1.中国水利水电第十四工程局有限公司 云南昆明 650000；2.浙江华东工程咨询有限公司 浙江杭州 310014
摘要：梅蓄电站地下厂房顶拱开挖施工，精细爆破设计、优选爆破器材、精细组织施工，加快开挖进度，降低资源投入，减少了爆破对岩壁的扰动，提高了残孔率，使得大跨度地下隧洞顶拱开挖爆破成型质量达到“国内一流水平”，值得类似工程借鉴。
关键词：大跨度；地下；厂房；顶拱；开挖；质量；控制
1.工程概况
梅州抽水蓄能电站枢纽建筑物主要由上下水库、输水系统及发电厂房系统等4部分组成。电站装机容量2400MW，共装设8台单机300MW立轴、可逆、单级混流式水泵水轮电动发电机组。地下厂房系统中主厂房洞室开挖总长度为176.25m，厂房内岩壁吊车梁以上开挖跨度28.30m，以下为26.50m，厂房最大开挖高度为58.370m。厂房布置区山体雄厚，岩性为中粒黑云母花岗岩，顶拱上覆岩体厚330m左右。厂区洞室围岩以II类为主，约占66%；节理较发育部位为III类，约占26%；局部岩脉发育段属IV类围岩，约占8%。
厂房系统及部分引水、尾水三维透视图详见下图：
图1.1 电站一期厂房系统及部分引水、尾水三维透视图
2.大跨度地下洞室顶拱开挖质量控制
梅蓄电站厂房顶拱开挖的平整度、半孔率及超挖量等参数是开挖过程中重要的质量控制要素，大跨度厂房顶拱开挖质量现今也要求越来越高，其对厂房系统施工期及运行期的安全稳定起到非常重要的作用。
近几年来，随着各种工程爆破技术相关基础理论研究不断进展、高精度高可靠性的爆破器材的进步、施工机械化和自动化水平的提高，借助飞跃发展的计算机技术、爆破试验和测量技术手段（RS、GIS、GPS）、爆破振动监测手段及精细化的施工管理方法，使得地下洞室爆破工程从测量放样、钻孔精度、装药堵塞等各项工序的精细程度大大提高。
2.1大跨度地下厂房顶拱开挖施工流程
本工程厂房Ⅰ层开挖采取中部超前，两侧扩挖滞后跟进的方式开挖。分层开挖高度为10.0m。Ⅰ层开挖共分为4个区：中部底导洞开挖、中部扩挖、上下游边墙扩挖，及边墙保护层开挖。中部底导洞10×7.3m，中部扩挖断面14×10m，两侧边墙扩挖预留2m保护层进行光面爆破开挖，开挖分区断面图见下图：
图2.1 厂房Ⅰ层开挖分区断面图
2.2编制开挖施工方案
2.2.1爆破设计参数验证
地下厂房顶拱开挖施工质量控制的关键是爆破参数的控制及开挖造孔人员的技能水平。结合厂房顶拱开挖程序及方法，通过生产性爆破试验确定爆破参数。
1）组织爆破设计工艺试验
结合设计地勘资料及类似施工经验初拟爆破参数，在厂房中底导洞开挖施工时进行相关试验。试验完成后根据开挖揭露情况评价开挖质量，在此基础上对相关爆破参数进行修正，然后再次进行试验直至达到预期的效果为止。
2）爆破效果评价
根据不同爆破类型选择不同的装药结构，控制单响药量，有效保证了特定结构物的安全；采用爆破松动圈检测，对爆破实施效果进行了定量评价。试验完成后组织参见各方对试验成果进行分析、论证。满足要求后组织进行现场开挖施工，在实施过程中重点跟踪设计轮廓线开挖成型效果，并对半孔率、平整度及超挖量等主要指标进行检查并记录。通过试验调整周边孔线装药密度。
2.2.2开挖方案确定
针对地下厂房顶拱尺寸结构及形体要求，采取分块、分区施工方法，根据爆破震动监测及试验结果，选择合适的装药量、钻孔参数及钻孔深度，确保开挖爆破时爆破震动对围岩的影响最小。实施过程中结合围岩类别及时调整相关参数，确保开挖质量达到最优。方案的编制经历以下几个阶段：
1）第一阶段（资料收集整理与分析阶段）：结合惠蓄、清蓄、深蓄等广东地区已建电站厂房设计资料及顶拱开挖爆破施工技术参数，根据梅蓄电站厂房地勘资料进行分析与对比，在此基础上初步拟定厂房顶拱开挖施工技术参数。
2）第二阶段（试验参数确定阶段）：根据初拟的厂房顶拱开挖爆破试验技术参数，组织参建各方进行讨论，根据讨论结果，对初拟的试验参数进行修正，确定最终的开挖试验技术参数。
