和江涛，唐青山，王 刚，龚航里，宋磊博
(1.中国葛洲坝集团 第一工程有限公司，湖北 宜昌 443000；
2.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；
3.武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430000)
随着中国经济的快速发展和对电能需求量的日益增多，一系列水电站工程陆续建成，如三峡工程[1]、白鹤滩水电站[2]、溪洛渡水电站[3]、乌东德水电站[4]和锦屏二级水电站[5]等。全国水电装机容量达3.5亿kW，年发电量13 220亿kW·h。水电工程对保障中国能源安全和优化能源结构发挥了重要作用[6-8]。
在开发中国西部山区水电资源的同时，往往要面临水电站地下厂房地下洞室群的钻孔爆破开挖问题。其中，岩锚梁是大型水利枢纽工程地下厂房的重要组成结构，其充分利用围岩自承的能力，在减少围岩开挖量的同时，还可提前安装吊车、方便混凝土浇筑及机组安装，被广泛应用于国内外各大水电站地下厂房施工中[9-12]。岩锚梁的爆破开挖是地下厂房施工的重难点问题和关键环节，其开挖质量关乎地下厂房岩壁吊车运行安全和施工效率。因此，在岩锚梁部位的开挖过程中必须进行相关爆破试验，寻求最优爆破参数，以达到工程质量相关标准的要求[13-14]。近年来，相关学者对岩锚梁爆破开挖问题进行了大量研究，为地下厂房岩锚梁爆破开挖积累了施工经验。王媛等[15]以两河口水电站地下厂房为例，研究了砂板岩区岩锚梁精细化开挖技术，在开挖中严格遵循“薄层开挖、随层支护”原则，确保岩锚梁开挖优质成型。周建平等[16]研究了大朝山水电站地下厂房岩锚梁保护层的开挖工艺，并对岩锚梁施工中有关技术问题进行了分析和总结。樊鹏等[17]基于官地水电站，研究了地下厂房岩锚梁岩台爆破开挖施工方法和质量控制方法，以及不同地质情况下的岩台开挖成型控制技术。陈明等[18]利用LS-DYNA数值模拟，研究了爆破开挖震动下岩锚梁的动态响应特性，并结合龙滩水电站地下厂房岩锚梁开挖爆破进行了实例分析。
双江口水电站地下厂房工程处于高地应力和围岩完整性差的特殊力学环境及复杂地质条件中，在岩锚梁爆破开挖施工过程中，围岩开挖爆破卸荷松弛现象严重，易产生大范围板状或片状的破裂、破坏现象，导致岩锚梁成型困难。本文结合现场试验及监测数据，总结了岩锚梁施工过程中的技术问题，对类似工程具有一定借鉴意义。
1.1 工程概况
双江口水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州马尔康县、金川县境内，是大渡河流域水电梯级开发的上游控制性水库工程。地下厂房布置于该水电站大坝左坝肩的坝轴线上游，主厂房最小水平埋深约400 m，垂直埋深约320～500 m，与乌东德水电站、白鹤滩水电站[19-21]等同类工程相比，该区域地应力更高，地下厂房实测最高地应力可达40 MPa[22]。水电站地基围岩主要为似斑状黑云钾长花岗岩，岩体新鲜，致密坚硬，结构完整。岩锚梁布置于厂房Ⅲ层的主机间和安装间，单侧长度为189.08 m，总长378.16 m，岩锚梁上拐点高程为2 267.4 m，下拐点高程2 265.3 m，总高度为2.1 m，斜面长2.58 m，与主厂房边墙成35.54°夹角。
1.2 爆破开挖工序及施工难点
