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2萬移民的生產生活飲水。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，建設各方做了很多努力，經歷了對設計方案的優化選擇、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

該水電站移民集鎮供水工程是2萬移民的供水工程。工程設計年限15年，最高日用水規模4603m3/s。

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

工程主要內容有：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山體緩坡地帶，巖性為淺灰色厚層灰巖、結晶灰巖，巖石堅硬，裂隙較發育，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配套設施及建筑物。1#高位水池施工圖設計為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供水工程的輸水咽喉。

由于位于水源北側山體上方的輸電鐵塔基礎深孔爆破，造成水源泉眼出水量減小，水質混濁。該事件發生后，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 設計方案優化選擇

為解決1#高位水池石方開挖困難，首先設計單位對其設計方案進行了優化選擇，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

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

（2）調整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，可調整偏移的區域有限，仍舊存在石方開挖的問題；若要大幅度調整平面位置，不但要重新選址做詳細的地質勘查工作，還要重新開挖施工便道，重新進行二級泵站設計，且水廠二級泵站內設備需要重新選型（設備已經安裝），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，結合工期考慮，都不能保證如期完成，故工期緊、任務重的情況下，不宜調整設計方案。

4 施工方法選擇

在設計方案不宜調整的前提下，施工方案的選擇經歷了以下三個階段:

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，但由于沿線巖石質地堅硬，雖然施工便道沿線巖石裂隙發育，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的爆破及破碎錘作業的一種機械，具有輕便、靈活、效率高、使用簡單安全等特點，主要用于開采規整石料和開鑿礦井及隧道。

液壓劈裂機結合鑿石機（風鉆）使用，開采規整石料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，下部巖石石質明顯變硬，配合劈裂機作業的鑿石機打孔困難，鑿孔時間延長致使施工進度緩慢，不能保證工期。

在石質堅硬情況下，使用劈裂機效率下降的原因主要有：①未根據巖石節理順巖石節理開挖臨空面；②鑿石機鑿孔位置未垂直于巖石節理；③巖石鑿孔設備落后，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、任務重的實際情況，承包方委托了非爆破開挖的專業施工單位進行施工。該專業施工方具體施工方法為采用巖石切割機與破碎機結合的方式進行開挖。

切割機由以下幾部分組成：翻轉臺、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、操縱機電氣系統。切割機根據用途的不同分為數控切割機、巖石切割機、板材切割機、墻壁切割機等幾大類，已廣泛應用于建筑工程、石材加工、建材施工現場為石材、大理石、耐火磚、步道磚、盲道磚等領域，具有切割領域寬、切割速度快，機身體及小，靈活便于操作等優點。

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發電機、330裝載機、5m3水箱，其中水泵、發電機為輔助設備，水泵主要用來抽水冷卻電機，以免切割機電動機發熱過高損壞；發電機在停電時用來發電，保證施工持續不斷的進行。

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，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，設置相應樁點，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：根據巖石的節理走向布置切割位置，間距按照0.5m設置；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日內共計完成挖方總量的40%左右，預計在規定工期前可全部完成。

5 總結

由于工程自身地質條件和施工區周邊環境的影響，1#高位水池的開挖被迫采用非常規的開挖方法。在經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；劈裂機是相對專業的開山機械設備（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驗，沒有正確掌握使用技巧，導致沒有完全發揮劈裂機的效率；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鍵性影響。在設計方案最優的前提下，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，施工隊伍的專業水平對工程質量、進度都有重要影響。而設計方也應根據工程地理環境、自然環境、工程地質條件等因素尋求最優的設計方案，在滿足工程功能要求、安全、經濟、合理的情況下，最大限度的便于施工，易于施工，為確保工程建設質量和工程進度提供有力的前提保障。陜西水利

[1]《巖土工程勘察設計規范》（GB50021-2011）[S]．

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