胡紫航,張一波,黃凌宇,劉建新,叢中方
(山東文登抽水蓄能有限公司,山東省威海市 264419)
巖壁吊車梁作為重要的承載橋機(jī)永久運(yùn)行結(jié)構(gòu),巖臺(tái)開(kāi)挖質(zhì)量要求高,巖臺(tái)超欠挖、巖臺(tái)不平整度和半孔率控制是施工重難點(diǎn)[1],爆破參數(shù)選擇及施工過(guò)程質(zhì)量控制尤其重要,因文登抽水蓄能電站地下洞室群處于中高地應(yīng)力地區(qū),地下廠房上游側(cè)邊墻應(yīng)力釋放,實(shí)際開(kāi)挖中存在片幫掉塊現(xiàn)象,需嚴(yán)格控制邊孔藥量及總藥量,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)調(diào)整孔距與線裝藥密度,不斷優(yōu)化控制措施,保證施工質(zhì)量。
文登抽水蓄能電站地下廠房開(kāi)挖總尺寸為214.5m×25(26.5)m×53.5m(長(zhǎng)×寬×高),巖壁吊車梁以上跨度為26.5m,以下為25m,上、下游巖壁吊車梁分別長(zhǎng)194.5m。巖臺(tái)設(shè)計(jì)高程59.32~61.85m,總高2.53m,斜面長(zhǎng)1.5m,斜面與鉛垂面夾角為30°。
巖壁吊車梁段部位巖性以石英二長(zhǎng)巖和二長(zhǎng)花崗巖為主,以整體塊狀—塊狀為主,局部為塊狀—碎裂狀結(jié)構(gòu),在下游邊墻發(fā)育一條Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面,寬2~10cm,呈壓扭性,與邊墻成大角度相交,斷層及其影響帶規(guī)模較小,圍巖以Ⅰ~Ⅱ類為主,斷層部位為Ⅲ類,具有整體完整性。廠房區(qū)域最大水平主應(yīng)力為9.32~19.67MPa,屬于中高地應(yīng)力地區(qū),方向?yàn)镹WW向(NW280°~300°),與廠房軸線夾角為35°~55°。
在巖壁吊車梁正式開(kāi)挖前,選擇與地下廠房同等地質(zhì)條件主變壓器洞Ⅱ?qū)舆厜M(jìn)行工藝性試驗(yàn),確定施工方法、鉆爆參數(shù)(含開(kāi)挖鉆孔角度、孔距、孔深、單孔裝藥量),有效控制直孔與斜孔錯(cuò)位及超欠挖情況,防止爆破裂縫產(chǎn)生,確保巖壁吊車梁巖臺(tái)成型質(zhì)量[2]。
巖壁吊車梁保護(hù)層及巖臺(tái)區(qū)開(kāi)挖分層方式有兩種,方案1為三層一區(qū),方案2為二層一區(qū)(如圖1所示)。方案2是優(yōu)化至兩層開(kāi)挖,是充分考慮提高施工效率增加的比對(duì)方案。
圖1 工藝試驗(yàn)巖臺(tái)分層分區(qū)圖Figure 1 Layered zoning diagram of process test platform
方案1和方案2巖臺(tái)開(kāi)挖試驗(yàn)區(qū)分別長(zhǎng)10m、上部寬3m、下部寬2.25m、高6m。方案1:Ⅰ層高1.5m、Ⅱ?qū)痈?.8m、Ⅲ層高1.7m、保護(hù)層分三次爆破。方案2:Ⅰ層高3.8m、Ⅱ?qū)痈?.2m、保護(hù)層分兩次爆破。兩種方案均按照5m長(zhǎng)分兩段進(jìn)行。試驗(yàn)段光爆孔距均為30cm,主爆孔距60~80cm(從里到外每排中兩孔距為60、70、80cm),排距40~65cm(四排,從里到外每排中兩孔距為40、60、60、65cm),均采用導(dǎo)爆索、非電雷管及φ32乳化炸藥,從里到外炸藥依次為9、7、5、3段位,光爆孔采用竹片間隔裝藥。炮孔平面布置及立面布置如圖2所示,炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖2 炮孔平面布置圖及炮孔立面示意圖Figure 2 Blasthole layout and elevation diagram of blasthole