考虑工期影响，厂房Ⅱ层的开挖支护与厂房Ⅲ层开挖同步进行，开挖程序如图1所示。岩锚梁在施工过程中面临地应力大、地质条件复杂、控制爆破振动速度要求高、钻孔角度控制难度大及开挖工期紧等诸多难题。
受岩锚梁下游层较高地应力的影响，岩石挤压较大，层间裂隙断层较严重，上游岩体挤压稍小。爆破方案严格遵循“预支护、短进尺、弱爆破，及时支护、早封闭、勤量测”的施工原则进行设计，以确保洞室的安全稳定。
2.1 最大单向药量反演分析
基于厂房第Ⅱ层中部拉槽爆破试验，对现场实际测试的振速值、单段药量和爆心距进行统计，采用萨道夫斯基的经验公式进行反演分析，如式(1)～(2)所示。
(1)
(2)
式中：V为振速值，cm/s；
K为与岩石和爆破方法等因素有关的系数；
α为与地质条件有关的地震波衰减系数；
Q为与振速值V相对应的最大起爆药量，kg；
R为测点与爆心的直线距离，m；
ρ为比例药量，kg/m。
对爆破振动测试采集的数据进行整理，对岩体爆破开挖测试数据进行回归分析，求得振动速度传播经验公式中的K，α值，如表1所示。
表1 爆破振动衰减规律
选取Ⅱ层中部拉槽3次试验中K与α的平均值作为岩锚梁层4区的开挖爆破衰减规律，相应径向、切向及竖直向计算公式如下。
水平径向：
(3)
图1 厂房Ⅲ层开挖程序(尺寸单位：cm)
水平切向：
(4)
竖直方向：
(5)
根据式(3)～(5)进行反演可得到不同水平距离处的最大允许振动速度。最大爆破振动速度由预裂爆破引起，因此按照爆破振动传播衰减规律进行回归分析，得到距爆源10 m处的反演结果。依据《四川省大渡河双江口水电站引水发电系统地下洞室群开挖支护施工技术要求》，水平径向、水平切向和竖直向最大峰值质点振速值为7 cm/s时，对应最大单响药量分别为67.6，36.63 kg和35.87 kg。综上讨论，考虑选取竖直向最大峰值质点振速值作为地下厂房围岩安全控制标准，即现场以35.87 kg的单响药量进行。
2.2 上游侧保护层爆破优化试验
2.2.1 第一次开挖试验
保护层第一次开挖试验于2020年6月7日在上游侧预留保护层上进行，长度为10 m，高度为2.6 m，保护层光爆孔孔距为40 cm，手风钻垂直造孔，单孔装药500 g，线装药密度192.3 g/m，孔数25个，爆破联网及典型装药结构见图2～3。
图3 保护层光爆孔典型装药结构(单位：cm)
采用图2～3所示的孔网结构和装药结构进行保护层爆破开挖，爆破效果如图4所示，现场观察结果显示：① 爆破后每个孔位留有半孔，但半孔成型仅为炮孔的1/3，分段装药处半孔破坏较严重；
② 孔间岩面平顺光滑，平整度好；
③ 部分半孔的孔壁内有爆破裂隙；
④ 爆破后3 d，光爆面存在明显的片帮现象。
图4 保护层第一次开挖试验效果
2.2.2 第二、三次开挖试验
主爆孔装药不变，通过调整装药结构，调整线装药密度。保护层第二次开挖试验于2020年6月12日在上游侧预留保护层上进行，长度为10 m，高度为2.6 m，保护层光爆孔孔距为40 cm，手风钻垂直造孔，单孔装药300 g，线装药密度165 g/m，孔数25个。
保护层第三次开挖使用第二次的试验结果做验证，于2020年6月15日在上游侧预留保护层上进行，长度为10 m，高度为2.6 m，保护层光爆孔孔距为40 cm，手风钻垂直造孔，单孔装药412.5 g，线装药密度158.7 g/m，孔数25个，典型装药结构及爆破联网见图5～6。
图6 优化后保护层开挖爆破布孔及联网(单位：cm)
