土石方施工技術(shù)在水利水電工程建設(shè)中的應(yīng)用

何衛(wèi)安

土石方施工是水利水電工程的基礎(chǔ)工程，它可以有效地保障水利建設(shè)項(xiàng)目順利實(shí)施，并為其他工程的施工提供有利的作業(yè)環(huán)境。水利水電工程建設(shè)場(chǎng)地的自然環(huán)境較為復(fù)雜，工期較為緊張，往往會(huì)對(duì)工程的成敗產(chǎn)生一定的影響。所以，對(duì)土石方工程的施工技術(shù)進(jìn)行深入的探討，才能有效地改善施工質(zhì)量，從而對(duì)工程造價(jià)進(jìn)行精確的控制，實(shí)現(xiàn)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(shè)中，由于土石方工程的施工工藝比較復(fù)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(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)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(shè)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(shè)中，要盡可能地避免在惡劣的氣候條件下進(jìn)行施工，同時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況，制訂合理的施工計(jì)劃，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)的規(guī)范和技術(shù)要求，從而達(dá)到對(duì)工程質(zhì)量和工程造價(jià)的有效控制。

二、項(xiàng)目背景

某水電站的開挖工程由發(fā)電站廠房的明挖、調(diào)壓井井挖、壓力鋼管洞和引水洞洞挖等組成。發(fā)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(zhǎng)度為876.403m，石方洞挖工程量為83259m3。調(diào)壓井位于發(fā)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(huán)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(diǎn)

針對(duì)該項(xiàng)目的總體工期和后期混凝土、設(shè)備安裝等要求，在工程設(shè)計(jì)中，主要以壓力鋼管洞斜井段洞挖和調(diào)壓井開挖兩種施工方式為主，而調(diào)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(qiáng)度大、工作量大、施工周期緊張，其特征是：

（1）施工技術(shù)復(fù)雜，其中調(diào)壓井井深71.8m，直徑30m，巖層破裂，構(gòu)造錯(cuò)綜復(fù)雜。

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

（3）施工條件復(fù)雜，本項(xiàng)目地處新疆南方地區(qū)，氣候干旱、多風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)，加之巖體破裂和風(fēng)化的作用，均為千粒巖，對(duì)工程安全施工方面有較高的要求。

（4）建筑場(chǎng)地占地面積小，廠房開挖處均在兩面環(huán)山的位置，兩面臨江，占地面積不大；調(diào)壓井在半山腰，且處于有山外懸崖的情況下，施工條件非?？量?，施工技術(shù)、設(shè)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(shù)

1. 廠房石方邊坡開挖施工技術(shù)

（1）施工方案

案例中水電站的最大掘進(jìn)深度為84.6m，石方邊坡長(zhǎng)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(shù)為Ⅳ類，當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件容易發(fā)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(wěn)，必須嚴(yán)格控制超挖率和欠挖率，對(duì)全部石方邊坡進(jìn)行預(yù)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(yàn)后裝炸藥布線爆破。

（2）放樣與鉆孔

針對(duì)鉆孔密集、地質(zhì)復(fù)雜、鉆孔難度大、精度要求高的技術(shù)要求特點(diǎn)，采取了以下幾種施工方案：①利用TCR-402全站儀進(jìn)行鉆孔放樣，孔位布置在設(shè)計(jì)邊線-10cm處；②用100型潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，并安裝堅(jiān)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(jìn)行的邊鉆邊填黃土的方法；④在鉆井作業(yè)中，應(yīng)注意井架的穩(wěn)定性，利用測(cè)斜儀對(duì)鉆孔的角度進(jìn)行校正，并及時(shí)調(diào)整。

（3）圓弧段鉆孔施工

拱段是上、右岸坡的聯(lián)結(jié)帶，它的開弧長(zhǎng)、下口弧小、施工技術(shù)復(fù)雜、要求的精度高，在采取放樣、鉆進(jìn)等措施的同時(shí)，應(yīng)采取以下措施：①利用TCR-402全站儀，將兩側(cè)斜坡底口相交處進(jìn)行固定，并進(jìn)行樁基定位；②鉆孔從開口線開始，中點(diǎn)造孔，在由中間點(diǎn)向兩側(cè)兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行造孔，以此類推，直到全部造孔完成；③按各孔的要求，對(duì)鉆孔深度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，不允許有孔洞交叉；④在成孔過程中，應(yīng)按樁位置對(duì)鉆孔角度（包括斜角、鉆機(jī)的安裝角度）進(jìn)行校正，確保工程的質(zhì)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(wǎng)絡(luò)連接