圖3 保護(hù)層炮孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Diagram of charging structure of protective hole
在巖壁吊車梁保護(hù)層開(kāi)挖試驗(yàn)完成后,進(jìn)行巖臺(tái)開(kāi)挖爆破試驗(yàn)[3]。為保證開(kāi)挖輪廓平整度,開(kāi)挖過(guò)程中,邊線直墻和斜孔孔底相互錯(cuò)開(kāi),垂直孔孔底相對(duì)巖臺(tái)設(shè)計(jì)上拐點(diǎn)向邊墻內(nèi)偏移5cm、向下偏移5cm;垂直孔底部裝藥前先填充5cm深細(xì)砂。方案1中巖臺(tái)區(qū)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)為:孔距30cm,垂直孔線裝藥密度70g/m,斜面孔線裝藥密度60g/m,每孔裝藥。方案2中巖臺(tái)區(qū)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)為:孔距30cm,垂直孔線裝藥密度60g/m,斜面孔線裝藥密度50g/m,每孔裝藥。
方案1和方案2保護(hù)層及巖臺(tái)區(qū)炮孔裝藥參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 巖壁吊車梁試驗(yàn)鉆孔裝藥參數(shù)表Table 1 Rock wall crane beam test borehole charging parameters table
根據(jù)巖壁吊車梁開(kāi)挖試驗(yàn)效果,綜合巖臺(tái)成型質(zhì)量、巖體松弛圈深度、施工效率等因素,文登抽水蓄能電站巖壁吊車梁施工采用方案2(二層一區(qū))開(kāi)挖方式,選取爆破參數(shù)如下:保護(hù)層采用豎向光爆、孔徑42mm、周邊孔孔距30cm、抵抗線40cm、線裝藥密度65g/m;巖臺(tái)區(qū)開(kāi)挖垂直孔孔距30cm、抵抗線40cm、線裝藥密度65g/m,斜面孔孔距30cm、抵抗線40cm、線裝藥密度55g/m。同時(shí),在施工中如遇地質(zhì)條件重大變化,及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)。
巖壁吊車梁開(kāi)挖施工工藝流程主要包括:爆破參數(shù)設(shè)計(jì)→測(cè)量放點(diǎn)→樣架搭設(shè)→鉆孔及驗(yàn)孔→樣架拆除及裝藥爆破→通風(fēng)散煙及排險(xiǎn)出渣→質(zhì)量檢查→調(diào)整爆破參數(shù)→下一循環(huán)[4]。
2.2.1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)
因巖壁吊車梁開(kāi)挖爆破必須保證巖臺(tái)擾動(dòng)最小,為減少爆破振動(dòng)影響,按照《水電水利工程巖壁梁施工規(guī)程》(DL/T 5198—2013)采用中部拉槽、兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層方法,結(jié)合已知地質(zhì)條件,預(yù)留保護(hù)層寬度2.25m,符合規(guī)程2~4m的要求。地下廠房主爆區(qū)與預(yù)留保護(hù)層先預(yù)裂施工。結(jié)合預(yù)留保護(hù)層寬度及建設(shè)項(xiàng)目圍巖類別,編制爆破試驗(yàn)大綱,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后確定爆破參數(shù)[5],見(jiàn)本文2.1的內(nèi)容。
2.2.2 測(cè)量放點(diǎn)
組織施工專業(yè)測(cè)量人員測(cè)量放線,用紅漆明顯標(biāo)識(shí)放樣點(diǎn)位。放樣內(nèi)容包括:樣架定位點(diǎn)、所有周邊孔的開(kāi)孔點(diǎn)等。測(cè)量過(guò)程由施工技術(shù)人員全程參與,監(jiān)理測(cè)量工程師針對(duì)重點(diǎn)點(diǎn)位復(fù)核。
