高陡邊坡無排架控制爆破隨層支護技術(shù)研究

由淑明 項 捷 劉?？?/p>

（中國安能集團第一工程局有限公司，廣西 南寧 530028）

大洞徑導(dǎo)流洞出口高邊坡處理方法各異，對于施工質(zhì)量優(yōu)質(zhì)、方法便捷、效率高的高邊坡方法，國內(nèi)出現(xiàn)許多不同處理工藝。邊坡治理層出不窮，但整體仍是通過各種掛網(wǎng)噴漿、打錨桿、邊坡噴砼等方式維持穩(wěn)定[1]。同時，高邊坡存在高聳作業(yè)工況，人員施工需要考慮搭設(shè)腳手架[2]。架體存在安全隱患和搭設(shè)周期，對于大型水電建設(shè)工期是否要緊，開展無排架施工方式進行高陡邊坡的施工處理亟待探究。

1 高陡邊坡無排架施工需求分析

云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的旭龍水電站導(dǎo)流洞出口高邊坡高度140m，同時存在25m深基坑，開挖難度大、安全管控壓力大，最大開挖高度140～150m，開口線頂部巖體強卸荷，且有松動破碎巖體大量發(fā)育，松動體邊坡巖體破碎，邊坡的穩(wěn)定性較差。在落差巨大的邊坡上進行支護施工需要考慮多方面技術(shù)協(xié)調(diào)問題。該文探討的一種新式的無排架施工工藝：即通過每級15m高馬道，預(yù)裂爆破完成后，開挖下降5m作為施工平臺采用JK590潛孔鉆機進行上部的邊坡支護施工。由項目的高陡邊坡特點出發(fā)，得到一次預(yù)裂到底，隨層支護控制爆破的無排架高陡邊坡施工技術(shù)。主要的工藝特征是先進性預(yù)裂巖面施工，然后通過爆破，破碎巖體，而后分層開挖支護形成邊坡穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系。無排架預(yù)裂爆破與隨層支護工藝流程如圖1所示。

圖1 無排架預(yù)裂爆破與隨層支護工藝流程

2 無排架高邊坡施工的適用性及原理

由于取消了排架的搭設(shè)，極大程度地降低了作業(yè)高度，工作平臺更加寬廣，施工工器具擺放合理，且面對不良氣候下安全施工的安全性更有保證。在爆破控制技術(shù)中，結(jié)合薩達夫斯基爆破振動強度公式[3]，可以得出預(yù)裂爆破的有關(guān)爆炸參數(shù)見表1。

表1 控制爆破的主要爆破參數(shù)表

無排架施工即取消常規(guī)的排架搭設(shè)施工，利用地形和地質(zhì)條件通過炸藥預(yù)裂，然后打入錨桿、掛網(wǎng)噴射混凝土，最后逐步分層向下開挖土方，完成高邊坡支護的施工工藝。對于邊坡開挖線、馬道的開挖，采取先錨固后開挖的施工順序，即馬道鎖口錨筋樁施工完成后進行下級臺階開挖?；诖耍溥m用性主要用于開挖高度大、且發(fā)育有大型破碎閃片巖、作業(yè)空間狹窄的高陡邊坡支護施工，公路隧道、水利導(dǎo)流洞出口邊坡等均適用[4]。尤其是在超百米以上的高陡邊坡施工，具有較好的推廣使用價值。在高山峽谷及兩岸邊坡坡度較大地帶，施工難度大，材料就位難，安全風險極高，整體施工難度高。

爆孔布設(shè)如圖2所示，每塊邊坡上均按此進行爆孔設(shè)置，其基本原理就是利用地勢和鉆機機械因地制宜，進行預(yù)裂和開挖配合施工，通過一次預(yù)裂到底，再進行分層支護、分層開挖的工藝進行施工。這種施工方法最大限度的避免了在高陡邊坡上進行搭設(shè)腳手架體所存在的安全隱患，省去了架體搭設(shè)時間、架體地基支承力的驗算以及架體的安裝和拆除施工所耗費的時間。當分層支護時，利用原位地層作為施工平臺，進行鉆孔支護。

圖2 高邊坡上爆孔布設(shè)與隨層分界設(shè)計圖

3 控制爆破技術(shù)研究

3.1 主要技術(shù)指標

對在高陡邊坡施工無排架，主要涉及對錨噴指標、預(yù)裂方式、緩沖孔方式等技術(shù)要點[5]。技術(shù)的應(yīng)用需要在高陡邊坡上進行沖孔，孔眼布置以及預(yù)裂排布需要通過現(xiàn)場試驗分析得出。依據(jù)該工程出口段邊坡的地形態(tài)勢，得到?jīng)_孔方式和參數(shù)設(shè)置要求見表2。

