淺談建基面保護(hù)層開挖方法的綜合利用

李健

（中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，成都 611130）

1 概述

1.1 工程概況

西藏大古水電站位于西藏自治區(qū)山南市桑日縣境內(nèi)的雅魯藏布江干流上，由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)及升壓站等組成，發(fā)電廠房采用壩后式布置。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程3451.00m，最大壩高118.00m，壩頂長389.00m，電站總裝機(jī)為660MW，水庫正常蓄水位為3447.00m，總庫容0.5528億m3，工程屬二等大（2）型工程。

1.2 工程特點(diǎn)

西藏大古水電站大壩及廠房建基面部位基巖為弱風(fēng)化下段黑云母花崗閃長巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，以Ⅱ類和Ⅲ類巖體為主，呈弱風(fēng)化，無卸荷，巖體較完整，局部完整性差，整體穩(wěn)定性較好，發(fā)育一條Ⅱ級斷層F3以及f26、f27、f28等小規(guī)模斷層，節(jié)理輕度發(fā)育，以中陡傾角節(jié)理為主。

建基面開挖面積達(dá)40217m2，包括17個(gè)平臺、6個(gè)馬道，結(jié)構(gòu)形式不一，且存在較緩斜坡面。設(shè)計(jì)要求建基面平整度為15cm，超挖控制在20cm以內(nèi)。

根據(jù)工程總體施工安排，為了確保關(guān)鍵線路及關(guān)鍵部位的施工進(jìn)度，要求采取分區(qū)分塊提交建基面，以致建基面開挖需結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際施工情況及時(shí)開挖完成，為后續(xù)施工作準(zhǔn)備，為工程發(fā)電目標(biāo)提供有利條件。

在高海拔高寒地區(qū)，從人工效率、施工成本，施工進(jìn)度上綜合考慮，需優(yōu)先考慮機(jī)械化作業(yè)。

2 保護(hù)層開挖方案確定

現(xiàn)目前使用較多的保護(hù)層開挖方式為孔底充填柔性墊層的保護(hù)層一次爆破法，或手風(fēng)鉆水平光面爆破。根據(jù)孔底充填柔性墊層的保護(hù)層一次爆破法的爆破原理，該方法對巖質(zhì)堅(jiān)硬的巖體爆破效果較差，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)后無法滿足平整度要求。采用水平預(yù)裂爆破方式，雖然對控制建基面質(zhì)量有較好的效果，但采用人工手風(fēng)鉆水平光面比較適用于馬道部位或平臺寬度小于5m的部位，對于大面保護(hù)層開挖不僅效率低、施工成本高，且對于分區(qū)分塊的提交建基面施工情況下不易操作，質(zhì)量控制難度大。

鑒于本工程的施工特點(diǎn)，為了確保施工質(zhì)量及施工進(jìn)度，借鑒孔底充填柔性墊層的保護(hù)層一次爆破法的爆破原理，經(jīng)分析研究探索，選擇水平預(yù)裂爆破輔以淺孔梯段爆破法、孔底設(shè)置半球形剛性墊層的保護(hù)層一次爆破法綜合利用進(jìn)行保護(hù)層開挖。

3 保護(hù)層開挖方案介紹

根據(jù)確定的施工方案，對于不同部位采取不同方案組合進(jìn)行保護(hù)層開挖，具體如下：

3.1 馬道或平臺寬度小于5m的部位

對于馬道或平臺寬度小于5m，且平臺存在臨空面的部位采用水平預(yù)裂爆破輔以淺孔梯段爆破法進(jìn)行施工。預(yù)留保護(hù)層厚度控制在2.5～3m，保護(hù)層結(jié)構(gòu)面采用手風(fēng)鉆施工水平預(yù)裂孔（具備施工條件情況下，也可以考慮采用D7液壓鉆機(jī)鉆孔，孔徑90mm），孔徑50mm，孔距80cm，距側(cè)面結(jié)構(gòu)線15～20cm；其淺孔梯段爆破孔采用D7液壓鉆機(jī)鉆孔，孔徑90mm，孔間排距100～120cm，距底部結(jié)構(gòu)50cm左右。具體見下圖1。

