复杂地形条件条件下的高边坡开挖技术研究.docx

1、复杂地形条件条件下的高边坡开挖技术研究复杂地质条件条件下的高边坡开挖技术研究代国宏 孙军民 (中国水利水电第四工程局第一施工局 811700)摘 要 ： 在复杂地质条件下，结合现场爆破试验总结并调整采用适合工程特点的爆破分区方式、爆破参数、微差爆破网络及适当的爆破施工控制等综合控制技术等手段来满足边坡稳定的要求，达到优质、高效、安全施工的目的。通过拉西瓦复杂地质条件下的开挖施工实践，总结了对高边坡、高应力释放区的成型爆破施工工艺及控制措施，为以后类似工程建设提供了较好的借鉴经验。1.概述1.1 工程概况 拉西瓦水电站位于青海省贵德县与贵南县交界的黄河干流上，是黄河上游龙羊峡至青铜峡河段规划的大

2、中型水电站中紧接龙羊峡水电站的第二个梯级电站。拉西瓦水电站工程属大型一等工程，永久性主要水工建筑物为一级建筑物。工程的主要任务是发电。水库具有日调节能力。该工程由混凝土双曲拱坝（最大坝高250m）、坝后水垫塘及二道坝、坝身泄洪表孔深孔底孔及右岸地下厂房主变开关室组成。左岸坝肩建基面由上游边坡、坝肩槽、下游边坡组成，坝顶开口线高程为2460m，坝基最低开挖高程2210m，开挖高差为250m，开挖总方量约为84万m3。1.2 地质情况 大坝位于石门坝址，该坝址河谷狭窄，河道平直，两岸山体雄厚，对称，无深切冲沟。坝址处基岩为均质中、粗粒花岗岩、完整性较好，岩性单一，力学强度高，风化不严重。坝址基岩中

3、发育的断裂以高倾角为主，多近与垂直河流向展布。岩石平均抗压强度157Mpa，平均弹性模量近50Gpa，为高强度高弹模的岩石。基岩强风化岩体深度较浅，且分布范围较小，仅在平缓岸坡及规模较大的断层破碎带、交汇带处少量分布。弱风化带深河床地段一般515m，两岸随高程增高风化层加厚。坝址区岩体中发育着NNW、NNE和NE向三组陡倾中小断裂和相应裂隙，发育有一组缓倾裂隙。其中NNW、NNE组断裂规模相对较大，且分属压扭和张扭性断裂，该两组断裂约占陡倾断裂总数的40%。缓倾裂隙系原生节理经后期构造作用演变而成，延伸长度较大，属压扭性断裂。由于拉西瓦花岗岩岩体中断裂不甚发育，岩石高弹模高强度，具备较好储能条

4、件，在青藏板块巨大水平构造应力作用下，再加上自重和陡峻峡谷地形的局部调整作用，工程区岩体中储存着较高地应力，经十余年现场测试及分析认为，拉西瓦花岗岩岩体可划分为三个不同应力单元。即近岸坡50m80m范围的应力释放区，其1方向紊乱，110Mpa；第二应力单元为河谷底部及坡脚部位，宽约300m深150m的应力集中区，该区内1=3560Mpa，该处钻探中曾出现大量饼裂现象，在开挖过程中可能产生岩爆，葱皮状剥落，和卸荷回弹变形。除上两区以外的广大地区均为应力稳定区，该区内1=2030Mpa，倾向河谷。上述三个区内实测地应力均为岩体自重的数倍，主要由构造应力和自重应力组成，属高应力区。1.3地质条件对开

5、挖爆破的影响 由于拉西瓦坝址区地应力较高，开挖过程中伴有岩爆、葱皮状剥落和卸荷回弹变形。开挖后支护工作直接影响着边坡岩体的稳定。坝址区岩体中断层分布较多。以NNE、NNW 为主。其中较大断层为EL2417(hf7)及EL2409(hf7-1)缓倾裂隙，宽度为0.5m0.3m。Hf10断层最大宽度达1.3m。岩石裂隙成组出现，存在NNE 组、NE组、NNW组、NW组、近EW组等5组，以高倾裂隙为主。表层岩体切割十分严重并存在着大量层理、片理、节理、间歇层等软弱结构。由于这些结构的存在，岩体被切割成块体，块体间结合力远低于块体自身强度。岩体存在较大各向相异性，在爆破中岩体薄弱面极易产生应力集中、泄

