水电站地下厂房开挖支护关键技术研究

本文根据本工程地下厂房实际地质情况并借鉴了国内多家同类工程的经验,制定了厂房上部的开挖分层方案和二、三层边墙预裂方法,经过多次模拟开挖试验,确定了岩台的开挖施工方案、最佳炮孔布置和装药结构等爆破参数。通过室内试验和现场喷射大板试验,研究了钢纤维混凝土的主要

水电站地下厂房开挖支护关键技术研究

贾惠艳1，高红江2，彭小安3

1.辽宁工程技术大学资源与环境工程学院, 辽宁阜新 （123000）

2.辽宁工程技术大学土木建筑学院, 辽宁阜新（123000）

3.浙江省嘉善县水利局, (314100)

E-mail：

摘 要：本文根据本工程地下厂房实际地质情况并借鉴了国内多家同类工程的经验，制定了厂房上部的开挖分层方案和二、三层边墙预裂方法，经过多次模拟开挖试验，确定了岩台的开挖施工方案、最佳炮孔布置和装药结构等爆破参数。通过室内试验和现场喷射大板试验，研究了钢纤维混凝土的主要力学特性及工作性能，确定了适合支护要求和喷射施工要求的钢纤维混凝土配合比,并对喷射钢纤维混凝土施工的关键技术做了简要介绍。

关键词：开挖方案；炮孔布置；钢纤维砼配合比；喷射工艺 中图分类号：TV554 文献标识码：A

控制岩台超欠挖，做到一次成型，减少对保留岩体

的破坏和爆破的振动影响[3]。

1. 引言

随着对围岩自身承载能力认识的提高和地下开挖技术的发展，一般在水电站地下厂房工程中，吊车梁越来越多地采用岩壁式吊车梁，顶拱开挖面只进行锚喷支护不再有其他受力结构。岩壁式吊车梁按刚体平衡法设计，利用长锚杆把吊车梁的钢筋砼支座锚固在岩壁之上，无立柱，岩锚梁的全部荷载，通过锚杆及混凝土与岩壁接触面上的摩擦力传到岩体上，充分利用了围岩自稳承载能力[1][2]。因此在地下厂房岩壁梁施工中，岩台的开挖成了一个关键的控制环节。同时要保证顶拱喷射的混凝土与岩体粘结较好，采用钢纤维混凝土是目前最佳的先择，而确定合适的钢纤维掺量和混凝土的配合比以及合理的施工工艺也是顶拱喷射混凝土技护要解决的关键技术。本文就是针对一抽水蓄能电站地下厂房岩锚梁岩台开挖和顶拱钢纤维混凝土喷射施工工艺两项关键技术的研究总结。

本抽水蓄能电站是一座日调节纯抽水蓄能电站，总装机容量1200MW。地下厂房位于左岸山体内，上覆岩层厚170 m左右，岩性单一均匀，为中∽细粒花岗岩，呈微风化——新鲜状，属Ⅱ类围岩。地下厂房长182.70 m，宽24.50 m，最大开挖高度57.25 m。喷钢维砼主要用于厂房和主变洞等大型洞室的支护。

图2 岩台爆破炮孔布置示意图

Fig .2 the sketch map of the layout of the bore hole

图1 地下厂房开挖分层方案示意图

Fig 1 the scheme sketch map of rockwall crane beam

excavation

2. 1开挖分层

地下厂房共分七层开挖，岩锚梁位于第二层中部，第二层开挖高程为EL81.5～EL73.2，岩锚梁底边距第三层顶面2.0 m。这个高度鲁布革电站为3

1

2. 开挖施工技术

岩锚梁开挖关键是确保岩锚梁壁座准确成型，

本文根据本工程地下厂房实际地质情况并借鉴了国内多家同类工程的经验,制定了厂房上部的开挖分层方案和二、三层边墙预裂方法,经过多次模拟开挖试验,确定了岩台的开挖施工方案、最佳炮孔布置和装药结构等爆破参数。通过室内试验和现场喷射大板试验,研究了钢纤维混凝土的主要

m，东风电站为4 m，实际施工证明，这个高度不方便岩锚梁施工，多臂钻造孔时，钻杆角度不易控制，给造孔、岩壁修整、锚杆施工以及吊车梁钢筋绑扎、立模、砼浇筑等都带来了诸多不便。广蓄电站把这个高度定为1 m，这个高度过小，在下层扩挖时，爆破飞石会伤到岩锚梁混凝土，同时下层开挖对岩锚梁的爆破振动也不易控制[4]。本电站把这一高度定为2m，是在总结国内其它几个电站经验的基础上，综合分析确定的。

