水利水電工程施工中邊坡開挖支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用研究

楊明輝,羅超

（1.云南省滇中引水工程建設(shè)管理局紅河分局，云南 個舊 661017；2.中國水利水電建設(shè)工程咨詢中南有限公司，長沙 410014）

1 工程概況

某水利水電工程，庫容為2 120 m3，正常蓄水位為1 567.00 m，水庫調(diào)節(jié)庫容為2 030 m3，總庫容為2 359 m3。該水利水電工程由攔河大壩、防水洞、水庫電力系統(tǒng)組成，大壩壩頂長度為380 m，壩頂高程為1 820 m，大壩寬度、高度分別為8 m、89 m。大壩左右邊坡區(qū)域需要設(shè)置支護(hù)體系，如預(yù)應(yīng)力錨索、砂漿錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土，邊坡土方開挖時的設(shè)計(jì)深度為120 m，實(shí)際開挖值約為150 m。為使該水利水電工程如期竣工，相關(guān)人員在邊坡開挖支護(hù)中提前分析建設(shè)區(qū)域的地質(zhì)條件，制訂更完善的邊坡開挖支護(hù)技術(shù)方案，保障水利水電邊坡施工整體質(zhì)量。

2 水利水電工程邊坡開挖支護(hù)的相關(guān)要求

邊坡開挖作為水利水電工程建設(shè)中的基礎(chǔ)工作，邊坡開挖時施工人員應(yīng)提前對邊坡區(qū)域的地質(zhì)條件進(jìn)行勘測，利用完整、有價值的地質(zhì)信息與環(huán)境系數(shù)分析邊坡的地質(zhì)構(gòu)成情況，了解邊坡環(huán)境，夯實(shí)水利水電工程邊坡開挖支護(hù)基礎(chǔ)。對于巖土、土方、槽溝需要采用不同的開挖技術(shù)。土方開挖時應(yīng)重點(diǎn)控制開挖順序，并堅(jiān)持分層挖掘的基本原則。邊坡支護(hù)時，同樣應(yīng)根據(jù)邊坡區(qū)域的實(shí)際情況合理選用邊坡支護(hù)技術(shù)。水利水電工程中邊坡支護(hù)時，對于部分土質(zhì)較差的區(qū)域，還應(yīng)聯(lián)合使用多個支護(hù)技術(shù)，如在噴射混凝土的前提下，將邊坡錨桿、錨索布設(shè)在邊坡結(jié)構(gòu)上，以此確保邊坡支護(hù)的可靠性[1]。邊坡支護(hù)前期，相關(guān)人員還應(yīng)基于邊坡地質(zhì)勘察結(jié)果計(jì)算邊坡巖體抗剪強(qiáng)度τf，計(jì)算公式為：

式中，c為邊坡的有效黏聚力；σ為邊坡的法向有效應(yīng)力；φ為邊坡巖體的有效內(nèi)摩擦角。之后，施工人員還應(yīng)計(jì)算邊坡支護(hù)后的抗滑穩(wěn)定性，分析邊坡支護(hù)的變形風(fēng)險，使邊坡支護(hù)后其抗滑穩(wěn)定性符合水利水電工程邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3 水利水電工程施工中邊坡開挖技術(shù)要點(diǎn)

3.1 土質(zhì)邊坡開挖技術(shù)

水利水電工程建設(shè)所處的區(qū)域較為復(fù)雜，開挖土質(zhì)邊坡時，還應(yīng)重視環(huán)境因素對邊坡開挖施工的影響[2]。通常情況下，土質(zhì)開挖作業(yè)應(yīng)避免在雨天、雪天進(jìn)行。正式開挖時，施工人員應(yīng)依據(jù)水利水電工程邊坡開挖目標(biāo)、邊坡結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)，規(guī)劃邊坡開挖線路。開挖過程中應(yīng)嚴(yán)格遵守土質(zhì)邊坡開挖施工設(shè)計(jì)方案，控制各環(huán)節(jié)的施工工序，預(yù)防塌方、滲漏風(fēng)險。必要時應(yīng)同步進(jìn)行開挖、壓實(shí)作業(yè)，增強(qiáng)邊坡區(qū)域的穩(wěn)定性。為使邊坡開挖施工有序進(jìn)行，施工人員需要熟悉開挖機(jī)械的操作方式。開挖期間重點(diǎn)控制削坡厚度，水利水電工程中土質(zhì)邊坡開挖厚度約為3 m；削坡過程中還應(yīng)靈活地對邊坡進(jìn)行修坡處理，并使用反鏟機(jī)壓實(shí)處理開挖區(qū)域的道路，保證土質(zhì)邊坡開挖的高效性。

3.2 巖質(zhì)邊坡開挖技術(shù)

