CN101655001A - 水电站地下厂房岩壁梁开挖钢管钻孔样架及施工方法 - Google Patents

Abstract

水电站地下厂房岩壁梁开挖钢管钻孔样架及施工方法。样架有支撑、导向排架和操作平台；支撑排架至少设一端固定于岩层的两层水平支撑层；至少设底端固定于地面的一层竖向和斜向支撑层；每层由纵向等距排布的钢管固定形成。至少设一列导向排架，每列由两根纵向连管、按钻孔间距排布的导向管和扣件连接形成；导向管内设外管和内管，内管内孔装钻杆，导向管中心线与设计炮孔中心线一致。操作平台由水平和竖向钢管排布固定后形成。除内管外全部用φ48mm无缝钢管。本样架取材及结构简便、施工简捷、稳定性好和钻孔精度高，开挖质量优良：创造了岩台平均超挖2.9cm、光爆孔半孔率近100％、不平整度0～4cm的最高指标。用于水电站地下厂房岩壁梁开挖或类似复杂轮廓、爆破成型要求高的钻孔施工。

Description

水电站地下厂房岩壁梁开挖钢管钻孔样架及施工方法

(一)技术领域：

本发明涉及一种水电站地下厂房岩壁梁开挖钢管钻孔样架，属水利工程地下挖掘构筑物类(EO2D)。

(二)背景技术：

岩壁梁是地下厂房施工和运行的核心建筑物。它是通过一定深度的注浆锚杆将钢筋混凝土梁固定在地下厂房两侧的形似“牛腿”的岩壁上，吊车荷载是通过注浆锚杆和钢筋混凝土与岩石接触面的摩擦力传到岩体上，形成岩壁梁和岩体共同受力的结构。岩壁梁充分利用了围岩的自身承载能力，是桥式起重机运行时的先进的新型受力结构，具有受力情况好、结构构造简单、不需要设吊车柱、减小地下洞室尺寸、节省工程量，工期短、经济效益显著等一系列优点。岩壁梁开挖轮廓复杂，其开挖质量是岩壁梁成败的第一关键要素。岩壁梁开挖具有开挖质量要求高、工艺要求严格、施工难度大等特点，是地下厂房系统开挖的重点和最难点。决定岩壁梁开挖质量的最关键工序是钻孔施工！因此开发满足岩壁梁开挖钻孔施工质量要求的岩壁梁开挖钢管钻孔样架便提上日程。

(三)发明内容：

本发明提出的水电站地下厂房岩壁梁开挖钢管钻孔样架及施工方法，其目的是提供一种钻孔样架稳定性好、钻孔精度高，确保岩壁梁开挖质量优良。

采用的技术方案如下：

水电站地下厂房岩壁梁开挖钢管钻孔样架，其特征是

1)钻孔样架由钢管制作，包括支撑排架、导向排架和操作平台；钢管间均用扣件连接固定；2)支撑排架沿竖向Z至少设两层水平支撑层3，沿横向Y至少设一层竖向支撑层4和一层斜向支撑层5，每层水平、竖向和斜向支撑层内均分别由沿纵向X等距分布的若干水平横向钢管、竖向钢管和斜向钢管相互连接固定形成；至少有两层水平支撑层的钢管一端埋入岩层内固定；竖向和斜向支撑层钢管底端均埋入地面内固定；或者增设支撑纵向连管连接固定各支撑层若干纵向排布钢管；3)支撑排架上沿横向Y致少固定一列导向排架1A、1B，每列导向排架内有两根导向架纵向连管1.2、在上面按钻孔间距t等距排布的若干根横向导向管1.1和用扣件1.3连接固定形成；每根导向管内设有外部的外管1.13和插入并固定于外管的内管1.11，每根内管内孔装有钻杆10，钻杆后端与钻杆驱动装置10.1连接；导向排架通过两根导向架纵向连管1.2放置和固定在两层水平横向钢管上，其固定位置为导向管中心线与被开挖岩层的设计炮孔中心线6、7、8、9、10一致；4)操作平台采用由若干水平横向钢管2.1和竖向钢管2.2沿纵向X等距分布并相互连接固定后形成独立的操作平台2A；或者采用与支撑排架有共用支撑钢管而形成的共用操作平台2B；竖向钢管底端埋入地面岩层内固定；每个操作平台2A，2B位置与导向排架1A、1B位置相配合。

