破碎圍巖條件下高邊坡開(kāi)挖施工技術(shù)

易 丹

(中國(guó)安能第三工程局成都分公司，四川 成都 611135)

1 概 述

葉巴灘水電站位于四川與西藏的界河——金沙江上游河段，壩址位于金沙江支流降曲河口下游600 m的四川甘孜白玉縣與西藏昌都貢覺(jué)縣交界處，總裝機(jī)容量為2 240 MW，系金沙江上游13個(gè)梯級(jí)水電站開(kāi)發(fā)中最大的水電站。

電站采用長(zhǎng)尾水布置型式，大機(jī)組尾水洞為兩條平行布置的圓型隧洞，1號(hào)尾水主洞長(zhǎng)度為3 172.39 m， 2號(hào)尾水主洞長(zhǎng)度為3 099.22 m，末端接尾水出口，主要為高程2 791.92～2 683.5 m邊坡的開(kāi)挖及尾水渠開(kāi)挖，開(kāi)挖的最大高度為108.42 m。出口邊坡基巖巖性為華力西期花崗閃長(zhǎng)巖(γδ43)，巖石致密堅(jiān)硬，風(fēng)化較弱，淺表部呈強(qiáng)卸荷。尾水洞出口邊坡無(wú)區(qū)域性斷裂通過(guò)，構(gòu)造以小斷層與節(jié)理裂隙發(fā)育為主。前期勘探揭示尾水洞出口邊坡巖體內(nèi)發(fā)育 6 條小斷層，節(jié)理裂隙優(yōu)勢(shì)方向主要發(fā)育 4 組：J1(N60°～80°W/SW∠30°～55°)；J5(N60°～70°E/SE∠23°～30°)；J6(N0°～20°E/NW∠40°～77°)；J10(N45°～60°W/SW∠85～90°)[1]。

尾水出口邊坡2 715.5 m高程以上分為三個(gè)臺(tái)階，設(shè)置了三級(jí)馬道，馬道高程分別為2 765 m、2 740 m和2 715.5 m，其中高程2 791.92～2 765 m、2 765～2 740 m兩級(jí)邊坡坡比為1∶0.5，高程2 740～2 715.5 m邊坡坡比為1∶0.3；高程2 715.5 m以下為渠道開(kāi)挖。設(shè)計(jì)方案中的支護(hù)及防護(hù)類型主要有淺層錨噴支護(hù)、深層錨索支護(hù)、馬道鎖口錨桿、邊坡開(kāi)口線鎖口錨桿束、坡頂截排水溝、柔性防護(hù)網(wǎng)等。

尾水出口右側(cè)高程2 740 m山體內(nèi)建有炸藥庫(kù)，炸藥庫(kù)值班房距離下游開(kāi)挖邊界約50 m左右，且炸藥庫(kù)唯一的進(jìn)出道路通過(guò)尾水出口邊坡開(kāi)挖區(qū)域下部，對(duì)尾水出口邊坡的開(kāi)挖施工造成了嚴(yán)重影響：一是施工過(guò)程中炸藥庫(kù)值班房極有可能被爆破飛石砸中，需做好防護(hù)工作；二是炸藥的供應(yīng)必然會(huì)因爆破渣料中斷，因此，在施工過(guò)程中需要考慮保通，進(jìn)而影響到施工效率[2，3]，尾水出口邊坡開(kāi)挖平面布置情況見(jiàn)圖1。

圖1 尾水出口邊坡開(kāi)挖平面布置圖

2 施工方案

2.1 施工道路的布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，僅有尾水檢修路從開(kāi)挖區(qū)域2 735～2 740 m高程通過(guò)，上部區(qū)域無(wú)施工通道。根據(jù)實(shí)際施工需要，為方便尾水洞出口邊坡(含環(huán)境邊坡)的開(kāi)挖與支護(hù)施工，增設(shè)了L1、L2兩條施工道路。

