TB电站主变洞高边墙深孔预裂施工技术

TB电站主变洞高边墙深孔预裂施工技术
发布时间：2022-09-18T05:11:33.155Z 来源：《中国建设信息化》2022年第10期作者：张利生刘金山
[导读] 通过对TB水电站主变洞高边墙深孔预裂施工的总结和探索
张利生刘金山
中国水利水电第十四工程局有限公司云南昆明 650041
摘要：通过对TB水电站主变洞高边墙深孔预裂施工的总结和探索，得出了一种大洞室直立高边墙预裂施工方法，达到了大面平整、中间无错台接茬、整体效果好，减少技术性超挖等的效果，可为后续类似工程提供借鉴。

关键词：深孔预裂高边墙 TB水电站主变洞
1.引言
在水利水电地下工程施工过程中，往往存在像主厂房、主变洞等大洞室，大断面洞室高边墙的施工所占比例较大，如何将高边墙又快又好且安全稳定的施工完成是大洞室施工的一个关键，在此采用15.1m的深孔预裂方法，常规高边墙的预裂深度在8~10m之间，可以减少预裂的循环次数，总体减少技术性超挖，一次开孔后可一直钻进施工，单个孔钻孔的时间有所加长，减少样架搭设次数，整体开挖平整度提高，残孔率提高，整体开挖外观效果得到较大改善。

采用预裂孔面密度控制个性化装药，使预裂面的爆破装药量得到更精准的控制，为直立高边墙的预裂精准高质量施工提供支持。

2.概述
TB水电站输水发电系统设计有两大洞室，主厂房和主变洞。

主变洞平行于主厂房下游布置，用母线洞连接，两者净距为41.00m。

主厂房开挖尺寸为178.6m×27.3/25.5m×68.725m，主变洞开挖尺寸为142.60m×19.00m×22.60m（长×宽×高），顶拱开挖高程1645.10m。

主副厂房及主变洞顶拱均为三心圆弧拱，主厂房岩壁吊车梁以下直边墙高度为37m，主变洞直边墙高度为18m。

主变洞高边墙开挖遵循“深孔预裂，薄层开挖，随层支护”原则，分为四层开挖，一层顶拱开挖高度7.5m，下部边墙高度15.1m，主变坑深度1.5m，一次性预裂到位，分为四个薄层开挖，分层高度分别为4.5m、4.5m、4.6m、1.5m。

3.技术特点
本施工技术在高直立边墙预裂爆破造孔设备的选择上，选用了改进型轻型潜孔钻机，有效的控制了高边墙的技术性超挖。

在直墙预裂孔的造孔精度控制上，采用导向定位技术及制定与之相配套的质量管理方法，减少了人为因素的影响，保证了造孔精度。

并通过现场生产性试验，确定适宜的爆破参数及装药结构，从而确保了地下洞室高边墙的预裂爆破成型质量。

4．适用范围
本技术适用于大中型地下洞室的高直立边墙预裂爆破开挖施工。

5．技术工艺原理
垂直高边墙施工采用深孔预裂技术，改进型轻型潜孔钻的特点是为适应边墙开挖对钻机进行了改进，使该钻机钻杆中心仅需要与岩面间有8～15cm的空间就能具备造孔施工，即正常超挖或人为控制一定超挖均能满足正常就位条件，远远优于常规轻型钻机（需要20～25cm 施工空间）。

该工艺一方面可减少施工分序，使施工程序简单化，进一步减少开挖与支护间隔时间，保证围岩的稳定；另一方面还可使主变洞减少开挖分层，加快进度。

采用该型钻机的最大优点在于主变洞（主副厂房）高边墙开挖技术提出了新的思路，可直接靠边墙造孔施工，解决常规钻机无法靠边的难题，排炮错台少、超挖少、进度加快，施工质量及施工效益显著。

6.工艺流程和操作要点
6.1工艺流程
（1）主变洞高边墙深孔临边预裂工艺流程
主变洞高边墙深孔临边预裂工艺流程如下：生产性实验→爆破参数设计→基岩面清理→测量放线→样架搭设→样架校核→造孔施工→验孔→装药爆破→爆破效果检查
（2）工艺流程施工中需注意的事项
1）欠挖处理。

施工前应首先对上层已开挖的边墙2m高度范围内进行欠挖检查，若存在欠挖，及时组织人员进行处理，以满足直墙预裂钻机的就位要求。

2）预裂孔深度确定。

主变洞直立边墙部位的一次预裂深度，应结合洞室的施工开挖分层情况进行确定。

综合考虑开挖层高对直立高边墙稳定的影响、钻孔精度控制以及对保留岩体的爆破影响等因素，分层预裂深度以6m～8m为宜，原则上不宜超过10m，通过总结糯扎渡、黄登电站对深孔预裂的控制和经验，决定主变洞一层顶拱开挖完成后还剩余15.1m高边墙，一次性深孔预裂薄层开挖支护。

