地下厂房桥机梁岩台基础开挖施工技术.pdf

第2 9 卷第3 期 2 0 1 2 年9 月 爆破 B L A S T 矾G V 0 1 ．2 9N o ．3 S e p ．2 0 1 2 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 2 ．0 3 ．0 1 6 地下厂房桥机梁岩台基础开挖施工技术 吴晓龙 武警水电三峡工程指挥部，武汉4 3 0 2 2 3 摘要地下电站厂房施工中，桥机梁岩台基础开挖是厂房施工的重点和难点，介绍了三峡地下厂房工程 中的成功实践，阐述了其爆破施工方案，爆破试验，主要施工方法及爆破参数的选取方案，介绍了钻孔精度的 控制和爆破时机的选择方法，经精心设计、严谨施工，工程桥机梁岩台基础开挖爆破达到设计要求。 关键词地下厂房；桥机梁岩台；开挖技术 中图分类号．T D 2 3 5 ．3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X { 2 0 1 2 0 3 - 0 0 6 5 - 0 5 E x c a v a t i o nT e c h n o l o g yf o rR o c kF o u n d a t i o no fB r i d g e - m a c h i n e B e a mi nU n d e r g r o u n dP o w e r h o u s e W U X i a o l o n g A r m e dP o l i c eC o m m a n do ft h eT h r e eG o r g e sP r o j e c t ，W u h a n4 3 0 2 2 3 ，C h i n a A b s t r a c t I nt h eu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s ec o n s t r u c t i o n ．t h er o c kf o u n d a t i o ne x c a v a t i o no fb r i d g e ．m a c h i n eb e a m i so n eo ft h ed i f f i c u l t i e si nb u i l d i n gc o n s t r u c t i o n ．T h es u c c e s s f u lp r a c t i c ei nt h eu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s eo ft h r e eG o r - g e sP r o j e c tw a si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h eb l a s t i n gs c h e m e ，b l a s tt e s ta n dt h em a i nc o n s t r u c t i o nm e t h o d sa n dt h es e l e e ． t i o no fb l a s tp a r a m e t e r s ．W i t ha ne l a b o r a t ed e s i g na n ds t r i c tc o n s t r u c t i o n ，t h eb l a s t i n ge x c a v a t i o no fr o c k f o u n d a t i o n m e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ． K e yw o r d s u n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e ；r o c kf o u n d a t i o no fb r i d g e ．m a c h i n eb e a m ；e x c a v a t i o nt e c h n o l o g y l 工程概况 三峡左岸地下电站位于左岸电站侧覃家沱山体 内，为地下引水厂房型式，装有2 台单机容量5 0M W 混流式水轮发电机组，建成后为三峡水利枢纽的主 供电电源。其地下主厂房开挖跨度桥机梁岩台以上 为1 6m ，以下1 4m ，总长6 0m ，高3 9 ．