巖質(zhì)邊坡開挖時，重點(diǎn)在于根據(jù)巖質(zhì)邊坡的強(qiáng)度選擇最佳的開挖方式。由于水利水電工程建設(shè)中的巖質(zhì)土層硬度較高，開挖時需通過爆破的方式輔助開挖。施工人員需要提前計(jì)算巖質(zhì)邊坡區(qū)域開挖的工程量，篩選爆破方式，制訂安全、可靠的爆破方案。

對于水利水電工程巖質(zhì)邊坡地質(zhì)條件較好的區(qū)域，可應(yīng)用爆破開挖法，包括淺孔爆破和深孔爆破兩種。深孔爆破的鉆孔深度會大于5 m，鉆孔直徑約為75 mm，水利水電工程建設(shè)中，深孔爆破在巖土邊坡開挖中應(yīng)用較為廣泛。施工人員應(yīng)按照邊坡設(shè)計(jì)方案，用高度約為10 m的平臺開展深孔爆破開挖工作，爆破施工前施工人員應(yīng)基于RMR法獲取巖體地質(zhì)力學(xué)、地質(zhì)強(qiáng)度等指標(biāo)，計(jì)算爆破開挖時的裝藥量、炮眼深度、填塞長度等。

4 水利水電工程施工中支護(hù)技術(shù)要點(diǎn)

4.1 淺層支護(hù)技術(shù)

水利水電工程建設(shè)中，邊坡淺層支護(hù)技術(shù)具體包括錨噴支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)等工藝。其中，錨噴支護(hù)的基本原理是通過噴射混凝土、插入錨桿的方式，使混凝土與錨桿和邊坡圍巖成為一個整體，共同承受邊坡所承載的應(yīng)力。在邊坡面直接噴射混凝土有助于預(yù)防邊坡巖石風(fēng)化，用凝固后的混凝土作為邊坡巖層的防護(hù)結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)邊坡的安全性與穩(wěn)定性。

4.1.1 錨噴支護(hù)技術(shù)

錨噴支護(hù)技術(shù)是水利水電工程中常用的支護(hù)技術(shù)手段，是噴射混凝土支護(hù)技術(shù)、錨桿支護(hù)技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用后產(chǎn)生的工藝。水利水電工程建設(shè)中，錨噴支護(hù)所用的錨桿類別較多，根據(jù)邊坡圍巖、錨桿接觸方法可將支護(hù)所用的錨桿分為斷頭錨固型錨桿、全長黏結(jié)型錨桿、摩擦型錨桿。按照錨桿張拉力大小對其展開分類處理時，可將支護(hù)錨桿分為張拉錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿兩種。水利水電工程邊坡支護(hù)中，張拉錨桿多為Ⅰ級、Ⅱ級的螺紋鋼筋，鋼筋直徑約為25～32 mm，設(shè)計(jì)錨桿張拉力時，其應(yīng)力應(yīng)小于鋼筋抗拉強(qiáng)度的70%。

邊坡支護(hù)施工中錨桿布設(shè)的方式包括梅花形、菱形、矩形等。支護(hù)錨桿間距應(yīng)控制為錨桿長度的1/2，對于Ⅴ類圍巖，錨桿之間的距離應(yīng)小于1 m；Ⅳ類圍巖，錨桿之間的距離應(yīng)控制在1.25 m。正式鉆孔時，施工人員應(yīng)保持鉆頭、邊坡巖層表面相互垂直；通過試驗(yàn)確定鉆孔質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求后，將配置好的混凝土漿液灌入孔內(nèi)；然后將錨桿快速插入邊坡巖體內(nèi)，規(guī)范安裝錨桿后，養(yǎng)護(hù)、管理錨桿，養(yǎng)護(hù)3 d后方可進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收。養(yǎng)護(hù)期間，施工人員應(yīng)避免將重物懸掛于錨桿上，避免影響水利水電工程邊坡錨桿支護(hù)的穩(wěn)定性。需要注意的是，對于邊坡區(qū)域，包含嚴(yán)重風(fēng)化帶、斷層帶的區(qū)域，在利用錨桿支護(hù)的前提下，還應(yīng)噴射混凝土、構(gòu)建鋼筋網(wǎng)，同時聯(lián)合應(yīng)用鋼拱架，保證邊坡支護(hù)的可靠性。

4.1.2 噴射混凝土支護(hù)技術(shù)

噴射混凝土支護(hù)時，相關(guān)人員應(yīng)提前清理邊坡區(qū)域松動、開裂的巖土，然后按照水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)圖紙，將配置好的混凝土砂漿分層噴射在邊坡巖石結(jié)構(gòu)上。噴射混凝土?xí)r，還應(yīng)聯(lián)合應(yīng)用φ6 mm鋼筋布設(shè)鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)上鋼筋間距為150 mm×150 mm?；局ёo(hù)流程包括：處理受噴面→受噴面掛網(wǎng)→驗(yàn)收受噴面→分層噴射→檢測噴射厚度→復(fù)噴等。