3）开挖分段长度确定。

主变洞直立边墙预裂施工的分段长度原则上按15～20m左右一段，并应根据爆破安全监测数据分析反馈的意见对分段长度做适当调整。

4）开挖段与段之间的控制措施。

为避免相临两段在进行前段预裂爆破时对后段预裂孔钻孔的破坏，要求在后段与前段预裂孔相临２m 范围内预留空孔不装药，并安装PVC套管对孔壁进行保护。

6.2 施工操作要点
（1）生产性试验
主变洞高边墙开挖之前需进行一定的生产性试验，试验的目的主要是通过试验确定高边墙开挖的爆破参数、钻孔参数及钻孔精度控制方法。

可避免在初期探索阶段可能造成的不必要的损失及潜在的质量隐患。

生产性试验一般以3至5次为宜，选择具有代表性的不同地质条件部位进行。

每次试验段可分别设置不同的孔距、装药结构进行必选，但同一试验段内安排的必选参数不宜超过3组。

试验完成后应根据爆后成型质量检查、爆破松动圈影响范围、质点振动速度监测数据等进行综合分析和判断，以确定适宜的钻爆参数以及钻孔精度控制标准。

（2）爆破参数设计
高边墙深孔预裂爆破设计可参照如下表进行初步设计，并进行爆破试验，根据爆破试验取得的成果，对爆破参数根据岩石情况适时进行优化调整，调整时线密度按20g/m进行增减。

为了对主变洞高边墙更精准高质量爆破，采用面装药密度进行控制，调整时按5g/m2倍数递变。

预裂爆破孔药卷提前按照爆破设计装药结构采用竹片绑扎好，插药入孔时竹片靠洞室轮廓线一侧，药卷朝向最小抵抗线方向，堵塞长度不小于炸药的最小抵抗线。

单响药量控制在50kg左右，具体以实际监测数据为准。

图1 主变洞高边墙预裂孔装药结构示意图
（3）基岩面清理
在钻孔开孔位置90cm范围以及定位样架搭设范围内基岩面采用人工配合反铲清理。

保证定位样架搭设牢靠，防止钻机受冲击荷载出现移位；还可以提高钻机的开孔精度，防止开孔偏移。

（4）测量放线
由专业人员采用全站仪进行，放样内容包括：预裂孔的开孔点和钻孔样架定位点。

所放点位在现场进行明显标识，作业厂队的现场技术员全程参与；放线结束后由测量人员向现场技术员进行书面交底。

（5）样架搭设
钻机定位样架采用1.5寸钢管按照标准样架设计图纸进行搭设，定位样架由定位横杆和加固斜撑钢管两个部分组成，用管扣件进行联接；样架加固斜撑钢管排距以1.6m~2.4m（孔距的2~3倍）左右为宜，错开连接位置。

底板位置采用手风钻先造φ50mm的（孔深50cm），用砂浆注浆再用钢管插入孔内加固样架；边墙位置就近与系统锚杆联接以及增设临时插筋的方式进行加固。

定位样架搭设参见下图所示。

图2 定位样架搭设示意图
（6）样架校核
样架搭设完毕后需经专业测量工采用全站仪校核造孔样架角度，方向、角度符合要求后，并经质量管理部门验收后方可进行造孔作业。

（7）造孔施工
采用改进型轻型潜孔钻机造垂直预裂孔，预裂孔孔径为φ90mm，孔距70~90cm，按照15m孔深孔底向岩石侧超挖10~15cm进行控制。

预裂孔的钻孔孔深采用累计钻杆长度进行控制，以孔口基准横杆为基准，实际钻孔深度按设计孔深超深1米，按“钻杆长度×钻杆根数+锤击器长度”控制实际钻孔深度。

钻孔精度主要采用以下措施进行控制：
1）采用定位样架导向技术，保证钻机就位后，其开孔位置、钻孔方位角、倾角均与设计指标完全一致。

2）严格执行开孔段和钻进过程中的“四步校杆”法，即：开钻0.2m、钻进0.5m检查、钻进1.5m、钻进3m依次检查；分别检查纵向和横向偏差指标是否满足规定，发现钻孔偏差及时纠偏。

