復(fù)雜條件下大壩連續(xù)緩邊坡建基面控制開挖技術(shù)

周遠海

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

1 工程概況

巴基斯坦迪阿莫-巴沙水電站(DBDP)位于首都伊斯蘭堡的北偏東方向印度河(Indus River)干流上，位于開伯爾-普赫圖赫瓦省(Khyber Pakhtunkhwa，KPK)和吉爾吉特-巴爾提斯坦特區(qū)(Gilgit-Baltistan，GB)的交界。大壩與伊斯蘭堡公路距離440km，下游距離已建的塔貝拉水電站約315km、距離葛洲壩正在施工的達蘇(Dasu)水電站85km。

大壩總裝機450kW，為最大高度272m、軸線長度1030m的碾壓混凝土重力壩。建成后將成為世界上最高的RCC重力壩，世界第二高的混凝土重力壩。

我司負責(zé)右岸壩肩與導(dǎo)流明渠、右岸引水洞與導(dǎo)流洞進口的明挖開挖與邊坡支護，負責(zé)25～36壩段的碾壓混凝土及大壩附屬建筑物施工。右岸壩肩開挖高程為EL.1190m-EL.950m，高差達240m，EL.1110m-EL.950m為多面扇形連續(xù)緩邊坡，坡比包括1∶1、1∶1.25、1∶2三種，面積共2.9萬m2。

2 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)主要以微葉狀至均質(zhì)輝長巖和角閃巖為主，局部分散超鎂鐵質(zhì)巖(由輝石、角閃石和橄欖石組成)。在壩址處有數(shù)條斷層、破碎帶，破碎帶的最大寬度達到1m，復(fù)雜的破碎帶對建筑施工過程中斜坡的穩(wěn)定性具有一定要求。

輝長巖類屬巖漿巖，為深成巖，塊狀構(gòu)造，全晶質(zhì)粒狀結(jié)構(gòu)，巖硬而強。應(yīng)力釋放作用在地表顯著，可達到巖體內(nèi)50m以上。查閱《土壤及巖石(普氏)分類表》，其巖石級別：ⅩⅤ和ⅩⅥ級，極限抗壓強度：200～250MPa，強度系數(shù)f=20～25，巖石硬度分級：Ⅰ級，堅固強度：最堅固。

3 施工主要特點與難點

1)建基面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大：巴沙大壩右岸壩肩EL.1110m-EL.950m為多面漸變型連續(xù)緩邊坡，如圖1所示，為大壩右岸緩邊坡建基面開挖平面圖，在EL.1020m設(shè)計有10m寬馬道，緩邊坡總面積2.9萬m2，坡比有1∶1、1∶1.25、1∶2三種。

圖1 右岸大壩緩邊坡建基面開挖平面圖

連續(xù)型邊坡，依現(xiàn)有技術(shù)，只能分層爆破，且層間需錯臺作為鉆孔平臺，對于超挖部分的混凝土回填費用需自行承擔(dān)，因此，如何做好最小化的超挖則直接關(guān)系項目成本的投入，影響項目的效益；另，邊坡坡度緩于1∶1，鉆孔深度與角度需精細化控制，施工難度大。

2)工程師要求苛刻、工期緊：本工程合同規(guī)范要求，壩基面采用控制性開挖，包括若干層深度不大于1.5m/層的鉆孔爆破+底部0.3m的機械開挖，工程師在對該規(guī)范理解后，要求壩基開挖按圖2進行，即大壩基礎(chǔ)開挖分四個區(qū)，I、II區(qū)進行分層爆破，III區(qū)采用機械開挖，I區(qū)外承包商采用自有方案即可。

方案說明：以設(shè)計開挖線為基準，法向厚度0.3m范圍內(nèi)為開挖III區(qū)，該區(qū)域不允許鉆孔，只能采取機械開挖的方式；法向厚度0.3～6.3m范圍內(nèi)為開挖II區(qū)，該區(qū)域爆破臺階高度不超過1.5m；法向厚度6.3～20.3m范圍內(nèi)為開挖I區(qū)，該區(qū)域爆破臺階高度不超過3.0m。

