破碎圍巖條件下高邊坡開挖施工技術

易 丹

(中國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縣交界處，總裝機容量為2 240 MW，系金沙江上游13個梯級水電站開發中最大的水電站。

電站采用長尾水布置型式，大機組尾水洞為兩條平行布置的圓型隧洞，1號尾水主洞長度為3 172.39 m， 2號尾水主洞長度為3 099.22 m，末端接尾水出口，主要為高程2 791.92～2 683.5 m邊坡的開挖及尾水渠開挖，開挖的最大高度為108.42 m。出口邊坡基巖巖性為華力西期花崗閃長巖(γδ43)，巖石致密堅硬，風化較弱，淺表部呈強卸荷。尾水洞出口邊坡無區域性斷裂通過，構造以小斷層與節理裂隙發育為主。前期勘探揭示尾水洞出口邊坡巖體內發育 6 條小斷層，節理裂隙優勢方向主要發育 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高程以上分為三個臺階，設置了三級馬道，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以下為渠道開挖。設計方案中的支護及防護類型主要有淺層錨噴支護、深層錨索支護、馬道鎖口錨桿、邊坡開口線鎖口錨桿束、坡頂截排水溝、柔性防護網等。

尾水出口右側高程2 740 m山體內建有炸藥庫，炸藥庫值班房距離下游開挖邊界約50 m左右，且炸藥庫唯一的進出道路通過尾水出口邊坡開挖區域下部，對尾水出口邊坡的開挖施工造成了嚴重影響：一是施工過程中炸藥庫值班房極有可能被爆破飛石砸中，需做好防護工作；二是炸藥的供應必然會因爆破渣料中斷，因此，在施工過程中需要考慮保通，進而影響到施工效率[2，3]，尾水出口邊坡開挖平面布置情況見圖1。

圖1 尾水出口邊坡開挖平面布置圖

2 施工方案

2.1 施工道路的布置

根據現場實際情況，僅有尾水檢修路從開挖區域2 735～2 740 m高程通過，上部區域無施工通道。根據實際施工需要，為方便尾水洞出口邊坡(含環境邊坡)的開挖與支護施工，增設了L1、L2兩條施工道路。

L1道路：位于尾水出口邊坡開挖范圍內，自2號路(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308 m，最大縱坡為11%。

L2道路：位于尾水出口邊坡開挖范圍上游，自2號路(尾水檢修公路)接入尾水出口邊坡2 780 m高程并延開口線延伸至下游側沖溝處，呈“之”字形布置，道路寬4 m，長約800 m，最大縱坡40%。主要用于尾水渠出口邊坡2 715.2 m高程以上開挖支護施工所需人員設備的通行及材料運輸。在便道2 750 m高程處設置臨建場地，主要布置施工用的空壓機房、箱式變壓器，用于施工所需設備和必要的風水電布置等。

2.2 土方開挖

(1)施工程序。根據施工開挖的基本要求，所采用的施工程序為：施工準備→測量放樣→場地清理→土方分層開挖→開挖邊坡修整→階段驗收。出口明挖采用分段分區、自上而下臺階式分層作業的方法組織施工。

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

2.3 石方開挖

該工程尾水出口邊坡的最大特點是巖石相當破碎。該邊坡位于金沙江右岸，峽谷深度達1 000 m以上，在橫斷山脈形成過程中，峽谷岸坡經常年河流切削、風化和化學侵蝕，加之藏區極端溫度和溫差影響形成了獨特的高原地質條件。邊坡物理地質現象主要表現為巖體風化、卸荷和局部崩塌，表層有零星卸荷巖體發生小規模崩塌現象，2 758 m高程處的巖體強卸荷水平深度達15～25 m，弱卸荷水平深度為50～60 m，弱風化上段水平深度為15～25 m，弱風化下段水平深度為15～25 m。尾水洞出口邊坡多位于強卸荷、弱風化帶內，裂隙多張開、銹染。設計圖紙顯示：出口邊坡以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主，最大開挖厚度約50 m，開挖后揭露的永久邊坡除極少數坡面為Ⅲ2類圍巖外，其余絕大多數為Ⅳ類圍巖。