面自下向上造斜孔，光面爆破，先爆斜孔，再爆垂直孔；

方案三：岩锚梁上部垂直面水平孔，光面爆破，岩锚梁部位侧墙垂直面垂直孔，岩台斜面自下向上造斜孔，光面爆破，岩台斜孔与岩锚梁部位侧墙垂直孔同时起爆。

同时根据前期爆破振动试验取得的地下厂房部位岩体的K、@ 值和一、二层开挖后揭露的边墙岩体的实际地质状况初拟了两种钻爆参数:

①孔距40 cm，线装药密度不大于150 g/m； ②孔距25 cm，隔孔装药，线装药密度不大于100 g/m。

通过实际模拟开挖效果分析，并根据开挖一次成型的要求，确定岩锚梁开挖采用第三种方案，钻爆参数为：水平孔和垂直孔孔距40 cm，线装药密度不大于150 g/m，岩台斜孔孔距25 cm，隔孔装药，线装药密度不大于100 g/m，同时空孔内采用导爆索辅助爆破，岩台斜孔与岩锚梁部位侧墙垂直孔同时起爆。

2. 2 二、三层边墙预裂爆破

国内岩锚梁施工多采用预留保护层，光面爆破。这种施工方法对边墙的超欠挖及平整度难以控制，对岩台斜面下拐点成型极为不利，岩台开挖时，下拐点多数会产生滑塌。

预裂爆破是保证开挖面成型及稳定的重要措施。经过科学论证，对第二、三层上下游边墙进行一次性预裂爆破。施工前，首先初拟了如下3组钻爆参数进行试验：

①孔径90 mm，孔距100 cm，线装药密度430 g/m；

②孔径90 mm，孔距100 cm，线装药密度530 g/m；

③孔径90 mm，孔距80 cm，线装药密度540 g/m。

根据试验情况，并利用水下电视及弹性波测试对预裂效果进行检测和分析，最终确定比较合理的钻爆参数为:孔径85~95 mm，孔距75~85 cm，线装药密度500～55 g/m,φ32 mm乳化药卷不偶合间隔装药。

[5]

2. 4 岩台斜孔钻孔方法和装药结构

岩台壁座角是岩锚梁重要的设计参数之一，如果偏差过大，将会引起岩锚梁结构尺寸的修改，所以对钻孔精度要求较高。为此，在造孔工时，利用钢管样架固定钻杆方向来控制钻孔方向。同时根据爆破试验成果分析，将岩台的钻孔倾角定为小于设计角度1~2°，并且低于设计高程5∽10 cm开孔，从而避免了两孔间因爆破漏斗作用存在的欠挖现象。

除了钻孔精度解，装药结构对爆破效果有着重要影响。光爆施工不耦合间隔装药应尽量使药量在孔内均匀分布，但是由于岩台开挖线装药密度较小，一般的药卷满足不了要求，所以在施工过程中，把φ25 mm的乳化药卷再切割二次加工较细的药卷，进行装药绑扎，从而避免了因药量过于集中产生爆破裂痕的现象。

2. 3 岩锚梁开挖爆破方案的选择

岩台开挖采用光面爆破技术，它是沿设计开挖轮廓线平行布置炮孔，孔内采用不耦合装药，使每个炮孔既是爆破孔，又是邻近孔的导向孔，不耦合装药可以减小作用在孔壁上的爆炸压力，减轻对保留岩体的破坏影响[6]。

