摘 要

大型地下厂房洞室工程具有大跨度、高边墙、分层开挖等特点，石方开挖工程量大，爆破开挖施工过程中，其爆破开挖方法、爆破开挖程序及爆破参数的合理选择，直接关系到地下厂房的施工安全。本文结合大渡河猴子岩水电站地下厂房的工程地质条件，阐述了地下厂房钻爆施工的关键技术，对厂房开挖分层开挖进行了详细的钻爆参数设计，重点对厂房顶拱层爆破和岩锚梁岩台成型控制爆破等，通过计算给出了合理钻孔参数、炮孔数目、角度、装药量、起爆方法和起爆顺序等，同时对施工过程、安全监测等进行了相关施工组织设计。

关键词：地下厂房、顶拱层、岩台、爆破参数

Abstract

The large underground powerhouse cavern engineering has the characteristics of large span, high side wall, stratified excavation and so on. The quantity of stone excavation is large. During the process of blasting excavation, the blasting excavation method, blasting excavation procedure and reasonable selection of blasting parameters are directly related to the construction safety of the underground powerhouse. This paper combines the underground powerhouse of the Dadu River monkey rock hydropower station. The key technology of drilling and blasting construction in underground powerhouse is expounded in the engineering geological conditions. The detailed design of drilling and blasting parameters is carried out for the excavation of the factory building, and the controlled blasting of the roof arch and rock anchor beam of the plant is emphasized, and the reasonable drilling parameters, the number of holes, the angle and the charge quantity are given through the calculation. At the same time, the construction process and safety monitoring are designed.

