坝基土石方开挖方案探讨

□刘春芳（安阳县水务局）

□张士新 □陈立华（河南省豫北水利勘测设计院）

红旗渠补源工程——马家岩水库龙门沟坝址位于太行山东部浊河下游，属中低山峡谷地貌。坝址处浊河为南西—北东方向，河床（包括高漫摊）宽80～120m，河底高程506～512m，左右岸山顶最高高程分别为785.5m和715.5m，左右岸在535.0m和540.0m分别自然形成了I级台地。坝址区分布有太古界变质岩系，元古界震旦系下统碎屑岩系和第四系松散堆积物。

一、土石方开挖的施工方法

左右岸挡水坝段开挖时，鉴于大坝工程两坝肩山坡陡峭，施工道路修筑困难，作业面狭窄，同时为了减少对现有植被的破坏，坡积物与坝肩石方总体上拟一并采用“自上而下，分层开挖”，“坡积物机械挖除，石方钻爆开挖”的施工方法，分层高度5～12m。

河槽土石方开挖时，砂砾石和高液限粘土采用PC400挖掘机分层开挖，装15t自卸车运输，分层厚度结合实际地层控制在4～5m；石方开挖，设计边界采用预裂爆破，一般开挖采用深孔微差爆破，保护层采用手风钻小药量钻爆。

（一）作业程序

测量放线→分层钻爆→渣料推运→装渣运输→质量检查→下道工序。

（二）作业方法

1.测量放线

每层开挖前，首先根据设计图纸和施工安排，测放出开挖开口线或开挖面坡脚线，钻爆开挖时，同时测放出待挖岩体钻孔的孔位、方向和孔深。施工过程中，还应经常测量已挖断面，及时调整相应的施工要求。

2.分层开挖运输

测量放线后，分层开挖坡积物和土石方，两岸开挖分层高度拟定为5～6m。坡积物、砂砾石开挖以“机械开挖”为主，必要时辅以“松动爆破”。石方开挖，采用钻孔爆破挖除的施工方法。

石方开挖时，首先采用英格索兰ECM580钻机按设计图纸和施工要求造孔，装药爆破石方。之后，TY200推土机辅助集料，PC400挖掘机装12～15t自卸车运至招标文件制定的弃渣场，或用于道路维修与场地平整。

两岸坡积物开挖与两岸石方开挖相结合，石方钻爆后，TY200推土机为主、必要时PC220挖掘机为辅，推运开挖料至两岸坝肩坡脚“535/540平台”，PC400挖掘机在坝肩坡脚平台处开挖渣料，装12～15t自卸车运至招标文件制定的弃渣场，或用于道路维修与场地平整。河槽段砂砾石和高液限粘土，PC400挖掘机分层直接挖装12～15t自卸车运至招标文件制定的弃渣场。

坡积物、河槽开挖中出现孤石时，现场监理计量后，EMC580或手风钻及时造孔装药，人员设备撤离，火花起爆，推土机集料，PC400挖掘机装15t自卸车运至弃渣场。

设计陡于1∶0.75坡面和垂直岩面的石方开挖，采用预裂爆破的钻爆方法，预裂爆破应结合机械设备性能和设计钻爆深度争取一次钻爆到底。其它岩体采用深孔钻爆的施工方法，微差爆破，按设计要求预留1.5m的保护层。石方保护层采用L8-60/80空压机集中供风、YT28手风钻钻孔小药量控制爆破的施工方法。

二、爆破设计

（一）爆破参数

根据《爆破安全规程》GB6722-86和现场实际情况，结合岩石类别，为确保坝体安全，一般石方开挖拟采用深孔松动爆破，边坡或垂直梯段开挖采用预裂爆破，底部保护层采用浅孔单响火花爆破。开工前根据实际测量地形和岩性进行爆破试验，调整确定爆破施工参数。

1.深孔松动爆破参数

单孔装药量kg：Q=q.h.a.b。

q为单方耗药量kg/m3，根据岩石类别，结合施工经验拟定为q=0.5～0.8kg/m3；h为孔深m，根据设计断面开挖深度，预留1.5m的底部保护层，拟定为h=5.0～12.0m；a、b为孔距和排距m，采用梅花形布孔，拟定孔距4.0m、排距均为2.0m。

2.预裂爆破参数

单孔装药量kg：Q=qH。

q为线耗药量kg/m，根据岩石类别，结合施工经验拟定为

q=0.35～0.45kg/m；H为孔深m，根据设计断面开挖坡度，沿开挖轮廓线，拟定为h=5.0～12.0m。

3.浅孔爆破参数

单孔装药量kg：Q=q.h.a.b

q为单方耗药量kg/m3，根据岩石类别，结合施工经验拟定为q=0.4～0.6kg/m3；h为孔深m，根据保护层开挖深度，拟定为h=0.5～1.5m；a、b为孔距和排距m，采用梅花形布孔，拟定孔a＝1.0m、排距b＝0.3m。