对上述钻孔样架具体的优化特征，如钢管规格、导向排架安装位置、操作平台的结构及钻孔样架施工方法等在后面结合附图详述。

本发明有益效果：

1)取材及结构简便：本钻孔样架，采用钢管的规格为φ48mm、φ33.7mm、φ38mm均为常规规格，实现了十分方便的就地取材。结构仅需设支撑、导向和操作平台三部分用扣件连接，结构简单。2)施工简便：施工时导向排架可以在下面施工平地上安装制作成整体，再找好位置，整体固定于支撑排架上即可。用扣件连接固定、调整位置和钻孔施工完拆架等均十分方便。3)施工稳定性好：支撑排架采用水平、竖向和斜向或增设纵向连管等进行支撑，一端固定于岩层中；导向排架也有纵向连管，且钢管均采用直径φ48mm、壁厚3mm，因此整个样架稳固，稳定性好。3)钻孔精度高：由于导向管设计了内、外管和其中的内管套结构，钻杆晃动受到约束，减少钻孔对中偏差，实现钻孔精度高。4)导向钢管等距排布，保证了钻孔均匀。5)超前挖易控制：由于导向管中心线位置严格为设计炮孔中心线，其角度选择优化，防止欠挖，实现超前挖极易控制。6)由于样架稳定，钻孔均匀，实现开挖面不平整度极小。7)综上所述，本专利自行设计的钢管钻孔样架，并规范了钻孔施工方法，提高了钻孔精度，确保了开挖质量优良，创造了岩台平均超挖2.9cm(设计可允许超挖20cm)、光爆孔半孔率近100％(技术规范可允许20％～80％)、不平整度0～4cm的指标(质量规范可允许+15cm)，达中国企业新纪录和国际领先水平！

(四)附图说明：

图1实施例1钻孔样架侧视图(坐标竖向Z和横向Y构成的平面视图)；

图2实施例1中一个导向排架1A侧视图(见图1中1A)；

图3实施例1和实施例2中一个导向排架1A、1B正视图(坐标竖向Z和纵向X构成的平面视图，即图2中K₂方向和图9中K₉方向视图)；

图4图3中一个导向管1.1装配图；

图5图4中内管1.11组件图(带内管套1.12和支撑板1.16)；

图6图4中外管1.13组件图(带螺母1.14)；

图7实施例1支撑排架沿纵向X分布示意图和三个导向排架示意图(即图1K₁向视图)；

图8实施例2钻孔样架侧视图(坐标竖向Z和横向Y构成的平面视图)；

图9实施例2中一个导向排架1B侧视图(见图8中1B)；

图10实施例2支撑排架和操作平台2B沿纵向X分布示意图(即图8K₈向俯视图)；

图11本实施例1、2所述电站地下厂房总的开挖分区图；

图12图11中第III₅、III₂₃、III₃、III₄、III₆区开挖钻孔角度控制图。

(五)具体实施方式：

见图11，地下厂房中保护层分为第III₅(包括III₂₃₎、III₂、III₃、III₄、III₆五区，开挖按序号进行。开始在第III₅区上方地面搭设竖向钻孔样架和钻孔(见本实施例1)随后便进行第III₂、III₃、III₄区的钻孔爆破开挖(见实施例3，第III2区不设样架)，开挖出地面高程到281.120m时，开始搭设斜向钻孔样架，对斜面岩台第III₂₃区钻孔，并利用斜向钻孔样架竖直向上延伸至高程288.12m对第III₅区放药爆破开挖(见本实施例2)，完成后，最后开挖下方第III₆区(见实施例3)。见图12，厂房中上拐点O₅，其上方OO₅段为上直墙，O₅O₂段为斜面岩台，O₂为下拐点；O₂O₃，O₃O₄，O₄O₆段均为下直墙。上拐点处可超挖5cm，下拐点处可欠挖3～4cm，，为便于下层开挖有操作空间，下直墙每层考虑10～12cm超挖，具体角度控制，见各实施例。

实施例1：见图1～图7，图11～图13。竖向钻孔样架用于竖向光爆孔。

见图1、图11和图12，本实施例1是为了建造岩壁梁暴破开挖地下厂房中第III₅区上方(除第III₂₃区外)而采用的竖向钻孔样架。开挖区处于厂房高程(Z向)286.060m至288.12m之间，横向Y宽By＝85cm。样架搭设在第III5区正上方高程288.12m地面6B上，上方的侧岩层为工作面6A。岩层纵向X长度一般为一个样架纵向长度X_A(见图7)的4～5倍，因此，钻孔样架施工沿纵向需进行4-5个循环。