Keywords:underground powerhouse, top arch, rock platform, blasting parameters

目录

第一章 绪论 8

1.1发展现状 8

1.2 地下厂房开挖施工特点 8

第二章 工程概况 10

2.1工程概况 10

2.2工程地质条件 10

2.3施工重点、难点及对策 11

第三章 地下厂房爆破施工和支护组织设计 13

3.1钻爆开挖施工介绍 13

3.1.1钻爆法开挖施工工序与特点 13

3.1.2地下工程开挖方法 13

3.2地下厂房总体施工 14

图3-1 地下厂房横剖面分层开挖示意图 14

3.3地下厂房第一层开挖设计 14

图3-2 地下厂房第一层横剖面示意图 14

3.3.1掏槽孔的介绍 15

3.3.2掏槽孔的布置 15

图3-3 楔形掏槽孔布置图 16

3.3.3崩落孔的爆破参数计算 16

3.3.4装药量的计算 16

表3.2 炮孔装药系数表 17

3.3.5周边孔的参数计算 17

3.3.6中洞的爆破施工设计 18

图3-4 中导洞炮孔布置图 19

3.3.6.2中导洞爆破参数表 19

表3.3 中导洞爆破参数表 19

表3.4 施工进度流水作业安排表 20

3.3.7两侧扩挖的爆破施工设计 20

图3-5 两侧扩挖炮孔布置图 20

表3.5 两侧扩挖爆破参数表 20

图3-6 顶拱层炮孔装药结构图 21

3.4地下厂房二层的开挖设计 21

图3-7 地下厂房第二层横剖面示意图 21

3.4.1中部拉槽梯段爆破的参数计算 22

3.4.2预裂孔的参数设计 23

3.4.3装药量的计算 25

3.4.4中部拉槽钻爆爆破施工设计 25

图3-8 中部拉槽钻爆炮孔布置图 26

表3.8 中部拉槽爆破参数表 26

图3-9 中部拉槽炮孔装药结构图 26

3.4.5保护层开挖钻爆的参数计算 27

3.4.6光爆孔的参数设计 28

3.4.7保护层爆破施工设计 29

图3-10 保护层炮孔布置图 29

表3.9 保护层爆破参数表 29

图3-11 保护层炮孔装药结构图 30

3.5地下厂房第三层的开挖设计 30

图3-12 地下厂房第三层横剖面示意图 30

3.5.1中部拉槽梯段爆破的参数计算 30

3.5.2预裂孔的参数设计 32

3.5.3装药量的计算 33

3.5.4中部拉槽爆破施工设计 33

图3-13 中部拉槽钻爆炮孔布置图 33

表3.10 中部拉槽爆破参数表 33

图3-14 中部拉槽炮孔装药结构图 34

3.5.5保护层开挖的参数计算 34

3.5.6光爆孔的参数设计 35

3.5.7保护层爆破施工设计 36

图3-15 保护层炮孔布置图 36

表3.11 保护层爆破参数表 36

图3-16 保护层炮孔装药结构图 37

3.5.8岩台开挖的参数计算 37

3.5.9岩台开挖爆破施工设计 38

图3-17 岩台开挖炮孔布置图 38

表3.12 岩台爆破参数表 39

图3-18 岩台炮孔装药结构图 39

3.6地下厂房第四层的开挖设计 39

图3-19 地下厂房第四层横剖面示意图 39

3.6.1地下厂房第四层梯段爆破的参数计算 40

3.6.2预裂孔的参数设计 41

3.6.3装药量的计算 42

3.6.4地下厂房第四层爆破施工设计 42

图3-20 地下厂房第四层的炮孔布置图 42

表3.13 中部拉槽爆破参数表 42

3.7锚喷支护 43

3.7.1锚喷支护施工工艺流程 43

3.7.2厂房支护参数 44

第四章 主要施工设备与劳动力配置计划 45

4.1 主要施工设备配置 45

表4.1 地下洞室群开挖主要设备配置表 45

4.2劳动力配置 46

表4.2 地下洞室群开挖高峰期劳动力计划表 46

第五章 施工期安全监测 47

5.1监测的目的与意义 47

5.2断面布置 47

5.3量测项目、量测时间 47

5.3.1周边收敛 47

5.3.2拱顶下沉 47

5.3.3围岩位移 47

5.3.4锚杆轴力 48

5.3.5量测时间 48

表5.1 量测项目及量测时间 48

5.4监测数据整理、分析和反馈 48

参考文献 49

致谢 50

第一章 绪论

1.1发展现状

地下厂房是将厂房的主机室等建立在山体之中，在一些特定环境中有利于水工枢纽的布置，同时可以避开一些安全隐患，保证安全。我国大多数的水能资源都处于高山峡谷地区，尤其是西部地区，聚集了全国水电资源总量的四分之三，西部地区河谷峡窄，河流落差大，洪水流量较大，受到岸坡陡峭，河谷狭窄地形条件的制约，建设水电站采用地下厂房往往是最佳方案。近年来，我国在地下洞室工程理论研究、设计、施工、监测等方面的水平都有了较大的发展，地下厂房的设计、施工技术的发展与成熟，使其造价大大降低，施工速度加快，显示出它的极大优越性。同时地下厂房便于枢纽总体布置，可以缩短高压管道及竖井，与河床大坝施工无干扰，不受外界气候影响，有利于快速施工，也可改善水轮机的调节，没有岩石滑坡问题，避免了泄洪水雾和尾水波动的干扰。

因此，我们国家所开发的水电站多半数采用的是地下厂房。90 年代后动工的峡谷高坝如二滩、大朝山、江娅、棉花滩、小浪底、小湾、龙滩、溪洛渡、瀑布沟、水布娅等基本上都采用地下厂房设计方案。另一方面，在华北、华东及东南沿海地区，水电资源相对较少，这些地区的电网中主要以火电、核电为主，调峰能力差，电网运行不经济。建设抽水蓄能电站是解决问题的最好办法。这些抽水蓄能电站中，大多数建成地下式，水头较高，地下洞室群规模庞大，为其土建工程的主体。地下洞室群主要包括：引水隧洞、闸门井、地下厂房、母线洞、主变洞、尾调洞、尾水隧洞、排水洞、交通洞、通风洞等。国外也已建成一大批水工隧洞和水电站地下厂房，据不完全统计巳建隧洞长度在 10 km／上的有上百余条，其中水工隧洞占有相当大的比重。巳建大中型水电站地下厂房有500余 座以上，挪威占比重最大，日本已建成约35座。

1.2 地下厂房开挖施工特点

地下厂房的开挖属于大断面洞室开挖，在地下厂房的设计及施工中需要重视和解决一些重点问题。首先地下厂房洞室结构与地质条件复杂，高边墙、相邻洞室岩柱及顶拱开挖稳定问题突出，工程区裂隙较为发育，局部稳定性差；厂房开挖大多自上而下分层开挖，顶拱开挖对于工程工期、成本以及施工安全极为重要，一直都是施工过程中关键的工序，在开挖过程中首先开挖顶拱中导洞，中导洞开挖支护完成后再向两侧进行扩挖，顶拱层爆破采用光面控制爆破，当顶拱完全开挖并且支护完毕后，用台阶法开挖下一层，并及时做好该层的支护，开挖施工多采用钻爆法，必要时采用预裂爆破。

地下洞室群埋深较大，地应力较高，深埋洞段有可能出现岩爆。施工过程中，地下洞室群的高边墙及顶拱开挖稳定问题突出；同时，开挖过程中有可能发生岩爆、涌水、突水、突泥等地质灾害。如何加强地质预报、选择合理的施工程序和方法，是确保洞室稳定的重点。猴子岩电站引水发电系统地下洞室群布置紧凑、规模大、结构复杂、施工质量要求严格、施工强度高、通风散烟较困难。施工前规划便捷通畅的施工通道和排水、通风散烟路径是保证施工顺利进行的前提。

