尼爾基水電站發(fā)電廠房開挖施工

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1 工程概況

河床式發(fā)電廠房分為安裝間、擋水壩段、廠房機組段、進水渠、尾水渠五個部分。開挖最低高程為153.75m，最大高差為24.25m。左右翼墻和發(fā)電廠房土石方開挖總量為50.851萬方。其中石方34.628萬m3。尼爾基地區(qū)凍土多年平均最大深度2.10m，最大深度2.51m。冰凍的最大厚度1.52m，最小厚度0.78m，平均厚度1.12m。發(fā)電廠房基礎(chǔ)巖石特性為花崗閃長巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石完整性較差,巖石堅固系數(shù)f=10～12，級別為X級。主壩與廠房連接翼墻長129.38m，寬為28.45m。建基面高程173.50m，開挖高度為4.5m。廠房與右副壩連接翼墻長143.65m，寬100.78m，開挖高差20m。

2 開挖技術(shù)措施

2.1施工特點

廠房基坑覆蓋層剝離巖石開挖在零下-34.4℃的嚴(yán)寒下進行，設(shè)備選型、爆破參數(shù)控制、開挖出渣道路布置必須適應(yīng)于嚴(yán)寒氣候條件；由于廠房結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用預(yù)裂控制爆破技術(shù)控制建筑物輪廓邊線；為加快開挖進度，保護層開挖采用液壓鉆機造孔，大幅度提高鉆孔效率；廠房上下游預(yù)留門機巖臺，控制爆破要求嚴(yán)格；由于原廠房圍堰滲水嚴(yán)重，火工材料防水性能要求高；廠房基礎(chǔ)形狀復(fù)雜，基礎(chǔ)高差大，出渣道路布置要求嚴(yán)格；開挖石方粒徑有嚴(yán)格要求，爆破參數(shù)經(jīng)過多次試驗確定，嚴(yán)格控制鉆爆施工。

2.2施工方法

2.2.1冰層和凍土開挖

廠房基礎(chǔ)覆蓋層為腐植土和砂礫（卵）料，開挖正值冬季，圍堰滲水漫過基坑，河床結(jié)了一層0.9m厚的冰層。冰層剝離后，下面的砂礫料迅即又凍結(jié)成凍土層?；咏Y(jié)冰層底部為未凍的沙礫層，挖掘機械不能直接進入基坑內(nèi)作業(yè)，因此破冰采用墊渣進占法進行開挖。墊渣進占方法:首先用1.3m3日立反鏟將冰區(qū)破解一角，隨后用大容量裝載機將破冰處迅即回填碎石或腐植土，填層高出冰面1.0m左右，反鏟在前面破冰開道，裝載機緊隨回填形成高出冰面的施工通道，冰面通道形成以后，自卸汽車可以沿通道將碎冰運出。破冰的同時設(shè)置潛水泵將冰面以下積水及時排除，避免冰下積水凍結(jié)成冰，增加反復(fù)破冰作業(yè)量。

2.2.2凍土開挖爆破參數(shù)選擇

基坑右側(cè)臺地上存在2m厚的凍土層，該部分凍土層采用松凍爆破法開挖。采用TOMROCK500液壓鉆機鉆取Ø80mm孔，炸藥采用4#硝胺防水炸藥，藥卷直徑Ø60mm，非電毫秒塑料導(dǎo)爆管微差起爆，凍土采用松動爆破，鉆孔采用TOMROCK-500型液壓履帶式鉆機鉆孔，鉆孔直徑80mm，孔間距1.8m，排距1.8m，炸藥采用4#巖石抗水硝銨炸藥,單耗藥量0.54kg/m3,非電毫秒塑料導(dǎo)爆管網(wǎng)絡(luò)起爆。凍土爆破程序如下:確定凍土范圍→布孔→鉆孔→裝藥爆破。