2.2.3 樣架搭設(shè)
為保證巖壁吊車梁巖臺(tái)體型結(jié)構(gòu)成型率,鉆孔時(shí)搭設(shè)樣架,采用鋼管排架搭設(shè)垂直孔樣架、斜孔樣架,鉆孔樣架如圖4所示。樣架桿件設(shè)置和連接應(yīng)牢固穩(wěn)定,樣架與基礎(chǔ)面及邊墻連接可靠,避免鉆孔過(guò)程出現(xiàn)偏移影響鉆孔位置、垂直度[6]。樣架搭設(shè)完畢后,經(jīng)專業(yè)測(cè)量人員校核及質(zhì)量管理部門驗(yàn)收方可投入使用。
圖4 鉆孔樣架搭設(shè)示意圖Figure 4 Schematic diagram of drilling sample frame erection
樣架搭設(shè)順序?yàn)椋簶短?hào)及高程測(cè)量放樣→固定管造孔→安裝樁號(hào)控制鋼管→安裝高程控制鋼管→支撐排架搭設(shè)→導(dǎo)向管安裝→導(dǎo)向管套管安裝。
樣架搭設(shè)控制要點(diǎn):樣架及支撐排架安裝前,對(duì)底板及邊墻清翹,清理工作面,保證表面基本平整、無(wú)浮渣,保證具有搭設(shè)穩(wěn)定的環(huán)境。根據(jù)腳手架與樁號(hào)線相對(duì)位置布設(shè)豎向鋼管[7]。鉆孔樣架主要由支撐管、導(dǎo)向管(如圖5所示)組成,鋼管間采用扣件連接,重復(fù)利用的搭設(shè)材料,使用前檢查是否彎曲變形。
圖5 導(dǎo)向管結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Guide pipe structure diagram
搭設(shè)樣架前,先用手風(fēng)鉆進(jìn)行樁號(hào)、高程控制管鉆孔,孔徑50mm,孔深不少于50cm,在搭設(shè)過(guò)程中,高程和樁號(hào)偏差應(yīng)控制在5mm內(nèi),滿足要求后,用鋼管扣件完成鎖定。導(dǎo)向管端口(對(duì)于鉆設(shè)垂直光爆孔時(shí)為上端口,對(duì)于鉆設(shè)斜面光爆孔時(shí)為下端口)的中心高程應(yīng)在同一高程線上。
為確保支撐排架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,保護(hù)層及巖臺(tái)的鉆孔樣架通過(guò)測(cè)量隊(duì)測(cè)量校核,經(jīng)監(jiān)理驗(yàn)收合格后使用。
2.2.4 鉆孔及驗(yàn)孔
樣架布置3處,分別為Ⅰ層3排周邊孔施工樣架、Ⅱ?qū)又苓吙资┕蛹芎蛶r臺(tái)區(qū)斜面周邊孔施工樣架,借助樣架沿著每個(gè)周邊孔套管位置采用YT-28手風(fēng)鉆鉆孔,直徑φ42mm。每個(gè)孔開(kāi)孔后檢查孔位是否符合設(shè)計(jì)要求,確保孔位后繼續(xù)施鉆。光爆孔在鉆孔過(guò)程中,須在導(dǎo)向管孔口插入直徑30mm、長(zhǎng)度≥30cm的套管,鉆孔完成后拆除套管。根據(jù)各區(qū)開(kāi)挖深度確定導(dǎo)向管的長(zhǎng)度,并在鉆桿上標(biāo)記,當(dāng)鉆桿標(biāo)記與套管邊沿重合時(shí),即達(dá)到設(shè)計(jì)孔深。
為保證鉆孔質(zhì)量,采用長(zhǎng)度≤1.5m鉆桿開(kāi)孔,再用長(zhǎng)鉆桿鉆至設(shè)計(jì)孔深。用高壓風(fēng)清孔,對(duì)每個(gè)孔進(jìn)行編號(hào),檢查周邊孔孔向、孔深,做好表格記錄,孔深不足進(jìn)行補(bǔ)打,超深孔填入彈性墊層,最后拆除樣架,插入脆性PVC管封堵保護(hù)??孜黄羁刂圃凇?0mm,孔向傾角偏差控制在±3°。周邊孔孔位及孔向控制措施主要為:先放出兩端點(diǎn)位后鉆孔施工,在端孔檢查合格后立標(biāo)志桿,兩端標(biāo)志桿拉線后等間隔確定中間孔位。周邊孔應(yīng)導(dǎo)向管,巖臺(tái)上部周邊孔和斜面孔須交叉錯(cuò)開(kāi)。鉆孔孔深檢查宜采用以15m為一段的兩端孔立上標(biāo)志桿,在巖壁吊車梁臺(tái)上方50~100cm處注上標(biāo)記、拉線,然后量測(cè)的方法。