L1道路：位于尾水出口邊坡開(kāi)挖范圍內(nèi)，自2號(hào)路(尾水檢修公路)接入尾水出口邊坡2 740 m高程，“之”字形布置，道路寬6 m，長(zhǎng)308 m，最大縱坡為11%。

L2道路：位于尾水出口邊坡開(kāi)挖范圍上游，自2號(hào)路(尾水檢修公路)接入尾水出口邊坡2 780 m高程并延開(kāi)口線延伸至下游側(cè)沖溝處，呈“之”字形布置，道路寬4 m，長(zhǎng)約800 m，最大縱坡40%。主要用于尾水渠出口邊坡2 715.2 m高程以上開(kāi)挖支護(hù)施工所需人員設(shè)備的通行及材料運(yùn)輸。在便道2 750 m高程處設(shè)置臨建場(chǎng)地，主要布置施工用的空壓機(jī)房、箱式變壓器，用于施工所需設(shè)備和必要的風(fēng)水電布置等。

2.2 土方開(kāi)挖

(1)施工程序。根據(jù)施工開(kāi)挖的基本要求，所采用的施工程序?yàn)椋菏┕?zhǔn)備→測(cè)量放樣→場(chǎng)地清理→土方分層開(kāi)挖→開(kāi)挖邊坡修整→階段驗(yàn)收。出口明挖采用分段分區(qū)、自上而下臺(tái)階式分層作業(yè)的方法組織施工。

(2)施工方法及要求。開(kāi)挖前，首先進(jìn)行測(cè)量放樣，標(biāo)識(shí)出開(kāi)挖范圍和位置，然后采用人工清理開(kāi)挖區(qū)域內(nèi)的樹(shù)木和有礙雜物，清理范圍延伸至開(kāi)挖線外側(cè)3 m的距離。覆蓋層開(kāi)挖采用1 m3反鏟削坡，人工配合修整邊坡。按照測(cè)量放樣的開(kāi)口線沿馬道方向形成邊坡開(kāi)口，然后自上而下分層開(kāi)挖。同一層面的開(kāi)挖施工按照“先土方開(kāi)挖，后石方開(kāi)挖，再邊坡支護(hù)”的順序進(jìn)行，使開(kāi)挖面同步下降。

2.3 石方開(kāi)挖

該工程尾水出口邊坡的最大特點(diǎn)是巖石相當(dāng)破碎。該邊坡位于金沙江右岸，峽谷深度達(dá)1 000 m以上，在橫斷山脈形成過(guò)程中，峽谷岸坡經(jīng)常年河流切削、風(fēng)化和化學(xué)侵蝕，加之藏區(qū)極端溫度和溫差影響形成了獨(dú)特的高原地質(zhì)條件。邊坡物理地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為巖體風(fēng)化、卸荷和局部崩塌，表層有零星卸荷巖體發(fā)生小規(guī)模崩塌現(xiàn)象，2 758 m高程處的巖體強(qiáng)卸荷水平深度達(dá)15～25 m，弱卸荷水平深度為50～60 m，弱風(fēng)化上段水平深度為15～25 m，弱風(fēng)化下段水平深度為15～25 m。尾水洞出口邊坡多位于強(qiáng)卸荷、弱風(fēng)化帶內(nèi)，裂隙多張開(kāi)、銹染。設(shè)計(jì)圖紙顯示：出口邊坡以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主，最大開(kāi)挖厚度約50 m，開(kāi)挖后揭露的永久邊坡除極少數(shù)坡面為Ⅲ2類圍巖外，其余絕大多數(shù)為Ⅳ類圍巖。