图5 优化后光爆孔典型装药结构(单位：cm)
爆破效果如图7所示。现场观察结果显示：① 爆破后每个孔位留有半孔，半孔成型较好；
② 半孔内孔壁没有明显的爆破裂隙，且分段装药处没有明显的爆破裂隙、半孔没有明显破坏，爆点清晰可见；
③ 孔底部位出现一条横向裂缝，影响整体成型效果。
图7 保护层第二、三次开挖爆破效果
2.3 岩台开挖优化试验
2.3.1 上游侧岩台第一次开挖试验
2020年8月4日20∶00进行(厂横)0+10至(厂横)0+30岩台开挖试验，垂直光爆孔单孔装药162.5 g，线装药密度99.1 g/m；
斜面光爆孔单孔装药312.5 g，线装药密度120 g/m。共60个孔，最大单响药量为27.75 kg，典型装药结构及爆破联网见图8～10。
图8 垂直光爆孔典型装药结构(单位：cm)
图9 斜面光爆孔典型装药结构(单位：cm)
图10 岩台开挖爆破布孔联网(单位：cm)
爆后效果检查结果(图11)：① 爆点清晰，半孔率达95%以上，孔壁无爆破裂隙；
② 对开挖轮廓面进行平整度检测，共选取37个测点，最大值为9.20 cm，最小值为1.40 cm，平均值为4.81 cm；
③ 斜壁面(厂横)0+13、(厂横)0+20、(厂横)0+24、(厂横)0+29等4个断面显示没有欠挖存在，上拐点位置处超挖最大值为9 cm，最小值为2.6 cm；
④ 对岩台斜壁面成型角度进行测量，角度大致为36°，设计岩台斜面角度为35.54°，可满足质量要求；
⑤ 保护层试验开挖后、岩台开挖前即揭露存在一条横向裂隙，(厂横)0+30至(厂横)0+20段岩台开挖揭示在岩锚梁上拐点(高程2 267.4 m)附近存在水平裂隙，水平裂隙高程约为2 267.1 m，影响了上拐点的开挖成型；
⑥ (厂横)0+20至(厂横)0+10开挖前自身较破碎，开挖后斜面光爆孔出现塌孔，影响装药，该段开挖成型较差；
⑦ 下拐点成型较好，无破坏现象发生。
图11 岩台开挖前后的保护层形象
2.3.2 下游侧岩台第一次开挖试验
2020年10月4日18∶00进行下游侧岩台开挖试验。试验在结构轮廓线上进行。受已施工锚喷护混凝土影响，按第一次岩台开挖试验角度无法施工，故对垂直光爆孔及斜面光爆孔钻孔角度进行调整。开挖桩号为(厂横)0-40至(厂横)0-30，垂直光爆孔单孔装药144 g，线装药密度86.7 g/m；
斜面光爆孔单孔装药312.5 g，线装药密度114.5 g/m。共34个孔，最大单响药量为13.2 kg，典型装药结构及爆破联网见图12～14。
爆破后效果检查结果：① 岩台斜面保存基本完整；
② 受中部拉槽影响，高地应力导致保护层产生新生裂隙，呈扇形破坏，下游侧保护层破碎，因而按照设计要求进行了预锚固措施施工，起到了一定效果，保证了岩台的成型；
③ 爆破后半孔率较低，个别孔位存在爆破裂隙；
④ 对岩台斜面(厂横)0-31、(厂横)0-35两个断面进行测量验收，结果显示斜面无欠挖情况，超挖最大值出现在上拐点位置处，最大值为16 cm。
图12 垂直光爆孔典型装药结构(单位：cm)
图13 斜面光爆孔典型装药结构(单位：cm)
图14 岩台开挖爆破布孔联网(单位：cm)
2.3.3 上游侧岩台第二次开挖试验
