600 m级高陡边坡开挖加固与安全控制关键技术综述

向 建

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都610081)

600 m级高陡边坡开挖加固与安全控制关键技术综述

向 建

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都610081)

针对复杂地质条件下水电工程600 m级高陡边坡出现的开挖与加固的诸多难题，提出了“弱扰”、“速固”、“时空协同”的技术理念，围绕这一理念，介绍了解决开挖与加固施工中系列难题的实用新技术的应用，并描述了协调开挖与加固工序间矛盾的调控方法，分析了其在典型工程中的应用效果。

高陡边坡；开挖；加固；安全控制

0 引 言

我国的水能资源主要分布于西部，其特殊的地理、地质条件决定了一大批高陡边坡工程与水电枢纽工程形影相随。工程大多具有以下特点：一是地形条件复杂，大多呈“V”形峡谷，自然边坡高达1 000 m 以上，坡度陡峭，边坡开挖高度高，开挖体积大，施工作业难度及安全风险大；二是地质条件复杂，岩体断层、挤压带、错动带、岩脉、深部裂隙发育，存在软弱致密岩体及大量的堆积体，部分地域地应力高，卸荷强烈。

高陡地形及复杂地质条件使得边坡施工难度极大。主要表现在：①岩体抗扰能力弱，爆破对边坡岩体的影响大，爆破振动控制难度大；②在复杂地质条件下，锚索孔造孔、成孔难；③岩体宽大裂隙条件下灌浆浆液流动性控制难；④在软弱致密岩体条件下灌浆，吃浆难；⑤某些岩体较深层的软弱夹层需置换，施工难度大；⑥高应力岩体出现岩爆、板裂、蠕滑葱皮等现象，影响基岩的整体性。受施工难度的影响，往往造成边坡轮廓成型差，锚固施工效果差、速度慢，影响边坡的及时稳定，拖延整体施工进度，严重时还会出现边坡坍塌。为保障边坡安全快速施工，提升边坡开挖及加固技术，已成为边坡治理技术发展的新要求。

1 高陡边坡的施工理念

本文针对复杂地质条件下的高陡边坡的特点，提出“弱扰”、“速固”、“时空协同”的高陡边坡施工技术理念。即：以对岩体“弱扰”为目的，推进控制成型、振动、变形的开挖技术，研究成型、振动、变形、能耗等控制技术，减少对岩体的损伤与扰动；以“速固”为目的，提升和发展锚固、灌浆、置换等加固技术，快速有效地改善与修补岩基的力学性能，保证边坡稳定；通过对开挖及加固工序的系统规划、应用以动态监测、预警预控的信息技术为支撑的“时空协同”施工技术方法体系，调控开挖与加固工序间的时空间距，实现化解工序间的干扰与制约因素，调和边坡稳定与施工进度矛盾的目的。其相应的关键施工技术如下：

(1)“弱扰”相应的施工技术包括，双聚能预裂与光面爆破技术；高地应力坝基建基面开挖施工技术；边坡开挖爆破振动控制技术；控制爆破及配套装备技术等。

(2)“速固”相应的施工技术包括，复杂地质条件下岩锚成孔技术；锚索张拉自动监控系统；宽大裂隙灌浆技术；低渗透软弱岩体灌浆技术；软弱夹层高压水对穿冲洗置换技术等。

(3)“时空协同”相应的方法包括，开挖、支护工序的空间及时序规划；边坡施工预警预控机制和控制指标的试验与设立；动态管理和监测反馈信息系统的应用等。

集成各项关键技术所形成的施工技术体系框架如图1所示。

图1 高陡边坡施工关键技术体系框架示意

2 高陡边坡施工关键技术应用简介

2.1 实现“弱扰”控制的几项新技术

2.1.1 双聚能预裂与光面爆破技术

根据双聚能爆破的爆炸效应和破岩机理，由中国水利水电第八工程局有限公司研发的“椭圆双极线性聚能药柱”和“双聚能槽乳化炸药装药机”以及双聚能爆破技术，成功应用于溪洛渡等工程。该技术的应用可减少预裂爆破钻孔量和装药量约50%；聚能槽与非聚能槽方向的应力相差10倍；保留岩体的声波平均衰减1.02%，约为规范要求的1/10。

2.1.2 “预留保护层、深层锚固、预裂开挖”技术

根据工程坝基边坡高地应力边坡岩体卸荷松弛特征，形成的“预留保护层、深层锚固、预裂开挖”的施工工艺成功应用于锦屏一级工程坝基边坡，使爆破松驰卸荷影响深度降低了35%；卸荷回弹量降低了60%以上。

