高陡边坡无排架控制爆破随层支护技术研究

由淑明 项 捷 刘常俊

（中国安能集团第一工程局有限公司，广西 南宁 530028）

大洞径导流洞出口高边坡处理方法各异，对于施工质量优质、方法便捷、效率高的高边坡方法，国内出现许多不同处理工艺。边坡治理层出不穷，但整体仍是通过各种挂网喷浆、打锚杆、边坡喷砼等方式维持稳定[1]。同时，高边坡存在高耸作业工况，人员施工需要考虑搭设脚手架[2]。架体存在安全隐患和搭设周期，对于大型水电建设工期是否要紧，开展无排架施工方式进行高陡边坡的施工处理亟待探究。

1 高陡边坡无排架施工需求分析

云南省德钦县与四川省得荣县交界的旭龙水电站导流洞出口高边坡高度140m，同时存在25m深基坑，开挖难度大、安全管控压力大，最大开挖高度140～150m，开口线顶部岩体强卸荷，且有松动破碎岩体大量发育，松动体边坡岩体破碎，边坡的稳定性较差。在落差巨大的边坡上进行支护施工需要考虑多方面技术协调问题。该文探讨的一种新式的无排架施工工艺：即通过每级15m高马道，预裂爆破完成后，开挖下降5m作为施工平台采用JK590潜孔钻机进行上部的边坡支护施工。由项目的高陡边坡特点出发，得到一次预裂到底，随层支护控制爆破的无排架高陡边坡施工技术。主要的工艺特征是先进性预裂岩面施工，然后通过爆破，破碎岩体，而后分层开挖支护形成边坡稳定结构体系。无排架预裂爆破与随层支护工艺流程如图1所示。

图1 无排架预裂爆破与随层支护工艺流程

2 无排架高边坡施工的适用性及原理

由于取消了排架的搭设，极大程度地降低了作业高度，工作平台更加宽广，施工工器具摆放合理，且面对不良气候下安全施工的安全性更有保证。在爆破控制技术中，结合萨达夫斯基爆破振动强度公式[3]，可以得出预裂爆破的有关爆炸参数见表1。

表1 控制爆破的主要爆破参数表

无排架施工即取消常规的排架搭设施工，利用地形和地质条件通过炸药预裂，然后打入锚杆、挂网喷射混凝土，最后逐步分层向下开挖土方，完成高边坡支护的施工工艺。对于边坡开挖线、马道的开挖，采取先锚固后开挖的施工顺序，即马道锁口锚筋桩施工完成后进行下级台阶开挖。基于此，其适用性主要用于开挖高度大、且发育有大型破碎闪片岩、作业空间狭窄的高陡边坡支护施工，公路隧道、水利导流洞出口边坡等均适用[4]。尤其是在超百米以上的高陡边坡施工，具有较好的推广使用价值。在高山峡谷及两岸边坡坡度较大地带，施工难度大，材料就位难，安全风险极高，整体施工难度高。

爆孔布设如图2所示，每块边坡上均按此进行爆孔设置，其基本原理就是利用地势和钻机机械因地制宜，进行预裂和开挖配合施工，通过一次预裂到底，再进行分层支护、分层开挖的工艺进行施工。这种施工方法最大限度的避免了在高陡边坡上进行搭设脚手架体所存在的安全隐患，省去了架体搭设时间、架体地基支承力的验算以及架体的安装和拆除施工所耗费的时间。当分层支护时，利用原位地层作为施工平台，进行钻孔支护。

图2 高边坡上爆孔布设与随层分界设计图

3 控制爆破技术研究

3.1 主要技术指标

对在高陡边坡施工无排架，主要涉及对锚喷指标、预裂方式、缓冲孔方式等技术要点[5]。技术的应用需要在高陡边坡上进行冲孔，孔眼布置以及预裂排布需要通过现场试验分析得出。依据该工程出口段边坡的地形态势，得到冲孔方式和参数设置要求见表2。

表2 冲孔方式和参数设置

孔眼厚度要根据现场爆破试验适当作调整。开挖主要采用垂直主爆孔结合水平预裂孔的方式进行爆破开挖。随后需要依据开挖后的坡面进行喷砼护面。在现场分区的基础上确保不出现翻渣过程中大量石块的堆积，需要增加分区界线上的及时爆破预裂[6]，在考虑施工预裂效果后，给出预裂埋深应当与预裂主要爆炸方向一致。采用洞径为ø9cm，洞距为80cm的爆破施工参数；同时炸药量线密度为0.3～0.4kg/m，埋置深度需要填充2.5～3m。此外，采用JK590型自行式履带潜孔钻机进行预裂爆破及深浅支护钻孔施工，钻孔速率提高2.5倍，孔位转移灵活机动，且覆盖施工高度达到5m，提高开挖支护效率。

钻孔采用ROCD7液压钻和QZJ100B潜孔钻，爆破炸药通过人工进行实施；中部大面爆破采用孔内微差延时爆破技术，并辅以YT-28手风钻钻孔爆破开挖。边坡开挖石方利用高边坡下方道路内层堆渣平台，防止渣料下河。采用3m³装载机集渣、2m³反铲挖掘机装渣、20t自卸车运渣，通过1#道路出渣。

导流洞出口明挖分层梯段高度为7.5m，建基面开挖采用预留保护层的方式进行。控制爆破的梯段爆破最大一段起爆药量通过试验确定[7]，且需满足质点振动速度的要求。其中爆破的径向不耦合系数D、周边孔间距E算法如公式（1）、公式（2）所示。

式中：dk、dl分别为炮孔直径和药卷直径，cm；[σc]为隧道围岩的抗压强度，Pa；α为表征爆生气体性质的常数；r为爆生气体的绝热指数；P0为爆生气体的初始压力，Pa；kp为岩石抗破坏屈服系数。

