壩基土石方開挖方案探討

□劉春芳（安陽縣水務(wù)局）

□張士新 □陳立華（河南省豫北水利勘測設(shè)計(jì)院）

紅旗渠補(bǔ)源工程——馬家?guī)r水庫龍門溝壩址位于太行山東部濁河下游，屬中低山峽谷地貌。壩址處濁河為南西—北東方向，河床（包括高漫攤）寬80～120m，河底高程506～512m，左右岸山頂最高高程分別為785.5m和715.5m，左右岸在535.0m和540.0m分別自然形成了I級臺地。壩址區(qū)分布有太古界變質(zhì)巖系，元古界震旦系下統(tǒng)碎屑巖系和第四系松散堆積物。

一、土石方開挖的施工方法

左右岸擋水壩段開挖時，鑒于大壩工程兩壩肩山坡陡峭，施工道路修筑困難，作業(yè)面狹窄，同時為了減少對現(xiàn)有植被的破壞，坡積物與壩肩石方總體上擬一并采用“自上而下，分層開挖”，“坡積物機(jī)械挖除，石方鉆爆開挖”的施工方法，分層高度5～12m。

河槽土石方開挖時，砂礫石和高液限粘土采用PC400挖掘機(jī)分層開挖，裝15t自卸車運(yùn)輸，分層厚度結(jié)合實(shí)際地層控制在4～5m；石方開挖，設(shè)計(jì)邊界采用預(yù)裂爆破，一般開挖采用深孔微差爆破，保護(hù)層采用手風(fēng)鉆小藥量鉆爆。

（一）作業(yè)程序

測量放線→分層鉆爆→渣料推運(yùn)→裝渣運(yùn)輸→質(zhì)量檢查→下道工序。

（二）作業(yè)方法

1.測量放線

每層開挖前，首先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和施工安排，測放出開挖開口線或開挖面坡腳線，鉆爆開挖時，同時測放出待挖巖體鉆孔的孔位、方向和孔深。施工過程中，還應(yīng)經(jīng)常測量已挖斷面，及時調(diào)整相應(yīng)的施工要求。

2.分層開挖運(yùn)輸

測量放線后，分層開挖坡積物和土石方，兩岸開挖分層高度擬定為5～6m。坡積物、砂礫石開挖以“機(jī)械開挖”為主，必要時輔以“松動爆破”。石方開挖，采用鉆孔爆破挖除的施工方法。

石方開挖時，首先采用英格索蘭ECM580鉆機(jī)按設(shè)計(jì)圖紙和施工要求造孔，裝藥爆破石方。之后，TY200推土機(jī)輔助集料，PC400挖掘機(jī)裝12～15t自卸車運(yùn)至招標(biāo)文件制定的棄渣場，或用于道路維修與場地平整。

兩岸坡積物開挖與兩岸石方開挖相結(jié)合，石方鉆爆后，TY200推土機(jī)為主、必要時PC220挖掘機(jī)為輔，推運(yùn)開挖料至兩岸壩肩坡腳“535/540平臺”，PC400挖掘機(jī)在壩肩坡腳平臺處開挖渣料，裝12～15t自卸車運(yùn)至招標(biāo)文件制定的棄渣場，或用于道路維修與場地平整。河槽段砂礫石和高液限粘土，PC400挖掘機(jī)分層直接挖裝12～15t自卸車運(yùn)至招標(biāo)文件制定的棄渣場。

坡積物、河槽開挖中出現(xiàn)孤石時，現(xiàn)場監(jiān)理計(jì)量后，EMC580或手風(fēng)鉆及時造孔裝藥，人員設(shè)備撤離，火花起爆，推土機(jī)集料，PC400挖掘機(jī)裝15t自卸車運(yùn)至棄渣場。

設(shè)計(jì)陡于1∶0.75坡面和垂直巖面的石方開挖，采用預(yù)裂爆破的鉆爆方法，預(yù)裂爆破應(yīng)結(jié)合機(jī)械設(shè)備性能和設(shè)計(jì)鉆爆深度爭取一次鉆爆到底。其它巖體采用深孔鉆爆的施工方法，微差爆破，按設(shè)計(jì)要求預(yù)留1.5m的保護(hù)層。石方保護(hù)層采用L8-60/80空壓機(jī)集中供風(fēng)、YT28手風(fēng)鉆鉆孔小藥量控制爆破的施工方法。

