李金潮
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摘要：大跨度地下厂房工程顶拱爆破方法将直接影响到厂房施工期甚至建成后运行期安全，因此，对当前大跨度地下厂房顶拱开挖爆破方法及变形监测技术进行系统的总结和研究，具有很好的工程现实意义，本文简要结合工程实例，简要介绍大跨度地下厂房顶拱成型控制爆破施工工艺及其操作要点。
关键词：大跨度;地下厂房顶拱成型控控制爆破;顶拱成型爆破
1 概述
随着我国经济水平的不断发展和用电量的快速增长及环保意识的不断提高，清洁能源特别是水力资源的循环开发利用备受青睐。但我国蕴藏的水资源大半分布在西部崇山峻岭、深山峡谷之中。由于河床狭窄，洪水流量大，自20世纪90年代以来，常将峡谷高坝水电站采取地下厂房布置方案。据不完全统计，目前我国已建成的水电站地下厂房达100余座。已建成的溪洛渡水电站地下厂房尺寸为414.04m×31.9m×79.6m，正在建设中的金沙江白鹤滩水电站地下厂房尺寸达434m×35m×86.7m,地下厂房正在向大型化或超大型化方向的发展趋势。
大跨度地下厂房工程顶拱爆破方法将直接影响到厂房施工期甚至建成后运行期安全，因此，对当前大跨度地下厂房顶拱开挖爆破方法及变形监测技术进行系统的总结和研究，具有很好的工程现实意义。
为了加强施工进度，丰富业内的施工经验，本文根据福建仙游抽水蓄能电站工程大跨度地下厂房顶拱爆破施工技术经验研究，简要分析其顶拱受力特征，研究总结出”大跨度地下厂房顶拱成型控制爆破工艺”，并在周宁抽水蓄能电站地下厂房工程中实际推广，取得了较好的效果。
2施工工艺研究
2.1确定研究目标
结合以往的水电站地下厂房爆破施工工艺，研究出一套精确、高效、具有同类工程指导意义和推广价值的施工工艺。
2.2研究方法
（1）收集学习资料及当地适用规范，确定研究对象；
（2）咨询专家、专业技术人员、资料分析，明确研究方向；
（3）通过施工实施活动，收集相关技术施工方法；
（4）适时开展活动分析，总结。
3适用范围
适用于各种大跨度地下厂房或其他大型洞室顶拱开挖施工。
4施工工艺研究
4.1 工艺原理
（1）采用“中导洞先行、两侧边墙扩挖紧随其后”的施工方法，使爆破作业在空间上错开，减少了爆破药量，避免了爆破产生的振动相互叠加，减少了爆破震动对厂房拱顶岩石的损伤。
（2） 由于拱顶采用“小间距布孔，光面爆破”方法施工，减少了单孔装药量，控制了放射状裂隙的产生，使拱顶一侧的岩体免受破坏，并形成平整光面。
（3）拱顶周边光爆孔采用“不耦合间隔装药结构”，避免了破裂区的形成，爆破后能留下半个炮孔痕迹，使拱顶岩石免受损伤。
4.2施工工艺流程和操作要点
4.2.1施工工艺流程
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图4.2.1-2厂房顶拱（第I层）开挖程序
4.2.2施工准备
施工前，进行详细的爆破设计，并进行相应的爆破试验，通过爆破试验确定相关的爆破参数。
4.2.3 中导洞断面尺寸的选择
大跨度地下厂房其顶拱层（第Ⅰ层）一般开挖高度在9.75m～12.1m之间，宽度在24.5～32.4m之间，而中导洞顶拱大多数均与厂房顶拱中间拱冠重叠，因此，中导洞开挖尺寸与爆破施工工艺直接关系到厂房顶拱开挖质量与安全。
厂房第I层中导洞断面尺寸选择主要考虑以下几个因素：
（1）厂房第Ⅰ层开挖尺寸