5 8m 。主厂房 内布置1 台2 1 0 0t 桥式起重机，桥机轨顶高程 7 2 ．5m ，采用岩壁轨道梁型式。主厂房及岩台断面 见图1 。 1 ．1 地质情况 本工程地下厂房位于微新闪云斜长花岗岩山体 收稿日期2 0 1 2 0 4 1 9 作者简介吴晓龙 1 9 7 4 一 ，男，贵州镇宁人，高级工程师，武警水电 三峡工程指挥部， E - m a i l w u x i a o l o n 9 3 0 0 0 1 6 3 ．c o r n 。 内，岩体坚硬完整，主要为I ，Ⅱ类围岩，围岩稳定性 好，总体成洞条件较好。地质勘察表明，存在编号 F 2 3 断层及相伴的闪斜煌斑岩脉斜穿地下厂房安装 场，因其性状较差，且破碎，主断面糜棱岩易软化，构 造多为碎裂一镶嵌结构岩体，厂房开挖时边墙可能 发生局部岩体塌滑、掉块。 1 ．2 施工边界条件 岩台开挖前，厂房顶拱采用支撑拱法施工完成， 开挖采用中导洞掘进法，而后采用长9m 西3 2m m 锚杆和长6m 咖2 5m m 锚杆进行锚固，再喷护1 5c m 厚钢纤维砼并施工安装了 b4 6m m 深4 ．5m 排水 孔。桥机岩台上部侧墙为已开挖完成顶拱直立墙， 下部为开挖形成的直立墙体，桥机岩台开挖时周边 临空条件较好。 万方数据 爆破 2 0 1 2 年9 月 2 开挖设计要求 图1主厂房机组断面开挖断面图 单位c m F i g ．1 M a i np l a n tu n i ts e c t i o ne x c a v a t i o ns e c t i o n u n i t c m 桥机梁岩台开挖时，需控制好桥机梁斜台及周 围2m 范围内的开挖爆破，确保按设计的轮廓开挖 成形，并减少爆破对保留岩体的振动影响。在桥机 梁一层中部抽槽开挖前，应先沿厂房上下侧进行预 裂爆破，预裂爆破孔孔距不大于钻孔直径的8 倍，预 裂线距上下侧边墙的距离不应小于2m 。预裂线与 上下侧边墙之间应采用光面爆破进行开挖，且钻孔 直径不大于5 0m m 。桥机梁斜台以上部分可采用光 面爆破或其他可靠方法进行开挖，且钻孔直径不大 于5 0 一。无论采用何种爆破方式，应严格控制最 大一段起爆药量，其允许产生安全质点振速小于 5c m ／s 。轮廓面上残留炮孔痕迹应均匀分布，其半 孔率除地质缺陷外微新岩石应大于9 0 ％，弱风化岩 石应达8 0 ％以上。轮廓面上超挖控制在2 0c m 以 内，欠挖控制在5c m 以内。 3 爆破施工方案 3 ．1 施工前技术研究 根据本地下工程结构设计特点和要求，桥机梁 岩台开挖断面图 岩台开挖成形质量是地下厂房施工的关键点之一， 需重点对以下技术问题进行分析研究，选取科学、合 理的施工方案，并采取针对性的技术保障措施，确保 施工安全和工程质量。 1 分析研究桥机梁岩台开挖成形质量控制措 施，确保保留岩台的稳定性并符合设计要求，拟制岩 台开挖的施工工艺、选择合理的爆破开挖方法、提高 钻孔精度，保证成形质量，选择合适的爆破参数等。 2 分析桥机梁岩台与厂房抽槽、侧向保护层 开挖之间的关系，合理选定岩台施工的最佳时机。 3 改进施工技术手段和施工水平，快速施工， 缩短桥机梁岩台开挖占压的直线工期。 4 拟制爆破试验方案，通过爆破试验进一步 验证选定爆破参数和爆破方案的可行性和合理性。 3 ．2 采取的施工工艺和爆破方案 经比选国内类似工程施工实例，结合地下大型 洞室开挖爆破理论和本工程的特点，选定本工程施 工基本思路为。o I 采取小孔距、小孔径、密钻孔、均布装药、控制 爆破规模、一次爆破成形方式，采用操作简便、易控 万方数据 第2 9 卷第3 期吴晓龙地下厂房桥机梁岩台基础开挖施工技术 6 7 制、效率较高的孔径小于5 0c m 的手风钻等设备．6 J 。 2 采取搭设钻孔控制样架进行垂直和倾斜钻 孔方式，同时在2 个以上作业面钻孑L ，可减少施工的 难度，钻孔精度易控制，孔底偏差、“漂孑乙”现象较小。 同时施工将不受爆破作业面限制，一次能够投入较多 设备，沿线展开，分段爆破开挖，加快施工进度。 3 桥机梁岩台爆破时具备2 个以上的临空 面，临空效果要好，并有效减少厂房抽槽、侧向保护 层爆破影响。选定施工最佳时机为抽槽、侧向保护 层开挖高程降至桥机梁岩台台口以下4 ．0m 左右， 岩台起坡边线1 ．5m 以上的直立边墙开挖完成后进 行。应控制好侧向保护层分层厚度，上层侧向保护 层光爆孑L 孔底高程需超过桥机梁岩台台口以下 1 ．