在确认二者的计算方式后，对高边坡随层支护中的爆破炸药情况也需进行研究控制，得出技术指标要求见表3。

表3 随层支护炸药技术指标

结合现场导流洞出口高边坡的爆破施工，建立因素分析表进行综合评判分析，见表4。

表4 导流洞出口高边坡爆破因素分析表

该表所显示的爆破控制参数，通过现场施工评分法对方案各因素进行无量纲赋值后，依据模糊综合评判理论确定隶属度后建立模糊综合评判矩阵R，如公式（3）所示。

经计算得出公式（4）结果，按最大隶属度原则[8]确定方案2为控制爆破的最优方案。

3.2 随层支护施工技术研究

支护通过喷射混凝土予以加固，起到支撑作用。而进行混凝土喷射之前，先开挖岩石边坡，由于在爆破预裂完成后，岩体出现裂缝，设备开始进场进行被动网的防护，同时进行的是开挖作业施工；在不断向下开挖过程中需要分层分段嵌入锚杆，打入锚杆起到的作用是圈梁锁口的效果，能够更好地撑住整个岩石支护边坡面，不会发生垮塌。而对于嵌入的锚杆将作为边坡支护系统的一部分不在工后被拆除，对于锚杆与喷射混凝土之间存在标高的规律距离，通常整个支护用锚杆的上下两端的直线距离为15～20m或二层开挖梯段的高度；不同岩石和部位开挖施工工艺原则如下：根据工程地质已经探明的工况，进行开挖发育，同时对于每层混凝土喷射面进行防护，按照锚杆、喷射混凝土的工艺步骤依次进行施工，在岩石开挖过程中，使每层都能顺利挖至设计指定部位而不出现任何质量问题。

在确定了无排架施工工艺方法后，其对应的支护技术业自然形成。主要体现在喷射混凝土的工艺方法上方，传统的喷砼技术着眼于将混凝土粉直接干喷的形式附着在较为湿润的岩石表层上，从而自然硬化形成。随层支护中，需要采用模糊矩阵的方法确认支护等级，见表5。

表5 影响随层支护各因素的组合权重

表5中的权重表明，高陡边坡随层支护共有12项影响因素，最小抵抗线、炸药单耗以及开挖深度是影响支护效果的主要因素。

最小抵抗线问题即边坡支护的刚度提供是否能够抵抗边坡岩体的拉应力而不发生破坏，现场施工表面：抵抗线主要来自于锚杆（锚索）的提供，旭龙导流洞出口高陡边坡的砂浆锚杆材料选用热扎Ⅲ级钢筋，并检验合格后方可用于支护施工。钢筋的入库存放需要及时进行使用，长期不用的钢筋可能出现拉力不足，锈蚀等材料退化问题，在锚杆施工过程中，计算好整体工程用量对于热轧钢筋的进场有重要意义。锚杆注浆所采用水泥强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥，且水泥砂浆强度等级不低于30MPa。

在随层支护过程中，须及时做好护坡工作，以免在暴雨过后雨水巨大侵蚀力与剪切力破坏混凝土固有强度提升，从而使得边坡出现破裂损坏；施工工程中及时排水，当整个开挖即向下预裂爆破时，现场翻土做好及时清运，不得留在原工作场地，否则易出现垮塌现象和进一步的次生灾害。对随层支护的12项影响因素都需要做好统筹，按其内在规律进行控制。

3.3 高陡边坡围岩稳定分析

高陡边坡的围岩应力P与位移u的关系，符合弹塑性力学的相关原理，其关系曲线如图3所示。可以看出由于高陡边坡的围岩存在自适应变化区间，从稳定趋于向应力增高区域变化是一个应力P先小后大的过程，在不同的位移所在位置，将对应不同的刚度值，在数学上表征为其不同的斜率。自然所以发的物理现象则是岩体随着锚索进入以及爆破的不断进行，而发生一定程度的崩塌脱落。根据不同变形特点，划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4大区域，不同区域对应不同围岩变形值，当岩体整体进入到Ⅲ区时，由于变形巨大，岩体整体稳定性将可能失去，因此，锚索拉住岩面所形成的能量之间的转化，如公式（5）所示。

图3 围岩应力位移P-u关系曲线

式中：∫TP（u）为锚索施工钻入岩体内的能量，∫TF（u）和∫TS（u）为岩体自身发出的应力之和，分为岩体应力与支护应力2个部分。

通过公式（5）能量表达式，能够发现现场施工过程中，应当注重将岩体自身应力和支护应力结合，支护应力与岩体应力要始终保持大于等于锚索施工钻入岩体内的应力值。这二者之间存在一个岩体工程平衡稳定的关系。在变形协调的状态下，理论上只有维持关系式的平衡，岩体岩面就不会出现垮塌现象，保持稳定不变态势。

4 结论

该文对旭龙水电站导流洞工程两侧的高陡边坡支护技术进行分析，讨论并较为全面地研究了采用无排架施工的技术施工高陡边坡，提高了其安全性和稳定性，对于施工高陡边坡的工程有一定的参考价值，并总结了以下2条结论：1）根据现场地形和所有机械，进行一次预裂到底施工，然后每级15m高马道出渣，采用分层开挖并支护的施工工艺能够提高工程效率，降低安全风险。对于爆破控制方法，该文所列算法以及采用模糊综合评判的方式可以得出在现场工况下的最优控制方案。2）随层支护方法主要通过喷射混凝土达到及时封闭稳定，总结提炼出影响随层支护因素的12种组合权重，并对最小抵抗线、炸药单耗以及开挖深度给出工程控制规律。