土石方施工技術在水利水電工程建設中的應用

何衛安

土石方施工是水利水電工程的基礎工程，它可以有效地保障水利建設項目順利實施，并為其他工程的施工提供有利的作業環境。水利水電工程建設場地的自然環境較為復雜，工期較為緊張，往往會對工程的成敗產生一定的影響。所以，對土石方工程的施工技術進行深入的探討，才能有效地改善施工質量，從而對工程造價進行精確的控制，實現工程成本最低化。

一、水利水電土石方工程特性

在水利工程建設中，由于土石方工程的施工工藝比較復雜，施工過程比較煩瑣，要想取得最好的施工效果，確保工程的安全性、可靠性，應結合現場的實際情況制定出一套完善的施工方案。由于土石方工程的特殊性，在工程建設中存在著許多不確定因素，甚至有一定的安全隱患，因此，在工程建設中，要盡可能地避免在惡劣的氣候條件下進行施工，同時要根據實際情況，制訂合理的施工計劃，嚴格執行相關的規范和技術要求，從而達到對工程質量和工程造價的有效控制。

二、項目背景

某水電站的開挖工程由發電站廠房的明挖、調壓井井挖、壓力鋼管洞和引水洞洞挖等組成。發電站廠房明挖的邊坡分為上游和右岸的邊坡，基坑開挖面的最低值為1475.40m，最大的開口線為1560m，土石分界高度為1529m，其中，右岸坡面1529m以下為右方開挖，1529m以上為土方開挖，上游坡面1525m以下為右方開挖，1525m以上為土方開挖，在1500.35～1525.35高程的斜坡斜率為1∶0.5，1500.35高程以下的斜率為1∶0.3，石方明開挖量為442969m3。引水洞和壓力管道的長度為876.403m，石方洞挖工程量為83259m3。調壓井位于發電引水洞3+446．17m～04-000.00處，覆蓋層最高約1740.00m，中央的原位置高程為1704.00m，該井采用環形剖面，開挖深度71.6m，直徑為30m，石方井的開挖量為53242m3。

三、工程施工特點

針對該項目的總體工期和后期混凝土、設備安裝等要求，在工程設計中，主要以壓力鋼管洞斜井段洞挖和調壓井開挖兩種施工方式為主，而調壓井開挖的鉆孔深、鉆孔直徑大；壓力鋼管洞斜井段洞挖工作存在較大的困難，且施工比較集中，強度大、工作量大、施工周期緊張，其特征是：

（1）施工技術復雜，其中調壓井井深71.8m，直徑30m，巖層破裂，構造錯綜復雜。

（2）施工進度緊張，以廠房開挖為例，整座廠房的開挖土方，總計750000m3。工程的總工期僅為5個月，工程強度大、工期短。

（3）施工條件復雜，本項目地處新疆南方地區，氣候干旱、多風、強風，加之巖體破裂和風化的作用，均為千粒巖，對工程安全施工方面有較高的要求。

（4）建筑場地占地面積小，廠房開挖處均在兩面環山的位置，兩面臨江，占地面積不大；調壓井在半山腰，且處于有山外懸崖的情況下，施工條件非常苛刻，施工技術、設備和方法都具有很大的局限性，施工非常困難。

四、主要施工技術

1. 廠房石方邊坡開挖施工技術

（1）施工方案

案例中水電站的最大掘進深度為84.6m，石方邊坡長度為52m，石方邊坡為千粒巖夾板巖，且為破碎巖，大部分為Ⅱ、Ⅲ類，少數為Ⅳ類，當地地質條件容易發生崩塌，造成鉆井難度加大，邊坡成形困難。為了確保孔口的成孔率，使邊坡成型平穩，必須嚴格控制超挖率和欠挖率，對全部石方邊坡進行預裂爆破處理，并在鉆孔施工中采用黃土、碎石等材料來加固處理，成孔檢驗后裝炸藥布線爆破。

（2）放樣與鉆孔

針對鉆孔密集、地質復雜、鉆孔難度大、精度要求高的技術要求特點，采取了以下幾種施工方案：①利用TCR-402全站儀進行鉆孔放樣，孔位布置在設計邊線-10cm處；②用100型潛孔鉆機進行鉆孔，并安裝堅固的鋼管排架；③在開孔后，為了增加孔洞的成孔率，采取了在孔洞中進行的邊鉆邊填黃土的方法；④在鉆井作業中，應注意井架的穩定性，利用測斜儀對鉆孔的角度進行校正，并及時調整。

