淺談建基面保護層開挖方法的綜合利用

李健

（中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，成都 611130）

1 概述

1.1 工程概況

西藏大古水電站位于西藏自治區(qū)山南市桑日縣境內(nèi)的雅魯藏布江干流上，由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)及升壓站等組成，發(fā)電廠房采用壩后式布置。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程3451.00m，最大壩高118.00m，壩頂長389.00m，電站總裝機為660MW，水庫正常蓄水位為3447.00m，總庫容0.5528億m3，工程屬二等大（2）型工程。

1.2 工程特點

西藏大古水電站大壩及廠房建基面部位基巖為弱風(fēng)化下段黑云母花崗閃長巖，巖質(zhì)堅硬，以Ⅱ類和Ⅲ類巖體為主，呈弱風(fēng)化，無卸荷，巖體較完整，局部完整性差，整體穩(wěn)定性較好，發(fā)育一條Ⅱ級斷層F3以及f26、f27、f28等小規(guī)模斷層，節(jié)理輕度發(fā)育，以中陡傾角節(jié)理為主。

建基面開挖面積達40217m2，包括17個平臺、6個馬道，結(jié)構(gòu)形式不一，且存在較緩斜坡面。設(shè)計要求建基面平整度為15cm，超挖控制在20cm以內(nèi)。

根據(jù)工程總體施工安排，為了確保關(guān)鍵線路及關(guān)鍵部位的施工進度，要求采取分區(qū)分塊提交建基面，以致建基面開挖需結(jié)合現(xiàn)場實際施工情況及時開挖完成，為后續(xù)施工作準備，為工程發(fā)電目標提供有利條件。

在高海拔高寒地區(qū)，從人工效率、施工成本，施工進度上綜合考慮，需優(yōu)先考慮機械化作業(yè)。

2 保護層開挖方案確定

現(xiàn)目前使用較多的保護層開挖方式為孔底充填柔性墊層的保護層一次爆破法，或手風(fēng)鉆水平光面爆破。根據(jù)孔底充填柔性墊層的保護層一次爆破法的爆破原理，該方法對巖質(zhì)堅硬的巖體爆破效果較差，經(jīng)現(xiàn)場試驗后無法滿足平整度要求。采用水平預(yù)裂爆破方式，雖然對控制建基面質(zhì)量有較好的效果，但采用人工手風(fēng)鉆水平光面比較適用于馬道部位或平臺寬度小于5m的部位，對于大面保護層開挖不僅效率低、施工成本高，且對于分區(qū)分塊的提交建基面施工情況下不易操作，質(zhì)量控制難度大。

鑒于本工程的施工特點，為了確保施工質(zhì)量及施工進度，借鑒孔底充填柔性墊層的保護層一次爆破法的爆破原理，經(jīng)分析研究探索，選擇水平預(yù)裂爆破輔以淺孔梯段爆破法、孔底設(shè)置半球形剛性墊層的保護層一次爆破法綜合利用進行保護層開挖。

3 保護層開挖方案介紹

根據(jù)確定的施工方案，對于不同部位采取不同方案組合進行保護層開挖，具體如下：

3.1 馬道或平臺寬度小于5m的部位

對于馬道或平臺寬度小于5m，且平臺存在臨空面的部位采用水平預(yù)裂爆破輔以淺孔梯段爆破法進行施工。預(yù)留保護層厚度控制在2.5～3m，保護層結(jié)構(gòu)面采用手風(fēng)鉆施工水平預(yù)裂孔（具備施工條件情況下，也可以考慮采用D7液壓鉆機鉆孔，孔徑90mm），孔徑50mm，孔距80cm，距側(cè)面結(jié)構(gòu)線15～20cm；其淺孔梯段爆破孔采用D7液壓鉆機鉆孔，孔徑90mm，孔間排距100～120cm，距底部結(jié)構(gòu)50cm左右。具體見下圖1。