3）钻进过程中每2～3根钻杆加一个扶正器，有效防止钻进过程中“飘钻”现象的发生。

4）严格控制钻进速度。

开钻时用小风压缓慢推进，孔深0～1m内钻速控制在40min/m，孔深1～8m内钻进速度控制在15～20min/m。

（8）装药爆破
在进行生产性试验前，根据岩石物理力学参数，按照公式估算出线装药密度。

然后根据试验成果，初步确定各种不同地质围岩情况下的标准线装药密度和装药结构参数，推算出面装药密度；实际开挖中根据实际情况及时对爆破参数进行优化调整。

预裂孔药卷按照爆破设计装药结构采用竹片绑扎的形式提前加工好。

预裂孔装药时，注意绑扎药卷的竹片放置在靠设计轮廓线一侧。

底部1.0m范围内加强装药、上部孔口1.5m段减弱装药，装药结束后预裂孔的孔口位置采用粘土或者喷锚回弹料加水拌匀后进行炮孔的堵塞，堵塞长度要求不小于设计堵塞长度。

孔底为了减小加强药的损坏，填0.5m砂缓冲。

围岩壁面某处的爆破振速峰值大小，虽受围岩岩性、地质构造特征、爆破条件及边界条件等诸多因素影响，但传播规律主要取决于该点至爆源的距离及爆破最大单段药量的大小。

根据现场生产性试验所确定的K值和α系数按照设计单位所提出的最大质点振动速度控制指标代入经验公式V=K()中进行反算，已确定最大爆破单响药量；并通过爆破监测数据进行验证和调整。

在现场生产性试验阶段，最大单响药量推荐范围为40～50kg。

（9）爆破效果检查
预裂面开挖揭露后质检员对爆破成型质量进行检查，并收集相关数据。

岩面超欠挖情况检查形成测量体型图，岩面平整度采用水平尺进行现场量测；同时进行爆破松动圈测试。

最后，根据爆破成型质量检查结果及时与开挖质量评定标准进行比较，得出评价结论及改进方法。

7.资源投入
人员及设备配置见下表7-1、7-2。

7.质量控制
主变洞开挖施工中，预裂孔钻孔及装药参数选择是爆破开挖面质量控制的重要环节，是超欠挖和平整度控制的关键，而钻孔质量的好坏主要受钻孔位置、钻孔方向、钻孔倾角三个因素的影响。

同时地下洞室围岩受结构面、节理、断层、地下水等影响，其揭露出的地质情况千变万化，如何针对不同的岩性进行个性化设计装药是一个精细化的施工过程，本技术的质量控制主要体现在如下几方面：7.1 测量放样质量要求
测量放样时机、放样内容首先要满足现场钻孔作业的要求；测量放样在定位架搭设前进行，放样内容包括定位架定位点、所有周边孔开孔点；测量放样过程中，技术人员及现场管理人员必须同时在场，与测量人员配合完成放样工作。

放样完成后，测量人员必须向现场技术人员进行交底；测量放样记录要清晰准确，参与放样人员要在记录上签字，测量记录要完整保存。

7.2 钻孔样架搭设与拆除质量要求
样架搭设结构以批准的结构图为准，根据实际情况可增加连接杆，但不能减少连接杆，位置以测量所放的样架搭设控制点为基准，要求位置准确，固定牢固可靠，结构稳定性足以承受钻孔作业。

定位样架的搭设与拆除根据实际情况分段安排进行。

7.3样架的复核与验收质量要求
搭设完成的样架在正式投入使用前必须进行验收，验收时必须由测量队对样架搭设的位置准确性进行复核，符合要求的样架测量队提供样架校核数据给现场当班技术人员；复核测量的同时，安排完成对定位样架的结构及稳固性情况的相关检查工作。

7.4钻孔质量要求
预裂孔的钻孔质量控制指标主要包括：孔径、孔距、孔向和孔深偏差控制。

钻孔完成后，钻工要先进行自检，然后按照“三检”程序申请进行验收。

预裂孔成孔验收合格后需采用有效措施对孔口位置进行临时封堵保护，以防止在正式装药出现钻孔被堵塞。

7.5验孔要求
预裂孔的验收工作严格执行“三检制度”和“联检制度”。

终检工作由专职“三检”人员完成。

预裂孔的钻孔验收主要检查项目包括：孔距、孔向和孔深检查，并同时做好相应的检查数据记录工作。

预裂孔的孔距采用钢卷尺进行检查。

预裂孔的纵向和横向偏差检查的方式可采用孔内插管人工吊锤球法或者地质罗盘检测法进行。

孔深的检查主要采用控制孔底的绝对位置为准，检查时采用在孔外设置基准线的方法进行。

预裂孔的质量检查验收标准如表7-1所示。

7.6预裂装药结构、联网质量要求
预裂孔采用间隔装药结构，装药一律采用竹片间隔绑扎的形式进行，所使用的装药参数和药卷直径应严格按照爆破设计参数执行。

装药结构重点检查项目：药卷直径、单节药卷重量、药卷布置间距、绑扎牢固程度、导爆索安装情况以及单孔总装药量。

单孔的装药量以及封堵段长度和起爆网络的联接方式必须满足技术措施和专项爆破设计的技术要求。

7.7爆破后的效果检查、收集数据资料
预裂爆破实施后，值班技术人员、专职质检员以及监理工程师应及时到对预裂缝成缝情况和成缝宽度采用人工测量的方式完成数据的采集工作。