圖1 保護(hù)層開挖斷面示意圖

3.2 平臺寬度大于5m的部位

對于平臺寬度大于5m且存在臨空面的部位，主要采用孔底設(shè)置半球形剛性墊層的保護(hù)層一次爆破法。為了有效保證結(jié)構(gòu)線成型，平臺臨空側(cè)3～5m范圍內(nèi)采用上述水平預(yù)裂爆破輔以淺孔梯段爆破法進(jìn)行施工。

孔底設(shè)置半球形剛性墊層的保護(hù)層一次爆破法，主要是借鑒孔底充填柔性墊層的保護(hù)層一次爆破法的爆破原理，將底部柔性墊層調(diào)整為半球形剛性墊層，改變爆破應(yīng)力波傳遞方向使巖體發(fā)生破壞以達(dá)到所需爆破效果，其原理示意圖見圖2。

預(yù)留保護(hù)層厚度控制在2.5～3m，爆破孔采用D7液壓鉆機(jī)鉆孔，孔徑90mm，孔間排距100～120cm，孔底高程為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)線高程。鉆孔完成后在孔底設(shè)置略小于鉆孔孔徑的半球形剛性墊層，具體見下圖2。

圖2 半球形剛性墊層爆破原理示意圖

圖3 保護(hù)層開挖斷面示意圖

半球形剛性墊層材料主要考慮以下幾種：C40混凝土澆筑成型、半球形實(shí)心鋼球、半球形空心鋼球澆筑C30混凝土成型。具體墊層材料選擇通過試驗(yàn)效果確定。

4 試驗(yàn)及其效果

根據(jù)確定的建基面保護(hù)層開挖方案，進(jìn)行相應(yīng)的生產(chǎn)試驗(yàn)，具體如下。

4.1 孔底充填柔性墊層的保護(hù)層一次爆破法

試驗(yàn)：采取預(yù)留保護(hù)層厚度2.5m，爆破孔采用D7液壓鉆機(jī)鉆孔，孔徑90mm，孔間排距1m，鉆孔深度至設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)線。柔性墊層選用從波阻抗值小、易制作、經(jīng)濟(jì)性等綜合考慮，采用兩端帶節(jié)竹筒，長度約25cm。裝藥單耗選用0.4和0.45kg/m3，裝藥結(jié)構(gòu)采用連續(xù)耦合方式。

效果：未見超挖部位，欠挖大面在35cm左右，平整度偏差最大達(dá)58cm，裝藥單耗提高對施工質(zhì)量效果影響較小。若采取超鉆設(shè)置墊層方式，雖對欠挖偏差有一定減少，但平整度偏差依舊，且超挖偏差無法滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 水平預(yù)裂爆破輔以淺孔梯段爆破法

試驗(yàn)：預(yù)留保護(hù)層厚度2.5～3m，水平寬度3m。保護(hù)層結(jié)構(gòu)面采用D7液壓鉆機(jī)鉆孔，孔徑90mm，孔深2.8m，孔距80cm；其淺孔梯段爆破孔采用D7液壓鉆機(jī)鉆孔，孔徑90mm，孔間排距選1.0m和1.2m，距底部結(jié)構(gòu)50cm。水平預(yù)裂孔裝藥線密度0.2kg/m，采用連續(xù)耦合裝藥方式；淺孔梯段爆破孔裝藥單耗選用0.4和0.45kg/m3，采用連續(xù)耦合裝藥方式。

效果：欠挖大面在8cm以內(nèi)，局部最大欠挖16cm，未見明顯超挖，平整度偏差大面在15cm以內(nèi)，局部不滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)爆破效果，預(yù)留保護(hù)層厚度在2.5～3m，選用爆破孔間排距1.2m即可，若厚度在2m左右，選用爆破孔間排距1m，裝藥單耗考慮經(jīng)濟(jì)性情況下，選用0.4 kg/m3可滿足施工質(zhì)量要求。對于建基面要求無超挖的部位，建議水平預(yù)裂孔比建基面結(jié)構(gòu)線低10～15cm進(jìn)行鉆孔，可控制不欠挖，其超挖也控制在偏差范圍內(nèi)。

