1 工程概况
河床式发电厂房分为安装间、挡水坝段、厂房机组段、进水渠、尾水渠五个部分。开挖最低高程为153.75m，最大高差为24.25m。左右翼墙和发电厂房土石方开挖总量为50.851万方。其中石方34.628万m3。尼尔基地区冻土多年平均最大深度2.10m，最大深度2.51m。冰冻的最大厚度1.52m，最小厚度0.78m，平均厚度1.12m。发电厂房基础岩石特性为花岗闪长岩，节理裂隙发育，岩石完整性较差,岩石坚固系数f=10～12，级别为X级。主坝与厂房连接翼墙长129.38m，宽为28.45m。建基面高程173.50m，开挖高度为4.5m。厂房与右副坝连接翼墙长143.65m，宽100.78m，开挖高差20m。
2 开挖技术措施
2.1施工特点
厂房基坑覆盖层剥离岩石开挖在零下-34.4℃的严寒下进行，设备选型、爆破参数控制、开挖出渣道路布置必须适应于严寒气候条件；由于厂房结构复杂，采用预裂控制爆破技术控制建筑物轮廓边线；为加快开挖进度，保护层开挖采用液压钻机造孔，大幅度提高钻孔效率；厂房上下游预留门机岩台，控制爆破要求严格；由于原厂房围堰渗水严重，火工材料防水性能要求高；厂房基础形状复杂，基础高差大，出渣道路布置要求严格；开挖石方粒径有严格要求，爆破参数经过多次试验确定，严格控制钻爆施工。
2.2施工方法
2.2.1冰层和冻土开挖
厂房基础覆盖层为腐植土和砂砾（卵）料，开挖正值冬季，围堰渗水漫过基坑，河床结了一层0.9m厚的冰层。冰层剥离后，下面的砂砾料迅即又冻结成冻土层。基坑结冰层底部为未冻的沙砾层，挖掘机械不能直接进入基坑内作业，因此破冰采用垫渣进占法进行开挖。垫渣进占方法:首先用1.3m3日立反铲将冰区破解一角，随后用大容量装载机将破冰处迅即回填碎石或腐植土，填层高出冰面1.0m左右，反铲在前面破冰开道，装载机紧随回填形成高出冰面的施工通道，冰面通道形成以后，自卸汽车可以沿通道将碎冰运出。破冰的同时设置潜水泵将冰面以下积水及时排除，避免冰下积水冻结成冰，增加反复破冰作业量。
2.2.2冻土开挖爆破参数选择
基坑右侧台地上存在2m厚的冻土层，该部分冻土层采用松冻爆破法开挖。采用TOMROCK500液压钻机钻取Ø80mm孔，炸药采用4#硝胺防水炸药，药卷直径Ø60mm，非电毫秒塑料导爆管微差起爆，冻土采用松动爆破，钻孔采用TOMROCK-500型液压履带式钻机钻孔，钻孔直径80mm，孔间距1.8m，排距1.8m，炸药采用4#岩石抗水硝铵炸药,单耗药量0.54kg/m3,非电毫秒塑料导爆管网络起爆。冻土爆破程序如下:确定冻土范围→布孔→钻孔→装药爆破。
2.3 石方开挖
发电厂房石方开挖采取分区、分层开挖的原则，考虑混凝土浇筑及合同工期的需要，以安装间为先，自左向右进行开挖。同时考虑混凝土垂直运输设备的安装及运行需要，在进水渠、尾水渠预留门机轨道基础岩台。厂房基坑岩石开挖最大高差为29.45m，根据开挖设备性能并充分考虑了进水渠、尾水渠预留门机岩台开挖质量厂房开挖采用梯段分层开挖。分层情况见图1。厂房基坑石方开挖从4＃机组段开始，先在4#机部位开挖出先锋槽，然后向3#机组和安装间方向分两个工作面进行梯段爆破开挖。基坑内开挖到156.27m建基面后，开挖检修廊道，廊道边线采用光面爆破，廊道和集水井内部进行掏槽爆破分层开挖。
2.3.1 预裂爆破
为确保厂房建筑物基础岩石的完整性，减少超挖及混凝土回填量，梯段爆破开挖前，对设计开挖边线先进行预裂爆破，用液压钻机钻孔。预裂爆破施工程序如下：钻孔场地平整→布孔测量→钻孔→药串加工→装药→堵塞→网路→连接起爆。
表2 预裂钻爆参数表
梯段高度
孔深
孔径
孔距
药卷
直径
线装药
密度
底部装药
单孔
药量
堵塞
长度
钻孔
角度
装药量
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
先锋槽爆破开挖：在4#机部位采用液压钻机钻楔形掏槽孔，爆破成一长45m、宽22.2m、深6.0m的先锋槽。利用此先锋槽，分别向3#～1#机组和2＃～1＃安装间方向分两个工作面采用自上而下分层梯段钻爆开挖。梯段爆破采用液压钻机钻孔,爆破施工程序如下：场地平整→测量放线→布孔→钻孔→装药连网爆破。梯段爆破装药结构采用连续柱状装药，采用4#岩石抗水硝铵炸药，药卷直径Ø60mm。