二、爆破設(shè)計(jì)

（一）爆破參數(shù)

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》GB6722-86和現(xiàn)場實(shí)際情況，結(jié)合巖石類別，為確保壩體安全，一般石方開挖擬采用深孔松動爆破，邊坡或垂直梯段開挖采用預(yù)裂爆破，底部保護(hù)層采用淺孔單響火花爆破。開工前根據(jù)實(shí)際測量地形和巖性進(jìn)行爆破試驗(yàn)，調(diào)整確定爆破施工參數(shù)。

1.深孔松動爆破參數(shù)

單孔裝藥量kg：Q=q.h.a.b。

q為單方耗藥量kg/m3，根據(jù)巖石類別，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)擬定為q=0.5～0.8kg/m3；h為孔深m，根據(jù)設(shè)計(jì)斷面開挖深度，預(yù)留1.5m的底部保護(hù)層，擬定為h=5.0～12.0m；a、b為孔距和排距m，采用梅花形布孔，擬定孔距4.0m、排距均為2.0m。

2.預(yù)裂爆破參數(shù)

單孔裝藥量kg：Q=qH。

q為線耗藥量kg/m，根據(jù)巖石類別，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)擬定為

q=0.35～0.45kg/m；H為孔深m，根據(jù)設(shè)計(jì)斷面開挖坡度，沿開挖輪廓線，擬定為h=5.0～12.0m。

3.淺孔爆破參數(shù)

單孔裝藥量kg：Q=q.h.a.b

q為單方耗藥量kg/m3，根據(jù)巖石類別，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)擬定為q=0.4～0.6kg/m3；h為孔深m，根據(jù)保護(hù)層開挖深度，擬定為h=0.5～1.5m；a、b為孔距和排距m，采用梅花形布孔，擬定孔a＝1.0m、排距b＝0.3m。

（二）爆破安全技術(shù)

1.爆破地震安全距離

根據(jù)《水利水電施工組織設(shè)計(jì)手冊》（2）推薦的計(jì)算公式和推薦的參數(shù)選擇范圍。

地震波振動速度（cm/s）：V＝K(Q1/3/R)a。

K為綜合系數(shù)。石英砂巖為堅(jiān)硬巖石，又處于地表層，取K=80；Q為最大一次爆破炸藥量，kg；R為距爆破點(diǎn)距離，R=200m；a為衰減指數(shù)取a=1.4。

根據(jù)計(jì)算深孔最大段一次爆破炸藥量估算為200kg，計(jì)算出距爆破點(diǎn)200m處的振動速度14.83cm/s，符合《水電施組手冊》（2）表4-4-139的規(guī)定。

2.爆破空氣沖擊波安全距離

爆破沖擊波安全距離m：R=KQ1/3。

K為系數(shù)，對作業(yè)人員取25；Q為炸藥量（kg）。

根據(jù)計(jì)算深孔最大段一次爆破炸藥量估算為200kg，計(jì)算出起爆時人員距爆破點(diǎn)的爆破沖擊波安全距離為146m處。因此，起爆時人員撤離200m范圍外即可保證安全。

3.個別飛石的安全距離

個別飛石的安全距離m：R＝KR.ql/3K1K2計(jì)算。式中：R為飛石防護(hù)距離，m；KR為圓型拋擲，取96m；q為單段裝炸藥量，kg；K1、K2為不同防護(hù)可衰減系數(shù)。

單段最大裝炸藥量為200kg，用粘土堵塞炮孔飛石可衰減系數(shù)K1＝0.4，用草袋或膠皮覆蓋飛石可衰減系數(shù)K2＝0.3，KR圓型拋擲96m，經(jīng)計(jì)算，飛石最遠(yuǎn)距離R為68m，符合《水電施組手冊》（2）表4-4-149的規(guī)定。

三、爆破施工

一般石方開挖采用深孔梯段爆破分層施工；底部預(yù)留保護(hù)層，采用淺孔火花爆破；邊坡保護(hù)層，采用一次梯段開挖預(yù)裂爆破成形，與一般石方開挖一同鉆孔施工，在深孔梯段爆破時提前預(yù)裂；靠近邊坡開挖線1.0m采用減弱松動爆破。