4.3 孔底設(shè)置剛性墊層的保護(hù)層一次爆破法

試驗(yàn)：預(yù)留保護(hù)層厚度2.5～3m。爆破孔采用D7液壓鉆機(jī)鉆孔，孔徑90mm，孔間排距選1.0m和1.2m，鉆孔孔底高程為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)線高程，鉆孔完成后孔底設(shè)置φ80mm的半球形剛性墊層，剛性墊層材料分別選擇C40混凝土澆筑成型、半球形實(shí)心鋼球、半球形空心鋼球（厚度5cmm）澆筑C30混凝土成型。裝藥單耗選用0.4和0.45kg/m3，采用連續(xù)耦合裝藥方式。

效果：對于剛性墊層未損壞的部位（C40混凝土澆筑成型的剛性墊層局部損壞），欠挖大面在15cm以內(nèi)，局部最大欠挖32cm，未見超挖，平整度偏差大面在15cm以內(nèi)，局部不滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)置半球形實(shí)心鋼球、半球形空心鋼球澆筑C30混凝土成型的剛性墊層效果接近，均優(yōu)于C40混凝土澆筑成型的剛性墊層，從施工質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性等綜合考慮，可選用半球形空心鋼球澆筑C30混凝土成型的剛性墊層。爆破孔間排距1m的效果要優(yōu)于間排距1.2m的效果。單耗改變對建基面質(zhì)量效果影響較小，考慮經(jīng)濟(jì)性情況下，選用0.4 kg/m3即可。對于建基面要求無超挖的部位，可考慮超鉆方式控制超欠挖偏差在規(guī)定范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

在建基面保護(hù)層施工中，經(jīng)以上試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)以下幾點(diǎn)期望為相似工程提供參考。

①對于巖質(zhì)堅(jiān)硬的巖體，采用孔底充填柔性墊層的保護(hù)層一次爆破法施工質(zhì)量無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)用性不強(qiáng)，該方法較適用于Ⅳ、Ⅴ類巖體。

②水平預(yù)裂爆破輔以淺孔梯段爆破法實(shí)用性較廣，易于確保結(jié)構(gòu)型體的成型，施工質(zhì)量高。該方法較均采用水平預(yù)裂和水平主爆孔的爆破法，易于操作、施工成本低，且對預(yù)留保護(hù)層時(shí)的不平整度要求低。

③孔底設(shè)置半球形剛性墊層的保護(hù)層一次爆破法施工質(zhì)量雖不及水平預(yù)裂爆破輔以淺孔梯段爆破法，但較其施工成本低、易于操作，基本不受施工條件限制，且總體施工質(zhì)量基本可滿足設(shè)計(jì)要求。

④水平預(yù)裂爆破輔以淺孔梯段爆破法和孔底設(shè)置半球形剛性墊層的保護(hù)層一次爆破法施工中，對于要求無欠挖的建基面，均可考慮爆破孔超鉆方式進(jìn)行控制，也達(dá)到超欠挖控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，局部不滿足設(shè)計(jì)要求再進(jìn)行處理。

⑤孔底設(shè)置半球形剛性墊層的保護(hù)層一次爆破法作為新型的建基面保護(hù)層施工方式，其爆破效果主要受剛性墊層的影響，其剛性墊層的形狀、材料等均影響著爆破效果，需進(jìn)一步進(jìn)行研究優(yōu)化，并在工程中進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，以達(dá)到更佳爆破效果，更多用于工程實(shí)例中。

⑥無論采用何種施工方法進(jìn)行建基面保護(hù)層施工時(shí)，需綜合考慮巖體特性、施工條件、施工成本、質(zhì)量控制要求等因素，充分利用各施工方法的優(yōu)勢，針對不同工程或同一工程的不同部位進(jìn)行擇優(yōu)選擇或者組合選擇利用，并不斷在施工中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到各方面的均衡及最佳效果。