若按此方案執(zhí)行，施工成本倍數(shù)增加、工期目標(biāo)亦將嚴重滯后，總進度計劃要求的導(dǎo)截流目標(biāo)將難以保證，RCC的澆筑也將隨之延遲[1]。

3)地質(zhì)條件復(fù)雜，巖石硬度高，邊坡成型困難：右壩肩巖體硬度高，但因裂隙交錯發(fā)育，部分裂隙張開且充填泥砂質(zhì)物，塊狀發(fā)育嚴重，且有兩條軟弱破碎帶斜交，導(dǎo)致爆破后超欠挖較為普遍，多為裂隙交錯切割的殘留塊狀凸起或軟弱結(jié)構(gòu)面處的清面超挖，局部邊坡成型難度大[2]。

4 施工方案選擇與效益對比

4.1 施工方案的優(yōu)化

若按照工程師要求的方案執(zhí)行，成本投入大、工期長，不利于項目整體控制，且底部0.3m采用機械開挖，開挖形成的建基面雖可能無較大超欠挖，但成型外觀一般。為降低施工成本、加快施工進度、提升建基面整體外觀質(zhì)量、簡化施工工序，經(jīng)與設(shè)計團隊、現(xiàn)場咨詢團隊溝通，通過線外試驗優(yōu)化并替代了原開挖方案，即按垂直高度7.5m一層分級，II區(qū)為大壩緩邊坡建基面開挖的結(jié)構(gòu)區(qū)，I區(qū)為結(jié)構(gòu)區(qū)外側(cè)的輔助區(qū)，比II區(qū)先行下降1個臺階，為II區(qū)提供良好的臨空面，提高爆破效率及爆破質(zhì)量。

每層級孔口位于設(shè)計線上，孔底技術(shù)性超挖0.7m，以確保下層鉆孔時的鉆機空間位置充足，采用預(yù)裂爆破形成大壩建基面。

主爆孔垂直鉆孔，孔底與實際開挖輪廓線的法向距離為1m，主爆孔共5排，主爆孔與預(yù)裂孔間增加一排傾斜向緩沖孔[3]。

預(yù)裂孔采用100D型潛孔鉆機，鉆機固定在緩邊坡坡面上搭設(shè)形成的系統(tǒng)支撐架上，采用3～5臺潛孔鉆機同步鉆孔。

4.2 優(yōu)化后方案的效益分析

以縱向長度15m為一個施工單元進行效益分析。

1)費用方面，主要考慮鉆孔成本、火工材料費用、清面成本，表1所示。

表1 優(yōu)化后的緩邊坡開挖費用核算

預(yù)裂孔采用乳化小藥卷間斷不耦合裝藥，竹片輔助，線裝藥密度224g/m(按平均值計算)；主爆孔深孔采用2卷乳化炸藥+散裝銨油炸藥，孔內(nèi)雙發(fā)高段位導(dǎo)爆管傳爆，4m深度以內(nèi)的孔采用乳化炸藥，孔內(nèi)單發(fā)高段位導(dǎo)爆管傳爆，孔外均采用低段位導(dǎo)爆管聯(lián)網(wǎng)，排間6～7段。火雷管、導(dǎo)火索單價低，此處不予考慮[4]。

2)工期方面：以II區(qū)施工時間計算，II區(qū)單層預(yù)裂鉆孔個數(shù)為25個，單臺潛孔鉆機單班3孔，配置3臺鉆機需3班作業(yè)，主爆孔單層鉆孔米數(shù)為1047.2m，配置2臺鉆機共需3個班作業(yè)；裝藥爆破0.5班次，清渣2班次，清面、測量及驗收1班次。

清面、測量、驗收(第1班次)→鉆孔(第4班次)→裝藥爆破(第4.5班次)→清渣(第6.5班次)。即3.5d才可完成單層開挖，7d可完成雙層開挖。

4.3 原開挖方案的效益分析

同樣以縱向長度15m為一個施工單元進行分析。

1)費用投入方面，主要考慮鉆孔成本、火工材料費用、底部0.3m機械開挖成本。

工程師要求逐層開挖，因鉆孔較淺，孔內(nèi)全部采用乳化炸藥裝藥，3m深度鉆孔的單孔裝藥量為3kg，1.5m孔深鉆孔的單孔裝藥量為1kg；孔內(nèi)采用高段位導(dǎo)爆管傳爆，孔外采用低段位導(dǎo)爆管聯(lián)網(wǎng)，排間采用6～7段，底部0.3m機械開挖?；鹄坠堋?dǎo)火索、導(dǎo)爆索數(shù)量少，單價低，此處不予考慮(表2所示)。