2.1.3 边坡开挖爆破振动控制技术

边坡开挖过程中因爆破振动影响，存在快速开挖与振动控制的矛盾，爆破振动控制值的合理选取是解决矛盾的必要手段。结合边坡开挖爆破振动频谱和能量特性，根据振动监测数据的统计分析，综合爆破试验和边坡变形监测数据，采用爆破振动按照控制和校核两个标准的控制原则，寻找实际工程爆破振动控制的指标。以“减小台阶高度、内外分区爆破、分部控制”的方法控制边坡开挖爆破振动，结合振动特性和边坡开挖爆破振动安全控制阈值的分析，制定控制单响药量和控制单次爆破规模的双控制振动控制措施。

在小湾、锦屏一级等边坡工程施工中，根据爆破振动控制标准选取方法，寻找与确定的不同类型边坡的爆破振动控制标准的经验值如表1所示。在小湾坝肩堆积体边坡、长河坝坝肩拉裂体边坡、大岗山坝肩拉裂体边坡等出现明显变形和潜在不稳定边坡工程中，根据项目实际情况制定对应的边坡开挖爆破振动控制指标和控制措施，在保证边坡安全稳定的前提下保证了工程建设顺利进行。

表1 边坡开挖爆破振动控制标经验值

2.1.4 基面轮廓控制成套技术

通过对爆破岩体质点振速、声波以及爆破对锚杆、锚索影响的测试分析，划分开挖分层分区及工序分序、减震控爆的系列技术；所形成的集钻孔机具、施工工艺为一体的基面轮廓控制成套技术，可有效地控制爆破对边坡的影响。从在锦屏、小湾等工程的总体应用效果上看：可使预裂爆破孔、光面爆破孔的孔位偏差控制在5 cm以内，基面不平整度可控制在15 cm内；开挖轮廓面上爆破残留孔分布均匀，残孔率可达90%以上。

2.2 实现“速固”控制的关键技术

2.2.1 复杂地质条件下岩锚成孔、固壁技术

崩坍堆积体中采用组合螺旋钻跟管钻机，强风化、强卸荷岩体中采用多功能全液压履带式钻机紧跟开挖面与轻型锚固钻机在施工排架上施工相结合的设备配置形式，并采用“中等钻压、慢转速、平稳风压”的钻进工艺，造孔进尺效率可达3～5 m/h。风压稳定在1.0～1.2 MPa，冲击频率18次/s，转速18～23 r/min。

通过改进偏心跟管钻具结构，采用钻机扶正器以及反吹装置等工器具，解决了小湾边坡工程在堆积体、破碎岩体上，深达92 m的水平锚索孔的钻孔成孔难题，提高了钻孔精度，并提高了跟管施工效率和使用寿命，由原来几天甚至十多天完成一孔，提高到平均3.7天完成一孔，平均跟管深度31.5 m，最大跟管深度63 m，跟管孔径165 mm。此项技术在锦屏一级左岸坝肩边坡工程中，有效地解决了破碎岩体锚索成孔问题，减少了掉块卡钻、塌孔埋钻等孔内事故，钻孔效率及成孔质量显著提高，使锚索施工速度上升到140多束/月。

土工布包裹锚索止浆堵漏、复合堵漏剂堵漏、孔内喷混凝土等系列堵漏技术，以及粘度时变浆液孔道固壁灌浆技术，破解了在堆积体、破碎岩体内的成孔难题。在小湾、锦屏等边坡工程中，其成孔可使工程总体上的钻孔孔斜率控制在低于1.5%的水平，减少了约60%孔内事故的发生几率。新型固壁固端材料的应用，有效减少了卡钻、塌孔，使施工效率提高了2～3倍，浆材损耗降低了60%～80%。

2.2.2 锚索张拉自动监控系统

应用中国水利水电第七工程局有限公司研制的“预应力锚索张拉自动监控系统”，实现了锚索张拉自动化、数据记录与处理自动化和群锚张拉。锚索张拉自动监控系统将千斤顶顶压通过压力传感器进行量测，锚索张拉钢绞线伸长值通过位移传感器进行量测，以取代传统张拉施工压力表测取油压，游标卡尺测取位移。张拉自动控制系统通过电机控制送油阀的开度实现对张拉力的控制，监控系统根据锚索施工规范或施工技术要求中规定的张拉加载速率、持续稳压时间、卸荷速率的要求，预设控制程序，可实现向电机驱动模块发出控制信号，控制模块根据信号控制电机转动的方向及速度达到控制油压的目的，并可按预设的程序进行张拉。在锦屏一级等工程应用效果表明，提高了锚索张拉的效率，实现锚索张拉自动化、数据记录与处理自动化和群锚张拉，较采用常规工艺节约人员2/3。锚索张拉自动监控系统布置如图2所示。