3）第三阶段（试验阶段）：按照确定的开挖爆破试验技术参数，选择在厂房中底导洞施工时进行现场开挖爆破试验，并对半孔率、超挖量、平整度及其成型后的观感质量等进行综合检查并记录。在试验的基础上，对开挖爆破参数进行进一步的修正处理并再次进行试验，试验满足要求后，对最终的试验参数进行记录并结合试验过程编写试验成果报告。
4）第四阶段（开挖爆破参数确定阶段）：根据试验成果，确定设计轮廓线开挖时的开挖爆破技术参数并实施。
5）第五阶段（现场实施阶段）：根据确定的爆破技术参数组织现场施工，施工过程中对造孔的孔深、孔斜以及间、排距，装药结构、装药量以及起爆网络等进行持续跟踪检查，确保相关参数与经试验确定的参数一致。
6）第六阶段（实施效果检查与评价阶段）：实施过程中应注重事前和事中的质量管控，设计轮廓线每排炮开挖完成后及时对爆破效果进行现场检查与记录，对开挖质量未达到预期的洞段，及时组织进行相关原因分析并及时纠偏确保开挖质量满足要求。
7）第七阶段（技术成果总结阶段）：根据现场试验及实际施工情况及时总结相关成果，编制厂房顶拱开挖施工技术方案，也为梅蓄电站主变洞、尾闸室等大洞室顶拱开挖提供相关基础资料。
2.3精细组织
2.3.1钻工技能保障
为确保最优秀的钻工用于厂房顶拱设计开挖轮廓线的开挖，在厂房顶拱中底导洞开挖及相关试验过程中就开始对钻工进行筛选，每排炮开挖结束后及时对开挖质量进行验收，对每个钻工的造孔水平进行跟踪检查，不符合要求的立即淘汰。因此，要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。
2.3.2测量放样、钻孔定位与钻孔精度控制
1）尾线控制：
在同一平面上，利用2个已知点及它们与第3个点的距离，确定第3点的定位方法。首先，在掌子面上由测量对周边孔的开口位置放样，然后在距离掌子面合适位置的已开挖成型岩壁上标出一个“实际钻孔控制线”上的投影点（即尾线控制点）；尾线控制点与周边孔开口位置的连线即为尾线；在尾线控制点旁，同步标注尾线控制点至实际钻孔控制线的垂直距离；当尾线点布置于边墙时，应与周边孔同一高程；当布置于顶拱或底部时，应在同一垂直面上。
2）钻杆定位控制：
由2名钻工配合进行，先将钻机钻头贴稳孔位；当尾线控制点在侧墙上时，先将钻杆调至水平，用钢卷尺量测出从“尾线控制点”延引至钻杆的垂直准确距离；当“尾线控制点”位于顶拱和底部时，钻杆仍先调至水平，用吊锤法来实现钻杆和“尾线控制点”、开孔位置定位于同一垂直面上，再用钢卷尺量测“尾线控制点”至钻杆的垂直准确距离，当不满足测量数值时适当调整钻杆垂直位置，经反复量测直至准确定位。当钻进100cm且经多次检测无误后即可由钻工继续稳定钻进。
3）周边孔控制：
孔位均经测量放样确定钻孔位置，周边孔开孔应确保钻杆与开口点和该孔尾线在一条线上，钻进30cm、100cm分别进行检查，并及时纠偏。
2.3.3钻孔工艺流程与设备装置
光面爆破周边孔的钻孔质量、炸药药卷直径的选择都是影响爆破效果的原因之一。梅蓄电站民爆公司只有φ32炸药卷，为了达到预期爆破效果，光面爆破周边孔使用的单节炸药为1/8φ32药卷，竹片绑扎药卷；采用YT28手风钻造孔，实现精细的钻孔工艺。钻孔的工艺流程如下：
2.3.4管理精细化
为了确保实现精细施工，
1）以现行规范作为质量控制的依据。
2）制定可行的《质量管理和考核办法》，明确开挖质量控制目标。
3）严格执行开挖“三定”制度（定人、定机、定钻作业），确保开挖质量稳定
4）在钻孔过程中，对周边孔方位角、倾角的质量控制，严格实行“三级质检”制每个孔验收合格后方能装药。
5）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。
6）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，施工过程中不断优化设计爆破参数，每排炮进行总结，直至开挖质量稳定，遇到地质变化及时调整。
2.4科学施工
2.4.1爆破监控体系
采用爆破振动智能监测仪观测，采用非金属声波检测仪进行松动圈检测。