（3）圓弧段鉆孔施工

拱段是上、右岸坡的聯結帶，它的開弧長、下口弧小、施工技術復雜、要求的精度高，在采取放樣、鉆進等措施的同時，應采取以下措施：①利用TCR-402全站儀，將兩側斜坡底口相交處進行固定，并進行樁基定位；②鉆孔從開口線開始，中點造孔，在由中間點向兩側兩個點進行造孔，以此類推，直到全部造孔完成；③按各孔的要求，對鉆孔深度進行嚴格的控制，不允許有孔洞交叉；④在成孔過程中，應按樁位置對鉆孔角度（包括斜角、鉆機的安裝角度）進行校正，確保工程的質量。圓弧段孔位排列和鉆孔順序如圖1所示。

圖1 圓弧段孔位排列和鉆孔序圖

（4）裝藥施工及網絡連接

采用氣隙非耦合式裝藥結構，其直徑為32mm的乳化型炸藥，300～420g/m的線裝藥。前排主炮在開孔前加裝減震和避震孔，以降低其爆炸振動，并且采用了減少炮孔間隔、減少井眼裝藥量等解決方法，同時采用直徑70mm的乳化炸藥作為不耦合的圓柱裝藥。在預裂爆系統中，應用了電力起爆、導爆索傳爆以及無導爆系統等多種技術。

2.壓力鋼管斜井段洞挖施工技術

壓力管孔在0+020.00～0+184.61處的斜井段，與上壓鋼管的上水平段成40°。坡度：起點高1601.7m，底深1484.78m；巖體主要是板巖-千枚巖，主要為Ⅲ型，局部為II型，斷裂或斷層密度等級為Ⅳ，基本穩定。在本施工項目中，先開挖直徑2m的導向井，然后再進行擴孔成形。導井由下至上施工，斜井由上而下，采用手工鉆孔爆破的施工方式。

（2）放樣與布孔

導井剖面用TCR-402全站儀測量，根據孔位布置圖，用紅色油漆進行標記。

（3）鉆孔

在導井段的中段，設7個鉆孔，周圍采用光面爆破，TY-26手風式鉆機輔助TY-28氣腿鉆孔。兩個直徑為φ25mm的鋼筋爬梯，在導向井的方向上對稱排列（距離50cm，臺階筋的直徑為φ25～30cm）。在每個周期工作面的下面，導向井的壁面相距1.5m處，設置一列直徑為φ25×100mm、L=3.5m、裸露50cm的錨索。為保證鉆具的安全擺放和操作人員的方便使用，在井壁上每間隔10m（在爬梯附近）布置一個直徑為lm，深為lm的工作物資儲存平臺孔。

（4）裝藥、聯網及爆破

選擇光面爆破專用炸藥和2號巖用乳化炸藥，人工裝藥、聯網，爆破選擇非電毫秒級雷管群聯分段微差爆破。

（5）斜井擴挖施工方法

采用自行裝配的擴井機進行施工，臺車采用鋼結構制造，每臺礦車由2臺JM5低速卷揚機進行動力牽引，5t中速卷揚機牽引是最佳的動力牽引方式。在擴井車上設置電鈴以及對講機（電鈴沿孔設置并連接到洞口），在擴井過程中，根據擴井掘進進程，在已擴開的斜井底部安裝應急鋼爬梯，保證工程施工的安全可靠，并能夠及時應對突發情況。斜井的擴挖施工如圖2所示。

至于灌區內部、城鎮內部的水權分配采用何種方式，可以交由各地自行探索、自主選擇。或許可以采用灌區用水協會集體所有的形式，也可能在灌區內部采用進一步分解到農戶的形式。在城鎮內部，水權或許可以屬于城鎮政府，而委托給供水公司和自供水單位使用。

圖2 斜井擴挖示意圖

①放樣和穿孔。按TCR-402全站儀測得的數據進行放線，并按設計要求將剖面周圍的外形曲線放出。根據所設計空洞圖紙，在工作面上用紅色油漆標記出鉆孔位置，并將外圍孔設置在距邊長5～10cm的范圍內，以防止過深和欠深。