采用2#岩石销铵炸药和4#岩石抗水硝铵炸药。炮孔按中宽孔距、梅花型布孔。为防止爆破对设计边坡的振动破坏，在靠近预裂面的一排炮孔的装药量拟定为其它梯段爆破孔装药量的70～80%，距预裂面1.5～2.0m布孔。为提高爆破质量、降低石渣的大块率，炮孔的装药结构采取连续柱状装药方式。梯段爆破钻爆设计参数见表4
表3 梯段爆破钻爆参数表
梯段高度
炮孔直径
炮孔深度
药卷直径
孔距
排距
单孔药量
堵塞长度
单位耗
药量
超钻深度
钻孔倾角
(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 保护层开挖
水工建筑物基础预留保护层开挖，是控制建基面开挖质量的关键，也是控制工期、提高经济效益的重要的环节。按规范规定，当保护层以上用梯段爆破开挖时，对节理较发育的中硬岩石，预留保护层应为上部梯段竖向孔药卷直径的30倍，对于坚硬岩石，相应值为20～25倍，SDJ211-83中有关条款规定，在距水工建筑物基建面1.5m以内用手风钻钻孔，浅孔火炮分层开挖。1994年新规范对保护层开挖，去掉了上述规定，允许试验成功的基础上，采用新方法进行开挖。在三峡工程、岩滩工程等重大项目施工中，近几年提出了一些新办法、新工艺，创造了很好的经验：
1)对2～3m 保护层，可用手风钻钻Ø45mm孔，孔深2～3m，单孔装药1.5～2.5kg，孔底设柔性材料垫层20cm，孔网1.5×1.6m，装Ø32mm药卷，非电雷管起爆。爆后选择典型部位测定基岩波速降低值，均符合要求。
2)对3~5m保护层，用全液压钻机钻Ø76mm，孔深3~5m，药卷直径Φ45mm，单孔装药8~16kg，孔底垫柔性材料垫层20cm，孔网2m×2m-2m×3m2,不连续装药，用导爆索配合非电雷管起爆，爆后选择典型部位测定基岩波速降低值，均符合要求。
3)柔性材料可用泡沫塑料、锯末、竹筒；在水孔中，需用两头封闭的竹筒。
4)岩滩水电站用Ø150mm钻孔，装Ø130mm药卷，进行开挖，在临近建基面保护层处孔底装Ø55~75mm药卷，使预留保护层厚度由2.5~3.5m减少到1.0~1.5m(20~25倍药径)。对预留保护层用手风钻或快速液压钻钻孔，一般钻到建基面，对不允许欠挖部位超钻10~15cm。孔底填柔性材料，柔性材料上装Ø32mm药卷，如需要在Ø32mm药卷上部装Ø55mm药卷，用非电毫秒雷管排间延迟起爆，一次爆到建基面，质量符合要求，施工速度较常规法3倍，创造了月最大验收面积29750m2的国内先进水平。
尼尔基厂房保护层开挖爆破参数选择
借鉴三峡和岩滩工程保护层开挖经验为了验证用液压钻机钻钻Ø80mm中孔进行保护层开挖的爆破效果，根据多次钻爆试验，最终确定的保护层开挖爆破参数如下：用TOMROCK500液压钻机钻Ø80mm孔，一次钻至建基面，孔底回填20cm河沙或岩屑柔性垫层，孔网1.0m×0.8m，钻孔倾角60°，装Ø32mm药卷，不连续装药，底部加强装药，非电毫秒延期雷管微差起爆。建基面欠挖的部位采用日立反铲冲击锤进行开挖。
采用2#岩石销铵炸药和4#岩石抗水销铵炸药，导爆管起爆。保护层开挖钻爆设计参数见表4。
表4 保护层开挖钻爆参数表
台阶
高度（m）
孔径(mm)
孔深(m)
钻孔角度(°)
孔距(m)
排距(m)
堵塞
长度(m)
单孔装药量(g)
单位耗药量(kg/m3)
1.5
80
1.88
60
1.0
0.8
0.5
600
0.45
3保护层开挖爆破质量控制
3.1宏观调查和地质描述方法判爆破破坏的标准
有下述情况之一时，判断为爆破破坏：
1)发现爆破裂隙，或裂隙频率、裂隙率增大(产生爆破裂隙和裂隙率都会增大；原有的裂隙张开，也会使裂隙率增大) 。
2)节理爆破裂隙面、层面等弱面张开(或压缩)、错动。
3)地质锤锤击发出空声或哑声（从地质锤锤击时发声状况进行判，一般新鲜，完整的岩体，发声清脆，频率高；被爆破振松的岩体，发出空声或哑声、频率较低）。
3.2弹性波纵波速观测方法判断爆破破坏或基础岩体质量的标准
同部位的爆破后波速(CP2)小于爆破前波速(CP1)，其变化率η为：η=1-( CP2/ CP1)当η>10%时判为爆破破坏或基础岩体质量差。