岩台模拟开挖试验时初拟了三种开挖方案： 方案一：岩台垂直面全部采用水平孔，光面爆破(先爆)，岩台斜面自下向上造斜孔，光面爆破(后爆)；

方案二：岩锚梁上部垂直面水平孔，光面爆破，岩锚梁部位侧墙垂直面垂直孔，光面爆破，岩台斜

2

2. 5开挖质量及效果

经65个断面实际检测，无欠挖，上游岩台平均超挖6.7 cm，下游岩台平均超挖7.7 cm，上游垂直面平均超挖8 cm，下游垂直面平均超挖7.7 cm，光爆孔残孔率达93.61%，岩面平整，经声波检测爆破松动范围10~30 cm。做到了一次成型，达到了预

本文根据本工程地下厂房实际地质情况并借鉴了国内多家同类工程的经验,制定了厂房上部的开挖分层方案和二、三层边墙预裂方法,经过多次模拟开挖试验,确定了岩台的开挖施工方案、最佳炮孔布置和装药结构等爆破参数。通过室内试验和现场喷射大板试验,研究了钢纤维混凝土的主要

期的目的。 抗拉强度可达到1100MPa。上海贝卡尔特的佳密克丝钢纤维为冷拉钢丝纤维，两端带钩，以水溶性胶水粘结成排，遇水快速分散。其ZP305型单丝长度30mm，长径比55，单丝最低抗拉强度1100N/mm2，每公斤含16750根单根钢纤维是本工程选用的钢纤维型号。试验拟分别按3种钢纤维掺量40、50、60 kg/m3进行。

②硅粉：硅粉选用HK-GFJ-2和Elkem(埃肯)两种，硅粉的掺量按25kg/m3计。

③外加剂：包括减水稠度稳定剂和速凝剂。采用上海麦斯特公司外加剂。

⑵喷射钢纤维混凝土室内试验

根据喷射钢纤维混凝土强度要求，所用材料及工程经验，确定水灰比为0.45。单位用水量初定190.5kg/m3。在调试配合比之前，首先对砂料和瓜米石分别作筛分并绘制筛分曲线，并记录试验结果。通过对两曲线不同掺量的合成，最终确定砂石比率，石：砂=2:8~3.5:6.5，满足有关规范要求。

根据初拟的水灰比、砂率及外加剂掺量，确定喷射钢纤维混凝土初步配合比，按照初步配合比进行试拌。取样及制备方法参照《钢纤维混凝土试验方法》CECS 13-89。

初步配合比调整后，使拌和物满足工作性要求，得到喷射钢纤维混凝土试验室配合比。

钢纤维掺量40㎏、50㎏、60㎏，在其他材料配比相同情况下，拌和过程中钢纤维在拌和物中分布均匀，无打结、结团现象。不同钢纤维掺量，在其他材料配比相同情况下的室内试验力学指标试验成果见表1。

3. 喷射钢纤维混凝土技术研究

喷钢纤维混凝土是在普通砼中掺入分布均匀且离散的钢纤维，依靠压缩空气将钢纤维混凝土高速喷射到结构的表面，快速凝固后形成支护壳体[7]。钢纤维混凝土中乱向分布的短纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展。在受荷(拉、弯)初期，水泥基料与纤维共同承受外力，当混凝土开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者[8]。混凝土中掺入钢纤维，能显著改善混凝土的抗裂性、延性、韧性和抗冲击性能，使混凝土与岩石有很好的变形适应性。可以在地下工程中，代替现浇钢筋混凝土、挂网喷混凝土支护[8]。

3. 1 钢纤维混凝土物理力学性能研究及配

合比试验

3.1.1 喷射钢纤维混凝土特性指标要求：

28天龄期力学性能指标要求如下(标准值)：

①单位容重2.3t/m3； ②抗压强度32MPa； ③抗拉强度3MPa；

④与围岩抗拉粘结强度0.8MPa； ⑤抗折强度3MPa；

⑥弯曲韧度指数Ⅰ10=6∽8，Ⅰ30=18∽24； 韧度系数R30/10=60∽80。 3.1.2 喷射钢纤维混凝土物理力学性能试验

⑴喷射钢纤维混凝土主要材料选择

喷射钢纤维混凝土材料由钢纤维、水泥、砂子、瓜米石、水、硅粉、外加剂组成。

①喷射混凝土一般优先选用冷拉型钢纤维，其

表1 不同纤维掺量混凝土室内试验成果

Tab1 The test results of concrete with different percent steel fiber by laboratory experiments 外加剂 品种 RHE561 GFJ-2