2.3 石方開挖

發(fā)電廠房石方開挖采取分區(qū)、分層開挖的原則，考慮混凝土澆筑及合同工期的需要，以安裝間為先，自左向右進行開挖。同時考慮混凝土垂直運輸設(shè)備的安裝及運行需要，在進水渠、尾水渠預(yù)留門機軌道基礎(chǔ)巖臺。廠房基坑巖石開挖最大高差為29.45m，根據(jù)開挖設(shè)備性能并充分考慮了進水渠、尾水渠預(yù)留門機巖臺開挖質(zhì)量廠房開挖采用梯段分層開挖。分層情況見圖1。廠房基坑石方開挖從4＃機組段開始，先在4#機部位開挖出先鋒槽，然后向3#機組和安裝間方向分兩個工作面進行梯段爆破開挖?；觾?nèi)開挖到156.27m建基面后，開挖檢修廊道，廊道邊線采用光面爆破，廊道和集水井內(nèi)部進行掏槽爆破分層開挖。

2.3.1 預(yù)裂爆破

為確保廠房建筑物基礎(chǔ)巖石的完整性，減少超挖及混凝土回填量，梯段爆破開挖前，對設(shè)計開挖邊線先進行預(yù)裂爆破，用液壓鉆機鉆孔。預(yù)裂爆破施工程序如下：鉆孔場地平整→布孔測量→鉆孔→藥串加工→裝藥→堵塞→網(wǎng)路→連接起爆。

表2 預(yù)裂鉆爆參數(shù)表

梯段高度
 孔深
 孔徑
 孔距
 藥卷

直徑
 線裝藥

密度
 底部裝藥
 單孔

藥量
 堵塞

長度
 鉆孔

角度
 
裝藥量
 高度
 
H(m)
 h(m)
 D(㎜)
 a(m)
 Ø(mm)
 q(g/m)
 Qp(kg)
 hp(m)
 Q(kg)
 Ho(m)
 °
 
13.6
 14.20
 80
 0.8
 32
 250
 1.5
 1.0
 3.4
 1.0
 73.3
 
4.50
 5.03
 80
 0.8
 32
 200
 1.5
 1.0
 0.9
 1.0
 63.4
 

2.3.2 梯段爆破

先鋒槽爆破開挖：在4#機部位采用液壓鉆機鉆楔形掏槽孔，爆破成一長45m、寬22.2m、深6.0m的先鋒槽。利用此先鋒槽，分別向3#～1#機組和2?！?＃安裝間方向分兩個工作面采用自上而下分層梯段鉆爆開挖。梯段爆破采用液壓鉆機鉆孔,爆破施工程序如下：場地平整→測量放線→布孔→鉆孔→裝藥連網(wǎng)爆破。梯段爆破裝藥結(jié)構(gòu)采用連續(xù)柱狀裝藥，采用4#巖石抗水硝銨炸藥，藥卷直徑Ø60mm。

采用2#巖石銷銨炸藥和4#巖石抗水硝銨炸藥。炮孔按中寬孔距、梅花型布孔。為防止爆破對設(shè)計邊坡的振動破壞，在靠近預(yù)裂面的一排炮孔的裝藥量擬定為其它梯段爆破孔裝藥量的70～80%，距預(yù)裂面1.5～2.0m布孔。為提高爆破質(zhì)量、降低石渣的大塊率，炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)采取連續(xù)柱狀裝藥方式。梯段爆破鉆爆設(shè)計參數(shù)見表4

