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大型地下洞室群開挖爆破施工

2011-07-25 責任編輯:朱亮亮

 

完成時間:200112月~20046

工程地點:廣西壯族自治區天峨縣

完成單位:水電1478聯營體、長江科學院

項目主持人及參加人員:高必華、和孫文、黃剛、楊天吉、謝勇兵、契光恒、李春、王杰、劉華

撰稿人:高必華、楊天吉、蔣鍵

 

1   概述

位于廣西壯族自治區天峨縣境內的龍灘水電站地下廠房是世界上規模最大的地下廠房,洞室尺寸龐大,與之相貫的洞室較多,廠房與主變室、尾水調壓室平行布置,主廠房長3989m,寬307m,高773m,石方開挖量636379m3;主變室長4088m,寬198m,高3405m,石方開挖量181555m3;尾水調壓井(含井間連接洞)34532m,寬2515m,高8121m,石方開挖量503097m3。主廠房與主變室相距4175m,有12條母線洞、連接洞、通風洞相連;主變室與調壓井相距2660m,有9條連接洞相連;包括引水洞、尾水洞、通風洞、排風豎井、排水洞、施工支洞等,在不到05km2。的范圍內,共有113條洞室縱橫相貫,形成一個龐大而復雜的洞室群。

 

2   工程地質條件及工程特點

龍灘水電站地下廠房系統所處位置的巖石類別主要為中厚層砂巖、粉砂巖和薄層泥板巖,洞室開挖揭示呈交替出露,軟硬不均。地下洞室群相互縱橫交錯,立體交叉口多,由于洞室與洞室之間的巖柱較薄,主廠房、主變室、調壓井室開挖斷面大、邊墻高,工程地質條件就更顯復雜。多種不同條件有限元分析和地質力學模型試驗表明:主廠房洞室開挖后,圍巖主應力一般小于1015MPa.,拱座和洞室壁轉折處,局部應力集中系數達2025,其最大應力已接近泥板巖的單軸飽和抗壓強度。龍灘地下廠房系統是由一組縱橫交錯的地下洞室群組成,其工程特點為:

(1)廠區分主副廠房,主變開關室及尾水閘門三排布置,工程集中,運輸洞、母線洞、引水洞、尾水洞等共113個,總長275km,形成一個上下重疊、縱橫交錯的地下洞室群,且各洞室形狀及大小各異。

(2)交叉洞室多,與主副廠房交叉的洞室共有46(上游面24個,下游面20個,端墻2);與主變室交叉的洞室共有19個;與尾水閘門室交叉的洞室共有24個。

(3)洞室尺寸大,邊墻高,洞室之間距離近。主廠房本身就是一座大跨度、高邊墻、多洞室的地下結構。主廠房集體井部位邊墻高達773m,而主廠房與主變室距離為4175m,這塊巖體又被較大斷面的母線平洞及豎井所削弱,尾水支洞間距1218m,最薄處相當于洞徑的08倍。主變室與調壓井相距266m

(4)三大洞室的頂拱、邊墻均采用錨噴支護,三個大洞室的吊車梁均采用巖壁式。

 

3   施工方法

地下廠房洞室群施工的第一步是合理設置交通道。根據圍巖的穩定條件,施工交通道的位置和施工機械性能等因素,自上而下分層施工。第一層為頂部,層高一般89m,頂拱要求成型好,采用光面爆破,支護工作量大,而且需要布置監測儀器,根據反饋信息,完善頂拱部位支護。

3.1 頂拱(Ⅰ層)開挖

龍灘地下廠房分9層開挖(見圖1),頂拱開挖層高89m,開挖斷面2583m2,分兩部分進行,第一步開挖兩側邊頂部位,側導洞開挖斷面為2m×644m,兩側超前開挖平行交錯施工,掌子面相距30m以上,確保施工和工程安全,采用三臂液壓臺車鉆孔,孔徑50mm,孔深4Om,大空孔直孔掏槽,開挖輪廓面光面爆破;第二步中間巖石柱開挖,開挖斷面1295 m2,開始采用全斷面開挖,由于斷面較大,跨度有147m,頂拱矢高較小約15m,加上圍巖為緩傾角層狀巖體,兩側開挖結束后圍巖應力進行了重新分布,光面爆破產生的開挖輪廓面成型差,后來采取以下方法:

(1)將中間巖柱又分為左右半幅進行開挖,相互滯后23排炮;

(2)減少循環進尺,爆破進尺控制在25m以內;

(3)調整光面爆破參數,孔間距控制在50cm以內,K值取075,線裝藥密度100120gm

(4)在:Ⅲ2、Ⅳ類圍巖地段增加了導向孔,孔距25cm,間孔裝藥;

(5)支護及時跟進,Ⅱ、Ⅲ類圍巖支護滯后15m,Ⅳ類圍巖噴錨支護跟進掌子面。

采取以上方法后,廠房頂拱開挖成型良好。

 

3.2  Ⅱ~Ⅳ層開挖

廠房Ⅱ~Ⅵ層為大體積槽挖,Ⅶ~Ⅸ層為機坑槽挖,屬高邊墻大體積槽挖。Ⅱ~Ⅵ層開挖采用中間拉槽兩側保護層跟進的開挖方法,保護層與中間拉槽部分采用預裂爆破隔斷。上下游保護層預留層厚度分別為4m8m8m保護層又作為上層支護施工通道,較薄一側的保護層先挖除,支護結束后再進行較厚一側保護層開挖支護,防止兩側同時卸荷引起高邊墻的大位移,確保高邊墻的穩定,在廠房下臥過程中充分運用“新奧法”原理,并真正做到“平面多工序,立體多層次”,實現地下廠房快速施工。Ⅸ層坑挖,先從尾水擴散段開挖進人廠房Ⅶ~Ⅸ層形成中導洞,然后在Ⅶ層打導井與之貫通,逐步擴井,采用手風鉆鉆孔爆破開挖,從尾水擴散段出渣、墊坡進行Ⅶ~Ⅸ層臺階爆破開挖。

