(tái)成型和減小對(duì)巖體的損傷，采取下列措施是行之有效的。

（1）結(jié)構(gòu)面較發(fā)育的Ⅲ類圍巖巖壁梁開挖采用保護(hù)層與巖臺(tái)分兩次開挖（即二序開挖工法）是一種切實(shí)可行的方法。

（2）結(jié)構(gòu)面發(fā)育部位在保護(hù)層開挖前，先噴射20 cm厚混凝土封閉，然后再進(jìn)行超前固結(jié)灌漿加固，以提高巖體的完整性，且能夠明顯降低爆破對(duì)圍巖的進(jìn)一步損傷。保護(hù)層開挖完成后，在巖臺(tái)下拐點(diǎn)以下20 cm處布置一排鎖腳錨桿，對(duì)巖壁斜面下拐點(diǎn)不崩角及巖臺(tái)成型質(zhì)量有很大的作用。

（3）采用適宜的施工程序和施工方法，豎直光爆孔及斜面孔均采用定位導(dǎo)向鋼管輔助造孔，孔距30 cm，在裂隙發(fā)育部位孔距調(diào)整為20 cm，施工中控制鉆孔精度、采取均勻微量化裝藥等措施，巖臺(tái)開挖采用雙面光爆，能使爆破對(duì)圍巖基本不造成損傷。

（4）原生結(jié)構(gòu)面是影響爆破裂隙發(fā)育程度的一個(gè)重要因素，對(duì)巖體爆破裂隙的產(chǎn)生、數(shù)量、產(chǎn)狀和規(guī)模具有控制作用。

［1］中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組.DL／T 5198－2004水電水利工程巖壁梁施工規(guī)程［S］.北京：中國(guó)電力出版社，2003.

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1003－9805（2015）01－0051－04

2013－03－16

史永躍（1976－），男，內(nèi)蒙古五原縣人，高級(jí)工程師，從事水電工程咨詢和管理工作。