表3 梯段爆破鉆爆參數(shù)表

梯段高度
 炮孔直徑
 炮孔深度
 藥卷直徑
 孔距
 排距
 單孔藥量
 堵塞長度
 單位耗

藥量
 超鉆深度
 鉆孔傾角
 
(m)
 (㎜)
 (m)
 (㎜)
 (m)
 (m)
 (kg)
 (m)
 (kg/ m3)
 (m)
 °
 
7.10
 80
 8.00
 60
 3.0
 1.5
 17.40
 1.5
 0.45
 0.6
 73.3
 
3.0
 80
 3.36
 60
 2.0
 1.5
 4.54
 1.0
 0.45
 
 63.4
 

2.3.3 保護層開挖

水工建筑物基礎(chǔ)預(yù)留保護層開挖，是控制建基面開挖質(zhì)量的關(guān)鍵，也是控制工期、提高經(jīng)濟效益的重要的環(huán)節(jié)。按規(guī)范規(guī)定，當(dāng)保護層以上用梯段爆破開挖時，對節(jié)理較發(fā)育的中硬巖石，預(yù)留保護層應(yīng)為上部梯段豎向孔藥卷直徑的30倍，對于堅硬巖石，相應(yīng)值為20～25倍，SDJ211-83中有關(guān)條款規(guī)定，在距水工建筑物基建面1.5m以內(nèi)用手風(fēng)鉆鉆孔，淺孔火炮分層開挖。1994年新規(guī)范對保護層開挖，去掉了上述規(guī)定，允許試驗成功的基礎(chǔ)上，采用新方法進行開挖。在三峽工程、巖灘工程等重大項目施工中，近幾年提出了一些新辦法、新工藝，創(chuàng)造了很好的經(jīng)驗：

1)對2～3m 保護層，可用手風(fēng)鉆鉆Ø45mm孔，孔深2～3m，單孔裝藥1.5～2.5kg，孔底設(shè)柔性材料墊層20cm，孔網(wǎng)1.5×1.6m，裝Ø32mm藥卷，非電雷管起爆。爆后選擇典型部位測定基巖波速降低值，均符合要求。

2)對3~5m保護層，用全液壓鉆機鉆Ø76mm，孔深3~5m，藥卷直徑Φ45mm，單孔裝藥8~16kg，孔底墊柔性材料墊層20cm，孔網(wǎng)2m×2m-2m×3m2,不連續(xù)裝藥，用導(dǎo)爆索配合非電雷管起爆，爆后選擇典型部位測定基巖波速降低值，均符合要求。

3)柔性材料可用泡沫塑料、鋸末、竹筒；在水孔中，需用兩頭封閉的竹筒。

4)巖灘水電站用Ø150mm鉆孔，裝Ø130mm藥卷，進行開挖，在臨近建基面保護層處孔底裝Ø55~75mm藥卷，使預(yù)留保護層厚度由2.5~3.5m減少到1.0~1.5m(20~25倍藥徑)。對預(yù)留保護層用手風(fēng)鉆或快速液壓鉆鉆孔，一般鉆到建基面，對不允許欠挖部位超鉆10~15cm?？椎滋钊嵝圆牧希嵝圆牧仙涎bØ32mm藥卷，如需要在Ø32mm藥卷上部裝Ø55mm藥卷，用非電毫秒雷管排間延遲起爆，一次爆到建基面，質(zhì)量符合要求，施工速度較常規(guī)法3倍，創(chuàng)造了月最大驗收面積29750m2的國內(nèi)先進水平。

尼爾基廠房保護層開挖爆破參數(shù)選擇

借鑒三峽和巖灘工程保護層開挖經(jīng)驗為了驗證用液壓鉆機鉆鉆Ø80mm中孔進行保護層開挖的爆破效果，根據(jù)多次鉆爆試驗，最終確定的保護層開挖爆破參數(shù)如下：用TOMROCK500液壓鉆機鉆Ø80mm孔，一次鉆至建基面，孔底回填20cm河沙或巖屑柔性墊層，孔網(wǎng)1.0m×0.8m，鉆孔傾角60°，裝Ø32mm藥卷，不連續(xù)裝藥，底部加強裝藥，非電毫秒延期雷管微差起爆。建基面欠挖的部位采用日立反鏟沖擊錘進行開挖。

采用2#巖石銷銨炸藥和4#巖石抗水銷銨炸藥，導(dǎo)爆管起爆。保護層開挖鉆爆設(shè)計參數(shù)見表4。

表4 保護層開挖鉆爆參數(shù)表

臺階

高度（m）
 孔徑(mm)
 孔深(m)
 鉆孔角度(°)
 孔距(m)
 排距(m)
 堵塞

長度(m)
 單孔裝藥量(g)
 單位耗藥量(kg/m3)
 