见图1，每件钻孔样架由支撑排架、导向排架和操作平台组成，支撑排架设有沿竖向Z设上、下两层水平支撑层3，沿横向Y设一层竖向支撑层4和一层斜向支撑层5。见图7，每层水平支撑层、竖向支撑层和斜向支撑层沿纵向X均分别排布若干等距T(间距T为2.1m)的水平横向钢管3A、竖横向钢管4A和斜向钢管5A，各钢管交叉处用扣件连接固定。水平横向钢管3A前端均插入侧岩层工作面6A内固定，埋入深度l₃＝20cm。在侧岩层6A内可增设支撑纵向连管3a。见图1，竖向和斜向支撑层内竖向和斜向钢管底端均埋入地面6B，深度5cm，斜向支撑层水平倾角β₅＝50°。支撑排架所有钢管均采用直径为φ48mm，壁厚为3mm的无缝钢管。下方水平支撑层3高h₃₁＝30cm，两层中心线距h₃₂＝60cm，竖向支撑层4与第1导向排架间距b4＝95cm。

见图1，图7，支撑排架上沿横向Y固定三列钻竖向孔的导向排架1A₁、1A₂、1A₃，相邻列间距分别为t₁₁＝40cm和t₁₂＝45cm。见图2，图3，每列导向排架1A由两根导向架纵向连管1.2和在上面按钻孔间距t等距排布的若干根横向导向管1.1用扣件1.3连接固定形成，钻孔间距t：第1列导向排架1A₁取t＝30cm，第2列导向排架1A₂取t＝60cm，第3列导向排架1A₃取t＝45cm，每根导向管长约为80cm。见图4，每根导向管1.1内设有外部的外管1.13(外管外径φ48mm/内径φ42mm无缝钢管，长度为794mm)其内插入有内管1.11(内管外径φ33.7mm/内径φ25mm无缝钢管，长度为950mm)；见图5，内管两端共装两个内管套1.12(外径φ38mm)，内管上顶端焊接固定一块有中心孔和周边孔的的支撑板1.16；见图6，每根外管1.13上端外壁焊接固定两个螺母1.14(M10)；见图4，每根内管内孔装有钻杆10，下端为钻头10.2，钻杆上端1.17与钻杆驱动装置气腿站10.1连接。带支撑板和内管套的内管插入外管后，，用两个螺拴1.15穿过支撑板周边孔旋入螺母1.14，将内、外管固定成为一根导向管。见图1，图7，导向排架1A均通过自身两根导向架纵向连管1.2放置和固定在两层水平支撑层3的水平横向钢管3A上，其固定位置按导向管1.1中心线与设计炮孔中心线6(即竖向光爆孔中心线6)一致。见图12，上拐点O₅超挖量Δ₆取为5cm，再下降Δh₆＝5cm，便确定M₆点，OM₆线即为设计炮孔中心线6，它与上直墙OO₅段夹角为超挖方向转β₆＝1.39°

见图1，独立操作平台2A为图1虚线所示，由若干水平横向钢管2.1和两层竖向钢管2.2沿纵向X等距T分布相互连接固定后形成；竖向钢管2.2埋入地面7B，深度5cm。操作平台2A顶面位置在导向排架1A上方，以便于安装导向排架1A、钻孔等。

本实施例1钻孔样架的施工方法，包括如下步骤：

1)工作面6A虚渣清理；测量欠挖检查；欠挖处理；处理后清理石渣、松动岩块；最后用高压风吹干净工作面。2)测量设计炮孔中心线6位置(按β₆＝1.39°确定)，然后用风钻预开炮孔，孔深3～5cm；3)测量放水平横向钢管3A孔位φ48mm，钻φ50mm孔，孔深20cm。测量放竖向钢管4A和斜向钢管5A的孔位φ48mm，钻φ50mm孔，孔深5cm；安插水平横向钢管、竖向钢管和斜向钢管。4)测量上述设计炮孔中心线6位置，按此位置确定导向排架1A₁在水平横向钢管3A上的固定点1a位置，由t₁₁和t₁₂确定导向排架1A₂、1A₃固定点位置。5)制作带支撑板的内管和带螺母的外管；将钻杆插入内管，随后固定好钻头10.2，最后一并插入外管，用螺栓1.15旋入螺母1.14，使内、外管固定，制作好若干根导向管1.1，并按纵向X钻孔间距t＝30，60，45mm等距排布于两根导向架纵向连管1.2上，全部用扣件连接固定成三个不同钻孔间距t的导向排架1A₁、1A₂、1A₃。6)将三个导向排架放于上述固定点，同时搭设与导向排架相配合的独立操作平台2A。7)测量校核导向排架1A至设计炮孔角度β₆，并书面提供每孔钻杆10长度；8)钻孔、吹孔、验孔；9)拆钻孔样架；10)进入下一循环。

