“自落渣钻爆开挖技术”在高陡边坡明挖施工中的应用

张生明, 刘 宇, 曹小丽

(中国水利水电第五工程局有限公司 第三分局,四川成都 610225)

1 概 述

苗家坝水电站位于白龙江下游甘肃省文县境内,距下游已建成的碧口水电站公路里程 31.5 k m。该工程的主要任务是发电,枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、泄洪洞、排沙洞、引水发电洞及岸边厂房等组成。电站正常蓄水位高程 800 m,总装机容量 3×80 M W,保证出力 43 M W,设计年发电量 9.24亿 k W◦h。

排沙洞出口闸室边坡整体走向 N W300°,坡度 35°～ 50°,坡高大于 150 m,边坡基岩裸露,岩体主要为厚层状变质凝灰岩间夹薄层状板岩,岩层倾向山内。开挖揭露主要发育三组结构面,包括层面组、反倾组及 N E组陡倾角裂隙。其中反倾组裂隙倾向坡外,对边坡稳定起控制作用,在开挖中破碎岩体多沿裂隙面剥离形成光面,层面组、N E组裂隙对边坡切割作用强烈,局部形成不稳定块体。在边坡上下游开口线部位因其近地表,卸荷风化作用强烈,卸荷裂隙发育,岩体破碎。边坡整体为层状逆向结构边坡,岩体完整性较差。

排沙洞出口闸室明挖边坡高差约 150 m,设计基岩开挖边坡比为 1∶0.3,每 15 m高差设有 1阶 2 m宽马道,明挖主要为石方开挖,总量约 10万余 m3(图 1、2)。

边坡开挖区高线公路 775 m高程以上明挖属高线公路二次改建路堑边坡开挖,受开挖区陡峭地形及高、中、低线道路通行要求等因素影响,现场不具备明挖施工道路布置条件。

由于缺乏供机械施工用的道路,只能采用纯人工方式组织明挖作业,施工机具及材料均由人工沿便道完成倒运,钻爆施工周期长、作业效率低下,尤其是钻爆后人工坡面翻渣作业强度难以提升,严重影响开挖实施进度。同时,开挖钻爆作业还要兼顾高、中、低线 3条施工道路通行,临近的厂区明挖及施工支洞施工对爆破控制要求极高。

受限于各方面条件影响,整个边坡开挖实施进度缓慢,作业效率低下,每个爆破循环需时 40 d,其中人工坡面翻渣时间占总用时的 60%～70%,工期无法满足要求。

2 施工方法及工艺

2.1 施工方法

对此,为提高作业效率,减少人工翻渣工作量及难度,加快施工进度,项目部提出了采用“自落渣”钻爆法组织明挖施工,即在边坡明挖钻爆过程中,将距临空面的每排炮孔深度逐排缩小,钻爆后形成外倾斜向台阶掌子面,使炮渣难以在开挖面积存。为进一步减少爆破规模及人工翻渣量,开挖边坡采用逐层控制爆破的方式削薄,以减少边坡扰动及交叉立体施工干扰的影响,最后进行结构面及马道部位的少量人工出渣。

通过爆破试验获取数据,其施工质量满足设计及规范要求,采用钻爆梯段布孔进行深度控制,爆破掌子面预留外侧倾斜,利用炮渣自稳坡度及减少其与掌子面的摩擦抗阻力,有效地减少了爆后掌子面积渣量并使人工翻渣效率大幅度提高,工序效率亦有较大幅度提高,达到了预期效果。

图 1 泄洪排沙洞出口闸室边坡平面布置图

图 2 泄洪排沙洞出口闸室边坡B-B剖面示意图

明挖材料、设备运输采用修筑人行便道、人工方式组织;钻爆结合人工方式,采用梯段布孔钻爆方法,分区、梯段、薄层控制爆破,减少了爆破规模及交叉施工干扰的影响;出渣采用人工翻渣至高线公路,反铲接力翻渣至低线公路后装车出渣。

2.2 工艺流程

梯段布孔钻爆明挖施工工艺流程框图见图 3。

图 3 梯段布孔钻爆明挖施工工艺流程框图

2.3 主要施工工艺

2.3.1 施工便道的修筑及防护

人行便道采用人工手风钻钻孔,形成分段自下而上小药量开挖,在人行便道外侧的钻孔内插入锚杆,焊接栏杆,砌筑浆砌石踏步并对栏杆挂防护网封闭。

2.3.2 测量放线及爆破设计

采用 T C R 702全站仪测放施工控制点及交底,由现场作业人员根据测量控制点进行钻孔布置,计算出每个孔位、孔深及方位角并编制爆破设计,审批后组织实施。

2.3.3 爆破分区及钻孔布置

采用人工 100B潜孔支架钻机分层分区进行造孔,孔径 90 m m,主爆孔间排距为 3 m×2.5 m,辅助孔间排距为2 m×1.6 m,预裂孔间距 1 m;开挖分层高度结合设计马道分阶情况按 15 m进行控制,并结合开挖区长度按 30～50 m分段组织,5～10 m左右厚度逐层控制爆破消薄,将梯段布孔掌子面角度控制在 25°～30°之间。钻爆分区及钻孔布置见图 4。100B钻机搬运方便,分解后最大部件重量仅为 102 k g,其主要技术参数见表 1。

2.3.4 装药及联网(图 5)

边坡开挖采取分段微差爆破,设计坡面采取预裂控制爆破。炸药采用 2#改性铵油炸药,主爆破孔 φ 65药卷连续装药;缓冲孔 φ 65药卷分段不耦合装药;预裂孔选用 φ 32药卷,采用不耦合空气间隔装药结构,线装药密度为 330 g/m;岩石爆破单位耗药量按 0.48～0.52 k g/m3控制(表 2)。

爆破采用微差爆破网络,1～15段非电毫秒雷管连网,电雷管起爆。为减少爆破对边坡及邻近作业面的影响,预裂孔联网最大单响药量为80 k g,主爆孔及辅助孔最大单响药量按 150 k g控制。

图 4 钻爆分区及钻孔布置断面图

表 1 100B潜孔钻机技术参数表

表 2 梯段微差爆破参数表

2.3.5 翻渣及出渣(图 6)

爆破后,采用挂设安全绳的人工方式对作业区的积渣进行清理。首先人工将掌子面积渣扒除清面,再对坡面外侧的挂渣、松动体撬挖,为现场作业及下部高线公路通车提供安全保障,然后采用液压反铲在高线公路路面挖除积渣。高线公路通车后,集中时段将其他部位的施工材料抢运,穿插进行下一循环钻爆,确保出渣面的安全,由低线公路翻渣装车出渣。

图 5 梯段布孔钻爆明挖爆破联网示意图

图 6 钻爆及翻渣(出渣)示意图

3 结 语

采用“自落渣爆破”进行高边坡明挖作业,减少了爆破后爆渣在开挖面的堆积量,由原来的60%减少到 20%左右,缩短了人工翻渣时间,翻渣工期由原来的 10～12 d缩短到 3～4 d。该工程高线公路以上的边坡明挖作业循环累计次数为12次,实际上每个循环节约人工翻渣工期 7 d,累计节约直线工期 84 d,从而缓解了工程进度压力,节约了设备及人工成本投入约 60万元。