分層噴射混凝土?xí)r，施工人員可選用PH-30混凝土噴射機(jī)，自上而下地噴射混凝土。配置的混凝土砂漿無法在1 h內(nèi)用完時，禁止再次投入使用。分層噴射時，施工人員首次噴射的厚度應(yīng)徹底覆蓋邊坡區(qū)域的鋼筋網(wǎng)，噴射厚度應(yīng)大于50 mm；確定噴射區(qū)域混凝土無墜落、滑移情況后，進(jìn)行二次噴射；若在混凝土終凝前噴射間隔時間超過1 h，還應(yīng)使用高壓水槍清理噴射面的雜物。需要注意的是，水利水電工程中過水隧洞邊坡噴射時，混凝土的厚度應(yīng)大于80 mm，鋼筋網(wǎng)區(qū)域的混凝土厚度應(yīng)大于100 mm。

4.2 深層支護(hù)技術(shù)

水利水電邊坡深層支護(hù)技術(shù)體系中，預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)較為常見，邊坡區(qū)域的預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)是利用錨索加固、支護(hù)邊坡，改變邊坡圍巖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力條件，使其具有較強(qiáng)的承載能力。預(yù)應(yīng)力錨索施工前，施工人員還應(yīng)在邊坡上用鋼管腳手架作為預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)施工平臺。錨索結(jié)構(gòu)是在鉆機(jī)在邊坡區(qū)域鉆孔后，將提前加工的錨索運(yùn)輸至施工區(qū)域，由人工安裝錨索鏈、固定錨具，但預(yù)應(yīng)力錨索中的錨墩可采用現(xiàn)場澆筑的制作方式。

鉆孔時，施工人員應(yīng)依據(jù)錨索結(jié)構(gòu)中錨桿位置確定鉆孔規(guī)格大小，鉆孔后檢驗(yàn)鉆孔質(zhì)量，清孔操作結(jié)束后，用人工將高強(qiáng)度的鋼絞線制作成的錨索塞送入鉆孔內(nèi)。然后運(yùn)用C30混凝土、普通硅酸鹽水泥、符合設(shè)計(jì)要求的砂石制作錨座，張拉鎖定錨索。對于水利水電工程中的高邊坡，10束錨索的張拉力約為1 200 kN，按照錨索支護(hù)設(shè)計(jì)，分別張拉邊坡區(qū)域的錨索后將其固定在錨座上。固定后施加與設(shè)計(jì)值相符的預(yù)應(yīng)力，若錨索穩(wěn)定支護(hù)時間大于5 min，則表示錨索支護(hù)符合預(yù)期要求。錨索固定后，用配置好的混凝土漿液灌注在錨固區(qū)域，同時澆筑錨索結(jié)構(gòu)中的錨墩，增加錨索支護(hù)的可靠性。

4.3 邊坡開挖支護(hù)的基本原則

1）水利水電工程邊坡開挖應(yīng)堅(jiān)持先清理、后錨固、再開挖的基本原則。將邊坡區(qū)域的雜物清除后，通過錨固支護(hù)、網(wǎng)蓋防護(hù)、索栓等方式，為后期開挖打好基礎(chǔ)。為確保邊坡開挖過程中邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少邊坡區(qū)域施工安全風(fēng)險，施工人員還應(yīng)在開挖時，觀察邊坡區(qū)域地下水是否存在滲漏問題，若地下水漏水情況嚴(yán)重，還應(yīng)提前設(shè)置排水孔，將地下水排出后再次進(jìn)行邊坡開挖、支護(hù)工作[3]。

2）邊坡爆破開挖時，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注邊坡成型清孔，具體可應(yīng)用預(yù)裂爆破工藝，開挖過程中所設(shè)置的臺階高度應(yīng)大約控制在10 m。應(yīng)用鉆爆開挖工藝時，鉆爆孔徑約為110 mm；同時嚴(yán)格控制藥量，以免擾動邊坡結(jié)構(gòu)，影響其穩(wěn)定性。

3）邊坡開挖支護(hù)時應(yīng)堅(jiān)持自上而下、逐層開挖與支護(hù)的基本原則。邊坡開挖時需要同時進(jìn)行邊坡支護(hù)工作，逐層落實(shí)各項(xiàng)開挖支護(hù)技術(shù)方案；首層開挖、支護(hù)質(zhì)檢完畢后方可開挖下一層邊坡。

5 結(jié)語

為提升水利水電工程建設(shè)質(zhì)量，減少邊坡施工中的安全及質(zhì)量風(fēng)險，相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合水利水電工程的實(shí)際情況，詳細(xì)分析其地質(zhì)條件、環(huán)境系數(shù)，合理選擇邊坡開挖技術(shù)、支護(hù)技術(shù)。邊坡開挖支護(hù)施工過程中，還應(yīng)明確水利水電工程開挖支護(hù)的技術(shù)要點(diǎn)，規(guī)范邊坡開挖、支護(hù)流程，使水利水電邊坡施工符合工程項(xiàng)目的建設(shè)要求。