2.2.5 樣架拆除及裝藥爆破
在所有鉆孔驗(yàn)收合格后,分段拆除樣架,并將拆除的樣架鋼管分類存放,以備下階段使用。巖臺(tái)開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)選用φ32炸藥,周邊孔及巖臺(tái)面采用光面爆破。根據(jù)巖臺(tái)開(kāi)挖試驗(yàn)成果報(bào)告,初步擬定巖臺(tái)區(qū)豎直孔線裝藥密度65g/m,斜面孔線裝藥密度55g/m。周邊孔采用竹片不連續(xù)間隔裝藥,藥卷利用電工膠帶分段均勻間隔的綁扎在竹片上,導(dǎo)爆索連線;其余爆破孔連續(xù)裝藥,非電雷管連線;在進(jìn)行保護(hù)層爆破時(shí),巖臺(tái)豎直孔已預(yù)先采用脆性PVC管插入孔底進(jìn)行保護(hù),在進(jìn)行巖臺(tái)爆破裝藥時(shí),直接在PVC管內(nèi)進(jìn)行裝藥。裝藥量根據(jù)驗(yàn)孔記錄和線裝藥密度,計(jì)算對(duì)應(yīng)編號(hào)的每個(gè)孔的藥量,然后借助吊車平臺(tái)將綁好的炸藥插入孔內(nèi)。巖臺(tái)上部周邊孔與巖臺(tái)斜面孔最后同時(shí)起爆。特別注意:裝藥孔底5cm不裝藥,以保護(hù)上拐點(diǎn)不受損壞,孔口堵塞30cm。
2.2.6 通風(fēng)散煙及排險(xiǎn)出渣
爆破結(jié)束15min后,監(jiān)理單位、施工單位地質(zhì)工程師和水工專業(yè)工程師現(xiàn)場(chǎng)排查隱患,確認(rèn)無(wú)盲炮和啞炮。通風(fēng)散煙后,首次采用挖掘機(jī)配合人工進(jìn)行排險(xiǎn),清除松散懸石和危石[8]。然后采用裝載機(jī)和挖掘機(jī)將渣體裝至20t自卸汽車運(yùn)出,出渣結(jié)束后再進(jìn)行二次排險(xiǎn)。
2.2.7 質(zhì)量檢查
每次爆破完成后,對(duì)巖面質(zhì)量檢查,主要項(xiàng)目有:半孔率(≥80%)、不平整度(±15cm以內(nèi))、超欠挖(0~20cm)和巖面的完整性。經(jīng)質(zhì)量檢查,文登抽水蓄能電站巖壁吊車梁共分9段開(kāi)挖,半孔率最小的一段為90%,半孔率最高達(dá)95%,平均開(kāi)挖半孔率92.73%,統(tǒng)計(jì)表如表2所示。
表2 文登電站巖壁吊車梁開(kāi)挖半孔率統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of half hole rate of excavated rockwall crane beam in Wendeng Hydropower Station
2.2.8 調(diào)整爆破參數(shù)
針對(duì)質(zhì)量問(wèn)題,及時(shí)分析原因,調(diào)整爆破參數(shù)。以文登抽水蓄能電站為例,因Ⅰ-Ⅱ類圍巖整體完整性好,巖石硬度高,開(kāi)挖時(shí)應(yīng)力釋放較慢,在進(jìn)行上游側(cè)巖臺(tái)開(kāi)挖時(shí),部分豎直孔可適當(dāng)減少孔間距及線裝藥密度,孔間距按照28cm、線裝藥密度按照60g/m考慮,部分斜孔可適當(dāng)減少孔間距及線裝藥密度,孔間距按照28cm、線裝藥密度按照50g/m進(jìn)行考慮,進(jìn)行下一循環(huán)爆破。
2.2.9 中高地應(yīng)力釋放應(yīng)對(duì)措施