0m 以上，避免保护层光爆孔孔底加强装药对台 口造成隐性拉伤、破坏，使台口产生掉块等。厂房抽 槽开挖分层高度也不宜过高，避免施工排架搭设过 高，施工困难等旧j 。 4 控制桥机梁岩台成形的关键技术是采用沿 岩台垂直向和倾斜向钻设光面爆破孔，上下两个方 向同时进行光厩控制爆破，利用光面爆破成缝原理， 将桥机梁岩台一次整体“切割”剥离成形。 4 爆破试验 根据拟定的施工方案，在主厂房桥机梁所处的 上下游边墙上选择适合部位进行爆破试验。试验内 容为钻孔机具、定位方式、火工材料选择、爆破参数 选定、起爆网路以及开挖时机等。试验结果表明采 用孔径咖4 2m m 手风钻搭设定位导向架可有效控 制钻孔方位及精度。光爆孔孔距在3 0 ～3 5c m 以内 时，岩台上9 5 ％以上的欠挖点可控制在5c m 以内， 孔距越小欠挖点越少。试验的1 0 0g ／m 、1 1 0g ／m 、 1 2 0g ／m 三种光爆孔线装药密度中，1 2 0g ／m 的线密 度成形最好。起爆网路中采用同段雷管垂直向和岩 台斜向同时起爆时岩台成形较好，分次爆破时未开 挖岩面拉裂较大。岩台整体开挖宽度及高度控制在 1 ．5m 以内时，开挖成形质量较易获得保证，且成形 质量好。 5 主要施工方法及爆破设计 5 ．1 施工机具 采用钻头直径为咖4 2m mY T 二_ 2 6 型手风钻进 行造孔，洞外空压站集中供风。 5 ．2 测量放样 桥机梁岩台正式开钻前，先沿垂直边线及岩台 倾斜面施放出设计开口线，岩台倾斜面开口线往下 约2 0e m 距离，按钻孔角度布设钻孔导向样架控制 点，而后在岩面上按3 5e m 孔距放出实际开孔位置。 因采用的钻机钻孔后成孔孔径为4 5m m ，如沿设计 边线开孔，则由于设备因素造成爆后3e m 左右欠 挖，因此测量放样时，实际开孔位置应低于设计边线 3 5c m ，确保爆破成形岩面为设计岩台斜面。 5 ．3 爆破参数的设计 桥机梁岩台爆破开挖的目的是保证岩台的成 形，要减少爆破产生的效能既能有效剥离岩体又不 能对桥机梁岩台造成损伤，并且必须具备足够爆能 将岩台剥离、滑落至临空方向的厂房内。而不能产生 倒悬体、贴坡等次生灾害。采取光面控制爆破技术 沿垂直向“割断”侧墙岩台、底部倾斜向“切断”岩台 底，达到“切割”岩体目的。本工程中根据开挖预留 岩台结构尺寸，仅设置垂直向及倾斜向的光爆孔可 满足要求，未设置主炮孔。考虑岩体必须一次开挖 成形，在垂直向和倾斜向的光爆孔需同步进行钻孔， 同时进行爆破。垂直向和倾斜向炮孑L 布置时，在设 计桥机梁岩体起坡线上孔底交错布置。 1 炮孔深度根据开挖断面，确定垂直向光爆 孑L 孔深h 。 1 ．5m ，倾斜向爆孔孔深h 1 ．4m 。 2 线装药密度阳] 口线 2 ．7 5 [ 口] 0 5 3 焉．3 8 式中[ 仃] 为岩石极限抗压强度，三峡为 1 0 0 0 ～1 5 0 0k g ／c m 3 ；b ．为钻孔半径。 计算得g 线 1 3 7 9 ／m ，经爆破试验和施工实践验 证，实取q 线- - 1 2 0g ／m 。 加强装药段为克服炮孔底部岩石的夹制力，光 面孔底部不留炮梗，光面贯穿到台阶底，考虑船闸地 质岩性 y ．o ； 等，光爆孔孔底增加6 0g 炸药。 3 预裂孔间距口】根据公式Q 。 0 ．3 6 [ o - ] n6 3 ． a n6 7 。式中，Q ，为线装药密度，g ／m 。推导出光爆孔 间距a q ，／0 ．3 6 [ 盯] 响 1 ’5 ，经过爆破试验验证， 确定a 3 5e m 。 4 堵塞长度堵塞长度取4 0e m 。 5 光爆孔单孔装药量 Q 预 平均线密度X 装药长度 加强段 1 2 0g 6 0g 1 8 0 g 。 6 炸药。选用时主要考虑三峡工程基岩岩石 和地质状况，结合先期施工完成的进厂交通洞和通 风洞的洞挖施工和试验验证，选用2 号岩石乳化炸 药。规格为直径咖2 5m m 药卷 单支重量为1 2 5g ， 长度为2 2c m 。 7 起爆网路。对于一般岩石基础边墙开挖， 如边坡较长、分段施工时，无论采用光面还是预裂爆 破，在两茬炮的交汇处，边墙往往出现不同程度的拉 万方数据 爆破2 0 1 2 年9 月 裂，超欠挖现象严重。在条件许可情况下，如能够一 次完成爆破作业，则形成边坡面较为连续，岩面平整 度较好。本厂房桥机梁岩台施工，一段爆破长度达 到3 0m 左右。