实施例2：见图8～图10，图3～图6，图11～图13。斜向钻孔样架用于斜向光爆孔。

见图8、图12，本实施例2钻孔样架是为了暴破开挖地下厂房中斜面岩台III23而采用的，斜面岩台处于厂房高程284.570m至286.060m之间，岩台斜面O₅O₂与竖向Z的夹角β为33°，上、下直墙横向宽B＝100mm。样架搭设地面在高程281.12mm面7B上，工作面为下方的侧岩层面7A。

本实施例2斜向钻孔样架组成如下：

见图8，支撑排架设有沿竖向Z从上至下四层水平支撑层3，即水平支撑层3.1、3.2、3.3、3.4，其中水平支撑层3.1和3.4的水平横向钢管埋入侧岩面7A内固定；其中水平支撑层3.2和3.3用于支撑斜向导向排架1B。即斜向导向排架1B的两根导向架纵向连管1.2分别连接固定于水平支撑层3.2和3.3上。支撑排架沿横向Y设两层竖向支撑层4和一层斜向支撑层5。竖向和斜向支撑层内竖向和斜向钢管底端均埋入地面7B，深度5cm。水平支撑层3.4上设支撑纵向连管3.4B用以连接加强。各水平支撑层间竖向Z距离：h₁＝17.7cm、h₂＝20cm、h₃＝32.3cm、h₄＝115cm、h₅＝70cm、h₆＝90cm；竖向和斜向支撑层横向Y距离：b₁＝13cm、b₂＝42cm、b₃＝261cm。见图10，每层水平支撑层、竖向支撑层和斜向支撑层沿纵向X均分别排布若干等距T为2.1m的水平横向钢管3B(图10中为3.1B)、竖向钢管4B和斜向钢管5B，各钢管交叉处用扣件连接固定。

见图3，斜向导向排架1B沿纵向X的排布方式与实施例1相同，间距t为35cm。见图9，不同的是斜向导向排架1B在支撑排架上导向管中心线安装角度为竖向倾角β₇＝35.94°。其水平倾角为α₇＝90°-β₇°＝54.06°。见图12，下拐点O₂欠挖量Δ₇取为3cm(一般可取3-4cm)，便确定M₇点，连接M₆M₇线即为设计炮孔中心线7(即斜向光爆孔中心线7)，它与上直墙OO₅段夹角为β₇＝35.94°比斜面岩台倾角β＝33°增大2.94°。见图4、图5、图6，每根导向管1.1的结构与实施例1完全相同。这里不再重复描述。

见图8，操作平台2B与支撑排架共用两层竖向支撑层4，同时又设了一层竖向钢管2.2支撑，竖向钢管2.2底端均埋入地面5cm岩层内固定；水平横向钢管2.1的一端埋入岩层7A内固定，并设四根纵向连管2.3连接加强。操作平台2B位置与导向排架1B位置相配合，便于安装导向排架1B和钻斜孔等。

见图8上方虚线所示：两层竖向支撑层4向上延伸，增设三层水平支撑层3.5、3.6、3.7，且最顶上增设一新功能的操作平台2C，用于开挖第III5岩层钻孔后放药等功能，可使钻孔样架一架多能。增设的三层水平支撑层上需设支撑纵向连管3.5B、3.6B、3.7B、3.8B。

本实施例2钻孔样架的施工方法，各步骤中与实施例1不同之处如下(相同的内容省略)：

1)工作面为7A 2)设计炮孔中心线为7，其位置按β₇＝35.94°确定。4)测量设计炮孔中心线7位置，按此位置确定导向排架1B在水平横向钢管3B上的固定点1b。5)制作导向排架1B，若干根导向管1.1钻孔间距t＝35mm。6)将一个导向排架1B放于上述固定点1b，同时搭设与导向排架1B相配合的操作平台2B。此实施例2同时使两层竖向支撑层4向上延伸，搭建增设的三层水平支撑层和新功能的操作平台2C以及四根支撑纵向连管。

实施例3：见图12，开挖第III₃区、第III₄区和第III₆区，这三层开挖钻孔样架均是钻竖向孔，其钻孔样架结构与实施例1竖向钻孔样架相同，不同的有导向管1.1中心线分别为设计炮孔中心线8、9、10，均为竖向爆光孔中心线8、9，10。为便于下层开挖有操作空间，每层可考虑超挖10-12cm。下直墙O₃ O₄ O₆点处分别超挖Δ₈＝10cm，Δ₉＝12cm Δ₁₀＝12cm，分别获得M₈、M₉和M₁₀点，并取O₃O₈为5cm，O₄O₉为7cm，获得O₈、O₉两点；连接斜线M₇M₈、O₈M₉和O₉M₁₀即为竖向爆光孔中心线8、9，10。