表2 沖孔方式和參數(shù)設(shè)置

孔眼厚度要根據(jù)現(xiàn)場爆破試驗適當作調(diào)整。開挖主要采用垂直主爆孔結(jié)合水平預(yù)裂孔的方式進行爆破開挖。隨后需要依據(jù)開挖后的坡面進行噴砼護面。在現(xiàn)場分區(qū)的基礎(chǔ)上確保不出現(xiàn)翻渣過程中大量石塊的堆積，需要增加分區(qū)界線上的及時爆破預(yù)裂[6]，在考慮施工預(yù)裂效果后，給出預(yù)裂埋深應(yīng)當與預(yù)裂主要爆炸方向一致。采用洞徑為?9cm，洞距為80cm的爆破施工參數(shù)；同時炸藥量線密度為0.3～0.4kg/m，埋置深度需要填充2.5～3m。此外，采用JK590型自行式履帶潛孔鉆機進行預(yù)裂爆破及深淺支護鉆孔施工，鉆孔速率提高2.5倍，孔位轉(zhuǎn)移靈活機動，且覆蓋施工高度達到5m，提高開挖支護效率。

鉆孔采用ROCD7液壓鉆和QZJ100B潛孔鉆，爆破炸藥通過人工進行實施；中部大面爆破采用孔內(nèi)微差延時爆破技術(shù)，并輔以YT-28手風鉆鉆孔爆破開挖。邊坡開挖石方利用高邊坡下方道路內(nèi)層堆渣平臺，防止渣料下河。采用3m3裝載機集渣、2m3反鏟挖掘機裝渣、20t自卸車運渣，通過1#道路出渣。

導(dǎo)流洞出口明挖分層梯段高度為7.5m，建基面開挖采用預(yù)留保護層的方式進行?？刂票频奶荻伪谱畲笠欢纹鸨幜客ㄟ^試驗確定[7]，且需滿足質(zhì)點振動速度的要求。其中爆破的徑向不耦合系數(shù)D、周邊孔間距E算法如公式（1）、公式（2）所示。

式中：dk、dl分別為炮孔直徑和藥卷直徑，cm；[σc]為隧道圍巖的抗壓強度，Pa；α為表征爆生氣體性質(zhì)的常數(shù)；r為爆生氣體的絕熱指數(shù)；P0為爆生氣體的初始壓力，Pa；kp為巖石抗破壞屈服系數(shù)。

在確認二者的計算方式后，對高邊坡隨層支護中的爆破炸藥情況也需進行研究控制，得出技術(shù)指標要求見表3。

表3 隨層支護炸藥技術(shù)指標

結(jié)合現(xiàn)場導(dǎo)流洞出口高邊坡的爆破施工，建立因素分析表進行綜合評判分析，見表4。

表4 導(dǎo)流洞出口高邊坡爆破因素分析表

該表所顯示的爆破控制參數(shù)，通過現(xiàn)場施工評分法對方案各因素進行無量綱賦值后，依據(jù)模糊綜合評判理論確定隸屬度后建立模糊綜合評判矩陣R，如公式（3）所示。

經(jīng)計算得出公式（4）結(jié)果，按最大隸屬度原則[8]確定方案2為控制爆破的最優(yōu)方案。

3.2 隨層支護施工技術(shù)研究

支護通過噴射混凝土予以加固，起到支撐作用。而進行混凝土噴射之前，先開挖巖石邊坡，由于在爆破預(yù)裂完成后，巖體出現(xiàn)裂縫，設(shè)備開始進場進行被動網(wǎng)的防護，同時進行的是開挖作業(yè)施工；在不斷向下開挖過程中需要分層分段嵌入錨桿，打入錨桿起到的作用是圈梁鎖口的效果，能夠更好地撐住整個巖石支護邊坡面，不會發(fā)生垮塌。而對于嵌入的錨桿將作為邊坡支護系統(tǒng)的一部分不在工后被拆除，對于錨桿與噴射混凝土之間存在標高的規(guī)律距離，通常整個支護用錨桿的上下兩端的直線距離為15～20m或二層開挖梯段的高度；不同巖石和部位開挖施工工藝原則如下：根據(jù)工程地質(zhì)已經(jīng)探明的工況，進行開挖發(fā)育，同時對于每層混凝土噴射面進行防護，按照錨桿、噴射混凝土的工藝步驟依次進行施工，在巖石開挖過程中，使每層都能順利挖至設(shè)計指定部位而不出現(xiàn)任何質(zhì)量問題。

在確定了無排架施工工藝方法后，其對應(yīng)的支護技術(shù)業(yè)自然形成。主要體現(xiàn)在噴射混凝土的工藝方法上方，傳統(tǒng)的噴砼技術(shù)著眼于將混凝土粉直接干噴的形式附著在較為濕潤的巖石表層上，從而自然硬化形成。隨層支護中，需要采用模糊矩陣的方法確認支護等級，見表5。