在爆破单响药量的控制上，我们认为 当爆破区域较长，单响药量虽然较大，但炸药爆炸后 产生的作用力是均匀地分散在整个爆破区，对岩体 而言其受力状况是均匀的面受力而不是“点”集中 受力，因此爆破振动对岩体影响实际较小。从传爆 方式上，采用导爆索中间不分段接力传爆效果要优 于分段接力传爆，因为在各光爆孔装药结构及装药 量基本一至的情况下，爆破产生的应力波是连续、均 匀的逐步叠加，岩体受较为均匀的应力和爆轰气体 作用，依次被拉裂开。而炮孔间有雷管接力时，受雷 管延时精度等限制，爆破应力波在传递过程中将出 现不规则的叠加现象，最后影响光面的成形。爆破 作业时，采用塑料导爆索上绑扎毫秒微差导爆管，即 发电雷管电力起爆法起爆，垂直向和倾斜向光爆孔 采用同段雷管一段顺序起爆，或垂直向和倾斜向间 爆破时差滞后7 5m s 左右起爆，2 种方式成形效果均 较好。 6 质量控制的关键点 6 ．1 钻孔精度控制 钻孔质量是控制桥机梁岩台成形的重点控制工 序。对钻设1 ．5m 深垂直光爆孔，其精度一般均能 较好控制，但对倾斜面上的光爆孔，必须采取可靠措 施来控制钻孔角度。施工中采用搭设样架导向方式 来控制手风钻的钻孑L 精度。样架采用脚手架钢管搭 设，搭设时考虑钻孔设备尺寸以及其施工精度影响 等，其搭设角度为4 4o ，略小于设计4 5o 。搭设方式 见图2 。 6 ．2 爆破时机选择 对于桥机梁岩台爆破时机，经对比直立边墙开 挖经验和进行爆破试验的数据，认为在厂房抽槽、侧 向保护层开挖均降至桥机梁岩台台口以下4 ．0m 以 上，桥机梁岩台起坡线1 ．5m 以上的直立边墙已开 挖成形，此时进行桥机梁岩台开挖最为有利。因为 此时桥机梁岩台上下均无岩体的夹制，爆破临空面 效果最好，且沿已成形的直立墙进行桥机梁斜台钻 孔时，钻孔导向样架设置的精度容易控制在误差范 围内，可确保岩体倾斜面钻孔的精确度。其次侧向 保护层的分层厚度对桥机梁岩台开挖影响较大，由 于开挖分层厚度主要受施工设备等的限制，一般采 用手风钻进行侧向保护层成形钻爆，分层厚度在 3 ．0m 左右，边墙成形质量较易获得保证。因此在 侧向保护层分层开挖时，桥机梁部位的开挖高差，控 制桥机梁岩体斜口以下1 ．0m 左右为宜。其次因侧 向保护层光爆孑L 孔底部位的岩体，爆破时岩台夹制 作用最大，采用加强装药爆破时，应控制装药量，确 保不致对位于侧向保护层孔底的桥机梁台口区域造 成隐性拉伤、破坏，使桥机粱岩台爆破时台口产生掉 块等现象，影响桥机梁岩台的成形质量。见图2 。 ， 歼挖设计线 图2 岩台钻孔及导向架搭设示意图 单位c m F i g ．2 T h er o c kd r i l l i n ga n dag u i d ef r a m e e r e c t i o nd i a g r a m u n i t c m 7 爆破效果 采用上述综合技术施工后，本工程桥机梁岩台 开挖成形达到预期设计目标。采用爆破时进行质点 振速测量、爆后外观评价、开挖断面形体测量和弹性 波测试等方法，对爆破效果进行综合评价。结果表 明，各项检测数据均满足设计要求，所选施工方案合 理、质量控制措施得当、爆破质量优良。 1 外观评价桥机梁建基面不平整度均 ≤1 5c m ，爆破残孔率达到9 5 ％以上。 2 形体断面测量岩体按2m 一个断面共测 量了4 5 个断面3 2 2 个点，“欠挖小于5c m ，超挖小 于1 0c m ”测量点一次爆破合格率为8 5 ％。排除地 质缺陷等因素，其合格率在9 5 ％以上。 3 爆破安全质点振速爆破安全质点振速测试 结果表明，在水平距离炮区7 ．2 5m 外，各监测测点峰 值速度均小于设计要求的“洞室基础或壁面上的安全 质点振速≤1 0c m ／s ”o 4 弹性波测试布置声波孔进行了松弛圈声 波检测，测试典型声波曲线见图3 。从声波曲线上 可见，该地下厂房该层声波值分布在4 6 0 1 ～ 5 7 8 0m ／s 范围，除孔口声波值低于5 0 0 0m ／s 以外， 万方数据 第2 9 卷第3 期吴晓龙地下厂房桥机梁岩台基础开挖施工技术 6 9 上接第5 3 页 参考文献【R e f e r e n c e s 张立．爆破器材性能与爆炸效应测试[ M ] ．合肥．中 国科学技术大学出版社2 4 9 - 2 5 5 ． 郑炳旭，张志毅．条形药包爆破理论与技术[ J ] ．工程 爆破，2 0 0 3 ，5 1 2 2 - 2 6 ． Z H E N GB i n g X H ，Z H A N GZ h i y i ．