在開(kāi)挖過(guò)程中，由于巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給鉆孔和爆破施工造成了較大困難：一是裂隙發(fā)育。通過(guò)孔內(nèi)電視觀測(cè)發(fā)現(xiàn)巖體裂隙的寬度最大達(dá)到70 cm，容易造成100B鉆頭卡鉆，進(jìn)而影響鉆進(jìn)速度；二是受軟弱夾層影響容易造成鉆孔方向和角度偏差，尤其是預(yù)裂孔的造孔質(zhì)量容易受到影響；三是裂隙大多穿透巖層，使孔內(nèi)與外界的大氣串通，在鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)邊坡出現(xiàn)“冒氣”(大量灰塵隨高壓風(fēng)從裂隙吹出)現(xiàn)象，造成爆破孔氣密性不足而影響到爆破效果。

(1)施工程序。測(cè)量放樣→場(chǎng)地清理→清除浮渣→第一層梯段開(kāi)挖→第一層支護(hù)→最后一層梯段開(kāi)挖→最后一層支護(hù)→建基面保護(hù)層開(kāi)挖。

為控制爆破對(duì)邊坡巖體和周邊建筑物的影響，同時(shí)降低下方炸藥庫(kù)道路的保通難度，必須合理分配每次開(kāi)挖爆破的方量，控制炸藥單耗，降低單次爆破藥量。因此，對(duì)尾水出口邊坡高程2 715.2 m以上部分采取分層、分區(qū)的開(kāi)挖方式，高度方向按照設(shè)計(jì)高程分六層開(kāi)挖，水平方向按水流方向分①、②、③區(qū)三個(gè)區(qū)域開(kāi)挖，以便于設(shè)備的調(diào)配。各區(qū)開(kāi)挖分層高度一般為10～15 m，最大為16 m，采用液壓鉆鉆機(jī)造主爆孔，QZJ-100B、YT-28型氣腿鉆造預(yù)裂孔，松動(dòng)爆破，渣料采用3臺(tái)1.6 m3反鏟挖裝，2臺(tái)1 m3反鏟配合，采用20 t自卸汽車運(yùn)至降曲河棄渣。馬道及2 715.2 m高程平臺(tái)底板保護(hù)層厚3 m，采用水平光爆方式開(kāi)挖。水平區(qū)域劃分情況見(jiàn)圖2。

圖2 施工開(kāi)挖水平區(qū)域劃分示意圖

(2)施工方法及要求。對(duì) 出口明挖段上部緊鄰邊坡部位先進(jìn)行預(yù)裂，設(shè)置緩沖爆破區(qū)以減少爆破振動(dòng)對(duì)保留巖體的影響。采用液壓履帶鉆或100B潛孔鉆鉆孔，非電毫秒雷管聯(lián)網(wǎng)、微差控制爆破[4，5]。

①鉆孔。以液壓鉆機(jī)造孔為主，QZJ-100B支架式鉆機(jī)為輔，鉆孔孔徑為80～115 mm。

為提高爆破效率、降低成本，梯段爆破孔采用寬孔距、小排距的布孔方式，布孔時(shí)盡可能地避開(kāi)軟弱夾層；采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)和孔間微差爆破，使爆破出的石渣粒徑均勻，解炮量少。鉆孔施工過(guò)程中，由專人檢查鉆孔質(zhì)量及孔網(wǎng)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)不合格時(shí)立即要求返工。

鉆機(jī)樣架必須搭設(shè)牢固，經(jīng)測(cè)量復(fù)核后方能投入使用。鉆進(jìn)過(guò)程中，經(jīng)常性地對(duì)樣架進(jìn)行檢查和加固；開(kāi)鉆前2 m內(nèi)鉆工必須進(jìn)行三次校鉆，即采用水平靠尺、角度尺等角度測(cè)量工具分別在鉆進(jìn)至0.5 m、1 m和2 m時(shí)對(duì)鉆頭方向和角度進(jìn)行復(fù)核，待其滿足設(shè)計(jì)角度方能繼續(xù)鉆進(jìn)，否則必須重新開(kāi)孔；開(kāi)鉆前2 m內(nèi)采用低風(fēng)壓、低速鉆進(jìn)，第三次校鉆合格后，方能采用高風(fēng)壓鉆進(jìn)。施工過(guò)程中必須加強(qiáng)一線鉆工的培訓(xùn)和實(shí)踐，固化鉆進(jìn)工藝，確保鉆孔質(zhì)量。