在開挖過程中，由于巖體結構復雜，給鉆孔和爆破施工造成了較大困難：一是裂隙發育。通過孔內電視觀測發現巖體裂隙的寬度最大達到70 cm，容易造成100B鉆頭卡鉆，進而影響鉆進速度；二是受軟弱夾層影響容易造成鉆孔方向和角度偏差，尤其是預裂孔的造孔質量容易受到影響；三是裂隙大多穿透巖層，使孔內與外界的大氣串通，在鉆進過程中經常發現邊坡出現“冒氣”(大量灰塵隨高壓風從裂隙吹出)現象，造成爆破孔氣密性不足而影響到爆破效果。

(1)施工程序。測量放樣→場地清理→清除浮渣→第一層梯段開挖→第一層支護→最后一層梯段開挖→最后一層支護→建基面保護層開挖。

為控制爆破對邊坡巖體和周邊建筑物的影響，同時降低下方炸藥庫道路的保通難度，必須合理分配每次開挖爆破的方量，控制炸藥單耗，降低單次爆破藥量。因此，對尾水出口邊坡高程2 715.2 m以上部分采取分層、分區的開挖方式，高度方向按照設計高程分六層開挖，水平方向按水流方向分①、②、③區三個區域開挖，以便于設備的調配。各區開挖分層高度一般為10～15 m，最大為16 m，采用液壓鉆鉆機造主爆孔，QZJ-100B、YT-28型氣腿鉆造預裂孔，松動爆破，渣料采用3臺1.6 m3反鏟挖裝，2臺1 m3反鏟配合，采用20 t自卸汽車運至降曲河棄渣。馬道及2 715.2 m高程平臺底板保護層厚3 m，采用水平光爆方式開挖。水平區域劃分情況見圖2。

圖2 施工開挖水平區域劃分示意圖

(2)施工方法及要求。對 出口明挖段上部緊鄰邊坡部位先進行預裂，設置緩沖爆破區以減少爆破振動對保留巖體的影響。采用液壓履帶鉆或100B潛孔鉆鉆孔，非電毫秒雷管聯網、微差控制爆破[4，5]。

①鉆孔。以液壓鉆機造孔為主，QZJ-100B支架式鉆機為輔，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，布孔時盡可能地避開軟弱夾層；采用不耦合裝藥結構和孔間微差爆破，使爆破出的石渣粒徑均勻，解炮量少。鉆孔施工過程中，由專人檢查鉆孔質量及孔網參數，發現不合格時立即要求返工。

鉆機樣架必須搭設牢固，經測量復核后方能投入使用。鉆進過程中，經常性地對樣架進行檢查和加固；開鉆前2 m內鉆工必須進行三次校鉆，即采用水平靠尺、角度尺等角度測量工具分別在鉆進至0.5 m、1 m和2 m時對鉆頭方向和角度進行復核，待其滿足設計角度方能繼續鉆進，否則必須重新開孔；開鉆前2 m內采用低風壓、低速鉆進，第三次校鉆合格后，方能采用高風壓鉆進。施工過程中必須加強一線鉆工的培訓和實踐，固化鉆進工藝，確保鉆孔質量。

②裝藥與聯網爆破。采取人工裝填乳化炸藥的方式，主爆孔柱狀連續裝藥，緩沖孔及預裂孔采用柱狀分段空氣間隔不耦合裝藥結構，巖石爆破單位耗藥量為0.25～0.55 kg/m3，預裂孔線裝藥密度為300～350 g/m，根據鉆孔過程中反映出的不同圍巖條件取不同的單耗和線裝藥密度。根據現場試驗成果，進一步優化了裝藥參數，將單耗確定為0.35 kg/m3，預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；預裂孔選用φ32 mm藥卷，孔內導爆索傳爆，孔外電雷管或導爆管起爆，同時，預裂孔起爆時間應超前主爆孔50 ms以上。