1.5
 80
 1.88
 60
 1.0
 0.8
 0.5
 600
 0.45
 

3保護層開挖爆破質(zhì)量控制

3.1宏觀調(diào)查和地質(zhì)描述方法判爆破破壞的標(biāo)準(zhǔn)

有下述情況之一時，判斷為爆破破壞：

1)發(fā)現(xiàn)爆破裂隙，或裂隙頻率、裂隙率增大(產(chǎn)生爆破裂隙和裂隙率都會增大；原有的裂隙張開，也會使裂隙率增大) 。

2)節(jié)理爆破裂隙面、層面等弱面張開(或壓縮)、錯動。

3)地質(zhì)錘錘擊發(fā)出空聲或啞聲（從地質(zhì)錘錘擊時發(fā)聲狀況進行判，一般新鮮，完整的巖體，發(fā)聲清脆，頻率高；被爆破振松的巖體，發(fā)出空聲或啞聲、頻率較低）。

3.2彈性波縱波速觀測方法判斷爆破破壞或基礎(chǔ)巖體質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)

同部位的爆破后波速(CP2)小于爆破前波速(CP1)，其變化率η為：η=1-( CP2/ CP1)當(dāng)η>10%時判為爆破破壞或基礎(chǔ)巖體質(zhì)量差。

若只在爆后觀測，可用觀測部位附近原始的波速作為爆破前波速，也可以觀測資料的變化趨勢和特點判斷。

4 石渣塊徑的控制

發(fā)電廠房石方開挖渣料作為上壩料和人工骨料粒徑要求為上壩料粒徑60cm，人工骨料粒徑58cm，為此在開挖過程中必須嚴(yán)格控制鉆爆質(zhì)量。

首先在爆破參數(shù)的設(shè)計時必須充分考慮開挖渣料的料徑要求，再根據(jù)開挖部位的工程地質(zhì)條件進行鉆爆參數(shù)的設(shè)計，在進行正式鉆爆施工之前，先進行爆破試驗根據(jù)爆破效果及時調(diào)整修正鉆爆參數(shù)使爆破達到比較好的效果，特別是滿足上壩料和人工骨料的粒徑要求。

5 預(yù)留門機巖臺控制爆破施工

廠房進水渠和尾水渠預(yù)留門機巖臺爆破開挖采用預(yù)留巖埂和距巖埂3.5m范圍進行控制爆破的方案進行開挖。

5.1尾水渠巖臺開挖爆破試驗

根據(jù)工程類比法推算發(fā)電廠房門機預(yù)留巖臺允許的最大一次單響藥量。根據(jù)白山電站棧橋墩開挖爆破取得的爆破經(jīng)驗公式v=100Q0.75/R2,推算自尾水閘墩墩頭0+047.50樁號往下游9.18m范圍為爆破控制區(qū)，爆破控制區(qū)范圍內(nèi)的巖石開挖采用控制爆破技術(shù)，控制區(qū)以外的范圍，單響爆破藥量可以逐步提高，根據(jù)計算結(jié)果可以得出樁號0+065.80m以上的區(qū)域為常規(guī)淺孔梯段爆破開挖區(qū)。

5.2淺孔梯段爆破設(shè)計參數(shù)

表5淺孔梯段爆破鉆爆參數(shù)

梯段高度
 炮孔

直徑
 炮孔深度
 藥卷直徑
 孔

距
 排

距
 單孔裝藥量
 堵塞

長度
 單位耗藥量
 超鉆

深度
 鉆孔傾角
 
H
 D
 h
 ø
 a
 b
 Q
 Ho
 q
 H1
 a
 
(m)
 (㎜)
 (m)
 (㎜)
 (m)
 (m)
 kg
 (m)
 (kg/m3)
 (m)
 。
 
2
 42
 2.57
 32
 1
 0.9
 1.1
 0.63
 0.4
 0.3
 63.4
 
2
 42
 2.57
 32
 1
 0.9
 1.1
 0.63
 0.4
 0.3
 63.4
 
2.08
 42
 2.66
 32
 1
 0.9
 1.13
 0.63
 0.4
 0.3
 63.4
 
3.11
 42
 3.98
 32
 1.5
 1.3
 3.81
 0.91
 0.4
 0.45
 63.4
 

5.3爆破監(jiān)測及爆破測點布置
1) 測點布置：共布置5個垂直向傳感器：閘墩布置1個，底板布置3個，分別布置在：0+47.5、0+037.5、0+017.5樁號附近。