6、能作用、爆炸应力阻断以及应力加强等作用。使施工中预裂爆破质量的控制、减小对基础岩面的爆破震动影响、优化爆破大块率指标、提高爆破出渣经济指标等各项控制均有较大难度。2.爆破试验拉西瓦水电站主体边坡最大边坡高差达500m，表面风化及卸荷严重，坝址区石方开挖爆破的规模和强度大，开挖爆破振动及开挖后的卸荷对高边坡、锚杆锚索和新浇混凝土可能产生影响。针对拉西瓦水电站边坡开挖特点及岩石特性进行爆破试验，包括预裂爆破及深孔梯段试验，并对测试方法（爆破质点振速、岩石声波、及宏观调查等）得出的测试数据资料进行综合分析，确定适合拉西瓦水电站坝基坝肩高边坡地形和地质特点的爆破方式及爆破参数，包括预裂爆破参数、深孔梯

7、段爆破参数及起爆网络，分析爆破对高边坡的影响，指导并形成大规模开挖爆破施工技术，同时为科研及其他工程积累可借鉴的经验资料。根据爆破试验大纲，是通过现场生产性的试验测试，研究预裂爆破成缝机理，以及预裂爆破成缝对边坡的保护和减振作用；研究预裂爆破成缝机理，以及预裂爆破成缝对边坡的保护和减振作用；通过预裂爆破、深孔梯段爆破试验，确定施工中大规模生产的爆破参数、装药结构及起爆方式和爆破网络；研究和掌握爆破对高边坡及大坝建基面的影响，以确定爆破安全控制标准等；研究和掌握不同爆破条件、不同地形和地质情况下的爆破振动衰减规律，以制定相应开挖技术要求。同时加快工程进度，降低开挖成本。2.1预裂爆破参数试验为保

8、证较大不偶合系数削峰后的预裂成缝爆生气体压力，采用较大药径及多装药措施。考虑相关因素，同时根据以下现场事实对预裂爆破参数进行了调整：钻孔精度较好时的弱风化壁面平整度较好，炮孔壁未发现爆破裂隙，线装药密度360420g/m，基本适宜此类岩石；线装药密度在较大不偶合系数情况下，应耗用较多药量，弥补较大孔径对爆轰气体压力及波峰值的削减。在弱风化、节理裂隙发育的块状岩石中，壁面易“贴膏药”、“串葫芦”，壁面呈“弧线状”，说明局部不偶合系数较大、装药不连续时，爆生气体易沿节理面逸出，壁面平整度较差，在此类岩体中应加强装药的连续性。针对以上调查情况，坝肩槽采用钻孔直径90，爆破试验采用孔底间距不大于90c

9、m，线装药密度360420g/m,装药直径25，上下游边坡强风化带线装药密度290310g/m，装药直径32，弱风化带线装药密度310360g/m，装药直径32。爆后预裂壁面质量较好。孔口装药段1m范围内可减弱为0.60.8，若岩石较完整也不考虑减弱。预裂爆破孔口堵塞长度以1.5m内为宜。实际爆破施工中马道上部存在翻渣较多而预裂单次爆破时极少翻渣，表明主要原因是前排缓冲孔或主爆破孔因排数较多、约束较大而造成向后翻渣。推荐范围内的预裂爆破线装药密度均可实现预裂成缝，炮孔壁不产生爆破裂隙、壁面较平整及能克服钻孔偶尔偏差引起的局部较大孔距问题，施工按此原则并根据岩石情况变化及上部坡面效果随时调整。2

10、.2深孔梯段爆破参数试验炸药单耗及布孔参数：在前期开挖爆破施工中，炸药单耗为0.40.5kg/m3,大块率较高，这其中有孔内雷管段位过高、间排距的影响，同时经分析单耗也偏小。经试验调整为：强风化0. 500.5kg/m3,弱风化0.550.65kg/m3,大块率明显降低，出渣效率提高。提高炸药单耗后，将120深孔梯段爆破的间排距由4m3m调整为4 m2.5m、89深孔梯段爆破的间排距调整为3.5m2.5m，试验均采用梅花形布孔方式。根据爆破施工特点，爆区前沿不宜成孔及底盘抵抗线较大时，宜采用密集布孔及弱抛掷的较大单耗；爆区宽度较大、排数较多时，爆区中部应间隔57排布置一排加密孔，克服多排爆渣压