②裝藥與聯(lián)網(wǎng)爆破。采取人工裝填乳化炸藥的方式，主爆孔柱狀連續(xù)裝藥，緩沖孔及預(yù)裂孔采用柱狀分段空氣間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，巖石爆破單位耗藥量為0.25～0.55 kg/m3，預(yù)裂孔線裝藥密度為300～350 g/m，根據(jù)鉆孔過(guò)程中反映出的不同圍巖條件取不同的單耗和線裝藥密度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果，進(jìn)一步優(yōu)化了裝藥參數(shù)，將單耗確定為0.35 kg/m3，預(yù)裂孔線裝藥密度確定為300 g/m。主爆孔和緩沖孔選用φ70 mm藥卷；預(yù)裂孔選用φ32 mm藥卷，孔內(nèi)導(dǎo)爆索傳爆，孔外電雷管或?qū)П芷鸨瑫r(shí)，預(yù)裂孔起爆時(shí)間應(yīng)超前主爆孔50 ms以上。

梯段爆破采用微差爆破網(wǎng)絡(luò)，采用1～15段毫秒非電雷管聯(lián)網(wǎng)，電雷管起爆，最大一段的起爆藥量不大于250 kg。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)得出的梯段爆破參數(shù)如下：

a. 梯段高度H=10～15 m；

b. 孔距a=3～4 m；

c. 排距b=2～3 m；

d. 超深L=0.9 m；

e. 炸藥單耗q=0.25～0.5 kg/m3；

預(yù)裂孔孔距為0.8～1 m。

典型爆破多段微差接力網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖3。

圖3 典型爆破多段微差接力網(wǎng)絡(luò)圖

③預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)。預(yù)裂孔使用間隔不耦合裝藥。由于預(yù)裂孔較深導(dǎo)致底部夾制嚴(yán)重，其底部線裝藥密度加大為正常段的2～3倍，底部0.6 m為加強(qiáng)段；由于開(kāi)挖區(qū)巖石較堅(jiān)硬且馬道留有2 m的保護(hù)層，故堵塞長(zhǎng)度取為1.2～1.5 m。

④水平保護(hù)層開(kāi)挖。根據(jù)建基面地形條件和以往的施工經(jīng)驗(yàn)，保護(hù)層的開(kāi)挖采取了淺孔松動(dòng)爆破配合水平預(yù)裂的施工方案，快速開(kāi)挖保護(hù)層。

⑤破碎巖體的鉆孔及爆破應(yīng)對(duì)措施。一是采用黏土固壁以減少卡鉆的幾率，加快施工效率。由于邊坡巖體裂隙較多，若采用固結(jié)灌漿會(huì)存在工期較長(zhǎng)、吃漿量大等問(wèn)題，極大程度地增加了施工成本，因此，采用黏土固壁的方式較為合適，同時(shí)有利于改善鉆孔氣密性，確保爆破效果；二是加強(qiáng)鉆工的培訓(xùn)與交底，通過(guò)孔口返渣和鉆進(jìn)速度變化情況判斷巖層的變化，及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)的力度和速度，嚴(yán)格控制預(yù)裂孔的造孔質(zhì)量。

2.4 鄰近重要建筑物的防護(hù)及道路保通

(1)為控制爆破后的塊徑和飛石，達(dá)到控制爆破的效果，梯段爆破孔采用寬孔距、小排距的布孔方式，布孔時(shí)盡可能地避開(kāi)軟弱夾層；采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)和孔間微差，使爆破出來(lái)的石渣粒徑均勻，解炮量少；多鉆孔、少裝藥、孔內(nèi)不偶合裝藥以達(dá)到弱松動(dòng)的效果，嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的不利影響，確保高邊坡開(kāi)挖的穩(wěn)定和施工安全；減少爆破飛石，避免對(duì)附近炸藥庫(kù)值班房造成損壞；在開(kāi)挖的同時(shí)進(jìn)行爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)爆破震動(dòng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化爆破參數(shù)[6，7]。