Claims (7)

1.水电站地下厂房岩壁梁开挖钢管钻孔样架，其特征是

1)钻孔样架由钢管制作，包括支撑排架、导向排架和操作平台；钢管间均用扣件连接固定；2)支撑排架沿竖向Z至少设两层水平支撑层(3)，沿横向Y至少设一层竖向支撑层(4)和一层斜向支撑层(5)，每层水平、竖向和斜向支撑层内均分别由沿纵向X等距分布的若干水平横向钢管、竖向钢管和斜向钢管相互连接固定形成；至少有两层水平支撑层的钢管一端埋入岩层内固定；竖向和斜向支撑层钢管底端均埋入地面内固定；或者增设支撑纵向连管连接固定各支撑层若干纵向排布钢管；3)支撑排架上沿横向Y致少固定一列导向排架(1A、1B)，每列导向排架内有两根导向架纵向连管(1.2)、在上面按钻孔间距t等距排布的若干根横向导向管(1.1)和用扣件(1.3)连接固定形成；每根导向管内设有外部的外管(1.13)和插入并固定于外管的内管(1.11)，每根内管内孔装有钻杆(10)，钻杆后端与钻杆驱动装置(10.1)连接；导向排架通过两根导向架纵向连管(1.2)放置和固定在两层水平支撑层(3)上，其固定位置为导向管(1.1)中心线与被开挖各区设计炮孔中心线(6、7、8、9、10)一致；4)操作平台采用由若干水平横向钢管(2.1)和竖向钢管(2.2)沿纵向X等距分布并相互连接固定后形成独立的操作平台(2A)；或者采用与支撑排架有共用支撑钢管而形成的共用操作平台(2B)；竖向钢管(2.2)底端埋入地面内固定；每个操作平台(2A，2B)位置与导向排架位置相配合。

1.按权利要求1所述钻孔样架，其特征是内管(1.11)外轴向套两个内管套(1.12)；外管(1.23)直径为Φ48mm、内管直径为Φ33.7mm、内管套直径为Φ38mm；内管后端设开有中心孔和周边孔的支撑板(1.16)，内管通过中心孔插入外管，用螺拴1.15与固定于外管的螺母1.14螺纹连接，将内管和外管连接固定为一体。

3.按权利要求1所述钻孔样架，其特征是所述支撑排架和操作平台所有钢管、导向排架导向架纵向连管(1.2)和外管(1.13)均采用直径为Φ48mm的无缝钢管。

4.按权利要求1所述钻孔样架，其特征是所述设计炮孔中心线(6、7、8、9、10)分为第III5、III3、III3、III4、III6区光爆孔中心线，与竖向Z往超挖方向夹角分别为β6＝1.39°、β7＝35.94°、β8＝3.91°、β9＝2.59°、β10＝1.43°。

5.按权利要求1所述钻孔样架，其特征是支撑排架向上延伸并增设新功能的操作平台(2C)。

6.按权利要求1所述钻孔样架，其特征是共用操作平台(2B)与支撑排架共用竖向钢管层(4)，自身的水平横向钢管(2.1)的一端埋入侧岩层内固定；且增设有加强的纵向连管(2.3)。

7.按权利要求1所述水电站地下厂房岩壁梁开挖钢管钻孔样架的施工方法，其特征是该方法包括如下步骤：1)工作面(6A、7A)虚渣清理；测量欠挖检查；欠挖处理；处理后清理石渣、松动岩块；高压风吹干净工作面；2)测量设计炮孔中心线(6、7、8、9、10)位置，然后用风钻预开炮孔，孔深3～5cm；3)测量放水平横向钢管、竖向钢管和斜向钢管的孔位；钻相配合的孔，孔深5～20cm；安插水平横向钢管、竖向钢管和斜向钢管；4)测量上述设计炮孔中心线位置，按此位置确定导向排架在水平横向钢管上的固定点(1a，1b)；5)制作带支撑板和内管套的内管(1.11)和带螺母的外管(1.13)；将钻杆(10)插入内管，随后固定好钻头，最后一并插入外管，用螺栓(1.15)旋入螺母(1.14)，使内、外管固定，制作好若干根导向管(1.1)，并按钻孔间距t等距排布于两根导向架纵向连管(1.2)上，全部用扣件(1.3)连接固定成导向排架；6)将导向排架放于上述固定点，同时搭设与导向排架位置相配合的操作平台(2A、2B)。7)测量校核导向排架至设计炮孔角度，并书面提供每孔钻杆长度；8)钻孔、吹孔、验孔；9)拆钻孔样架；10)进入下一循环。

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