一般中导洞轴线走向宜与厂房中心线走向一致，使两侧边墙扩挖尺寸对称且相同便于两侧扩挖时形成标准化循环爆破作业，有利于现场施工作业人员快速熟练撑握相对固定的布孔、装药等爆破参数等，开挖质量易于保证。
（2）围岩地质条件
在围岩地质条件允许的前提下，中导洞选择的洞径断面尺寸应尽可能使中导洞自身及两侧边墙各自扩挖时，均能一次性全断面开挖，以节约中导洞及两侧扩挖时的工期和成本。
（3）顶拱锚杆支护型式
一般中导洞顶拱与厂房拱冠重合，且大跨度地下厂房拱冠部位比较平缓，中导洞爆破完成后，其顶拱形成的松动圈自稳能力差，应及时进行支护，而大型厂房锚杆相对较深，锚杆长度为6m、8m甚至10m均比较常见，因此，中导洞尺寸必须考虑中导洞所在部位厂房顶拱支护的可行性和及时性。
（4）有利于大型机械设备使用
大跨度地下厂房开挖断面尺寸与方量均较大，工期长且紧张，选择首层中导洞断面尺寸时，应优先有利于挖机、凿岩台车等大型机械设备使用，以提高施工效率和节约工期成本。
（5）与相应的施工支洞、出渣通道相配备
一般厂房首层开挖均利用专用施工支洞或进厂排风洞等作为施工出渣通道，因此，在选择中导洞断面尺寸时，应尽可能与交通出渣通道断面尺寸相配备，避免在厂房内进行突变扩大或突变缩小断面，应使中导洞与专用施工通道平顺连接，避免增加中导洞开挖施工难度，且有利于出渣交通安全。
表4.2.3-1 国内部分地下厂房第Ⅰ层与中导洞开挖尺寸关系表
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4.2.4 开挖爆破设计与施工
4.2.4.1 中导洞开挖施工
中导洞开挖成型效果，重点要控制好导洞顶拱开挖质量，因多数大型厂房第I层中导洞顶拱与厂房拱冠重合，中导洞顶拱即为厂房顶拱，属永久开挖结构面，对其开挖质量要求极高。
以下施工方法（工法）均以华电集福建周宁抽水蓄能电站第I层开挖为例进行详述。
（1）第I层分层、分块
周宁抽水蓄能电站地下厂房顶拱层（第I层）开挖尺寸（宽×高）为26.5m×10.5m，分两块开挖，首先进行中导洞（I1块）开挖，中导洞断面尺寸为7.2×7.95m，中导洞底板与第I层底板之间2.55m进行二次扩挖。两侧边墙扩挖断面尺寸为(宽×高)9.65m×10.13m，中导洞领先开挖30m后，紧随其后开始进行中导洞顶拱锚喷支护施工，待中导洞全部开挖支护完成后，开始中导洞底板与第I层底板之间2.55m厚二次扩挖及上下游两侧边墙扩挖施工。
（2）中导洞开挖程序
利用通风兼安全洞作为施工通道（前期标已提前开挖至厂房右端墙），先进行厂房中导洞开挖（宽×高：7.20m×7.95m），中导洞开挖完成约30m后，开始进行中导洞顶拱（即厂房拱冠部位）锚喷支护施工。待中导
洞全部开挖支护完成后，再开始进行中导洞底板与厂方第I层底板之间的底部扩挖。底部扩挖完成后，最后进行两侧边墙扩挖，采取一侧边墙领先另一侧边墙约30m后，两侧边墙同时施工，同样，边墙支护滞后同侧扩挖掌子面约30m。
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图4.2.4-1 周宁抽水蓄能电站第I层开挖程序图
（3）中导洞开挖爆破设计
中导洞爆破孔位布置中导洞单循环钻孔进尺为3.5m，采取斜孔“八”字掏槽，除顶拱永久结构面光爆孔采取手风钻钻孔外，其他孔均采取多臂台车钻孔，孔径均为Φ50孔。中部采取斜孔“八”字掏槽及周边光面爆破施工。