廠房上游側(cè)巖臺(tái)開(kāi)挖完成后,因中高地應(yīng)力滯后釋放,導(dǎo)致上游邊墻廠左0+065~廠右0+010m、下游邊墻廠左0+010~廠左0+020m范圍以及55.0~62.5m高程位置出現(xiàn)了側(cè)壁劈裂、松脹及片幫現(xiàn)象,此范圍內(nèi)巖壁吊車梁巖臺(tái)成型差且形成光面,經(jīng)電站參建四方聯(lián)合查勘分析,中高地應(yīng)力、硬脆巖性、巖體結(jié)構(gòu)是巖臺(tái)開(kāi)挖破壞基本地質(zhì)環(huán)境因素,最大水平地應(yīng)力實(shí)測(cè)方向與廠房軸線夾角關(guān)系是破壞的主要因素。經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整,上下游巖壁吊車梁巖臺(tái)區(qū)域增加了一排28 、長(zhǎng)9m、入巖8.5m、排距1m的砂漿錨桿,巖壁吊車梁下部59.32~55.0m高程位置增加4排預(yù)應(yīng)力砂漿錨桿,32 @1.0×1.5m,長(zhǎng)9m,預(yù)應(yīng)力值120kN。
為保證在中高地應(yīng)力區(qū)域地下廠房巖壁吊車梁開(kāi)挖成型效果,在開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)盡量減少爆破振動(dòng)影響,依據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)、《水電水利工程爆破安全監(jiān)測(cè)規(guī)程》(DL/T 5333—2005)、《水電水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5135—2013),在主廠房巖壁梁下游側(cè)廠左0+145~廠左0+122(廠下0+010.21~廠下0+006.35)段,利用地震波法,采用TC-4850爆破測(cè)振儀,布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)6個(gè)進(jìn)行爆破振動(dòng)參數(shù)測(cè)試,選取各測(cè)試點(diǎn)在所有通道上爆破時(shí)段的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最大值,判斷測(cè)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度是否超標(biāo)。開(kāi)挖過(guò)程中爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表3,爆破中心距最小的噴射混凝土測(cè)試點(diǎn)位波形見(jiàn)圖6,距離爆破中心距最小的洞壁測(cè)試點(diǎn)位波形見(jiàn)圖7。
圖6 爆破中心距最小的噴射混凝土測(cè)試點(diǎn)位振動(dòng)測(cè)試波形圖Figure 6 Waveform of vibration test of shotcrete test point with minimum blasting center distance
圖7 爆破中心距最小的洞壁測(cè)試點(diǎn)位振動(dòng)測(cè)試波形圖Figure 7 Waveform of vibration test at the test point of the tunnel wall with the smallest distance from the blasting center
表3 爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of blasting vibration test data