表2 原方案的開挖費用核算

2)工期方面：以II區(qū)和III區(qū)所消耗的施工時間進行計算，II區(qū)單層鉆孔米數(shù)為150m，液壓鉆機單班即可完成鉆孔，裝藥爆破0.5班次，清渣、清面、測量及驗收1班次，每兩層液壓錘進行一次邊坡底部0.3m坡面巖石撬挖，需0.5班次。

清面、測量、驗收(第0.5班次)→鉆孔(第1.5班次)→裝藥爆破(第2.5班次，爆破時間限制)→清渣、下一層施工準備(第3.5班次)→鉆孔(第4.5班次)→裝藥爆破(第5班次)→清渣、液壓錘撬挖剩余0.3m坡面巖石(6班次)。即3d才可完成兩層開挖，15d可完成II區(qū)和III區(qū)開挖。

4.4 兩種方案的對比

1)費用方面，優(yōu)化后的方案相比原方案節(jié)約375.2萬盧比(合9.4萬人民幣，匯率按1∶40計)，節(jié)省約46.6%。主要成本消耗在鉆孔和火工材料兩個方面，清面費用相差不大；裝藥人工費占比極少，此處忽略；挖裝運量兩者相同，此處不予考慮。由此可見，采用優(yōu)化后的方案施工大幅度降低了成本投入，經(jīng)濟效益顯著[5]。

2)工期方面，優(yōu)化后的方案相比原方案可節(jié)省一半的時間，工期節(jié)點在可控范圍內(nèi)。

5 優(yōu)化后方案施工工藝說明

5.1 施工流程

施工準備→測量放樣→搭設(shè)鉆機支撐架→布孔(預(yù)裂孔、主爆孔)→鉆機就位、校正→鉆孔及檢查→裝藥、聯(lián)網(wǎng)→爆破、安全檢查→出渣、清面→下一循環(huán)。

5.2 施工過程描述

1)施工準備，繼上層開挖后，施工準備主要為鉆孔平臺的虛渣清理，鉆機支撐架材料的準備，鉆機的日常保養(yǎng)及檢修，已完成開挖的緩邊坡坡面虛渣清理等。

2)測量放樣，采用GPS測放出潛孔鉆機支架系統(tǒng)的特征點位，采用紅色油漆標(biāo)注。

3)搭設(shè)鉆機支撐架，支撐架選用φ48mm筆直的架子管，壁厚不小于3.5mm。在開挖設(shè)計線后方0.7m位置設(shè)置一排豎向鋼管，鋼管插入巖體0.5m，伸出地表0.7m，以2m等間隔進行布置；在距離坡底2m的坡面上以相同的等間距設(shè)置一排垂直邊坡面的鋼管，插入巖石和外露長度等同；沿設(shè)計線橫向設(shè)置兩排鋼管，與埋入巖石的鋼管以扣件連接，后沿垂直于橫桿方向以2m等間隔布置豎桿，豎桿位于橫桿之上，通過扣件與橫桿連接，再在橫桿底部設(shè)置剪刀撐，進行整個支架系統(tǒng)的加固。

支撐架體搭設(shè)完成后，在橫桿上按與預(yù)裂孔間隔等同的距離利用紅色油漆做出標(biāo)記，以進行鉆機位置精準控制。

4)鉆孔布設(shè)，預(yù)裂孔：采用GPS逐孔進行設(shè)計孔位測放，紅色油漆標(biāo)注清晰，并在設(shè)計點位外側(cè)約2m的位置測放出方向點位，作為鉆孔方向的校核，進行孔深、孔口高程、傾斜角度的測量，并標(biāo)記在卡片上，放在藍色塑料袋內(nèi)并壓實。