图2 锚索张拉自动监控系统布置原理

2.2.3 复杂地质条件下的固结灌浆技术

(1)应用研发的水泥基粘度时变性灌浆材料，该灌浆材料具有可泵期、凝结时间短，后期强度高的特性。可解决陡倾宽缝的控制性灌浆问题。

(2)宽大贯通裂隙自密实砂浆灌浆技术，可有效控制浆液扩散范围和灌浆材料耗量。

(3)针对以锦屏一级左岸高边坡工程为代表的软弱岩体，应用水泥—化学复合灌浆技术，通过试验取得了“直接进行化学灌浆”与“先采用细水泥浆液灌浆再进行环氧树脂化学灌浆”的临界判断经验值；并应用了非化灌段阻塞隔离灌浆、孔内积水排出和水泥浓浆置换化学浆液等技术，可实现水泥—化学复合灌浆技术的经济、优质、高效施工；应用 “长历时、低速率、浸润渗灌”的化学灌浆方法，以及研制的高渗透环氧灌浆材料，采用取消预灌丙酮的工序，采用闭浆浆液置换等方法，改进了传统的环氧化学灌浆工艺，灌浆效果良好，解决了低渗透软弱岩体补强加固难题。其低渗透软弱岩体孔隙充填良好，岩体变形模量、强度、抗渗性能显著提升，灌后平均声波波速达4 500 m/s ，显著改善了软岩力学性能指标，推进了化学灌浆技术的发展。

2.2.4 高压对穿冲洗置换软弱夹层技术

针对锦屏一级左岸边坡的软弱夹层，采用分区、分序冲除软弱夹层，及自密实高流态混凝土回填和灌浆，对软岩进行置换处理，减少了大范围开挖，节省了工期和成本。在锦屏一级左岸边坡工程取得了应用实效：孔深达58.8 m，冲洗后，最大直径2.3 m，平均直径1.35 m。经模拟分析得出，安全稳定系数由1.26提高至1.53；岩体变形模量由0.3 GPa提高到3.01 GPa，提高了约10倍。

2.3 施工过程的边坡安全稳定控制

2.3.1 开挖与支护工序的时空间距

水电工程边坡工程施工工序可概括为开挖与支护两道工序。我们可将分层分区开挖的尺度以及开挖后至支护的时间长度定义为开挖与支护的时空间距(以下简称“时空间距”)。由此可知，时空间距越大，施工过程中未加固的岩体暴露的时间越长、面积越大，岩体稳定的安全性越小，反之则越大。

在高陡边坡的施工过程中，及时地掌握与控制开挖与支护的时空间距，是施工中的关键问题之一。开挖工序与加固(支护)工序是相互联系、相互制约、相生相克的关系。在高边坡施工中，快速将边坡开挖到建筑物结构基础，从而尽早地进行建筑物混凝土结构施工，是施工中的重要目标之一，而要保证边坡在施工过程中的安全稳定，必须在开挖出的坡面上进行适时的加固。从施工速度的角度看，加固工序是施工速度的制约因素，也是保证边坡安全稳定的制约因素。除此之外，开挖爆破对岩体的过分扰动也是一种制约因素。处理好开挖与支护的系统关系，是实现安全、高效施工的必要手段。以“弱扰速固、时空协同”为核心的施工理念，正是针对这一矛盾以及水电高陡边坡工程施工特点，解决边坡工程施工过程中边坡安全与高效治理问题的一种可行的途径。

2.3.2 高陡边坡开挖与加固工序间的调控方法

建立边坡施工预警预控机制，试验确定预警控制指标，构建施工信息采集与分析平台，是形成开挖与加固工序时空协同调控的重要手段。在锦屏一级高陡边坡工程的施工中，应用四川大学所开发的动态管理和监测反馈系统，实现了边坡施工工序间时空协同的目的，有效地协调好了开挖与加固工序间的时空矛盾，确保了高陡边坡的安全高效施工。