11、死现象；主爆破区有两个自由面时采用一侧斜向起爆方式，实际相当于宽孔距爆破方式，可降低单耗。经生产性试验证明拉西瓦水电站岩石单耗0.500.65kg/m3是可行的，为克服局部缺孔造成的大块及底部留埂问题，减小爆破块度及提高出渣效率，现场施工单耗在选定标准基础上稍有提高。堵塞长度：取为0.7W，当排距为2.5m时，约为2m堵塞长度较小有利于降低表层大块率。 爆破边界：强调深孔梯段爆破，处理好有关的边界面(即指爆区前、后、左、右和上、下边界面)。前边界：主要是指第一排炮孔，第一排炮孔的前沿一定要清理整齐，具有大体一致的抵抗线(孔口及底盘)。若为原地形，第一排的布孔要保证炸出的瞬间边界面成为第二排均匀

12、的抵抗线。忽视第一排的处理，往往导致后续各排爆破效果极差。实际问题有两种，一是沿坡度较缓、为减少卡钻采用的较大倾角钻孔底盘抵抗线偏大，或前沿地形局部孤石突出，无法上钻；二是孔距较大、孔口抵抗线小于孔距时，炮孔在地质薄弱处冲炮，反而造成后排抵抗线过大及产生爆破漏斗问题，同时产生较多飞石、爆破振动较大、爆破效果全盘恶化。因此，在不加大前排设计抵抗线的前提下，如W=2.53.0m,爆破区前沿第1排及第2排可考虑参照光面爆破原理及方法，采用孔a=1.52.0m，同时因前排距边坡较远、爆破振动波形中的前排振动一般较小，允许多孔同时起爆，以产生一定的抛掷效果，为减少多排爆破时的后排约束做出贡献。后边界：除

13、指永久坡面预裂爆破外，还应考虑缓冲孔爆破、前后分区爆破的后边界预裂爆破。永久坡面预裂要炸出裂缝，同时不要“贴膏药”，过去“贴膏药”较为普遍，要花去许多时间用手风钻处理。强调预裂孔爆破钻孔精度控制措施，增加预裂爆破线装药密度，强风化地层由300g/m提高到(340380)g/m，弱风化地层提高到(380420)g/m，同时调整缓冲孔到预裂孔的距离2.0m为1.2m1.5m。 左、右边界：若爆区较大，采用分区爆破时，左、右边界一定要采取措施，不能任其自然拉裂，造成边界部位严重卡钻，。采取 “施工预裂”，意义同上。 上、下界面：上、下界面的平整程度，影响钻孔效率，出渣效率和控制施工进度。其主要原因是

14、孔底高程控制及根据岩石风化程度不同调整超深。边界面的处理，可反映技术方面的差异，更主要体现了施工管理水平。缓冲孔爆破：原缓冲孔孔径直径89，孔距2m，装药直径50, 与预裂孔排距2m，与前排主爆孔排距2m，由于钻孔直径过大，药卷易在孔内重叠。因此，实际施工中往往装药量过大，较大的前后排间距也起不到缓冲孔爆破的松动作用，同时预裂孔前易产生大块及底部留埂。在弱风化岩石中缓冲孔钻孔孔径90，与预裂孔排距不大于1.5m，与前排主爆孔排距不大于2m。即减缓对壁面的破坏作用，同时减小该部位大块，一定条件下可起到向前推渣作用，减少壁面处反铲勾渣方量，以便尽快进行边坡马道水平预裂造孔施工。边界施工预裂爆破：前

15、排抵抗线2m,孔距2m或1.5m，采用32(1kg/m)药卷连续装、底部1m加强为232(2kg/m)。爆后边界基本整齐，不影响下次钻孔，前排抵抗线一致。加强孔：加强孔用于爆区排数较多时克服爆渣体积增大的夹制作用，应每67排布置一排加强孔，孔距及排距为2m，34孔同时起爆，以产生抛掷作用。也可用于爆区前部第34排，利用自由面进行抛掷，减少清渣工作量。马道及马道保护层：原马道未有保护层或仅马道宽度范围内预留保护层，受上部炮孔底部破坏作用，易造成马道边角缺失，在合理解决预裂孔口装药及堵塞不当问题后，可采用实际厚度1.5m爆区整体预留厚度，马道部位采用水平预裂或光爆开挖保护层，可保证马道边角质量。爆