根據(jù)《水電水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5135—2013)要求,距爆區(qū)最近的噴射混凝土(7~28d齡期),爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)中,安全允許爆破振動(dòng)速度應(yīng)控制在5.0~10.0cm/s,地下洞室洞壁及巖質(zhì)邊坡允許爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)小于10.0cm/s的規(guī)定。各測(cè)試點(diǎn)在三個(gè)方向上的最大振動(dòng)速度值均小于規(guī)范和合同中規(guī)定的最大允許值。同時(shí),利用式(1)薩道夫斯基回歸分析公式計(jì)算K和α數(shù)值。
式中:V——質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,cm/s;
K、α——與爆區(qū)至測(cè)點(diǎn)間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù);
Q——炸藥量,齊發(fā)爆破為總裝藥量,延時(shí)爆破為最大單段藥量,kg;
R——測(cè)點(diǎn)至爆源的距離,m。
本次爆破單段最大藥量Q為46.8kg,將各測(cè)點(diǎn)X、Y及Z向振動(dòng)最大速度值V及其爆心距R代入公式,進(jìn)行回歸分析可得:
X方向:K=118.10,α=1.68;Y方向:K=665.54,α=2.22;Z方向:K=59.41,α=1.34。
可通過(guò)多次做爆破振動(dòng)參數(shù)試驗(yàn),獲得較為準(zhǔn)確的K、α值;根據(jù)薩道夫斯基回歸分析公式,在安全質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度范圍內(nèi),反推其最大單段藥量,用于指導(dǎo)爆破設(shè)計(jì)及爆破參數(shù)的調(diào)整。
(1)巖壁吊車梁上拐點(diǎn)、下拐點(diǎn)及巖臺(tái)區(qū)開(kāi)挖成型孔均需借助樣架鉆孔,鉆孔要定向、定位、定深度,尤其是每排鉆孔孔底要在一條線上,樣架要有限位桿。巖臺(tái)成型孔孔口約60cm不裝藥,上拐點(diǎn)成型孔上部堵塞30cm。為保證巖臺(tái)下部臺(tái)角成型完整性,爆破前可在下拐點(diǎn)下部5~10cm位置固定角鐵或角鋼。
(2)針對(duì)文登抽水蓄能電站Ⅰ-Ⅱ類圍巖整體完整性好的地質(zhì)條件,巖臺(tái)保護(hù)層分兩層開(kāi)挖,難以保證下拐點(diǎn)下部開(kāi)挖質(zhì)量,經(jīng)實(shí)踐,保護(hù)層開(kāi)挖分三層施工質(zhì)量較好。處于中高地應(yīng)力條件和類似圍巖地質(zhì)條件下的巖壁吊車梁開(kāi)挖,可采用增加預(yù)應(yīng)力砂漿錨桿方式,預(yù)先進(jìn)行支護(hù)。
(3)巖臺(tái)斜面孔造孔前,要增加采用手風(fēng)鉆水平預(yù)開(kāi)孔3~5cm的措施。為保證保護(hù)層上層爆破時(shí)不破壞巖臺(tái)直墻光爆孔,采用PVC管在保護(hù)層1層爆破前插入孔內(nèi),盡量減少堵孔后無(wú)法裝藥的情況發(fā)生。
(4)由于文登抽水蓄能電站廠房上游側(cè)圍巖存在應(yīng)力釋放,存在大面積成片層狀剝落的現(xiàn)象,為保證巖臺(tái)開(kāi)挖質(zhì)量,及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù),孔距宜調(diào)整至28cm。巖臺(tái)下拐點(diǎn)不可超挖,可適當(dāng)調(diào)整鉆孔角度,使鉆孔上下和左右方向均欠3cm。
(5)開(kāi)挖過(guò)程中必須進(jìn)行爆破振動(dòng)測(cè)試,進(jìn)行過(guò)程爆破效果評(píng)估,同時(shí),建議進(jìn)行多次測(cè)試,取得與爆區(qū)至測(cè)點(diǎn)間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù);反推算最大單段裝藥量,用于指導(dǎo)爆破施工。