②打孔。利用TY-26手風式鉆機輔助TY-28氣腿鉆孔，并在周圍進行了光面爆破。

③裝填、網絡和爆破。選擇光面爆破專用炸藥和2號巖用乳化炸藥，人工裝藥、聯網，爆破選擇非電毫秒級雷管群聯分段微差爆破。爆破后，采取人工扒渣、排險、全斷面素噴射、機械出渣等措施進行下一步的施工。

3.調壓井開挖施工技術

（1）施工方案

調壓井位于發電站廠房引水洞3+446.17m～0+00000處的位置，上覆巖層的最高高度約174000m，中間部位的原地表高程170400m，該井采用環形剖面，開挖深度為71.6m，直徑為30m，圍巖為巖板型，含千枚巖，主要為Ⅲ級，局部為II級，斷裂和裂縫集中區屬于Ⅳ級，穩定性差-基本穩定。在此基礎上，首先開挖2m長、2m深的導井，然后再進行擴孔成形。下44.5m的導井由下至上分段進行，22m的導井由一次鉆爆，由上向下施工，先用水利鉆機鉆孔，再用導井溜碴。

（2）導井開挖施工技術

下導井在井下進行人工作業，以手式風壓鉆機進行鉆孔、分段爆破，而上部導井則是采用一次爆破的方式。上部導井的開挖深度大，爆破參數要求高，爆破技術要求高。

①鉆進和精度的控制。首先，確定下一段導槽的位置，再用TCR-420全站儀精確地將該導孔的上的中點和周圍的各個孔位排出，再用紅色油漆標記。在調壓井的中點處設一中孔，在2m見方的邊界線上設置4個爆破孔。

鉆孔采用垂直的鋼管排架法施工，采用100型潛孔鉆，并與羅盤、斜度計相結合對孔位進行檢測（垂直于地面或鉆桿，不得傾斜，每增加一根鉆桿，則需測量鉆頭的角度），并應將鉆孔開到下層的豎井中。由于巖體破裂，在造孔時易發生卡鉆，因此，在開孔時，應采取邊填黃土的方式，以保證開孔時不會卡鉆。

②封口。首先要保證每一個鉆孔都要與下面的鉆孔相通：按順序排列，由上往下把繩子往下順，一個人在下面（已經開挖了的井口）向上看，確認鉆孔已經打開，并且位置一致，先用小沙包堵住孔洞的底部，然后用細沙從上方填入20cm左右。

③裝藥、聯網、爆破。使用藥筒直徑70mm、32mm的乳化炸藥，采用人工裝藥、聯網，毫秒雷管與電雷管分段分層爆破。爆破掘進工藝是：堵塞孔底→裝一定的炸藥→堵住某一段→填入某段爆炸物，直至到達頂端并阻塞。

（3）井身擴挖施工技術

在井掘進工程開挖前，首先要打通導槽，將其作為溜碴井，然后對其進行擴挖。在擴挖之前，先要設置5m高、2m厚的水泥井圈，再由上到下逐層實施爆破，在每一層都用水力鉆頭和手風鉆，用反鏟機拋渣，再用自制的鐵板鋪成的場地供反鏟（液壓鉆機）停放，使其在任意位置都能自由地起重。

①鉆進和精度的控制。采用TCR-402全站儀將開挖剖面線放出，并在各孔上涂上紅色顏料，以便于計算和觀察。使用手風鉆進行光爆孔、防護孔，同時使用HCR-1800水力鉆機進行爆破。炮眼逐環排列在井眼周圍，靠近開挖輪廓的最后一道炮孔為光爆孔，因井眼未設置良好的臨空面，為改善爆破拋渣的效果，爆破孔和防護孔都向中心傾斜3～5°，所有的光爆孔都是垂直的，光爆孔在等距5cm處開孔，孔向應達到90°。爆破孔和保護孔的方向應與垂直井眼方向保持一致。

②裝藥、聯網及爆破。選擇光面爆破專用炸藥和2號巖用乳化炸藥，人工裝藥、聯網，爆破選擇非電毫秒級雷管群聯分段微差爆破。

五、結語

綜上所述，應用文中所述施工技術后，該項目的整體施工質量取得了良好的提升效果，電站廠房已如期開挖，壓管洞口的開挖完成時間比原計劃早了一個月，調壓井開挖也比計劃提早了半個月，在施工期間，沒有出現任何的安全事故，工程質量符合設計要求。