16、破网路试验：采用孔间微差爆破网路，应首先保证孔、排间顺序起爆、不致引起爆破振动叠加及爆破效果恶性，如后排孔先响产生局部爆破漏斗、相邻孔抵抗线变化、飞石、爆破噪声等，其次应保证传爆可靠，先爆孔飞石、岩层错动不致破坏后续传爆网路。不能仅为保证网路可靠性而影响起爆顺序，这是施工中的常见问题。当不能同时实现以上要求时，应采取其他技术措施，如分区爆破、预裂孔提前起爆、加强堵塞、孔口网路防护、孔内连续装药保证殉爆距离、孔内导爆索传爆等。首先避免孔内装过高段位雷管。因此，爆破试验初期首先孔内雷管从Ms17Ms20段改为Ms10ms15段左右，雷管标称误差由150多毫秒减至4060ms，小于排间雷管延期时间，

17、实现孔、排间顺序起爆。预裂爆破提前起爆可能对前排孔口网路传爆有一定影响，当预裂爆破与前排孔口网路传爆时差较大时，首先爆破振动使前部孔口表层已松动的岩石进一步松动或错动，切断孔口段传爆网路(导爆管或导爆索)，或单独起爆时引起缓冲孔部位卡钻、孔口松散段吹渣漏气及反渣；其次是预裂爆破孔口堵塞物冲出及飞石对孔口网路的破坏。实际施工中此时差多次达到及超过300ms并未引起破坏，一次爆破中预裂单独起爆且前排缓冲孔已经装药也并未引起明显破坏。试验中主要采用了单侧斜向起爆方向(/型)、中间斜向起爆(V型)两种起爆方式。其中，中间斜向起爆(V型)的传爆时间短、可靠性较好，但爆渣过度向中部集中，堆积较高；单侧斜向

18、起爆方向(/型)充分利用前部及侧部两个自由面，爆堆形状较好，但爆破区长度较大时的后部压死效应明显。总体上，采用导爆管微差起爆网路，孔内装同Ms15段以下雷管，孔间采用Ms2及Ms3段雷管接力，排间采用Ms5、Ms7段雷管接力。通过调整爆破网路时差，实现了顺序起爆，大块率明显降低。在强风化岩石层中，因爆破对相邻岩体的裂隙扩展效应增加，可进一步考虑减小孔、排间时差。3.施工现场控制3.1大面找平大面找平施工是钻爆作业最基础的工序，大面找平便于测量放点、钻机作业定位、控制孔深等，因此大面找平作业应给予足够重视。大面清渣结束后，利用手风钻或液压钻进行大面向设计高程找平及欠挖处理，将大面起伏差控制在50

19、cm以内；利用人工将浮渣清理干净。3.2 布孔严格按爆破设计布孔平面图所示间排距进行布孔。预裂孔由测量逐孔进行放点，用小型冲击钻在方位和孔位原点处打510cm深的孔，埋设6mm的盘条，进行孔位标识；爆破孔在每排孔的两端用手风钻打20cm深的孔，插设钢筋进行排间标识，利用排间连线放出该排其余孔位，并利用钢筋设置等高线，利于在造孔过程中控制孔深及孔底落差。3.3钻孔造孔的好坏是控制爆破效果的关键工序之一：爆破孔控制的关键在于所有孔的方位、角度、孔深必须一致，否则会造成孔底间排距混乱，爆破后形成大孤石、孤包、残埂，给下一工序造成较大处理工作量。上下游边坡预裂孔、缓冲孔：分别采用CM351潜孔钻机及液

20、压钻机造孔，造孔前首先对钻机进行定位，钻机必须固定牢固，确保造孔过程中钻机不晃动；然后根据孔位和方位控制点确定造孔方位，用罗盘和量角器双重控制角度，在确保方位和角度无误的情况下方可开钻，开钻后入岩10cm、30cm、50cm、100cm各校核一次，没有误差的情况下继续钻进，以后每2m校核一次，入岩10m后无须校核。爆破孔控制措施：每爆区的爆破孔必须为同方位、同角度，采用罗盘控制方位、采用量角器控制角度，要求技术人员要有高度责任心。建基面预裂及缓冲孔;采用100B风动钻机钻孔，为控制100B钻机在造孔过程中的摆动，钻机固定采用在边坡上打安锚杆，在锚杆上固定脚手架，将钻机支架固定在脚手架上并进行管

