尼爾基水電站發(fā)電廠房開(kāi)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(jī)組段、進(jìn)水渠、尾水渠五個(gè)部分。開(kāi)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(kāi)挖總量為50.851萬(wàn)方。其中石方34.628萬(wàn)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(zhǎng)巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石完整性較差,巖石堅(jiān)固系數(shù)f=10～12，級(jí)別為X級(jí)。主壩與廠房連接翼墻長(zhǎng)129.38m，寬為28.45m。建基面高程173.50m，開(kāi)挖高度為4.5m。廠房與右副壩連接翼墻長(zhǎng)143.65m，寬100.78m，開(kāi)挖高差20m。

2 開(kāi)挖技術(shù)措施

2.1施工特點(diǎn)

廠房基坑覆蓋層剝離巖石開(kāi)挖在零下-34.4℃的嚴(yán)寒下進(jìn)行，設(shè)備選型、爆破參數(shù)控制、開(kāi)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(kāi)挖進(jìn)度，保護(hù)層開(kāi)挖采用液壓鉆機(jī)造孔，大幅度提高鉆孔效率；廠房上下游預(yù)留門(mén)機(jī)巖臺(tái)，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(kāi)挖石方粒徑有嚴(yán)格要求，爆破參數(shù)經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)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(kāi)挖

廠房基礎(chǔ)覆蓋層為腐植土和砂礫（卵）料，開(kāi)挖正值冬季，圍堰滲水漫過(guò)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(jī)械不能直接進(jìn)入基坑內(nèi)作業(yè)，因此破冰采用墊渣進(jìn)占法進(jìn)行開(kāi)挖。墊渣進(jìn)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(jī)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(kāi)道，裝載機(jī)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(chē)可以沿通道將碎冰運(yùn)出。破冰的同時(shí)設(shè)置潛水泵將冰面以下積水及時(shí)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(kāi)挖爆破參數(shù)選擇

基坑右側(cè)臺(tái)地上存在2m厚的凍土層，該部分凍土層采用松凍爆破法開(kāi)挖。采用TOMROCK500液壓鉆機(jī)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(dòng)爆破，鉆孔采用TOMROCK-500型液壓履帶式鉆機(jī)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(kāi)挖

發(fā)電廠房石方開(kāi)挖采取分區(qū)、分層開(kāi)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(jìn)行開(kāi)挖。同時(shí)考慮混凝土垂直運(yùn)輸設(shè)備的安裝及運(yùn)行需要，在進(jìn)水渠、尾水渠預(yù)留門(mén)機(jī)軌道基礎(chǔ)巖臺(tái)。廠房基坑巖石開(kāi)挖最大高差為29.45m，根據(jù)開(kāi)挖設(shè)備性能并充分考慮了進(jìn)水渠、尾水渠預(yù)留門(mén)機(jī)巖臺(tái)開(kāi)挖質(zhì)量廠房開(kāi)挖采用梯段分層開(kāi)挖。分層情況見(jiàn)圖1。廠房基坑石方開(kāi)挖從4＃機(jī)組段開(kāi)始，先在4#機(jī)部位開(kāi)挖出先鋒槽，然后向3#機(jī)組和安裝間方向分兩個(gè)工作面進(jìn)行梯段爆破開(kāi)挖?；觾?nèi)開(kāi)挖到156.27m建基面后，開(kāi)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(jìn)行掏槽爆破分層開(kāi)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(kāi)挖前，對(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)挖邊線先進(jìn)行預(yù)裂爆破，用液壓鉆機(jī)鉆孔。預(yù)裂爆破施工程序如下：鉆孔場(chǎng)地平整→布孔測(cè)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(zhǎng)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(kāi)挖：在4#機(jī)部位采用液壓鉆機(jī)鉆楔形掏槽孔，爆破成一長(zhǎng)45m、寬22.2m、深6.0m的先鋒槽。利用此先鋒槽，分別向3#～1#機(jī)組和2?！?＃安裝間方向分兩個(gè)工作面采用自上而下分層梯段鉆爆開(kāi)挖。梯段爆破采用液壓鉆機(jī)鉆孔,爆破施工程序如下：場(chǎng)地平整→測(cè)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(xiāo)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(duì)設(shè)計(jì)邊坡的振動(dòng)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(jì)參數(shù)見(jiàn)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(zhǎng)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(hù)層開(kāi)挖