2) 測量速度的儀器采用891-Ⅱ型放大器UJB-8型動態(tài)測試分析儀各1臺。通頻帶0.5～100Hz，量程0.01cm/s～20cm/s。

3) 觀測要求：觀測后要提出完整的記錄波形，給出最大速度量，主振動周期、振動量持續(xù)時間。

4) 預(yù)期結(jié)果：給出振動影響經(jīng)驗公式和最大瞬時起爆藥量。

5.3聲波觀測

1) 目的：根據(jù)對廠房基礎(chǔ)、閘墩、底板、橫梁在爆破前后彈性波速的觀測，判別爆破是否對建筑物產(chǎn)生破壞影響。

2) 測點布置：在底板布置10個測點(鉆孔法)，在閘墩布置14個測點(其中4個測點采用鉆孔法)，橫梁布置10個測點(對穿法)；34共計個測點。

3) 觀測要求：觀測應(yīng)在每次試驗爆破前、后各進行一次，通過對波速的觀測和分析，判斷該區(qū)混凝土是否發(fā)生破壞。

4) 宏觀調(diào)查：利用石膏涂抹對廠房進水、尾水渠等重要建筑物進行破壞影響調(diào)查。

5.4爆破控制

　　　根據(jù)東北勘測設(shè)計研究院對以往類似工程爆破聲波監(jiān)測的經(jīng)驗及積累的質(zhì)點允許振動速度經(jīng)驗公式，爆破聲波引起的質(zhì)點振動速度按v=100Q0.75/R2,進行控制。根據(jù)已建建筑物允許的質(zhì)點振動速度，反算出距離建筑物不同距離，最大一段允許起爆藥量，詳見下表6：

表6 爆破試驗單響控制藥量允許質(zhì)點振動速度（cm/s）
 距尾水閘墩0+047.50m距離（m）
 允許最大一段單響起爆藥量（kg）
 區(qū)域
 
8
 4.5
 1.90
 預(yù)留巖埂
 
8
 5.68
 3.54
 控制爆破區(qū)
 
8
 9.18
 12.73
 藥量遞增爆破區(qū)
 
8
 18.30
 80.16
 
8
 18.30
 80.16
 常規(guī)爆破區(qū)
 
8
 28.30
 256.34
 
8
 35.95
 300
 

6. 結(jié)束語

尼爾基水利樞紐發(fā)電廠房基礎(chǔ)石方開挖克服了寒冷的氣候條件，在設(shè)備、人員降效非常顯著的情況下，按業(yè)主指定的節(jié)點工期順利完成了50萬方的開挖任務(wù)，在開挖過程中，取得以下經(jīng)驗：

液壓鉆機非常適宜于高寒惡劣氣候的作業(yè)條件，液壓鉆機比風(fēng)動鉆機具有高寒地區(qū)無法比擬的優(yōu)越性。

在保護層開挖中，首次采取了TOMROCK500液壓鉆機鉆Ø80mm孔，孔內(nèi)設(shè)置柔性墊層，一次性開挖到建基面新穎的開挖施工工藝，達到了較好的開挖效果。

控制爆破成績斐然：由于開挖渣料作為主壩回填料及人工骨料的料源，有嚴(yán)格要求，在爆破參數(shù)設(shè)計時必須考慮料徑要求，并經(jīng)過多次試驗確定爆破參數(shù)，成功應(yīng)用了TOMROCK500液壓鉆機Ø80mm鉆孔，不偶合裝藥，爆破粒徑滿足了設(shè)計要求。