梯段爆破采用微差爆破網絡，采用1～15段毫秒非電雷管聯網，電雷管起爆，最大一段的起爆藥量不大于250 kg。

根據現場爆破試驗得出的梯段爆破參數如下：

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；

預裂孔孔距為0.8～1 m。

典型爆破多段微差接力網絡見圖3。

圖3 典型爆破多段微差接力網絡圖

③預裂孔裝藥結構。預裂孔使用間隔不耦合裝藥。由于預裂孔較深導致底部夾制嚴重，其底部線裝藥密度加大為正常段的2～3倍，底部0.6 m為加強段；由于開挖區巖石較堅硬且馬道留有2 m的保護層，故堵塞長度取為1.2～1.5 m。

④水平保護層開挖。根據建基面地形條件和以往的施工經驗，保護層的開挖采取了淺孔松動爆破配合水平預裂的施工方案，快速開挖保護層。

⑤破碎巖體的鉆孔及爆破應對措施。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，若采用固結灌漿會存在工期較長、吃漿量大等問題，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，同時有利于改善鉆孔氣密性，確保爆破效果；二是加強鉆工的培訓與交底，通過孔口返渣和鉆進速度變化情況判斷巖層的變化，及時調整鉆進的力度和速度，嚴格控制預裂孔的造孔質量。

2.4 鄰近重要建筑物的防護及道路保通

(1)為控制爆破后的塊徑和飛石，達到控制爆破的效果，梯段爆破孔采用寬孔距、小排距的布孔方式，布孔時盡可能地避開軟弱夾層；采用不耦合裝藥結構和孔間微差，使爆破出來的石渣粒徑均勻，解炮量少；多鉆孔、少裝藥、孔內不偶合裝藥以達到弱松動的效果，嚴格控制爆破振動對邊坡的不利影響，確保高邊坡開挖的穩定和施工安全；減少爆破飛石，避免對附近炸藥庫值班房造成損壞；在開挖的同時進行爆破震動監測，通過爆破震動的監測數據優化爆破參數[6，7]。

(2)在炸藥庫值班房外側搭設包裹式防護棚(采用鋼管架+竹跳板搭設)，外層再張拉一道柔性被動防護網，對值班房形成全包圍防護。

(3)爆破后，位于開挖區域下部的炸藥庫通行道路斷道。在現場實際條件限制下，投入了大量的推土機、裝載機、挖掘機等大型土石方機械，采用在開挖爆破渣堆外緣快速修筑便道的方式實現爆破作業后12 h內恢復開挖區域下部重要道路通行的目標；同時，建立完善了溝通協調機制，爆破作業前提醒友鄰單位提前申領火工品；修建臨時火工品庫房，儲存一定數量的火工品，盡量減小炸藥庫斷道造成的影響。

3 邊坡開挖取得的實際效果

葉巴灘水電站尾水出口高邊坡經過一年時間的施工，目前已開挖至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%，遠高于Ⅳ類巖體應不低于50%的目標；平均超挖僅14 cm，局部超欠挖檢測點的合格比例大于80%。最大梯段高度嚴格控制在16 m以下，同時，根據巖層變化及時調整了鉆進力度和速度，避免了孔深過大和巖體破碎帶來的飄鉆、八字孔、剪刀孔等問題，有力確保了開挖質量。

通過增加防護措施、采用控制爆破技術，有效控制了對鄰近重要建筑物的影響，至今未發生爆破飛石擊中炸藥庫值班房的事故；通過合理安排，積極協調溝通、及時恢復便道、建臨時火工品庫等措施，有效解決了炸藥庫通道保通問題，未對工區火工品供應造成影響，同時也保證了施工效率。

4 結 語

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，通過合理設置梯段高度、固化鉆孔工藝、黏土固壁、調整鉆進力度和速度、優化裝藥參數、采用微差起爆等一系列措施，有效地保證了開挖質量，使得半孔率、超欠挖、不平整度等指標均達到了較高水平，并將對周邊鄰近重要建筑物和對開挖區域內重要道路的影響降到最低。經檢驗得知：破碎圍巖條件下高邊坡開挖技術達到了預期效果， 所取得的經驗對同類工程施工具有一定的參考價值[8]。