若只在爆后观测，可用观测部位附近原始的波速作为爆破前波速，也可以观测资料的变化趋势和特点判断。
4 石渣块径的控制
发电厂房石方开挖渣料作为上坝料和人工骨料粒径要求为上坝料粒径60cm，人工骨料粒径58cm，为此在开挖过程中必须严格控制钻爆质量。
首先在爆破参数的设计时必须充分考虑开挖渣料的料径要求，再根据开挖部位的工程地质条件进行钻爆参数的设计，在进行正式钻爆施工之前，先进行爆破试验根据爆破效果及时调整修正钻爆参数使爆破达到比较好的效果，特别是满足上坝料和人工骨料的粒径要求。
5 预留门机岩台控制爆破施工
厂房进水渠和尾水渠预留门机岩台爆破开挖采用预留岩埂和距岩埂3.5m范围进行控制爆破的方案进行开挖。
5.1尾水渠岩台开挖爆破试验
根据工程类比法推算发电厂房门机预留岩台允许的最大一次单响药量。根据白山电站栈桥墩开挖爆破取得的爆破经验公式v=100Q0.75/R2,推算自尾水闸墩墩头0+047.50桩号往下游9.18m范围为爆破控制区，爆破控制区范围内的岩石开挖采用控制爆破技术，控制区以外的范围，单响爆破药量可以逐步提高，根据计算结果可以得出桩号0+065.80m以上的区域为常规浅孔梯段爆破开挖区。
5.2浅孔梯段爆破设计参数
表5浅孔梯段爆破钻爆参数
梯段高度
炮孔
直径
炮孔深度
药卷直径
孔
距
排
距
单孔装药量
堵塞
长度
单位耗药量
超钻
深度
钻孔倾角
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爆破监测及爆破测点布置
1) 测点布置：共布置5个垂直向传感器：闸墩布置1个，底板布置3个，分别布置在：0+47.5、0+037.5、0+017.5桩号附近。
2) 测量速度的仪器采用891-Ⅱ型放大器UJB-8型动态测试分析仪各1台。通频带0.5～100Hz，量程0.01cm/s～20cm/s。
3) 观测要求：观测后要提出完整的记录波形，给出最大速度量，主振动周期、振动量持续时间。
4) 预期结果：给出振动影响经验公式和最大瞬时起爆药量。
5.3声波观测
1) 目的：根据对厂房基础、闸墩、底板、横梁在爆破前后弹性波速的观测，判别爆破是否对建筑物产生破坏影响。
2) 测点布置：在底板布置10个测点(钻孔法)，在闸墩布置14个测点(其中4个测点采用钻孔法)，横梁布置10个测点(对穿法)；34共计个测点。
3) 观测要求：观测应在每次试验爆破前、后各进行一次，通过对波速的观测和分析，判断该区混凝土是否发生破坏。
4) 宏观调查：利用石膏涂抹对厂房进水、尾水渠等重要建筑物进行破坏影响调查。
5.4爆破控制
根据东北勘测设计研究院对以往类似工程爆破声波监测的经验及积累的质点允许振动速度经验公式，爆破声波引起的质点振动速度按v=100Q0.75/R2,进行控制。根据已建建筑物允许的质点振动速度，反算出距离建筑物不同距离，最大一段允许起爆药量，详见下表6：
表6 爆破试验单响控制药量允许质点振动速度（cm/s）
距尾水闸墩0+047.50m距离（m）
允许最大一段单响起爆药量（kg）
区域
8
4.5
1.90
预留岩埂
8
5.68
3.54
控制爆破区
8
9.18
12.73
药量递增爆破区
8
18.30
80.16
8
18.30
80.16
常规爆破区
8
28.30
256.34
8
35.95
300
6. 结束语
尼尔基水利枢纽发电厂房基础石方开挖克服了寒冷的气候条件，在设备、人员降效非常显著的情况下，按业主指定的节点工期顺利完成了50万方的开挖任务，在开挖过程中，取得以下经验：
液压钻机非常适宜于高寒恶劣气候的作业条件，液压钻机比风动钻机具有高寒地区无法比拟的优越性。
在保护层开挖中，首次采取了TOMROCK500液压钻机钻Ø80mm孔，孔内设置柔性垫层，一次性开挖到建基面新颖的开挖施工工艺，达到了较好的开挖效果。
控制爆破成绩斐然：由于开挖渣料作为主坝回填料及人工骨料的料源，有严格要求，在爆破参数设计时必须考虑料径要求，并经过多次试验确定爆破参数，成功应用了TOMROCK500液压钻机Ø80mm钻孔，不偶合装药，爆破粒径满足了设计要求。