T h e o r ya n dt e c h n o l o g y o fl i n e a rc h a r g eb l a s t i n g [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 3 ， 5 1 2 2 - 2 6 ． i nC h i n e s e 颜事龙．集中药包与条形药包水下爆炸能量测试[ J ] ． 爆破器材，2 0 0 3 ，7 5 2 3 2 7 ． Y A NS h i l o n g ．M e a s u r e m e n to ft h ee x p l o s i o ne n e r g yo ft h e c e n t r a l i z e dc h a r g ea n dt h el i n e a rc h a r g eu n d e r w a t e r [ J ] ． E x p l o s i v eM a t e r i a l s ，2 0 0 3 ，7 5 2 3 - 2 7 ． i nC h i n e s e 杨鑫，石少卿，程鹏飞．空气中T N T 爆炸冲击波超压 峰值的预测及数值模拟[ J ] ．爆破，2 0 0 8 ，5 1 1 5 ．1 8 ． Y A N GX i n ，S i l lS h a o q i n g ，C H E N GP e n g f e i ．F o r e c a s ta n d s i m u l a t i o no fp e a l 【o v e r p r e s s u r eo fT N Te x p l o s i o ns h o c kw a v e i nt h ea i r [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 8 ，5 1 1 5 1 8 ． i nC h i n e s e 邱艳宇，卢红标，蔡立艮．压电传感器受爆炸瞬变温度 影响的试验研究[ J ] ．爆破，2 0 1 0 ，8 4 3 1 - 3 4 ． Q I UY a h y u ，L UH o n g b i a o ，C A IL i - g e n 。E x p e r i m e n t a lr e - s e a r c ho ne f f e c to fe x p l o s i o nt r a n s i e n tt e m p e r a t u r eo np i e z o e l e c t r i cs e n s o r s [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 0 ，8 4 3 1 3 4 ． i n C h i n e s e 周听清．爆炸动力学及其应用[ M ] ．合肥中国科学技 术大学出版社，2 0 0 1 ． 亨利奇．爆炸动力学及其应用[ M ] ．熊建国，译．北京 科学出版社，1 9 8 7 ． A H M E DF a h m y ，F A R A GT o l b a ．R e s p o n s eo fF R P - r e t r o f i t t e d 、r e i n f o r c e dc o n c r e t ep a n e l st ob l a s tl o a d i n g [ D ] ．C a n a - d a C a r l e t o nU n i v e r s i t y ，2 0 0 1 ． 邱艳宇，卢红标．爆炸冲击波信号处理方法比较[ J ] ． 爆破。2 0 1 0 ，2 6 1 9 2 9 5 ． Q I UY a h y u ，L UH o n g b i a o ．C o m p a r a t i v er e s e a r c hi ns i g n a lp r o c e s s i n go fb l a s t i n gs h o c kw a v e [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 0 ， 2 6 1 9 2 9 5 ． i nC h i n e s e ] J 1 l j ] J 1 J 1 J 1 J ] J 障 b № 口 哆 汐 汐 j ] ] ] ] 1 二 心 心 口 口 H M 万方数据