圖1 保護層開挖斷面示意圖

3.2 平臺寬度大于5m的部位

對于平臺寬度大于5m且存在臨空面的部位，主要采用孔底設(shè)置半球形剛性墊層的保護層一次爆破法。為了有效保證結(jié)構(gòu)線成型，平臺臨空側(cè)3～5m范圍內(nèi)采用上述水平預(yù)裂爆破輔以淺孔梯段爆破法進行施工。

孔底設(shè)置半球形剛性墊層的保護層一次爆破法，主要是借鑒孔底充填柔性墊層的保護層一次爆破法的爆破原理，將底部柔性墊層調(diào)整為半球形剛性墊層，改變爆破應(yīng)力波傳遞方向使巖體發(fā)生破壞以達到所需爆破效果，其原理示意圖見圖2。

預(yù)留保護層厚度控制在2.5～3m，爆破孔采用D7液壓鉆機鉆孔，孔徑90mm，孔間排距100～120cm，孔底高程為設(shè)計結(jié)構(gòu)線高程。鉆孔完成后在孔底設(shè)置略小于鉆孔孔徑的半球形剛性墊層，具體見下圖2。

圖2 半球形剛性墊層爆破原理示意圖

圖3 保護層開挖斷面示意圖

半球形剛性墊層材料主要考慮以下幾種：C40混凝土澆筑成型、半球形實心鋼球、半球形空心鋼球澆筑C30混凝土成型。具體墊層材料選擇通過試驗效果確定。

4 試驗及其效果

根據(jù)確定的建基面保護層開挖方案，進行相應(yīng)的生產(chǎn)試驗，具體如下。

4.1 孔底充填柔性墊層的保護層一次爆破法

試驗：采取預(yù)留保護層厚度2.5m，爆破孔采用D7液壓鉆機鉆孔，孔徑90mm，孔間排距1m，鉆孔深度至設(shè)計結(jié)構(gòu)線。柔性墊層選用從波阻抗值小、易制作、經(jīng)濟性等綜合考慮，采用兩端帶節(jié)竹筒，長度約25cm。裝藥單耗選用0.4和0.45kg/m3，裝藥結(jié)構(gòu)采用連續(xù)耦合方式。

效果：未見超挖部位，欠挖大面在35cm左右，平整度偏差最大達58cm，裝藥單耗提高對施工質(zhì)量效果影響較小。若采取超鉆設(shè)置墊層方式，雖對欠挖偏差有一定減少，但平整度偏差依舊，且超挖偏差無法滿足設(shè)計要求。

4.2 水平預(yù)裂爆破輔以淺孔梯段爆破法

試驗：預(yù)留保護層厚度2.5～3m，水平寬度3m。保護層結(jié)構(gòu)面采用D7液壓鉆機鉆孔，孔徑90mm，孔深2.8m，孔距80cm；其淺孔梯段爆破孔采用D7液壓鉆機鉆孔，孔徑90mm，孔間排距選1.0m和1.2m，距底部結(jié)構(gòu)50cm。水平預(yù)裂孔裝藥線密度0.2kg/m，采用連續(xù)耦合裝藥方式；淺孔梯段爆破孔裝藥單耗選用0.4和0.45kg/m3，采用連續(xù)耦合裝藥方式。

效果：欠挖大面在8cm以內(nèi)，局部最大欠挖16cm，未見明顯超挖，平整度偏差大面在15cm以內(nèi)，局部不滿足設(shè)計要求。根據(jù)爆破效果，預(yù)留保護層厚度在2.5～3m，選用爆破孔間排距1.2m即可，若厚度在2m左右，選用爆破孔間排距1m，裝藥單耗考慮經(jīng)濟性情況下，選用0.4 kg/m3可滿足施工質(zhì)量要求。對于建基面要求無超挖的部位，建議水平預(yù)裂孔比建基面結(jié)構(gòu)線低10～15cm進行鉆孔，可控制不欠挖，其超挖也控制在偏差范圍內(nèi)。