掺量 1.5% 6.25%

钢纤维 （㎏/m）

40 50 60

3

抗压强度（Mpa）

3d 17.7 17.8 16.5

7d 29.3 28.9 26.3

28d 45.9 44.0 45.5

抗拉强度（Mpa） 抗折强度（Mpa）

28d 3.46 3.97 3.72

28d 5.95 6.1 6.0

试验表明两种外加剂的试件的抗压、抗拉、抗折强度指标基本持平，没有明显的差别，不同掺量

3

都能满足设计要求。

⑶现场大板试验

本文根据本工程地下厂房实际地质情况并借鉴了国内多家同类工程的经验,制定了厂房上部的开挖分层方案和二、三层边墙预裂方法,经过多次模拟开挖试验,确定了岩台的开挖施工方案、最佳炮孔布置和装药结构等爆破参数。通过室内试验和现场喷射大板试验,研究了钢纤维混凝土的主要

对所选择的钢纤维，采用三种不同掺量，在试验室配合比基础上结合施工设备，现场调整配合比，达到设计要求并便于施工。按照喷射钢纤维混

凝土现场试验配比，采用喷大板切割法制备试件，进行各项力学指标试验。实验成果见表2。

表2 采用Master外加剂的钢纤维混凝土的力学性能

Tab2 The mechanical properties of steel fiber concrete with the Master’s admixtures

纤维用量 kg/m

40

钢纤维 设计要求

50 60

3

抗压强度MPa 7天 27.0 24.9 32

28天 32.5 34.2 30.2

抗折强度MPa

28天 5.8 4.9 5.6 3

抗拉强度MPa

28天 3.1 4.17 3.73 3

弯曲韧度指数Ⅰ10

8.54 7.28 6.77 6-8

弯曲韧度指数Ⅰ30

30.84 23.9 21.01 18-24

韧度系数R30/10 111.5 83.1 71.2 60-80

大板的韧度试验数据说明该钢纤维混凝土（佳密克丝钢纤维掺量为40、50、60kg/m3）的性能指标都能满足设计要求。

从大板试验的韧度指标数据来看, 佳密克丝钢纤维掺量为40 kg/m3时超过设计要求,但是考虑到顶喷时回弹较大，大规模喷射操作还要留给足够的余地，确定施工配合比佳密克丝钢纤维掺量为45 kg/m3。