水工建筑物基礎(chǔ)預(yù)留保護(hù)層開(kāi)挖，是控制建基面開(kāi)挖質(zhì)量的關(guān)鍵，也是控制工期、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要的環(huán)節(jié)。按規(guī)范規(guī)定，當(dāng)保護(hù)層以上用梯段爆破開(kāi)挖時(shí)，對(duì)節(jié)理較發(fā)育的中硬巖石，預(yù)留保護(hù)層應(yīng)為上部梯段豎向孔藥卷直徑的30倍，對(duì)于堅(jiān)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?xún)?nèi)用手風(fēng)鉆鉆孔，淺孔火炮分層開(kāi)挖。1994年新規(guī)范對(duì)保護(hù)層開(kāi)挖，去掉了上述規(guī)定，允許試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，采用新方法進(jìn)行開(kāi)挖。在三峽工程、巖灘工程等重大項(xiàng)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(yàn)：

1)對(duì)2～3m 保護(hù)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(cè)定基巖波速降低值，均符合要求。

2)對(duì)3~5m保護(hù)層，用全液壓鉆機(jī)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(cè)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(jìn)行開(kāi)挖，在臨近建基面保護(hù)層處孔底裝Ø55~75mm藥卷，使預(yù)留保護(hù)層厚度由2.5~3.5m減少到1.0~1.5m(20~25倍藥徑)。對(duì)預(yù)留保護(hù)層用手風(fēng)鉆或快速液壓鉆鉆孔，一般鉆到建基面，對(duì)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(yàn)收面積29750m2的國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

尼爾基廠房保護(hù)層開(kāi)挖爆破參數(shù)選擇

借鑒三峽和巖灘工程保護(hù)層開(kāi)挖經(jīng)驗(yàn)為了驗(yàn)證用液壓鉆機(jī)鉆鉆Ø80mm中孔進(jìn)行保護(hù)層開(kāi)挖的爆破效果，根據(jù)多次鉆爆試驗(yàn)，最終確定的保護(hù)層開(kāi)挖爆破參數(shù)如下：用TOMROCK500液壓鉆機(jī)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(qiáng)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(jìn)行開(kāi)挖。

采用2#巖石銷(xiāo)銨炸藥和4#巖石抗水銷(xiāo)銨炸藥，導(dǎo)爆管起爆。保護(hù)層開(kāi)挖鉆爆設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 保護(hù)層開(kāi)挖鉆爆參數(shù)表

臺(tái)階

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

長(zhǎng)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(hù)層開(kāi)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(shí)，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(huì)增大；原有的裂隙張開(kāi)，也會(huì)使裂隙率增大) 。

2)節(jié)理爆破裂隙面、層面等弱面張開(kāi)(或壓縮)、錯(cuò)動(dòng)。

3)地質(zhì)錘錘擊發(fā)出空聲或啞聲（從地質(zhì)錘錘擊時(shí)發(fā)聲狀況進(jìn)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(cè)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(shí)判為爆破破壞或基礎(chǔ)巖體質(zhì)量差。

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

4 石渣塊徑的控制

發(fā)電廠房石方開(kāi)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(kāi)挖過(guò)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(jì)時(shí)必須充分考慮開(kāi)挖渣料的料徑要求，再根據(jù)開(kāi)挖部位的工程地質(zhì)條件進(jìn)行鉆爆參數(shù)的設(shè)計(jì)，在進(jìn)行正式鉆爆施工之前，先進(jìn)行爆破試驗(yàn)根據(jù)爆破效果及時(shí)調(diào)整修正鉆爆參數(shù)使爆破達(dá)到比較好的效果，特別是滿(mǎn)足上壩料和人工骨料的粒徑要求。