2020年11月2日23∶00进行岩台第二次开挖试验。试验在结构轮廓线上进行，受已施工锚索锚墩及喷护混凝土影响，上拐点以上保护层原预留的1.62 m不满足岩台4区垂直孔施工条件，故采用水平开挖的方式将上部1.62 m保护层削减为80 cm，同时相应调整垂直光爆孔及斜面光爆孔钻孔角度。本次开挖桩号为(厂横)0+004至(厂横)0-020，垂直光爆孔单孔装药106 g，线装药密度126 g/m；
斜面光爆孔单孔装药375 g，线装药密度137 g/m。共60个孔，最大单响药量为22.5 kg，典型爆破联网及装药结构见图15～17。
爆破后效果检查结果(图18)：①爆点清晰，半孔率达95%以上，孔壁无爆破裂隙；
② 下拐点成型较好，无破坏现象发生；
③ 因保护层开挖爆破，岩台4区剩余层薄，在该区斜面孔钻孔时将角度向下倾斜，使该区开挖后有明显的炮孔槽，形成了一定的超挖；
④ 斜壁面(厂横)0+00，0-05，0-10，0-15，0-20等5个断面显示没有欠挖存在，上拐点位置处超挖最大值为18 cm，超挖最小值为2 cm。
图15 岩台开挖爆破布孔联网(单位：cm)
图16 垂直光爆孔典型装药结构(单位：cm)
图17 斜面光爆孔典型装药结构(单位：cm)
图18 岩台开挖前后的保护层形象
3.1 爆破振动监测
主副厂房岩锚梁开挖爆破试验在距离爆区10～30 m范围内的边墙上布置5个测点，相邻测点间距为5～10 m，各测点按水平径向、水平切向和竖直向布置传感器。爆破振动监测点随开挖位置变化而变化。固定传感器时，首先用电钻在侧墙上打膨胀螺丝孔，然后把质点振动仪固定在侧墙上，拧紧螺栓至无松动现象，保证其可随围岩同时振动。在安装过程中，竖直方向Z应保持与水平面垂直，水平X方向与厂房轴线平行，水平Y向垂直厂房内壁。为防止爆破飞石的破坏，监测仪器及传感器用加装膨胀螺丝的铁盒进行一体式保护，如图19(a)所示。
图19 爆破振动现场监测
保护层3区一次性开挖20 m，在距离爆源10 m处，上游侧岩台第一次开挖试验的最大爆破振动数值为5.88 cm/s；
下游侧岩台第一次开挖试验为4.62 cm/s；
上游侧岩台第二次开挖试验为6.47 cm/s，爆破振动速度满足开挖最低要求(7 cm/s)。中层排水廊道布置2个监测断面，每个监测断面布置2支爆破振动传感器。沿1号机组中心线(厂横)0+0.00布置2支爆破振动传感器，分别布置于靠近主厂房侧中排上游边墙及靠近尾水调压室侧中排下游边墙上，编号BP.ZP.1，BP.ZP.2。沿3号机组中心线(厂横)0+60.04共布置2支爆破传感器，分别布置于靠近主厂房侧中排下游边墙及靠近尾水调压室侧中排上游边墙上，编号BP.ZP.3，BP.ZP.4。爆破振动现场监测典型结果如图19(b)所示。
3.2 围岩松动圈测试
为有效检测岩台开挖爆破对围岩松弛深度的影响，在(厂横)0+31、(厂横)0+27、(厂横)0+17、(厂横)0+5处使用潜孔钻分别钻设围岩松弛深度检测孔，深度10 m，孔径90 mm，检测孔布置见图20。在爆破试验开挖前及开挖结束后各进行一次围岩松弛深度检测，以对比岩台开挖爆破的围岩松弛影响深度。
图20 岩台围岩松弛深度检测孔平面布置示意(尺寸单位：cm)
