巖石非爆破開挖施工方案的選擇與實踐

袁 芳 景曉春 劉興華

（西北勘測設(shè)計研究院有限公司 陜西 西安 710065）

本供水工程為解決某水電站移民集鎮(zhèn)2萬移民的生產(chǎn)生活飲水。在工程施工過程中，因移民不同意爆破開挖，導致工程施工進度極度緩慢，為提高施工進度，保證工期，建設(shè)各方做了很多努力，經(jīng)歷了對設(shè)計方案的優(yōu)化選擇、施工方案的多方位比選、不同施工機械的多種嘗試等艱難過程，最終找到了適合的施工方法和機械，提高了施工效率，保證了工期，為電站順利下閘蓄水提供了有力保障。

1 工程概況

該水電站移民集鎮(zhèn)供水工程是2萬移民的供水工程。工程設(shè)計年限15年，最高日用水規(guī)模4603m3/s。

工程分兩期建設(shè)，一期為泉水水源；二期為水水源。工程主要建包括：水廠基礎(chǔ)設(shè)施、取水工程、凈水工程、輸水工程及電氣設(shè)備五部分。

工程主要內(nèi)容有：取水泉室3座、泉室至一級泵站管線DN300鋼管86.6m，DN400鋼管119.4m，一級泵站、一級泵站至水廠管線DN250鋼管205.6m，水廠、水廠至1#高位水池管線 DN250 鋼管 298m，1#、2#、3# 高位水池，1#高位水池至2#高位水池管線DN250管道1285m，1#高位水池至3#高位水池管線DN225管道2920m。

2 施工難點

在施工工程中，主要的技術(shù)難點集中在了1#高位水池的石方開挖。1#高位水池位于水源點東北側(cè)山體緩坡地帶，巖性為淺灰色厚層灰?guī)r、結(jié)晶灰?guī)r，巖石堅硬，裂隙較發(fā)育，地表局部有少量坡積及植被覆蓋。山體自然邊25°～36°，場地地勢向南傾斜。該斜坡地帶邊坡穩(wěn)定性好，地基承載及變形模量高，地下水埋藏深，適合修建水池等相應(yīng)配套設(shè)施及建筑物。1#高位水池施工圖設(shè)計為2座600m3清水池，其功能是向2#和3#高位水池輸水為整個移民集鎮(zhèn)供水工程的輸水咽喉。

由于位于水源北側(cè)山體上方的輸電鐵塔基礎(chǔ)深孔爆破，造成水源泉眼出水量減小，水質(zhì)混濁。該事件發(fā)生后，附近居民強烈要求水源附近石方開挖禁止爆破施工，因此，本工程的施工難點為1#高位水池石方開挖必須采用非爆破方法開挖。

3 設(shè)計方案優(yōu)化選擇

為解決1#高位水池石方開挖困難，首先設(shè)計單位對其設(shè)計方案進行了優(yōu)化選擇，盡力尋求在保證功能的前提下，最易于施工的方案，先后提出水塔方案和調(diào)整1#高位水池位置兩個方案。針對提出的兩個方案對其可行性進行了分析：

（1）水塔方案

如果調(diào)整為水塔設(shè)計方案，必須重新選址，同樣存在施工便道石方開挖和水塔基礎(chǔ)石方開挖的問題；而且水塔方案工程技術(shù)難度較大、結(jié)構(gòu)復雜，安全要求高，必須重新選址，做相關(guān)的地質(zhì)詳堪資料，進行新的征地；原設(shè)計水池采用的是國家標準水池，若調(diào)整為非標準水塔，需通過一系列結(jié)構(gòu)計算論證其安全可靠性。以上工作內(nèi)容，在短時間內(nèi)很難完成，無法保證工期。

（2）調(diào)整1#高位水池位置

1#高位水池擔負著向2#和3#高位水池輸水的功能，可調(diào)整偏移的區(qū)域有限，仍舊存在石方開挖的問題；若要大幅度調(diào)整平面位置，不但要重新選址做詳細的地質(zhì)勘查工作，還要重新開挖施工便道，重新進行二級泵站設(shè)計，且水廠二級泵站內(nèi)設(shè)備需要重新選型（設(shè)備已經(jīng)安裝），同時涉及新的征地的問題，工期很難保證。

通過對以上兩個方案的研究和對比，結(jié)合工期考慮，都不能保證如期完成，故工期緊、任務(wù)重的情況下，不宜調(diào)整設(shè)計方案。

4 施工方法選擇

在設(shè)計方案不宜調(diào)整的前提下，施工方案的選擇經(jīng)歷了以下三個階段:

4.1 破碎機

破碎機是利用液壓高頻率的沖擊破碎既大又硬的脆性物體，如建筑混凝土、大塊的石頭、混凝土路等等。

首先，采用破碎機對1#高位水池施工便道進行石方開挖施工。施工便道全線總長約450m，但由于沿線巖石質(zhì)地堅硬，雖然施工便道沿線巖石裂隙發(fā)育，但每天只能開挖不到10m3，施工進度緩慢。

4.2 劈裂機+破碎機

由于破碎機施工進度緩慢，后改為液壓劈裂機施工。液壓劈裂機是代替常規(guī)的爆破及破碎錘作業(yè)的一種機械，具有輕便、靈活、效率高、使用簡單安全等特點，主要用于開采規(guī)整石料和開鑿礦井及隧道。