4.3 孔底設(shè)置剛性墊層的保護層一次爆破法

試驗：預(yù)留保護層厚度2.5～3m。爆破孔采用D7液壓鉆機鉆孔，孔徑90mm，孔間排距選1.0m和1.2m，鉆孔孔底高程為設(shè)計結(jié)構(gòu)線高程，鉆孔完成后孔底設(shè)置φ80mm的半球形剛性墊層，剛性墊層材料分別選擇C40混凝土澆筑成型、半球形實心鋼球、半球形空心鋼球（厚度5cmm）澆筑C30混凝土成型。裝藥單耗選用0.4和0.45kg/m3，采用連續(xù)耦合裝藥方式。

效果：對于剛性墊層未損壞的部位（C40混凝土澆筑成型的剛性墊層局部損壞），欠挖大面在15cm以內(nèi)，局部最大欠挖32cm，未見超挖，平整度偏差大面在15cm以內(nèi)，局部不滿足設(shè)計要求。設(shè)置半球形實心鋼球、半球形空心鋼球澆筑C30混凝土成型的剛性墊層效果接近，均優(yōu)于C40混凝土澆筑成型的剛性墊層，從施工質(zhì)量、經(jīng)濟性等綜合考慮，可選用半球形空心鋼球澆筑C30混凝土成型的剛性墊層。爆破孔間排距1m的效果要優(yōu)于間排距1.2m的效果。單耗改變對建基面質(zhì)量效果影響較小，考慮經(jīng)濟性情況下，選用0.4 kg/m3即可。對于建基面要求無超挖的部位，可考慮超鉆方式控制超欠挖偏差在規(guī)定范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

在建基面保護層施工中，經(jīng)以上試驗結(jié)果，總結(jié)以下幾點期望為相似工程提供參考。

①對于巖質(zhì)堅硬的巖體，采用孔底充填柔性墊層的保護層一次爆破法施工質(zhì)量無法達到設(shè)計要求，實用性不強，該方法較適用于Ⅳ、Ⅴ類巖體。

②水平預(yù)裂爆破輔以淺孔梯段爆破法實用性較廣，易于確保結(jié)構(gòu)型體的成型，施工質(zhì)量高。該方法較均采用水平預(yù)裂和水平主爆孔的爆破法，易于操作、施工成本低，且對預(yù)留保護層時的不平整度要求低。

③孔底設(shè)置半球形剛性墊層的保護層一次爆破法施工質(zhì)量雖不及水平預(yù)裂爆破輔以淺孔梯段爆破法，但較其施工成本低、易于操作，基本不受施工條件限制，且總體施工質(zhì)量基本可滿足設(shè)計要求。

④水平預(yù)裂爆破輔以淺孔梯段爆破法和孔底設(shè)置半球形剛性墊層的保護層一次爆破法施工中，對于要求無欠挖的建基面，均可考慮爆破孔超鉆方式進行控制，也達到超欠挖控制在設(shè)計要求范圍內(nèi)，局部不滿足設(shè)計要求再進行處理。

⑤孔底設(shè)置半球形剛性墊層的保護層一次爆破法作為新型的建基面保護層施工方式，其爆破效果主要受剛性墊層的影響，其剛性墊層的形狀、材料等均影響著爆破效果，需進一步進行研究優(yōu)化，并在工程中進行經(jīng)驗總結(jié)，以達到更佳爆破效果，更多用于工程實例中。

⑥無論采用何種施工方法進行建基面保護層施工時，需綜合考慮巖體特性、施工條件、施工成本、質(zhì)量控制要求等因素，充分利用各施工方法的優(yōu)勢，針對不同工程或同一工程的不同部位進行擇優(yōu)選擇或者組合選擇利用，并不斷在施工中總結(jié)經(jīng)驗進行改進，以達到各方面的均衡及最佳效果。