主厂房0-30断面测孔爆前围岩松动圈深度为2.0 m，爆后围岩松动圈深度为1.0 m，挖去台阶深度1.2 m，爆破前后围岩松弛深度变化为20 cm，爆前松动圈外平均波速5 360 m/s，爆后为5 360 m/s，符合设计要求，且检测结果符合规范要求。主厂房0-40断面测孔爆前围岩松动圈深度为1.6 m，爆后围岩松动圈深度为0.8 m，挖去台阶深度1.0 m，爆破前后围岩松弛深度变化为20 cm，爆前松动圈外平均波速5 400 m/s，爆后5 370 m/s，变化不大，符合设计要求，且检测结果符合规范要求。检测结果(表2)表明：开挖控制较好，围岩松弛深度较小，满足开挖技术要求。断面爆前、爆后波速测试结果如图21所示(蓝色表示爆前波速、黄色表示爆后波速)。
表2 围岩松动圈检测数据
图21 厂横不同断面爆破前后波速
3.3 爆破成型效果
(1) 上游侧保护层开挖光爆孔线装药密度为165 g/m，单次开挖长度20 m，光爆孔间距为40 cm；
岩锚梁保护层光面爆破开挖炮孔间距痕迹分布均匀，孔间岩面平整，半孔率均为100%，半孔内均无明显爆破裂隙，达到爆破效果要求，可以作为上游侧保护层开挖参数。下游侧保护层光爆孔采用的爆破参数为孔距30 cm、线装药密度129.8 g/m、单次梯段长度10 m。因保护层呈层状结构，虽留有半孔，但总体成型较差，厂房各个机组段布置的物探检测孔显示：扇形破坏基本存在于保护层中，边墙结构线仍保持完整。下一步开挖过程中以下游侧试验爆破参数作为基础，根据现场实际保护层破碎情况动态调整爆破药量，采用小药量爆破，以减少爆破对结构面的破坏。
(2) 上游侧岩台斜面光爆孔间距为30 cm，Φ25 mm乳化炸药入孔，单孔装药375 g(底部1/2支、间隔20 cm装1/4支)，线装药密度137 g/m；
岩台垂直光爆孔间距为30 cm，Φ25 mm乳化炸药入孔，单孔装药106 g(底部1/2支、间隔15 cm装1/8支)，线装药密度126 g/m；
炮孔间距痕迹分布均匀，孔间岩面平整，半孔率均为100%，半孔内均无明显爆破裂隙，达到爆破效果要求，可指导上游侧岩台开挖施工。下游侧岩台斜面光爆孔间距为30 cm，Φ25 mm乳化炸药入孔，单孔装药312.5 g(间隔30 cm装1/4支)，线装药密度114.5 g/m；
岩台垂直光爆孔间距为30 cm，Φ25 mm乳化炸药入孔，单孔装药144 g(底部1/3支、间隔20 cm装1/8支)，线装药密度86.7 g/m；
炮孔间距痕迹分布均匀，孔间岩面平整，虽半孔率较差，但半孔内均无明显爆破裂隙，岩石成型达到要求。
本文针对双江口水电站地下厂房锚梁爆破开挖成型困难的问题，采用保护层开挖爆破工艺，进行了分层、分区精细化、多工序开挖，保证了岩锚梁顺利开挖，并得到如下结论。
(1) 岩锚梁保护层开挖光爆孔线装药密度为129.8～165.0 g/m，单次开挖长度20 m，光爆孔间距为30～40 cm，可达到爆破效果要求。根据现场实际保护层破碎情况，在具体实施过程中动态调整爆破药量，采用小药量爆破，减少了爆破对结构面的破坏，确保岩锚梁开挖优质成型。
(2) 岩台斜面光爆孔间距为30 cm，单孔装312.5～375.0 g乳化炸药，线装药密度114.5～137.0 g/m；
岩台垂直光爆孔间距为30 cm，单孔装药106～144 g乳化炸药，线装药密度86.7～126.0 g/m。该设计可使炮孔间距痕迹分布均匀、孔间岩面平整，半孔率达100%，岩石成型优良。
(3) 施工过程中，爆破振动、围岩松动圈的测试结果表明：爆破施工满足安全要求，该岩锚梁的爆破开挖方案设计合理、施工过程可靠，可为同类型开挖施工提供参考。
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