支护方面主要采用刚性及柔性支护，刚性支护多用于顶拱衬砌和岩体破碎的边墙衬砌，柔性支护主要用于围岩，在围岩的表面高压快速喷上钢筋网混凝土并且布置锚杆和锚索，使围岩形成自承拱来承担岩石开挖而重新形成的应力，以解决厂房边墙高、稳定性差的特点。

第二章 工程概况

2.1工程概况

地下厂房系统包括主机间、副厂房、安装间、主变室、尾调室等。地下厂房（包括主机间、安装间和副厂房）地表坡度35°～60°，水平埋深 280m～460m，垂直埋深400 m～630m。副厂房长25.9m，跨度26.6m，上下游边墙及外侧端墙高27.325m。主机间长142.6m，最大开挖跨度（吊车梁以上）29.7m，最大开挖高度74.425m。安装间长55.9m，跨度29.7m，上、下游侧边墙及内侧端墙高27.325m。

地下厂房系统地表地形坡度45°～60°，坡面基岩裸露，植被不发育。厂房水平埋深280m～510m，垂直埋深400 m～660m，地下厂房区出露基岩主要为泥盆系中厚层～厚层～巨厚层状，局部夹薄层状白云质灰岩、变质灰岩，岩层产状N50°～70°E/NW∠25°～50°。据勘探揭示，地表岩体风化卸荷较弱，强卸荷、弱风化上段水平深度2m，弱卸荷、弱风化下段水平深度52m～58 m，以里为微风化～新鲜岩体。

2.2工程地质条件

主厂房主机间置于泥盆系下统白云质灰岩、变质灰岩内，岩石新鲜坚硬，岩体以厚层状～巨厚层状结构为主，局部为中厚层状结构。裂隙优势方向有三组，多为刚性结构面，闭合、起伏、间距较大。根据岩体结构及构造发育情况，围岩初步分类为Ⅲ1～Ⅱ类，σsPD1 -5实测σ1最大值达36.43MPa，是高地应力区，考虑应力折减后，以Ⅲ1类为主，成洞条件较好。

顶拱的围岩类型是白云质灰岩、变质灰岩，围岩总体为Ⅲ1类，局部为Ⅳ类围岩，对顶拱的稳定性不利，需要采用相对应的支护处理措施。同时，中缓倾角的层面裂隙发育，与中陡倾角结构面组合在一起，会影响其稳定。

上游测边墙的围岩类型是白云质灰岩、变质灰岩，围岩总体为Ⅲ1类。但是由于地处在高地应力区域，开挖时候容易产生围岩的变形或者是破坏，需要我们注意，同时开挖时候会由随机裂隙组合形成的不利块体，因此需要我们采用相对应的支护。

下游侧边墙的围岩类型是白云质灰岩、变质灰岩，围岩总体为Ⅲ1类。与上边墙一样，由于高地应力的影响，在开挖时围岩可能会产生变形和破坏，需要我们注意并且进行支护措施。

外侧端墙和内侧端墙的围岩类型是白云质灰岩、变质灰岩，围岩总体为Ⅲ1类。但是由于地处在高地应力区域，开挖时候容易产生围岩的变形或者是破坏，需要我们注意，同时开挖时候会由随机裂隙组合形成的不利块体，因此需要我们采用相对应的支护。

安装间长55.9m，跨度29.7m，上、下游侧边墙及内侧端墙高27.325m。轴线方向为N61°W。该段置于泥盆系白云质灰岩、变质灰岩内，岩石新鲜坚硬，岩体以厚层状～巨厚层状结构为主。裂隙优势方向主要有三组：J1（层面裂隙）：N50°～70°E/NW∠40°～60°；J3：N10°～40°W/NE∠50°～80°；J5：EW/S（N）∠75°～80°，多为刚性结构面，闭合、起伏、间距较大。围岩以Ⅲ1类为主，局部断层及其影响带、挤压破碎带和裂隙密集带等为Ⅳ、Ⅴ类。

2.3施工重点、难点及对策

猴子岩电站引水发电系统地下洞室数量多，相互交错形成庞大复杂的地下洞室群。地下厂房结构尺寸大，主、副厂房及安装间全长219.5m，开挖最大跨度29.2m，总高度68.7m。