3.2施工配合比试验

在现场大板试验配合比的基础上，选择几种配比方案，进行现场喷射试验。在选定部位用红油

漆标出3个4.5×1.5m的条块，间距1.5m左右。按钢纤维用量45kg/m3 三个配合比，由拱顶至拱肩方向喷射混凝土，层厚分别为15㎝、12㎝、10㎝。

分别在三处典型位置取试样，测定与围岩的粘接强度和28天龄期的抗压强度，试验结果分别见表3、表4。

表3 喷射混凝土与围岩粘结强度

Tab 3 The bonding strength between shotcrete and surrounding rock

序号 1 2 3

45 纤维用量（kg/m）

3

圆盘直径（㎜） 100 100 100

拉拔力（KN） 10 10 10

粘结强度

强度（Mpa）

1.27 1.27 1.66

1.4 平均值

断裂部位描述 在纤维混凝土面上粘结部

分岩层面

表4现场喷射混凝土的抗压强度

Tab4 The compressive strength of the shotcrete in the construction site

序号 1 2

纤维用量（kg/m）

45 45

3

抗压强度 43.0 41.4

钻孔取样试件的外观描述

试件坚硬，无裂纹，钢纤维均匀分布，断裂面为部分混凝土部分岩石。

试件坚硬，无裂纹，断裂面为部分混凝土部分岩石。

从试验结果看，现场喷射砼的强度高，喷射设备喷射的砼与围岩的粘结强度能满足设计要求，说明选用的配合比是合理的、喷射设备是可行的。

回弹试验结果表明，湿喷砼的侧墙喷射回弹率明显好于顶拱喷射回弹率，一般低5-6个百分点。

综合上述试验结果，侧墙喷射砼一般在10%-15%左右，顶拱喷射砼一般在15%-20%左右。

通过现场喷射试验并结合室内试验成果最后确定的施工用喷射钢纤维砼的施工配合比为见表5。

4

本文根据本工程地下厂房实际地质情况并借鉴了国内多家同类工程的经验,制定了厂房上部的开挖分层方案和二、三层边墙预裂方法,经过多次模拟开挖试验,确定了岩台的开挖施工方案、最佳炮孔布置和装药结构等爆破参数。通过室内试验和现场喷射大板试验,研究了钢纤维混凝土的主要

表5喷射钢纤维砼施工配合比

Tab 5 The construction mixture ratio of steel fiber shotcrete

外加剂品 种 Master

水灰比 0.45

砂率 65%

水泥 440

砂 980

5∽10mm(卵石)

534

减水剂5.3

速凝剂 22∽35

硅粉 25

钢纤维 45

3. 3 湿喷法喷射施工工艺要点

⑴搅拌投料顺序为5∽10mm卵石+砂+水泥+硅粉+钢纤维，再加75%水拌和90S，然后加减水剂和25%的水再拌和78∽90.5，速凝剂由喷嘴加入。

⑵喷射混凝土施工应分段分片、自下而上依次进行。

⑶受喷岩面应清除浮石、松动岩块、清洗干净，喷射时岩面保持湿润状态。受喷面为老混凝土面时，应用高压风、水吹尽老混凝土上的一层乳膜，保证新旧混凝土结合紧密。

⑷当喷层厚度大于5cm时应分层喷射，受喷面埋设控制喷层厚度的标志。

⑸喷嘴与受喷面尽量保持垂直，距离在1.0∽1.5m之间。

⑹混凝土料的坍落度控制在120∽140mm之间。

⑺喷射混凝土终凝2小时后，开始喷水养护，喷水量和喷水次数以混凝土表面保持湿润为准，养护时间不少于14天。

3. 4 喷射钢纤维砼工程应用情况

本电站地下厂房顶拱共计喷钢纤维混凝土8500m2左右。共取样13组，试块取样方法采用喷大板最后切割成10×10cm试块。

试块强度分析： 平均值Rn=37.98MPa

标准差Sn=4.65MPa

Rmax=47.5MPa Rmin=31.7MPa 按规范SL27-91进行强度评定符合规范要求。 Rn-0.7Sn=34.725＞R标=30MPa Rn-1.6Sn=30.54＞0.83R标=24.9MPa

厂房喷纤维混凝土厚度在布设控制厚度标志的情况下，又进行了钻孔检查。共计检测点数61个，合格点56个，合格率为91.8%，5个不合格测点全部大于设计厚度的二分之一。

本电站地下厂房岩锚梁岩台开挖工艺和喷射钢纤维混凝土技术的实践取得了良好的效果并总结了几点经验。

⑴积极进行同类工程项目施工的调查研究，并进行类比优化，形成了比较科学的岩锚梁岩台开挖施工方案；

⑵地下厂房开挖的前期开挖施工，应进行相关的爆破振动测试以取得比较合理的工程范围内体现岩体特征的K、@值，便于指导后期关键部位的控制爆破参数。

⑶通过施工前的模拟开挖试验取得了满足一次成型要求的岩台开挖炮孔布置及装药结构等爆破参数

⑷喷射钢纤维砼的施工配合比必须在试验室配合比的基础上按选定的原材料和喷射设备进行现场喷试试验确定。

⑸喷射钢纤维混凝土喷层砼力学性能优良，与围岩面有较高的粘结强度，非常适用于地质条件较差洞室的喷射支护。尤其在采用“新奥法”施工方法的地下洞室的开挖支护中应用前景广泛

参考文献

[1] 徐彬,李宁.水电站地下厂房岩锚吊车梁稳定性分析剖析[J]. 水力发电学报, 2007.2:47-50.( XU Bin, LI Nin. The fine FEM analysis for rock-bolt crane girder in underground powerhouse[J].Journal of Hydroelectric Engineering.)