表5 影響隨層支護各因素的組合權(quán)重

表5中的權(quán)重表明，高陡邊坡隨層支護共有12項影響因素，最小抵抗線、炸藥單耗以及開挖深度是影響支護效果的主要因素。

最小抵抗線問題即邊坡支護的剛度提供是否能夠抵抗邊坡巖體的拉應(yīng)力而不發(fā)生破壞，現(xiàn)場施工表面：抵抗線主要來自于錨桿（錨索）的提供，旭龍導(dǎo)流洞出口高陡邊坡的砂漿錨桿材料選用熱扎Ⅲ級鋼筋，并檢驗合格后方可用于支護施工。鋼筋的入庫存放需要及時進行使用，長期不用的鋼筋可能出現(xiàn)拉力不足，銹蝕等材料退化問題，在錨桿施工過程中，計算好整體工程用量對于熱軋鋼筋的進場有重要意義。錨桿注漿所采用水泥強度等級不低于42.5的普通硅酸鹽水泥，且水泥砂漿強度等級不低于30MPa。

在隨層支護過程中，須及時做好護坡工作，以免在暴雨過后雨水巨大侵蝕力與剪切力破壞混凝土固有強度提升，從而使得邊坡出現(xiàn)破裂損壞；施工工程中及時排水，當整個開挖即向下預(yù)裂爆破時，現(xiàn)場翻土做好及時清運，不得留在原工作場地，否則易出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象和進一步的次生災(zāi)害。對隨層支護的12項影響因素都需要做好統(tǒng)籌，按其內(nèi)在規(guī)律進行控制。

3.3 高陡邊坡圍巖穩(wěn)定分析

高陡邊坡的圍巖應(yīng)力P與位移u的關(guān)系，符合彈塑性力學的相關(guān)原理，其關(guān)系曲線如圖3所示?？梢钥闯鲇捎诟叨高吰碌膰鷰r存在自適應(yīng)變化區(qū)間，從穩(wěn)定趨于向應(yīng)力增高區(qū)域變化是一個應(yīng)力P先小后大的過程，在不同的位移所在位置，將對應(yīng)不同的剛度值，在數(shù)學上表征為其不同的斜率。自然所以發(fā)的物理現(xiàn)象則是巖體隨著錨索進入以及爆破的不斷進行，而發(fā)生一定程度的崩塌脫落。根據(jù)不同變形特點，劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4大區(qū)域，不同區(qū)域?qū)?yīng)不同圍巖變形值，當巖體整體進入到Ⅲ區(qū)時，由于變形巨大，巖體整體穩(wěn)定性將可能失去，因此，錨索拉住巖面所形成的能量之間的轉(zhuǎn)化，如公式（5）所示。

圖3 圍巖應(yīng)力位移P-u關(guān)系曲線

式中：∫TP（u）為錨索施工鉆入巖體內(nèi)的能量，∫TF（u）和∫TS（u）為巖體自身發(fā)出的應(yīng)力之和，分為巖體應(yīng)力與支護應(yīng)力2個部分。

通過公式（5）能量表達式，能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場施工過程中，應(yīng)當注重將巖體自身應(yīng)力和支護應(yīng)力結(jié)合，支護應(yīng)力與巖體應(yīng)力要始終保持大于等于錨索施工鉆入巖體內(nèi)的應(yīng)力值。這二者之間存在一個巖體工程平衡穩(wěn)定的關(guān)系。在變形協(xié)調(diào)的狀態(tài)下，理論上只有維持關(guān)系式的平衡，巖體巖面就不會出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象，保持穩(wěn)定不變態(tài)勢。

4 結(jié)論

該文對旭龍水電站導(dǎo)流洞工程兩側(cè)的高陡邊坡支護技術(shù)進行分析，討論并較為全面地研究了采用無排架施工的技術(shù)施工高陡邊坡，提高了其安全性和穩(wěn)定性，對于施工高陡邊坡的工程有一定的參考價值，并總結(jié)了以下2條結(jié)論：1）根據(jù)現(xiàn)場地形和所有機械，進行一次預(yù)裂到底施工，然后每級15m高馬道出渣，采用分層開挖并支護的施工工藝能夠提高工程效率，降低安全風險。對于爆破控制方法，該文所列算法以及采用模糊綜合評判的方式可以得出在現(xiàn)場工況下的最優(yōu)控制方案。2）隨層支護方法主要通過噴射混凝土達到及時封閉穩(wěn)定，總結(jié)提煉出影響隨層支護因素的12種組合權(quán)重，并對最小抵抗線、炸藥單耗以及開挖深度給出工程控制規(guī)律。