复杂条件下大坝连续缓边坡建基面控制开挖技术

周远海

(中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450000)

1 工程概况

巴基斯坦迪阿莫-巴沙水电站(DBDP)位于首都伊斯兰堡的北偏东方向印度河(Indus River)干流上，位于开伯尔-普赫图赫瓦省(Khyber Pakhtunkhwa，KPK)和吉尔吉特-巴尔提斯坦特区(Gilgit-Baltistan，GB)的交界。大坝与伊斯兰堡公路距离440km，下游距离已建的塔贝拉水电站约315km、距离葛洲坝正在施工的达苏(Dasu)水电站85km。

大坝总装机450kW，为最大高度272m、轴线长度1030m的碾压混凝土重力坝。建成后将成为世界上最高的RCC重力坝，世界第二高的混凝土重力坝。

我司负责右岸坝肩与导流明渠、右岸引水洞与导流洞进口的明挖开挖与边坡支护，负责25～36坝段的碾压混凝土及大坝附属建筑物施工。右岸坝肩开挖高程为EL.1190m-EL.950m，高差达240m，EL.1110m-EL.950m为多面扇形连续缓边坡，坡比包括1∶1、1∶1.25、1∶2三种，面积共2.9万m2。

2 工程地质条件

工程区主要以微叶状至均质辉长岩和角闪岩为主，局部分散超镁铁质岩(由辉石、角闪石和橄榄石组成)。在坝址处有数条断层、破碎带，破碎带的最大宽度达到1m，复杂的破碎带对建筑施工过程中斜坡的稳定性具有一定要求。

辉长岩类属岩浆岩，为深成岩，块状构造，全晶质粒状结构，岩硬而强。应力释放作用在地表显著，可达到岩体内50m以上。查阅《土壤及岩石(普氏)分类表》，其岩石级别：ⅩⅤ和ⅩⅥ级，极限抗压强度：200～250MPa，强度系数f=20～25，岩石硬度分级：Ⅰ级，坚固强度：最坚固。

3 施工主要特点与难点

1)建基面结构复杂，施工难度大：巴沙大坝右岸坝肩EL.1110m-EL.950m为多面渐变型连续缓边坡，如图1所示，为大坝右岸缓边坡建基面开挖平面图，在EL.1020m设计有10m宽马道，缓边坡总面积2.9万m2，坡比有1∶1、1∶1.25、1∶2三种。

图1 右岸大坝缓边坡建基面开挖平面图

连续型边坡，依现有技术，只能分层爆破，且层间需错台作为钻孔平台，对于超挖部分的混凝土回填费用需自行承担，因此，如何做好最小化的超挖则直接关系项目成本的投入，影响项目的效益；另，边坡坡度缓于1∶1，钻孔深度与角度需精细化控制，施工难度大。

2)工程师要求苛刻、工期紧：本工程合同规范要求，坝基面采用控制性开挖，包括若干层深度不大于1.5m/层的钻孔爆破+底部0.3m的机械开挖，工程师在对该规范理解后，要求坝基开挖按图2进行，即大坝基础开挖分四个区，I、II区进行分层爆破，III区采用机械开挖，I区外承包商采用自有方案即可。

方案说明：以设计开挖线为基准，法向厚度0.3m范围内为开挖III区，该区域不允许钻孔，只能采取机械开挖的方式；法向厚度0.3～6.3m范围内为开挖II区，该区域爆破台阶高度不超过1.5m；法向厚度6.3～20.3m范围内为开挖I区，该区域爆破台阶高度不超过3.0m。

若按此方案执行，施工成本倍数增加、工期目标亦将严重滞后，总进度计划要求的导截流目标将难以保证，RCC的浇筑也将随之延迟[1]。

3)地质条件复杂，岩石硬度高，边坡成型困难：右坝肩岩体硬度高，但因裂隙交错发育，部分裂隙张开且充填泥砂质物，块状发育严重，且有两条软弱破碎带斜交，导致爆破后超欠挖较为普遍，多为裂隙交错切割的残留块状凸起或软弱结构面处的清面超挖，局部边坡成型难度大[2]。

4 施工方案选择与效益对比

4.1 施工方案的优化

若按照工程师要求的方案执行，成本投入大、工期长，不利于项目整体控制，且底部0.3m采用机械开挖，开挖形成的建基面虽可能无较大超欠挖，但成型外观一般。为降低施工成本、加快施工进度、提升建基面整体外观质量、简化施工工序，经与设计团队、现场咨询团队沟通，通过线外试验优化并替代了原开挖方案，即按垂直高度7.5m一层分级，II区为大坝缓边坡建基面开挖的结构区，I区为结构区外侧的辅助区，比II区先行下降1个台阶，为II区提供良好的临空面，提高爆破效率及爆破质量。