（一）深孔爆破

深孔爆破，采用EMC580鉆機(jī)造孔，孔徑為90mm，孔距為4.0m，排距2.0m，孔深5～12m左右，預(yù)留1.5m的底部保護(hù)層，炸藥采用2＃巖石硝銨炸藥，線裝藥量為0.5kg/m3；孔口封堵；爆破網(wǎng)絡(luò)采用導(dǎo)爆索孔間連接方式微差起爆。

（二）邊坡預(yù)裂爆破

邊坡預(yù)裂爆破，采用EMC580鉆機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)邊坡坡度，沿設(shè)計(jì)開挖線造斜孔至底部設(shè)計(jì)高程，孔徑為90mm，線形布孔，孔距為0.8m，孔深10m左右，采用乳化炸藥，線裝藥量為0.35kg/m；孔口稻草或麥秸封堵；爆破網(wǎng)絡(luò)左、右岸分別采用導(dǎo)爆索孔間連接方式同時起爆；距邊坡1.0m范圍內(nèi)，采用斜孔梯段減弱松動爆破，與深孔梯段爆破同時施工；起爆采用導(dǎo)火線火花引爆。

（三）底部預(yù)留保護(hù)層爆破

底部預(yù)留保護(hù)層厚度根據(jù)現(xiàn)場爆破試驗(yàn)確定，考慮預(yù)留1.0m，擬采用國內(nèi)先進(jìn)的一次開挖法技術(shù)，即深孔一次鉆至設(shè)計(jì)開挖底部，裝藥時底部先充填20cm的鋸末作為柔性墊層，由于柔性墊層作用，減輕爆炸沖擊波對基巖的破壞。施工時，Y-26型手持式風(fēng)鉆垂直造孔，梅花形布孔，孔徑為38～42mm，孔深擬定為1.5m，孔距為1.0m、排距為0.5m，炸藥采用2＃ 巖石硝銨炸藥，單孔最大裝藥量不超過0.6kg；孔口采用粘土封堵70cm；起爆采用導(dǎo)爆管火花起爆。保護(hù)層采用人工輔助撬挖，挖掘機(jī)挖石渣裝自卸汽車至棄料場。

圖1 石方鉆爆裝藥結(jié)構(gòu)與起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖

四、上下游齒槽石方開挖

壩基上下游齒槽開挖斷面結(jié)構(gòu)型式與尺寸基本相同，齒槽長、上開口寬、深度、底寬均分別為92.15m、21.125.m、11.5m、12.5m，齒槽底部高程均為475m。上下游齒槽486.5m高程以下石方開挖工程量共計(jì)3.6萬m3。

由于上下游齒槽平面尺寸不大、深度過大、下游坡度過陡，因此不僅開挖工程量大，而且出渣過于困難，其開挖的快慢將直接影響整個階段性施工工期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

為了盡可能加快齒槽開挖的速度，又不過于增大設(shè)計(jì)開挖量和混凝土澆筑量，齒槽開挖時，首先在平面上將單個齒槽分為3～4個施工段，其次每段在深度上分2～4層開挖到底。施工時自齒槽一端向另一端臺階式倒退法開挖出渣，最后一段下部開挖出渣時，經(jīng)設(shè)計(jì)同意，可在480.75m高程附近設(shè)一坡道或平臺,施工借助該坡道或平臺轉(zhuǎn)料出渣。

圖2 上下游齒槽分段分層石方開挖圖

上下游齒槽石方開挖，當(dāng)基坑石方開挖至494高程時，首先沿設(shè)計(jì)開挖線鉆造上下游基坑邊線預(yù)裂爆破孔，實(shí)施預(yù)裂爆破，預(yù)裂爆破面原則上一次鉆爆到設(shè)計(jì)底部高程；其次當(dāng)基坑開挖至487.5m高程時，分別沿上游齒槽下游坡面和下游齒槽上游坡面一次鉆造預(yù)裂孔到設(shè)計(jì)高程，實(shí)施預(yù)裂爆破，以保證預(yù)留巖體的完整性。預(yù)裂爆破完成后，按分層厚度采用一般石方開挖的施工方法，鉆爆開挖齒槽底部保護(hù)層以上石方。齒槽底部保護(hù)層開挖厚度按設(shè)計(jì)要求的1.0m實(shí)施。

上下游齒槽石方開挖的爆破設(shè)計(jì)，同壩基其它石方開挖。