21、扣连接固定，固定过程中采用用罗盘和量角器双重控制角度，在确保方位和角度无误的情况下方可开钻，开钻过程控制和上下游边坡预裂造孔相同。3.4 网络控制 造孔完毕并检查合格后，装药前对爆破作业人员依据爆破设计详细交底，网络连接过程中应有之间人员全程监控，网络连接完毕后仔细检查、校核网络，确保网络的安全可靠。3.5参数调整爆破设计是指导爆破作业的纲领，但在实际施工中会有地质条件和爆破设计有出入，因此，在现场作业过程中应根据地质条件的变化，及时调整爆破参数，以便使爆破效果达到最优。4.爆破振动监测4.1爆破振动监测的目的研究预裂爆破成缝对边坡的保护和减振作用；确定施工中大规模生产的爆破参数、装药结构及起

22、爆方式和爆破网络；研究和掌握爆破对高边坡及大坝建基面的影响，以确定爆破安全控制标准。研究和掌握不同爆破条件、不同地形和地质情况下的爆破振动衰减规律，以制定相应开挖技术要求。4.2监测手段(1)爆破震动测试爆破振动监测测点布置一般布置在上一层马道，测点个数一般为58个分散布置。下图为左坝肩EL2430-2415层、区爆破监测数据图（纵轴为振速值cm/s ）左岸EL2430-2415层区爆破监测 (第6次)左岸EL2430-2415层区爆破监测 (第7次)从爆破震动监测数据分析可以看出，爆破工艺参数及施工局满足边坡稳定及安全要求。(2)建基面开挖爆破影响测试 建基面开挖爆破影响测试采用地震波方式进

23、行测试，下表为左坝肩EL2385高程单孔地震波测试数据。左岸坝肩EL2385高程单孔地震波测试数据 孔深（m）21-7号孔21-8号孔21-9号孔波速(m/s)Vp(m/s)波速(m/s)Vp(m/s)波速(m/s)Vp(m/s)13920381041704170392039202370041703920344404520513052405560551044440513055605444051305560644405130556074760513051308476051305560944405560556010444055605560分析：左岸坝肩槽（EL2385）部位，岩体平均波速大于440

24、0m/s，表层受卸荷及开挖影响深度2米从建基面开挖爆破影响测试成果可以看出，爆破对拱坝建基面的影响基本满足技术要求。5.施工技术总结评价 拉西瓦水电站左坝肩目前已开挖至EL2240m，开挖高差已达到220m，根据爆破效果及施工进度分析得出以下结论：(1)实现了爆堆表层及总体块度约在60cm以下的效果，很少产生1.5m以上大块。爆堆中部高度略高于马道1m左右，预裂孔前3m5 m范围内下降约2m 左右。前排加强爆破孔总体抛掷率达20%左右。堵塞段长度的选择实现了孔口岩块的基本翻动。壁面半孔率均质岩层中达到90%以上，平整度满足设计要求。(2)施工分区预裂实现了分区爆破边界基本整齐，保证了后区钻孔的

25、顺利进行，有效的减小了爆破对高边坡的震动影响。(3)坝肩上下游边坡强、弱风化带影响范围爆破半孔率达到85%以上，坝肩槽微风化基岩爆破半孔率达到95%以上，平整度满足规范要求，爆破振动监测数据表明爆破振速达到高边坡开挖振速要求，爆前、爆后声波监测值表明衰减值控制在10%以内。(4)开挖施工进度方面，坝肩平均每层施工循环控制在了20天至25天之间。结 语 根据坝基开挖特点及地形地质情况，结合相关试验对比分析，采用有针对性的施工方法和爆破参数进行施工，有效的提高了施工质量与施工进度。爆破震动对岩石影响甚较小，满足规范要求。作者简介：代国宏（1973-），男 甘肃古浪人 工程师 中国水电四局第一施工局工程技术办公室主体科科长孙军民（1960-），男 河南夏邑人 助理工程师 中国水电四局第一施工局浇筑大队副大队长附图： 拉西瓦水电站左岸坝肩EL2460EL2240开挖形象图