5 預(yù)留門(mén)機(jī)巖臺(tái)控制爆破施工

廠房進(jìn)水渠和尾水渠預(yù)留門(mén)機(jī)巖臺(tái)爆破開(kāi)挖采用預(yù)留巖埂和距巖埂3.5m范圍進(jìn)行控制爆破的方案進(jìn)行開(kāi)挖。

5.1尾水渠巖臺(tái)開(kāi)挖爆破試驗(yàn)

根據(jù)工程類(lèi)比法推算發(fā)電廠房門(mén)機(jī)預(yù)留巖臺(tái)允許的最大一次單響藥量。根據(jù)白山電站棧橋墩開(kāi)挖爆破取得的爆破經(jīng)驗(yàn)公式v=100Q0.75/R2,推算自尾水閘墩墩頭0+047.50樁號(hào)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(kāi)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(jì)算結(jié)果可以得出樁號(hào)0+065.80m以上的區(qū)域?yàn)槌Ｒ?guī)淺孔梯段爆破開(kāi)挖區(qū)。

5.2淺孔梯段爆破設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(cè)及爆破測(cè)點(diǎn)布置
1) 測(cè)點(diǎn)布置：共布置5個(gè)垂直向傳感器：閘墩布置1個(gè)，底板布置3個(gè)，分別布置在：0+47.5、0+037.5、0+017.5樁號(hào)附近。

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

3) 觀測(cè)要求：觀測(cè)后要提出完整的記錄波形，給出最大速度量，主振動(dòng)周期、振動(dòng)量持續(xù)時(shí)間。

4) 預(yù)期結(jié)果：給出振動(dòng)影響經(jīng)驗(yàn)公式和最大瞬時(shí)起爆藥量。

5.3聲波觀測(cè)

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

2) 測(cè)點(diǎn)布置：在底板布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)(鉆孔法)，在閘墩布置14個(gè)測(cè)點(diǎn)(其中4個(gè)測(cè)點(diǎn)采用鉆孔法)，橫梁布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)(對(duì)穿法)；34共計(jì)個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3) 觀測(cè)要求：觀測(cè)應(yīng)在每次試驗(yàn)爆破前、后各進(jìn)行一次，通過(guò)對(duì)波速的觀測(cè)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(duì)廠房進(jìn)水、尾水渠等重要建筑物進(jìn)行破壞影響調(diào)查。

5.4爆破控制

　　　根據(jù)東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院對(duì)以往類(lèi)似工程爆破聲波監(jiān)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)及積累的質(zhì)點(diǎn)允許振動(dòng)速度經(jīng)驗(yàn)公式，爆破聲波引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度按v=100Q0.75/R2,進(jìn)行控制。根據(jù)已建建筑物允許的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(jiàn)下表6：

表6 爆破試驗(yàn)單響控制藥量允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(yǔ)

尼爾基水利樞紐發(fā)電廠房基礎(chǔ)石方開(kāi)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(diǎn)工期順利完成了50萬(wàn)方的開(kāi)挖任務(wù)，在開(kāi)挖過(guò)程中，取得以下經(jīng)驗(yàn)：

液壓鉆機(jī)非常適宜于高寒惡劣氣候的作業(yè)條件，液壓鉆機(jī)比風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)具有高寒地區(qū)無(wú)法比擬的優(yōu)越性。

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

控制爆破成績(jī)斐然：由于開(kāi)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(jì)時(shí)必須考慮料徑要求，并經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)確定爆破參數(shù)，成功應(yīng)用了TOMROCK500液壓鉆機(jī)Ø80mm鉆孔，不偶合裝藥，爆破粒徑滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。