1）通过爆破震动实测数据回归计算出地下厂房完整基岩内爆破震动衰减规律的经验公式，计算厂房开挖最大方向的振速和允许单响药量，对厂房开挖质量控制至关重要。结合爆破振动检测实际值找出了合适的布孔方案和药量限制，确保开挖面基岩完整性较好。
2）根据声波检测值，得到了有效的保护层厚度的临界数值，从而在施工中有效地控制了爆破震动对围岩实体质量的影响。
2.4.2实现定量化爆破设计
厂房顶拱受开挖爆破临空面影响，岩石强度高，脆性大，爆破后次生节理较多易崩落，成型不好控制；通过采用科学智能的爆破监测手段，借助萨道夫斯基的经验公式和爆破试验监测信息反馈，反算基岩完整性的排炮爆破系列技术指标后，针对不同施工部位，制订了适用的开挖程序和施工方法。包含开挖方式、开挖分区、开挖台阶高度、起爆方式、爆破规模等，通过数值优化分析，以定量化的方式给出。
1）定量化的爆破参数选择：主爆破孔爆破参数包括炸药单耗、炮孔间排距、密集系数、炮孔孔径、炸药药径、炮孔堵塞长度；周边孔爆破参数主要包括线装药密度、炮孔间距、堵塞长度等。在爆破参数的确定上，借助萨道夫斯基的经验公式和多镒爆破试验监测信息反馈，反算排炮最大装药量，实现了确保开挖面基岩完整性下的定量化的爆破设计目标。
2）精确化的起爆网路：高精度非电起爆系统和数码雷管起爆系统均可以达到精确毫秒级的起爆精度。这些起爆破网路的成熟爆破经验，使精确化的起爆网络设计成为了可能，让大跨度地下厂房顶拱开挖爆破效果达到更好。
3.获得效益
3.1 经济效益
梅州抽水蓄能电站在大跨度地下厂房顶拱开挖施工中，通过有效对开挖爆破的控制，降低了炸药单耗，炸药单耗从预计的1.4Kg/m3降至1.2Kg/m3，施工进度加快了10%，超挖值平均减少2.5cm，平整度也有极大的提高，产生的经济效益如下：
3.1.1节约炸药成本
厂房顶拱设计开挖量为41580m3，炸药单耗每立方可节省炸药0.2Kg，累计可节省炸药41580×0.2=8316Kg，按照目前炸药市场价格13.8元/Kg，可节省炸药成本8316×13.8=114761元=11.476万元。
3.1.2节约人员设备成本
施工进度加快了10%，可节省施工工期8天，按照厂房顶拱开挖日投入43人，每人平均工资200元计算，可节约人工费8×43×200=68800元=6.88万元，另经测算可节约机械台班使用费、电费、管理费用约13万元。
3.1.3节约超挖填成本
超挖值平均减少2.5cm，可减少石方开挖量200m3，按96.8元单价计算，可节约成本1.936万元；平整度提高后，减少顶拱超喷量，经测算可减少顶拱喷钢纤维混凝土（CF30）75m3，可减少喷C25混凝土110m3，按钢纤维混凝土（CF30）1425.17元/m3，喷C25混凝土740.46元/m3单价计算，此项可节约成本18.83万元。
综上所述，在厂房顶拱开挖支护过程中节约施工成本52.122万元。在后续的主变洞、尾闸室顶拱开挖过程中，产生的经济效益将会更大。
3.2 社会效益
梅蓄抽水蓄能电站大跨度地下厂房顶拱开挖施工过程中，科学组织精心施工，严格要求，光面爆破半孔率达到97.4%，厂房顶拱开挖质量得到了参建各方的一致肯定，承建方也获得了业主方的开挖质量表彰，也为本工程内主变洞、尾闸室等其它地下洞室开挖质量提供了宝贵的经验。
4.结束语
梅蓄抽水蓄能电站大跨度地下厂房顶拱开挖施工，按照“精心设计，科学施工，实时监控，精细管理”原则进行组织施工，为后续的地下工程洞室开挖施工提供了质量控制指标，实施过程中所采取的技术、质量、管理等方面的措施有效促进了现场施工，促进了地下洞室开挖爆破技术的进步，有利于地下洞室开挖特别是大型地下洞室开挖的精细化管理，在为施工企业节约成本，创造效益的基础上更有利于施工效率的提高，其必将具有更为广阔的市场前景和应用前景，社会综合效益显著，也值得类似工程借鉴。
论文作者:郭建峰1,徐钰辉2
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第14期
论文发表时间:2019/12/13
标签：厂房论文; 钻孔论文; 参数论文; 炸药论文; 地下论文; 钻工论文; 质量论文; 《建筑细部》2019年第14期论文;