4.2.4.2两侧边墙扩挖施工
待中导洞开挖支护全部完成及底部二次扩完成约30m后，开始进行两侧边墙扩挖施工，两侧边墙采取一侧边墙扩挖领先另一侧30m左右，同时，两侧边侧支护滞后各自开挖掌子面约30m，相互单独循环施工。
两侧边墙扩挖采取周边布置 1排光爆孔、1排崩落孔，中间布置7排主爆孔，底部布置2排主爆孔的方式进行全断面一次扩挖成型。
除周边光爆孔及第I层底板抬炮孔采取手风钻钻孔外，其余孔均采取Atlas Boomer352多臂台车进行钻孔。
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图4.2.4-2厂房两侧边墙扩挖孔布置
4.2.5工艺操作要点
4.2.5.1 测量放样
洞内导线控制网测量及施工测量采用全站仪进行。每排炮后进行洞室中心线、设计边线测放，并根据批复后的爆破设计参数点布孔位。定期进行洞轴线的全面检查、复测，确保测量控制工序质量。
4.2.5.2 钻孔作业
钻孔严格按测量定出的中线、腰线、开挖轮廓线和测量布孔进行钻孔作业。分区、分部位定人定位施钻。每排炮由值班质检员按“平、直、齐”的要求进行检查，做到炮
孔的孔底落在爆破规定的同一个铅直断面上；为了减少超挖，周边孔的外偏角控制在2～3度，光爆孔位偏差不得大于5cm，其它孔位偏差不大于10cm。
4.2.5.3 吹（冲洗）孔并验收
钻孔结束后，采用高压风将孔内的岩粉吹出孔外。
炮孔装药之前，质检员对掌子面上的炮孔进行检查，如有遗漏，则需要补钻；并对
周边光爆孔钻孔质量进行严格检查，对偏角不符合要求的炮孔，要求进行补钻。装药前，
由钻爆班组长根据该循环岩性进行装药调整。
4.2.5.4 装药、联线、起爆
本工序由取得上岗证书的熟练的爆破工负责，经考核合格的炮工进行炮孔的装药、堵塞、引爆线路的联接。炮工应严格按照监理工程师批准的作业指导书相关钻爆设计要求操作，装药前用高压风冲扫孔内，经质检人员检查合格后进行装药爆破。爆破崩落孔和底板孔药卷直径φ32mm，连续装药；周边孔选用直径φ32mm药卷，间隔装药，插药入孔时还应注意药卷的方向。
装药严格遵守安全爆破操作规程，装药顺序原则上自上而下进行，若上、下部同时装药，则装药部位要错开，以防止因上部装药跌落物砸伤下部工作人员。
装药结束后，理顺导爆管，分段分区联炮，最后形成符合要求的起爆网络。此时质检员进行网络接线检查，合格后通知撤退工作面其它工作人员、设备、材料至安全位置，警戒完成后由炮工负责引爆。
4.2.5.5 通风散烟
开挖施工过程中应保持通风设备处于运转状态，爆破后继续通风，直到工作面有害气体浓度降到允许范围内方可入内作业。
4.2.5.6 安全处理
通风之后进行爆破后四周围岩的安全处理，以确保进洞人员和设备的安全。对于掌子面的哑炮，用高压水冲刷掉或在哑炮周围殉爆距离之内重新钻孔，炮工装药引爆。对于掌子面、边墙浮石，由经验丰富的人员先进入工作面，用长细钢钎撬掉。对于大面积开挖，可用反铲挖掘机逐区域地进行清理。
4.2.5.7 优化爆破参数
前一爆破循环结束后，根据现场岩石强度、岩石结构及爆破后的效果进行分析对比，得出相关数据，对爆破参数进行优化，为下一循环钻爆做好准备。
4.3质量控制
（1）开挖施工前做好控制爆破设计，并进行爆破试验，选定合理的爆破参数，以获取符合设计要求的成型结构面。
（2） 施工前对所有参加施工人员进行详细技术交底，明确施工中的各项技术质量要求和重点难点。