（二）爆破安全技术

1.爆破地震安全距离

根据《水利水电施工组织设计手册》（2）推荐的计算公式和推荐的参数选择范围。

地震波振动速度（cm/s）：V＝K(Q1/3/R)a。

K为综合系数。石英砂岩为坚硬岩石，又处于地表层，取K=80；Q为最大一次爆破炸药量，kg；R为距爆破点距离，R=200m；a为衰减指数取a=1.4。

根据计算深孔最大段一次爆破炸药量估算为200kg，计算出距爆破点200m处的振动速度14.83cm/s，符合《水电施组手册》（2）表4-4-139的规定。

2.爆破空气冲击波安全距离

爆破冲击波安全距离m：R=KQ1/3。

K为系数，对作业人员取25；Q为炸药量（kg）。

根据计算深孔最大段一次爆破炸药量估算为200kg，计算出起爆时人员距爆破点的爆破冲击波安全距离为146m处。因此，起爆时人员撤离200m范围外即可保证安全。

3.个别飞石的安全距离

个别飞石的安全距离m：R＝KR.ql/3K1K2计算。式中：R为飞石防护距离，m；KR为圆型抛掷，取96m；q为单段装炸药量，kg；K1、K2为不同防护可衰减系数。

单段最大装炸药量为200kg，用粘土堵塞炮孔飞石可衰减系数K1＝0.4，用草袋或胶皮覆盖飞石可衰减系数K2＝0.3，KR圆型抛掷96m，经计算，飞石最远距离R为68m，符合《水电施组手册》（2）表4-4-149的规定。

三、爆破施工

一般石方开挖采用深孔梯段爆破分层施工；底部预留保护层，采用浅孔火花爆破；边坡保护层，采用一次梯段开挖预裂爆破成形，与一般石方开挖一同钻孔施工，在深孔梯段爆破时提前预裂；靠近边坡开挖线1.0m采用减弱松动爆破。

（一）深孔爆破

深孔爆破，采用EMC580钻机造孔，孔径为90mm，孔距为4.0m，排距2.0m，孔深5～12m左右，预留1.5m的底部保护层，炸药采用2＃岩石硝铵炸药，线装药量为0.5kg/m3；孔口封堵；爆破网络采用导爆索孔间连接方式微差起爆。

（二）边坡预裂爆破

边坡预裂爆破，采用EMC580钻机，根据设计边坡坡度，沿设计开挖线造斜孔至底部设计高程，孔径为90mm，线形布孔，孔距为0.8m，孔深10m左右，采用乳化炸药，线装药量为0.35kg/m；孔口稻草或麦秸封堵；爆破网络左、右岸分别采用导爆索孔间连接方式同时起爆；距边坡1.0m范围内，采用斜孔梯段减弱松动爆破，与深孔梯段爆破同时施工；起爆采用导火线火花引爆。

（三）底部预留保护层爆破

底部预留保护层厚度根据现场爆破试验确定，考虑预留1.0m，拟采用国内先进的一次开挖法技术，即深孔一次钻至设计开挖底部，装药时底部先充填20cm的锯末作为柔性垫层，由于柔性垫层作用，减轻爆炸冲击波对基岩的破坏。施工时，Y-26型手持式风钻垂直造孔，梅花形布孔，孔径为38～42mm，孔深拟定为1.5m，孔距为1.0m、排距为0.5m，炸药采用2＃ 岩石硝铵炸药，单孔最大装药量不超过0.6kg；孔口采用粘土封堵70cm；起爆采用导爆管火花起爆。保护层采用人工辅助撬挖，挖掘机挖石渣装自卸汽车至弃料场。

图1 石方钻爆装药结构与起爆网络示意图

四、上下游齿槽石方开挖

坝基上下游齿槽开挖断面结构型式与尺寸基本相同，齿槽长、上开口宽、深度、底宽均分别为92.15m、21.125.m、11.5m、12.5m，齿槽底部高程均为475m。上下游齿槽486.5m高程以下石方开挖工程量共计3.6万m3。

由于上下游齿槽平面尺寸不大、深度过大、下游坡度过陡，因此不仅开挖工程量大，而且出渣过于困难，其开挖的快慢将直接影响整个阶段性施工工期目标的实现。

为了尽可能加快齿槽开挖的速度，又不过于增大设计开挖量和混凝土浇筑量，齿槽开挖时，首先在平面上将单个齿槽分为3～4个施工段，其次每段在深度上分2～4层开挖到底。施工时自齿槽一端向另一端台阶式倒退法开挖出渣，最后一段下部开挖出渣时，经设计同意，可在480.75m高程附近设一坡道或平台,施工借助该坡道或平台转料出渣。

图2 上下游齿槽分段分层石方开挖图

上下游齿槽石方开挖，当基坑石方开挖至494高程时，首先沿设计开挖线钻造上下游基坑边线预裂爆破孔，实施预裂爆破，预裂爆破面原则上一次钻爆到设计底部高程；其次当基坑开挖至487.5m高程时，分别沿上游齿槽下游坡面和下游齿槽上游坡面一次钻造预裂孔到设计高程，实施预裂爆破，以保证预留岩体的完整性。预裂爆破完成后，按分层厚度采用一般石方开挖的施工方法，钻爆开挖齿槽底部保护层以上石方。齿槽底部保护层开挖厚度按设计要求的1.0m实施。

上下游齿槽石方开挖的爆破设计，同坝基其它石方开挖。