地下厂房洞室结构与地质条件复杂，其中稳定问题突出的是高边墙、相邻洞室岩柱及顶拱开挖，工程区裂隙较为发育，压力管道和尾水洞局部为Ⅳ类围岩，局部稳定性差；地下厂房是在高地应力区，深埋洞段有可能出现岩爆。施工过程中，地下洞室群的高边墙及顶拱开挖稳定问题突出；同时，开挖过程中有可能发生岩爆、涌水、突水、突泥等地质灾害。如何加强地质预报、选择合理的施工程序和方法，是确保洞室稳定的重点。

猴子岩电站引水发电系统地下洞室群布置紧凑、规模大、结构复杂、施工质量要求严格、施工强度高、通风散烟较困难。施工前规划便捷通畅的施工通道和排水、通风散烟路径是保证施工顺利进行的前提。

针对地下厂房工程的特点、重点和难点，采取以下主要对策：

选择合理的施工方法，正确处理好开挖与支护的关系。厂房顶拱层开挖采取中导洞先行，然后扩挖顶拱并支护后，再两侧扩挖跟进；厂房2、3层采取中部拉槽两侧预留保护层，拉槽前先对保护层进行施工预裂，预留保护层采取光面爆破；厂房4层采取梯段爆破，周边预裂爆破开挖。厂房顶拱锚杆和初喷混凝土紧跟开挖工作面，挂网和复喷混凝土滞后开挖作业面30m左右，与开挖平行作业；厂房各层支护伴随开挖适时进行，滞后开挖作业面10m左右与开挖平行作业，开挖一层支护一层。

针对各洞室的体型特点、地质条件、相互位置，采取综合措施，确保地下洞室围岩的稳定。地下洞室开挖采用光面爆破、预裂爆破技术，且严格控制单响药量，减少爆破振动对围岩的影响，确保开挖轮廓准确，减小围岩应力集中。

对不良地质洞段的施工，严格按照“新奥法”原理进行，根据不同地质情况和部位，采取“超前预测、超前支护、短进尺、弱爆破、少扰动、早封闭、强支护、勤量测”等措施。

加强围岩原型观测，建立安全预报制度。开挖过程中，及时埋设各种观测仪器，记录初始数据，及时分析整理观测数据，进行爆破振动监测，用以指导施工，调整开挖程序及钻爆参数，减轻开挖爆破对围岩的影响。

岩壁吊车梁开挖采取预留保护层，保护层采用手风钻进行垂直和仰孔光面爆破，严格控制岩壁及岩台面无欠挖，超挖值不超过设计规定；岩壁开挖前，根据施工图纸及监理人的要求完成岩台斜面下拐点以下的两排预加固锚杆。

第三章 地下厂房爆破施工和支护组织设计

3.1钻爆开挖施工介绍

3.1.1钻爆法开挖施工工序与特点

3.1.1.1钻爆法开挖施工工序

爆法隧洞开挖施工工序包括:准备、布眼、钻孔、装药、填塞、爆破、通风、处理悬石、排碴。

3.1.1.2钻爆法开挖施工特点

1. 受到内外环境因素影响例如湿度、温度和地下水等，钻爆施工条件不好，同时爆破的作业面受到限制，施工时候存在不安全因素；
2. 爆破效果受爆破时的临空面影响;
3. 钻孔质量要求较高，爆破后的断面必须符合设计要求，超欠挖量不能过大;
4. 由于地下工程的造价高、维修不方便，因此施工过程中，应确保工程质量，尽量减少爆破作业对围岩的破坏，以确保围岩的完整。

3.1.2地下工程开挖方法

地下工程开挖按开挖顺序可分为全断面开挖法和断面分部开挖法。

3.1.2.1全断面开挖法

全断面开挖适用于坚固而不需要临时支撑的地层中(f≥8~10)或允许在出碴后及时进行临时支撑的稳定岩层中。它是在整个断面上一次钻孔爆破开挖成洞，待全洞贯通以后或掘进相当距离以后再进行衬砌或支护施工，并视围岩开挖后允许暴露时间和总的施工安排而定。

全断面开挖的工作面较大，能够使用大型的机械施工，提高了工作效率，也加深了钻孔的深度，提高了爆破效果，同时它的施工组织简单，运输方便，减轻了准备工作量和减少了一些工序。

其缺点是要对场地进行地质勘察，需要大型钻孔机械和装渣运输设备，爆破后的拱顶和边墙的清理比较困难。

3.1.2.2断面分部开挖法

断面分部开挖法一般采用在不太坚固的岩层。他的特点是将整个断面分层几个区域来开挖，首先开挖断面的一部分，再扩大到整个设计断面。他的特点在于分区开挖，爆破时的自由面会增多，同时也能够提高爆破效果。

在施工组织设计中，比较常用的方法有台阶法和导洞开挖法。

3.2地下厂房总体施工

图3-1 地下厂房横剖面分层开挖示意图

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