2.3.2.1 边坡施工预警预控机制和指标

高陡边坡施工稳定控制机制框架示意如图3所示。根据锦屏一级左岸边坡等工程实践，取得了一种高陡边坡施工过程的稳定控制机制，即根据开挖边坡工程地质条件和边界条件在不同部位的差异性，按照数值仿真预分析成果，制定工程开挖与加固的施工总体施工预案，包括对开挖区平面分块、高度分层的尺度，以及开挖面暴露时间长短的规划设定与演算，并随着开挖施工的进展，根据施工中揭露的地质信息和相关监测数据，复核岩体质量和计算参数，进行跟踪反馈分析计算，动态调整优化施工方案，建立边坡稳定性控制开挖分级支护措施。结合监测资料的分析和反馈，根据边坡变形的预测结果以及地质信息，通过数字模拟分析取得相应的分级预警指标及相应的技术对策。

图3 高陡边坡施工稳定控制机制框架示意

据锦屏左岸边坡实际开挖过程中出现的边坡变形速率变化规律以及相关实例分析，采取如表2所示的三级警戒等级划分进行指标判定和预警，实际运用于锦屏左岸边坡开挖过程中，共计发出二级警戒8次，一级警戒10次。特别针对锦屏一级边坡特点，对潜在局部不稳定块体和雨季开挖施工，进行了重点分析和预警工作，控制效果良好。

2.3.2.2 动态管理和监测反馈系统

边坡施工动态数字化和可视化、施工信息实时管理和可视化查询是施工期安全监测快速决策反馈的重要手段。基于计算机三维建模技术、虚拟现实技术、数据库技术、计算机网络技术等现代信息技术，应用“水电工程边坡施工信息三维可视化动态管理系统(SlopeMIS3D)”软件。借助该系统实现了边坡开挖、支护等施工过程的信息化和可视化，可为施工人员及时提供边坡各施工阶段形象面貌的三维可视化信息查询和分析结果，可动态跟踪揭示边坡地质条件的变化，为设计人员优化支护方案提供真实的建基面边界条件和直观的三维地质条件解析；为边坡施工期变形监测提供更加高效的监测和预警分析平台，依托该系统可为信息化施工的安全监测快速反馈提供决策支持。

表2 锦屏一级左岸边坡开挖施工建议警戒等级及判定指标

该系统在锦屏一级左岸边坡等工程中应用，依据边坡地质勘察资料、工程设计资料及开挖施工进度计划，建立相应边坡区域的三维地质模型，形成SlopeMIS3D系统的三维场景对象属性数据表和几何模型数据文件并导入系统，实现了边坡工程施工过程的三维动态模拟、施工信息查询和监测预报预警。

3 结 语

(1)本文阐述了复杂地质条件下“弱扰”、“速固”、“时空协同”的高陡边坡施工的技术理念，以及高陡边坡开挖与加固工序的时空间距调控方法，并介绍了协调施工进度和施工安全间矛盾的动态信息管理技术的应用。为保证高陡边坡的岩体稳定安全及高效施工，提供了一种可选择的控制方法。

(2)从减少边坡扰动角度出发，描述了以控制变形、振动和能耗为核心的边坡工程开挖技术，概略介绍了双聚能预裂爆破和开挖钻孔控制等系列技术，提供了在卸荷、风化岩体的条件下，可选择的边坡开挖安全稳定和轮廓成型的开挖控制技术思路。

(3)介绍了超深锚索的钻孔成孔及固壁方法，锚索自动张拉系统，高压冲洗置换等系列加固技术；提供了解决复杂地质条件下大吨位百米级深长锚索快速锚固和深部软弱岩体加固系列难题的信息。

(4)介绍了水泥基粘度时变浆液、自密实砂浆、高渗透性环氧浆液等新型灌浆技术的应用，提供了解决复杂地质岩体的固结灌浆难题的技术路线。

(责任编辑 焦雪梅)

Summary on Key Technologies for Excavation Reinforcement and Safety Control of 600 m-level High Steep Slope

XIANG Jian
(Sinohydro Bureau 7 Co., Ltd., Chengdu 610081, Sichuan, China)

Aiming at the problems of excavation and reinforcement of 600 m-level high steep slopes in hydropower engineering under complex geological conditions, the technology concepts of “Weak Interference”, “Quick Reinforcement” and “Time and Space Coordination" are put forward. Based on above concepts, the application of new technologies to solve problems in practical excavation and reinforcement construction is introduced, the control method of coordination between excavation and reinforcement process is also described, and the application effects of these key technologies in typical projects are finally analyzed．

high steep slope; excavation; reinforcement; safety control

2017- 06- 05

向建(1964—)，男，四川成都人，教授级高工，中国水电七局有限公司总工程师．

TV221.2

B

0559- 9342(2017)08- 0062- 05