主爆孔：逐孔進行設(shè)計孔深的測量，卡片標(biāo)記孔口高程與孔深，放在藍色塑料袋內(nèi)并壓實。

鉆孔前測量人員應(yīng)進行鉆孔參數(shù)的交底，確保鉆孔角度、方向、深度等指標(biāo)與爆破設(shè)計一致。

5)鉆機就位、校正，人工配合小型吊車進行潛孔鉆機的就位，鉆機就位應(yīng)慢、輕，避免對已搭設(shè)的支撐架造成損壞。鉆機與支撐架采用扣件進行加固，鉆機加固后應(yīng)確保鉆機的軸線與測放的方向點位于同一豎直平面內(nèi)。

6)鉆孔與檢查：①加強操作手鉆孔操作要領(lǐng)培訓(xùn)，采取“小沖擊，慢鉆進”的鉆孔方式，遵照“軟巖慢打，硬巖快；小風(fēng)壓頂著打，不見硬巖不加壓；勤看勤聽勤檢查”的鉆孔基本要領(lǐng)；②嚴格按照“三次校鉆法”操作和檢查，通過樣架比對，坡度尺每米、每桿檢查校核。根據(jù)鉆孔深度對鉆桿長度進行統(tǒng)一計算選取標(biāo)識，使其到達統(tǒng)一孔底高程。預(yù)裂孔鉆孔過程中，每桿應(yīng)檢查鉆桿方向是否與方向點重合，若不重合超出誤差范圍，應(yīng)重新鉆孔；③制定鉆孔“三定”制度，即：定機，對每臺鉆機進行編號；定人，固定每臺鉆機操作手；定檢查，將每個孔的鉆孔質(zhì)量控制落實到個人；④已完成的鉆孔，及時清除孔內(nèi)石渣和巖粉，并做好孔口封蓋。

7)裝藥、聯(lián)網(wǎng)，裝藥前應(yīng)再次進行孔深測量，以確定裝藥長度和堵塞深度。

8)爆破、安全檢查，裝藥、聯(lián)網(wǎng)完成后，在爆破總指揮的統(tǒng)一協(xié)調(diào)指導(dǎo)下完成爆破作業(yè)及安全檢查。

9)出渣、清面，出渣過程中，應(yīng)避免反鏟對大壩永久建基面造成損傷，靠近永久面時，應(yīng)慢速清挖，最底層應(yīng)人工配合反鏟進行作業(yè)，完成坡面所有浮渣清理后才可允許下層開挖。

6 質(zhì)量控制措施

1)嚴格按設(shè)計圖紙及相關(guān)技術(shù)規(guī)范進行施工。施工過程中根據(jù)開挖要求和地形地質(zhì)條件進行詳細的爆破設(shè)計，并根據(jù)爆破效果，不斷修正完善以達到更好的效果。

2)對所有施工部位的鉆孔、裝藥等工序進行全過程的質(zhì)量檢查和監(jiān)督管控。

3)配備足夠的鉆爆設(shè)備，加強施工人員系統(tǒng)業(yè)務(wù)培訓(xùn)，熟練掌握鉆爆技術(shù)，嚴格按照確定的爆破參數(shù)進行施工，保證爆破監(jiān)測結(jié)果。

4)鉆爆作業(yè)前進行爆破設(shè)計，經(jīng)審批后嚴格實施，并認真做好鉆爆施工現(xiàn)場記錄。對所有施工部位的鉆孔、裝藥等工序進行全過程的質(zhì)量檢查，嚴格按爆破試驗確定的鉆爆參數(shù)控制。

5)潛孔鉆機支架系統(tǒng)的搭設(shè)必須牢固，盡量不用廢舊鋼管或彎曲鋼管搭設(shè)，搭設(shè)完成后應(yīng)再次進行驗收，確保角度正確，搭設(shè)牢固，才能開始鉆孔作業(yè)。

7 結(jié)語

目前，大壩右岸連續(xù)緩邊坡已完成45m垂直高度，采用優(yōu)化后的開挖方案施工，最大限度的提升了施工進度，坡面整體外觀質(zhì)量達到了工程師與規(guī)范要求，施工成本投入也得到了大幅降低。在后期的施工過程中，將再接再厲，從鉆孔到爆破進行精細化管理，爭取再次提升工程整體外觀質(zhì)量，將工程作為樣板工程。