每层级孔口位于设计线上，孔底技术性超挖0.7m，以确保下层钻孔时的钻机空间位置充足，采用预裂爆破形成大坝建基面。

主爆孔垂直钻孔，孔底与实际开挖轮廓线的法向距离为1m，主爆孔共5排，主爆孔与预裂孔间增加一排倾斜向缓冲孔[3]。

预裂孔采用100D型潜孔钻机，钻机固定在缓边坡坡面上搭设形成的系统支撑架上，采用3～5台潜孔钻机同步钻孔。

4.2 优化后方案的效益分析

以纵向长度15m为一个施工单元进行效益分析。

1)费用方面，主要考虑钻孔成本、火工材料费用、清面成本，表1所示。

表1 优化后的缓边坡开挖费用核算

预裂孔采用乳化小药卷间断不耦合装药，竹片辅助，线装药密度224g/m(按平均值计算)；主爆孔深孔采用2卷乳化炸药+散装铵油炸药，孔内双发高段位导爆管传爆，4m深度以内的孔采用乳化炸药，孔内单发高段位导爆管传爆，孔外均采用低段位导爆管联网，排间6～7段。火雷管、导火索单价低，此处不予考虑[4]。

2)工期方面：以II区施工时间计算，II区单层预裂钻孔个数为25个，单台潜孔钻机单班3孔，配置3台钻机需3班作业，主爆孔单层钻孔米数为1047.2m，配置2台钻机共需3个班作业；装药爆破0.5班次，清渣2班次，清面、测量及验收1班次。

清面、测量、验收(第1班次)→钻孔(第4班次)→装药爆破(第4.5班次)→清渣(第6.5班次)。即3.5d才可完成单层开挖，7d可完成双层开挖。

4.3 原开挖方案的效益分析

同样以纵向长度15m为一个施工单元进行分析。

1)费用投入方面，主要考虑钻孔成本、火工材料费用、底部0.3m机械开挖成本。

工程师要求逐层开挖，因钻孔较浅，孔内全部采用乳化炸药装药，3m深度钻孔的单孔装药量为3kg，1.5m孔深钻孔的单孔装药量为1kg；孔内采用高段位导爆管传爆，孔外采用低段位导爆管联网，排间采用6～7段，底部0.3m机械开挖。火雷管、导火索、导爆索数量少，单价低，此处不予考虑(表2所示)。

表2 原方案的开挖费用核算

2)工期方面：以II区和III区所消耗的施工时间进行计算，II区单层钻孔米数为150m，液压钻机单班即可完成钻孔，装药爆破0.5班次，清渣、清面、测量及验收1班次，每两层液压锤进行一次边坡底部0.3m坡面岩石撬挖，需0.5班次。

清面、测量、验收(第0.5班次)→钻孔(第1.5班次)→装药爆破(第2.5班次，爆破时间限制)→清渣、下一层施工准备(第3.5班次)→钻孔(第4.5班次)→装药爆破(第5班次)→清渣、液压锤撬挖剩余0.3m坡面岩石(6班次)。即3d才可完成两层开挖，15d可完成II区和III区开挖。

4.4 两种方案的对比

1)费用方面，优化后的方案相比原方案节约375.2万卢比(合9.4万人民币，汇率按1∶40计)，节省约46.6%。主要成本消耗在钻孔和火工材料两个方面，清面费用相差不大；装药人工费占比极少，此处忽略；挖装运量两者相同，此处不予考虑。由此可见，采用优化后的方案施工大幅度降低了成本投入，经济效益显著[5]。