(2)在炸藥庫(kù)值班房外側(cè)搭設(shè)包裹式防護(hù)棚(采用鋼管架+竹跳板搭設(shè))，外層再?gòu)埨坏廊嵝员粍?dòng)防護(hù)網(wǎng)，對(duì)值班房形成全包圍防護(hù)。

(3)爆破后，位于開(kāi)挖區(qū)域下部的炸藥庫(kù)通行道路斷道。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件限制下，投入了大量的推土機(jī)、裝載機(jī)、挖掘機(jī)等大型土石方機(jī)械，采用在開(kāi)挖爆破渣堆外緣快速修筑便道的方式實(shí)現(xiàn)爆破作業(yè)后12 h內(nèi)恢復(fù)開(kāi)挖區(qū)域下部重要道路通行的目標(biāo)；同時(shí)，建立完善了溝通協(xié)調(diào)機(jī)制，爆破作業(yè)前提醒友鄰單位提前申領(lǐng)火工品；修建臨時(shí)火工品庫(kù)房，儲(chǔ)存一定數(shù)量的火工品，盡量減小炸藥庫(kù)斷道造成的影響。

3 邊坡開(kāi)挖取得的實(shí)際效果

葉巴灘水電站尾水出口高邊坡經(jīng)過(guò)一年時(shí)間的施工，目前已開(kāi)挖至2 740 m高程，坡面大面平整，炮孔間距均勻，局部不平整度最大為11 cm，合格率大于80%；半孔率平均為72.3%，遠(yuǎn)高于Ⅳ類巖體應(yīng)不低于50%的目標(biāo)；平均超挖僅14 cm，局部超欠挖檢測(cè)點(diǎn)的合格比例大于80%。最大梯段高度嚴(yán)格控制在16 m以下，同時(shí)，根據(jù)巖層變化及時(shí)調(diào)整了鉆進(jìn)力度和速度，避免了孔深過(guò)大和巖體破碎帶來(lái)的飄鉆、八字孔、剪刀孔等問(wèn)題，有力確保了開(kāi)挖質(zhì)量。

通過(guò)增加防護(hù)措施、采用控制爆破技術(shù)，有效控制了對(duì)鄰近重要建筑物的影響，至今未發(fā)生爆破飛石擊中炸藥庫(kù)值班房的事故；通過(guò)合理安排，積極協(xié)調(diào)溝通、及時(shí)恢復(fù)便道、建臨時(shí)火工品庫(kù)等措施，有效解決了炸藥庫(kù)通道保通問(wèn)題，未對(duì)工區(qū)火工品供應(yīng)造成影響，同時(shí)也保證了施工效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

葉巴灘水電站尾水出口高邊坡在Ⅳ類圍巖巖石條件較差的情況下，通過(guò)合理設(shè)置梯段高度、固化鉆孔工藝、黏土固壁、調(diào)整鉆進(jìn)力度和速度、優(yōu)化裝藥參數(shù)、采用微差起爆等一系列措施，有效地保證了開(kāi)挖質(zhì)量，使得半孔率、超欠挖、不平整度等指標(biāo)均達(dá)到了較高水平，并將對(duì)周邊鄰近重要建筑物和對(duì)開(kāi)挖區(qū)域內(nèi)重要道路的影響降到最低。經(jīng)檢驗(yàn)得知：破碎圍巖條件下高邊坡開(kāi)挖技術(shù)達(dá)到了預(yù)期效果， 所取得的經(jīng)驗(yàn)對(duì)同類工程施工具有一定的參考價(jià)值[8]。