采用氣隙非耦合式裝藥結(jié)構(gòu)，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(dòng)，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(shí)采用直徑70mm的乳化炸藥作為不耦合的圓柱裝藥。在預(yù)裂爆系統(tǒng)中，應(yīng)用了電力起爆、導(dǎo)爆索傳爆以及無導(dǎo)爆系統(tǒng)等多種技術(shù)。

2.壓力鋼管斜井段洞挖施工技術(shù)

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(diǎn)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(jí)為Ⅳ，基本穩(wěn)定。在本施工項(xiàng)目中，先開挖直徑2m的導(dǎo)向井，然后再進(jìn)行擴(kuò)孔成形。導(dǎo)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(dǎo)井剖面用TCR-402全站儀測(cè)量，根據(jù)孔位布置圖，用紅色油漆進(jìn)行標(biāo)記。

（3）鉆孔

在導(dǎo)井段的中段，設(shè)7個(gè)鉆孔，周圍采用光面爆破，TY-26手風(fēng)式鉆機(jī)輔助TY-28氣腿鉆孔。兩個(gè)直徑為φ25mm的鋼筋爬梯，在導(dǎo)向井的方向上對(duì)稱排列（距離50cm，臺(tái)階筋的直徑為φ25～30cm）。在每個(gè)周期工作面的下面，導(dǎo)向井的壁面相距1.5m處，設(shè)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(gè)直徑為lm，深為lm的工作物資儲(chǔ)存平臺(tái)孔。

（4）裝藥、聯(lián)網(wǎng)及爆破

選擇光面爆破專用炸藥和2號(hào)巖用乳化炸藥，人工裝藥、聯(lián)網(wǎng)，爆破選擇非電毫秒級(jí)雷管群聯(lián)分段微差爆破。

（5）斜井?dāng)U挖施工方法

采用自行裝配的擴(kuò)井機(jī)進(jìn)行施工，臺(tái)車采用鋼結(jié)構(gòu)制造，每臺(tái)礦車由2臺(tái)JM5低速卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)力牽引，5t中速卷揚(yáng)機(jī)牽引是最佳的動(dòng)力牽引方式。在擴(kuò)井車上設(shè)置電鈴以及對(duì)講機(jī)（電鈴沿孔設(shè)置并連接到洞口），在擴(kuò)井過程中，根據(jù)擴(kuò)井掘進(jìn)進(jìn)程，在已擴(kuò)開的斜井底部安裝應(yīng)急鋼爬梯，保證工程施工的安全可靠，并能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。斜井的擴(kuò)挖施工如圖2所示。

至于灌區(qū)內(nèi)部、城鎮(zhèn)內(nèi)部的水權(quán)分配采用何種方式，可以交由各地自行探索、自主選擇?；蛟S可以采用灌區(qū)用水協(xié)會(huì)集體所有的形式，也可能在灌區(qū)內(nèi)部采用進(jìn)一步分解到農(nóng)戶的形式。在城鎮(zhèn)內(nèi)部，水權(quán)或許可以屬于城鎮(zhèn)政府，而委托給供水公司和自供水單位使用。

圖2 斜井?dāng)U挖示意圖

①放樣和穿孔。按TCR-402全站儀測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行放線，并按設(shè)計(jì)要求將剖面周圍的外形曲線放出。根據(jù)所設(shè)計(jì)空洞圖紙，在工作面上用紅色油漆標(biāo)記出鉆孔位置，并將外圍孔設(shè)置在距邊長(zhǎng)5～10cm的范圍內(nèi)，以防止過深和欠深。