2)工期方面，优化后的方案相比原方案可节省一半的时间，工期节点在可控范围内。

5 优化后方案施工工艺说明

5.1 施工流程

施工准备→测量放样→搭设钻机支撑架→布孔(预裂孔、主爆孔)→钻机就位、校正→钻孔及检查→装药、联网→爆破、安全检查→出渣、清面→下一循环。

5.2 施工过程描述

1)施工准备，继上层开挖后，施工准备主要为钻孔平台的虚渣清理，钻机支撑架材料的准备，钻机的日常保养及检修，已完成开挖的缓边坡坡面虚渣清理等。

2)测量放样，采用GPS测放出潜孔钻机支架系统的特征点位，采用红色油漆标注。

3)搭设钻机支撑架，支撑架选用φ48mm笔直的架子管，壁厚不小于3.5mm。在开挖设计线后方0.7m位置设置一排竖向钢管，钢管插入岩体0.5m，伸出地表0.7m，以2m等间隔进行布置；在距离坡底2m的坡面上以相同的等间距设置一排垂直边坡面的钢管，插入岩石和外露长度等同；沿设计线横向设置两排钢管，与埋入岩石的钢管以扣件连接，后沿垂直于横杆方向以2m等间隔布置竖杆，竖杆位于横杆之上，通过扣件与横杆连接，再在横杆底部设置剪刀撑，进行整个支架系统的加固。

支撑架体搭设完成后，在横杆上按与预裂孔间隔等同的距离利用红色油漆做出标记，以进行钻机位置精准控制。

4)钻孔布设，预裂孔：采用GPS逐孔进行设计孔位测放，红色油漆标注清晰，并在设计点位外侧约2m的位置测放出方向点位，作为钻孔方向的校核，进行孔深、孔口高程、倾斜角度的测量，并标记在卡片上，放在蓝色塑料袋内并压实。

主爆孔：逐孔进行设计孔深的测量，卡片标记孔口高程与孔深，放在蓝色塑料袋内并压实。

钻孔前测量人员应进行钻孔参数的交底，确保钻孔角度、方向、深度等指标与爆破设计一致。

5)钻机就位、校正，人工配合小型吊车进行潜孔钻机的就位，钻机就位应慢、轻，避免对已搭设的支撑架造成损坏。钻机与支撑架采用扣件进行加固，钻机加固后应确保钻机的轴线与测放的方向点位于同一竖直平面内。

6)钻孔与检查：①加强操作手钻孔操作要领培训，采取“小冲击，慢钻进”的钻孔方式，遵照“软岩慢打，硬岩快；小风压顶着打，不见硬岩不加压；勤看勤听勤检查”的钻孔基本要领；②严格按照“三次校钻法”操作和检查，通过样架比对，坡度尺每米、每杆检查校核。根据钻孔深度对钻杆长度进行统一计算选取标识，使其到达统一孔底高程。预裂孔钻孔过程中，每杆应检查钻杆方向是否与方向点重合，若不重合超出误差范围，应重新钻孔；③制定钻孔“三定”制度，即：定机，对每台钻机进行编号；定人，固定每台钻机操作手；定检查，将每个孔的钻孔质量控制落实到个人；④已完成的钻孔，及时清除孔内石渣和岩粉，并做好孔口封盖。

7)装药、联网，装药前应再次进行孔深测量，以确定装药长度和堵塞深度。

8)爆破、安全检查，装药、联网完成后，在爆破总指挥的统一协调指导下完成爆破作业及安全检查。

9)出渣、清面，出渣过程中，应避免反铲对大坝永久建基面造成损伤，靠近永久面时，应慢速清挖，最底层应人工配合反铲进行作业，完成坡面所有浮渣清理后才可允许下层开挖。

6 质量控制措施

1)严格按设计图纸及相关技术规范进行施工。施工过程中根据开挖要求和地形地质条件进行详细的爆破设计，并根据爆破效果，不断修正完善以达到更好的效果。

2)对所有施工部位的钻孔、装药等工序进行全过程的质量检查和监督管控。

3)配备足够的钻爆设备，加强施工人员系统业务培训，熟练掌握钻爆技术，严格按照确定的爆破参数进行施工，保证爆破监测结果。

4)钻爆作业前进行爆破设计，经审批后严格实施，并认真做好钻爆施工现场记录。对所有施工部位的钻孔、装药等工序进行全过程的质量检查，严格按爆破试验确定的钻爆参数控制。

5)潜孔钻机支架系统的搭设必须牢固，尽量不用废旧钢管或弯曲钢管搭设，搭设完成后应再次进行验收，确保角度正确，搭设牢固，才能开始钻孔作业。

7 结语

目前，大坝右岸连续缓边坡已完成45m垂直高度，采用优化后的开挖方案施工，最大限度的提升了施工进度，坡面整体外观质量达到了工程师与规范要求，施工成本投入也得到了大幅降低。在后期的施工过程中，将再接再厉，从钻孔到爆破进行精细化管理，争取再次提升工程整体外观质量，将工程作为样板工程。