（3）周边孔钻孔时，要利用熟悉练工操作，或进行岗前培训，尽量少出现或不出现周边“八”字孔，避免出现表面不平整和超欠挖不达标现象。
（4）测量准确，放样内容满足施工现场钻孔需要；放样记录清晰；放样完成后，测量人员需向现场技术人员进行交底。
（5） 在布孔时，在顶拱特征点处（拐点处）必须布设爆破孔，确保顶拱轮廓成型达到设计要求。周边孔钻孔时，必先提前进行测量放样，严禁随意布孔。
（6） 钻孔严格按照设计钻爆图施工，落实“定人”、“定机”、“定位”，每排炮按照位置准、孔向顺、孔间平、孔底齐要求进行检查。周边孔偏差不大于5cm，主爆孔偏差不大于10cm，确保减小超挖以及对周边岩体的扰动。周边结构构面光面爆破孔不得采用多臂台车进行钻孔，以免出现因钻孔角度不准导致出现严重的超欠挖现象。
（7） 钻孔完成后，必须进行装药前验收，凡不达标孔严禁装药；
（8） 装药结构确保符合技术措施的规定和要求，逐孔进行检查。装药封堵长度及联网结构符合技术措施及爆破设计要求。
（9） 施工过程中及时收集爆破参数资料、爆破效果资料、测量断面资料，及时进行数据分析、评价，及时改进。
（10） 开挖支护过程中，根据地质变化情况，及时联系设计、监理、业主，采用临时支护方式以保证施工期安全。支护施工及时跟进，以确保围岩稳定。
4.4效益分析
4.4.1 周宁抽水蓄能电站地下厂房
周宁抽水蓄能水电站主副厂房洞总长170.0m，从左到右分为安装场、机组段、副厂房，安装场长44.5m，下部开挖宽度25.0m，上部开挖宽度26.5m，最大开挖高度26.1m，开挖高程范围为EL233.5～EL207.4，机组段长105.5m，岩壁梁下部开挖宽度25.0m，岩壁梁上部开挖宽度26.5m，最大开挖高度为55.0m,开挖高程范围为EL233.5～EL178.5，副厂房段：副厂房长20.0m，开挖宽度25.0m，最大开挖高度57.8m，开挖高程范围为EL233.5～EL175.7。
周宁抽水蓄能电站地下厂房第I层开挖施工于2017年3月1日进行施工准备。在施工前进行了专顶技术方案编制和论证讨论，并在开始爆破开挖后，先后进行了中导洞、两侧边墙扩挖等部位的生产性专项试验，调整和优化了爆破参数。采取中导洞及两侧边墙一次性爆破成型、支护工作紧随其后的快速施工技术，于2017年7月20日全部开挖支护结束。
本工程大跨度地下厂房顶拱开挖采取中导洞及上、下游两侧边墙扩挖均全断面一次性成型爆破技术，改变以往类似工程预留光面保护层二次扩挖的施工工艺，能确保支护紧随开挖工作面，无论是工期成本还是施工成本均达到了经济效益最优级的良好效果，开挖支扩施工质量优良，取得了良好的社会经济效益。
5 结语
为达到大跨度地下厂房顶拱快速掘进的目的，所采取的施工工艺均优先确保围岩的稳定。
在地质条件较好、围岩相对稳定的大跨度地下厂房顶拱开挖中，采用“中导洞先行、两侧边墙扩挖紧随其后”的施工方法，中导洞先行为后续施工创造了更大的作业空间，有利于多臂台车等大型机械施工，工效可控。
周边光爆孔采用移动钢结构台车配手风钻进行钻孔和光面爆破施工；主爆孔、锚杆孔利用多臂台车等大型机械设备进行施工，机械利用率更高。
周边光爆孔采用小间距布置，降低了单孔装药量，控制了地下厂房的超欠挖，保证了围岩稳定。
参考文献
[1]黄秋香、汪家林《岩石力学与工程学报》2013年
[2]高波、赵其华《长江大学学报:自科版》2008年