②打孔。利用TY-26手風(fēng)式鉆機(jī)輔助TY-28氣腿鉆孔，并在周圍進(jìn)行了光面爆破。

③裝填、網(wǎng)絡(luò)和爆破。選擇光面爆破專用炸藥和2號(hào)巖用乳化炸藥，人工裝藥、聯(lián)網(wǎng)，爆破選擇非電毫秒級(jí)雷管群聯(lián)分段微差爆破。爆破后，采取人工扒渣、排險(xiǎn)、全斷面素噴射、機(jī)械出渣等措施進(jìn)行下一步的施工。

3.調(diào)壓井開挖施工技術(shù)

（1）施工方案

調(diào)壓井位于發(fā)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(huán)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(jí)，局部為II級(jí)，斷裂和裂縫集中區(qū)屬于Ⅳ級(jí)，穩(wěn)定性差-基本穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，首先開挖2m長(zhǎng)、2m深的導(dǎo)井，然后再進(jìn)行擴(kuò)孔成形。下44.5m的導(dǎo)井由下至上分段進(jìn)行，22m的導(dǎo)井由一次鉆爆，由上向下施工，先用水利鉆機(jī)鉆孔，再用導(dǎo)井溜碴。

（2）導(dǎo)井開挖施工技術(shù)

下導(dǎo)井在井下進(jìn)行人工作業(yè)，以手式風(fēng)壓鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔、分段爆破，而上部導(dǎo)井則是采用一次爆破的方式。上部導(dǎo)井的開挖深度大，爆破參數(shù)要求高，爆破技術(shù)要求高。

①鉆進(jìn)和精度的控制。首先，確定下一段導(dǎo)槽的位置，再用TCR-420全站儀精確地將該導(dǎo)孔的上的中點(diǎn)和周圍的各個(gè)孔位排出，再用紅色油漆標(biāo)記。在調(diào)壓井的中點(diǎn)處設(shè)一中孔，在2m見方的邊界線上設(shè)置4個(gè)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(jì)相結(jié)合對(duì)孔位進(jìn)行檢測(cè)（垂直于地面或鉆桿，不得傾斜，每增加一根鉆桿，則需測(cè)量鉆頭的角度），并應(yīng)將鉆孔開到下層的豎井中。由于巖體破裂，在造孔時(shí)易發(fā)生卡鉆，因此，在開孔時(shí)，應(yīng)采取邊填黃土的方式，以保證開孔時(shí)不會(huì)卡鉆。

②封口。首先要保證每一個(gè)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(gè)人在下面（已經(jīng)開挖了的井口）向上看，確認(rèn)鉆孔已經(jīng)打開，并且位置一致，先用小沙包堵住孔洞的底部，然后用細(xì)沙從上方填入20cm左右。

③裝藥、聯(lián)網(wǎng)、爆破。使用藥筒直徑70mm、32mm的乳化炸藥，采用人工裝藥、聯(lián)網(wǎng)，毫秒雷管與電雷管分段分層爆破。爆破掘進(jìn)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(dá)頂端并阻塞。

（3）井身擴(kuò)挖施工技術(shù)

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

①鉆進(jìn)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(jì)算和觀察。使用手風(fēng)鉆進(jìn)行光爆孔、防護(hù)孔，同時(shí)使用HCR-1800水力鉆機(jī)進(jìn)行爆破。炮眼逐環(huán)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(shè)置良好的臨空面，為改善爆破拋渣的效果，爆破孔和防護(hù)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(yīng)達(dá)到90°。爆破孔和保護(hù)孔的方向應(yīng)與垂直井眼方向保持一致。

②裝藥、聯(lián)網(wǎng)及爆破。選擇光面爆破專用炸藥和2號(hào)巖用乳化炸藥，人工裝藥、聯(lián)網(wǎng)，爆破選擇非電毫秒級(jí)雷管群聯(lián)分段微差爆破。

五、結(jié)語

綜上所述，應(yīng)用文中所述施工技術(shù)后，該項(xiàng)目的整體施工質(zhì)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(shí)間比原計(jì)劃早了一個(gè)月，調(diào)壓井開挖也比計(jì)劃提早了半個(gè)月，在施工期間，沒有出現(xiàn)任何的安全事故，工程質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。