液壓劈裂機結(jié)合鑿石機（風鉆）使用，開采規(guī)整石料50m3/臺·天～100m3/臺·天，一般石方破裂（如1#高位水池施工便道的石方開挖）每天200m3/臺～400m3/臺，破裂不包括石方剝離及棄運。但使用劈裂機提高石方開挖效率，必須先將石方開挖坡面打開缺口后，再進行逐層剝離。

運用劈裂機后，開挖效率明顯提高，但當在剝離第一層弱風化巖石后，下部巖石石質(zhì)明顯變硬，配合劈裂機作業(yè)的鑿石機打孔困難，鑿孔時間延長致使施工進度緩慢，不能保證工期。

在石質(zhì)堅硬情況下，使用劈裂機效率下降的原因主要有：①未根據(jù)巖石節(jié)理順巖石節(jié)理開挖臨空面；②鑿石機鑿孔位置未垂直于巖石節(jié)理；③巖石鑿孔設(shè)備落后，遇到堅硬巖石，鑿孔困難與劈裂機開石效率不相匹配。

4.3 巖石切割機+破碎機

針對工期緊、任務(wù)重的實際情況，承包方委托了非爆破開挖的專業(yè)施工單位進行施工。該專業(yè)施工方具體施工方法為采用巖石切割機與破碎機結(jié)合的方式進行開挖。

切割機由以下幾部分組成：翻轉(zhuǎn)臺、傳動機架、水平切割車、橫切裝置、橫切同步裝置、橫切上支承裝置、液壓系統(tǒng)、操縱機電氣系統(tǒng)。切割機根據(jù)用途的不同分為數(shù)控切割機、巖石切割機、板材切割機、墻壁切割機等幾大類，已廣泛應(yīng)用于建筑工程、石材加工、建材施工現(xiàn)場為石材、大理石、耐火磚、步道磚、盲道磚等領(lǐng)域，具有切割領(lǐng)域?qū)?、切割速度快，機身體及小，靈活便于操作等優(yōu)點。

本次施工方案為：測量放線后，先用水墨鉆開挖出臨空面，然后用切割機將巖石切割成小塊，再用破碎機將巖石破碎。采用的主要設(shè)備為：巖石切割機（1.6m圓盤，電機 25kW）、330破碎機、水墨鉆（LM170型功率5.5kW，鉆頭 60cm）、水泵（兩相2.5kW，100m高揚程潛水泵）、60kW發(fā)電機、330裝載機、5m3水箱，其中水泵、發(fā)電機為輔助設(shè)備，水泵主要用來抽水冷卻電機，以免切割機電動機發(fā)熱過高損壞；發(fā)電機在停電時用來發(fā)電，保證施工持續(xù)不斷的進行。

最后，1#高位水池采取的具體開挖方法是：將場地分為左右兩個工作區(qū)，一邊作測量放線，水墨鉆開挖出臨空面，再切割成50cm×50cm小塊；另一個工作區(qū)采用破碎機破碎巖石、清渣。施工分兩班，每班4人，兩班輪流，兩個工作區(qū)互換，白天切割，晚上破碎。詳細施工工藝為：①測量放線：測量時先用全站儀放出水池的控制坐標，設(shè)置相應(yīng)樁點，然后采用鋼卷尺控制具體的開挖位置；②開挖臨空面；③巖石切割：根據(jù)巖石的節(jié)理走向布置切割位置，間距按照0.5m設(shè)置；④機械破碎：采用330破碎機對切割后的巖石進行鑿打破碎開挖；⑤清渣、除渣：采用挖機挖出破碎后的巖石，清理工作面，為下一輪的切割做準備。

專業(yè)施工單位進場后，每天工作20小時進行交叉（切割與破碎）施工，20日內(nèi)共計完成挖方總量的40%左右，預(yù)計在規(guī)定工期前可全部完成。

5 總結(jié)

由于工程自身地質(zhì)條件和施工區(qū)周邊環(huán)境的影響，1#高位水池的開挖被迫采用非常規(guī)的開挖方法。在經(jīng)歷了漫長的討論與嘗試，最終采用了切割機加破碎機的施工方法。對比以上三種方法，破碎機適用于堅硬的孤石，對整體性好的巖石施工效果較差；劈裂機是相對專業(yè)的開山機械設(shè)備（液壓劈裂機），先將石方開挖坡面打開缺口后，對其進行震裂逐層剝離，但在本工程中，由于施工人員缺乏經(jīng)驗，沒有正確掌握使用技巧，導致沒有完全發(fā)揮劈裂機的效率；切割機對這種整體性好的巖石切割效率高，切割操作簡單，實用性強，配合破碎機后開挖的效率大大提高。

通過對1#高位水池石方開挖方法的選擇，可以看出，正確選用施工機械對工程進度的關(guān)鍵性影響。在設(shè)計方案最優(yōu)的前提下，提高工程進度唯一的方法就是確定適用的施工方案，選擇高效的施工機械，投入足夠的施工力量。另外，施工隊伍的專業(yè)水平對工程質(zhì)量、進度都有重要影響。而設(shè)計方也應(yīng)根據(jù)工程地理環(huán)境、自然環(huán)境、工程地質(zhì)條件等因素尋求最優(yōu)的設(shè)計方案，在滿足工程功能要求、安全、經(jīng)濟、合理的情況下，最大限度的便于施工，易于施工，為確保工程建設(shè)質(zhì)量和工程進度提供有力的前提保障。陜西水利

[1]《巖土工程勘察設(shè)計規(guī)范》（GB50021-2011）[S]．

[2]水利電力部水利水電建設(shè)總局組織編． 水利水電工程施工組織設(shè)計手冊（第二冊）[M]． 中國水利水電出版社，1990，2．