[2] 杨强,杨晓君,周维垣.水布垭枢纽地下厂房围岩稳定及锚固分析[J]. 水力发电学报,2005.4:11-15.( YANG Qiang; YANG Xiaojun, ZHOU Weiyuan. Numerical analysis on stability and grouted bolts of surrounding rock of Shuibuya underground power plant[J], Journal of Hydroelectric Engineering.)

[3] 郭心锐,张亦昭,王洪岩.张河湾抽水蓄能电站地下厂房系统开挖监测分析[J].水力发电,2006.8:40-42. (GUO Xinrui, ZHANG Yizhao, WANG Hongyan. Analysis on the Excavation Monitoring of Underground Powerhouse of Zhanghewan Pumped-storage Power Plant[J], Water Power) [4] 杨文东,范高军. 地下洞室爆破振动控制研究[J]. 爆破,2007.1:87-89. (YANG Wendong, FAN Gaojun. Control of Blasting Vibration of Underground Chamber at a Hydropower Station[J], Blasting.)

[5] 吴晓峰,宋照尚,李廷春. 预裂爆破中爆生裂缝扩展的机理探讨及预裂炮孔间距的设计方法[J].中国港湾建5

4. 结论与评价

本文根据本工程地下厂房实际地质情况并借鉴了国内多家同类工程的经验,制定了厂房上部的开挖分层方案和二、三层边墙预裂方法,经过多次模拟开挖试验,确定了岩台的开挖施工方案、最佳炮孔布置和装药结构等爆破参数。通过室内试验和现场喷射大板试验,研究了钢纤维混凝土的主要

设,2007.1: 49-50.(WU Xiaofeng, SONG Zhaoshang, LI Tingchun. Discussion on Mechanism of Development of Cracks Resulted from Pre-splitting Blasting and Design Method for Determining Space of Blasting Holes[J],China Harbour Engineering.)

[6] 贾惠艳,高红江,罗涛.桐柏抽水蓄能电站地下厂房岩锚梁岩台开挖工艺[J].辽宁工程技术大学学报，

2005.4:549-551.( JIA Huiyan1, GAO Hongjiang, LUO Tao.Technical on rock step excavation of rockwall crane beam of Tongbai pumped-storage hydroelectric project[J], Journal of Liaoning Technical University.)

[7] 赵志刚,谭云亮,王斐峰. 钢纤维混凝土试验研究与疲劳破坏模拟[J]. 筑路机械与施工机械化,2007.2:40-42.（ZHAO Zhigang, TAN Yunliang, WANG Feifeng, Experimental Study and Fatigue Failure Simulation on Steel Fiber Concrete[J], Road Machinery & Construction Mechanization.） [8] 韩嵘,赵顺波,曲福来. 钢纤维混凝土抗拉性能试验研究[J]. 土木工程学报,2006.11:63-65.(Han Rong, Zhao Shunbo, Qu Fulai. Experimental study on the tensile performance of steel flber reinforced concrete, China Clvil Engineering Journal.)

Study on key technical of excavation and support of underground

powerhouse in hydroelectric station

JIA Hui-yan1, GAO Hong-jiang2, PEN Xiao-an3

1.College of Resources and Environment Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin （123000）

2.College of Civil Architecture Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin （123000）

3.Water Conservancy Bureau In Jiashan county,Zhejiang province,（314100）

Abstract

Based on domestic much sames’ projects experience and Engineering geologic conditions of underground powerhouse, excavating layering measure and presplit blasting of powerhouse upper part was established, and the optimum methods of rock excavation, the most available layout of bore hole, the most effective formation of explosive charge and other relative blasting parameter were ultimately determined by repeatedly analog excavation test. This paper studied the mechanical properties and working properties of steel fiber concrete, determined the mixture of steel fiber reinforced concrete related to requirement of support and construction by field and laboratory test. The critical construction technology of wet steel fibers shotcrete is briefly presented

Key words：excavation scheme，layout of bore hole，mixture of steel fiber reinforced concrete，the wet spraying concrete technology

作者简介：贾惠艳（1975.9-），女，辽宁北宁人，博士生，讲师，主要从事岩土工程和工程地质等领域的教学与科研工作。

6

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0cfm.html