最后，根据爆破成型质量检查结果及时与开挖质量评定标准进行比较，得出最终的开挖质量评价结论并确定后续施工的改进方法。

7.8开挖断面检查的要求
开挖断面的测量检查成果是评价开挖面超欠挖控制情况的唯一依据，断面测量要在开挖后16小时完成。

7.9开挖成果的总体分析、评价要求
开挖质量的数据收集和质量评价工作由质量管理部门牵头负责完成。

质量数据收集的范围主要包括（但不限于）：爆破参数设计资料、各工序质量验收记录、实际装药联网参数、爆后质量检查、测量断面资料、施工现场照片或者施工录像以及爆破监测数据分析资料等。

由于直墙预裂爆破施工的特殊性，爆破参数分析主要基于预裂缝的成缝情况和成缝宽度进行初步的研判，爆破效果的分析有待于后续开挖揭露出预裂面后才能安排进行。

数据分析的方法通常采用对比法和统计图法等。

通过数据分析后对开挖过程技术措施、质量控制方法等得出评价。

8.效益分析
（1）本技术通过减化程序安排，采用样架进行钻孔精度控制等方法，轮廓线开挖成型质量优良。

为后续的地下工程高边墙开挖施工提供了新的技术方法和质量控制指标，促进了深孔预裂爆破技术在地下大洞室施工的进一步运用。

（2）减少了预留保护层开挖的程序安排，可实现高直立边墙的快速支护，对于确保地下洞室直立高边墙的稳定有利。

（3）与同类地下洞室施工技术相比，采用本技术施工，通过精确控制，设计轮廓线开挖界面平整（平整度小于10 cm），半孔率达95%以上，平均超挖可以控制在10cm以内。

对于需要采取结构混凝土衬砌的部位，可以减小砼的超填量。

（4）采用本技术施工，取消了直立边墙部位的预留保护层手风钻二次开挖，显著降低了开挖的造孔量、炸药单耗以及雷管单耗，经济效益明显。

（5）由于减少了施工程序和施工干扰，加快了施工进度，可以实现特大型地下工程洞室群开挖的快速施工。

（6）在造孔中采用了标准化样架导向技术，标准化作业程度高，减少了人为因素影响，保证了施工质量的稳定性。

（7）对于围岩生成机理大部分呈水平及倾斜的节理或断层结构，对于垂直预裂较水平预裂效果更佳。

更不容易造成施工原因造成的超挖，同理降低了超填混凝土的可能性。

9.总结
图2 主变洞深孔预裂效果
TB水电站输水发电系统两大洞室主厂房和主变洞，垂直边墙高度为37m和18m。

采用深孔预裂施工工艺，预裂的最大深度为16m，经现场检测，主变洞高边墙开挖平均超挖控制在10cm以内，爆破半孔率达到90%以上，所有爆破孔呈平、直、齐均匀分布，排炮台坎小，平整
度高。

开挖质量优良。

主厂房四层以下垂直边墙高度38m，通过对主变洞高边墙的施工经验总结，已在主厂房大面积推广使用，为以后其他电站大洞室高边墙起到很好的借鉴作用。

参考文献：
[1]王京晶.深孔爆破预裂切缝技术的实践应用研究[J].能源与节能,2021(07):197-198.
[2]陈远忠.数码电子雷管在露天矿深孔预裂爆破中的应用[J].设备管理与维修,2021(12):97-98.
[3]张维春,梁小阳,张浩.某水电站石料场边坡超深孔预裂爆破施工技术[J].四川水力发电,2021,40(02):33-36.
[4]安新龙,孙兴磊,位书鑫.深孔预裂爆破技术在综放工作面中的应用[J].山东煤炭科技,2021,39(02):9-11.
[5]庄又军,薛峰,张卫,高敬东,林玉玺,解孝华,杨秉真,张浩.深孔预裂爆破装药量计算方法及水耦合装药结构优化[J].中国矿业,2021,30(01):150-154.
[6]曹阳.工作面深孔预裂爆破技术[J].能源与节能,2020(04):125-126.
作者简介：
张利生（1972-），男，云南大理人，工程师，长期从事水电工程建设工作。

刘金山（1968-），男，山东阳谷人，高级工程师，长期从事水电工程建设管理工作。