主要施工方法包括:

(1)采用2道預裂縫(雙保險)確保中間拉槽臺階爆破對頂拱和高邊墻的爆破影響。在中間拉槽前先對邊墻輪廓線進行小孔徑淺孔預裂,深度為445m,孔間距為50cm,線裝藥密度為180200gm,小孔徑淺孔預裂可以保證開挖輪廓面成型良好,同時降低了保護層開挖高度。在中間拉槽臺階爆破前對預留保護層進行預裂,預裂深度與該層臺階爆破深度相同。孔徑80mm,孔距80cm,線裝藥密度為300350gm。此次預裂主要是對拉槽臺階爆破起減振作用。

(2)拉槽臺階爆破嚴格控制單響藥量,為滿足設計高邊墻質點振動速度vs7cms要求,采用單孔單響,孔間毫秒延時擠壓爆破的施工方法。

(3)預留保護層開挖采用手風鉆開挖,開挖高度4m/層,周邊沒有預裂的采用光面爆破,采用小藥量弱爆破的開挖方法,最大單響藥量小于10kg,盡量減小爆破對邊墻圍巖的振動影響。

(4)洞與大洞室貫穿時,盡可能先開挖較小斷面的洞,并超前大洞l2m;兩洞交匯處采取先導洞后擴挖(或預留光爆層),淺孔短進尺,以保證爆破振動波(或反射波)對鄰近洞室不產生破壞影響。

(5)針對龍灘地下廠房比較長的特點,在分層施工中采用層間搭接施工,搭接時間一般為115個月,把一個廠房當作2個廠房進行開挖,當保護層較薄一側剝離并支護好100m后,下一層中間拉槽開始施工。

(6)根據量測反饋信息適時進行支護,Ⅱ類圍巖支護滯后3050m,Ⅲ類圍巖滯后530m,Ⅳ類圍巖開挖一排炮支護一排,支護緊跟掌子面。

(7)巖錨梁基礎采用預留保護層手風鉆開挖,用垂直孔+斜孔雙向同時光爆的方法進行開挖,采用該方法,在層狀巖體中取得了良好的開挖效果,巖錨梁基礎成型較好。

(8)采用先進的施工設備,加快施工進度,針對龍灘地下廠房開挖強度高(最高達65m3/月)支護工程量大,且均為長錨桿、噴射鋼纖維混凝土和微纖維混凝土,技術指標高的特點,在施工中采用了2353E阿特拉斯三臂鑿巖臺車,1臺全電腦鑿巖臺車和l臺邁斯特噴車,采用先進的設備,保證了工程進度、支護的及時性和工程質量,確保了工程安全。

3.3 廠房邊墻與相鄰洞室群交叉段施工

龍灘地下廠房開挖系高邊墻施工,在高邊墻不同高程與其他洞室相貫通,與之相貫通的有主廠房進風洞、進廠交通洞、母線排風兼施工支洞、廠房排煙廊道、引水隧洞、母線洞、尾水擴散段,且邊墻較高,高邊墻穩定問題尤為突出。為保證工程安全和施工安全,附屬洞室與大洞室相通時,先洞后墻,洞口鎖口和系統支護后才能開挖高邊墻,在洞與洞、洞與井等交叉部位要提前做好超前支護和加強支護,如增加鋼格柵,在交叉口二倍洞徑的洞段范圍內采用淺孔多循環短進尺的開挖方法;合理應用控制爆破,靈活采用光面和預裂技術,確保開挖輪廓面成型好,減少爆破振動對圍巖及相鄰建筑物的影響,有利于后續工作(如噴錨支護)的進行。

 

4   爆破振動控制

爆破振動控制是廠房開挖的重點之一,爆破振動直接影響高邊墻的穩定和巖壁吊車梁結構的安全。按本工程開挖技術的要求,廠房爆破質點速度控制標準:高邊墻vs7cms,錨桿和噴射混凝土vs5cms,混凝土3天強度,vs12cms;混凝土37天強度,vs25cms;混凝土28天強度,vs57cms。因而在廠房開挖時須通過爆破振動試驗確定最初的爆破控制,并在施工過程中進行質點振動速度監測,經過監測數據對最初的爆破振動成果進行修正和數據分析,從而選擇合理的施工方法及爆破參數,做到盡量減少鉆爆開挖對圍巖的影響。

 

5   結束語

龍灘水電站地下廠房系統開挖歷時31個月,總石方開挖280m3,最高月強度157m3/月,20022003年為開挖高峰期,平均116m3/年。由于合理安排施工程序,采用臺車鉆孔和手風鉆鉆孔相結合進行洞挖,大洞室槽挖采用中孔徑(80mm)履帶鉆鉆孔和手風鉆鉆孔相結合進行臺階爆破和光面爆破,嚴格控制單響藥量,靈活運用預裂爆破和光面爆破技術,適時進行錨噴支護,整個地下廠房開挖成型良好,平均徑向超挖小于20cm,使大規模地下廠房施工水平上了一個新臺階。目前開挖已全部結束,正在進行混凝土襯砌施工。從監測成果分析,地下廠房的頂拱邊墻已趨于穩定。

摘自《中國典型爆破工程與技術》