由淑明 項(xiàng) 捷 劉常俊

（中國安能集團(tuán)第一工程局有限公司，廣西 南寧 530028）

大洞徑導(dǎo)流洞出口高邊坡處理方法各異，對(duì)于施工質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)、方法便捷、效率高的高邊坡方法，國內(nèi)出現(xiàn)許多不同處理工藝。邊坡治理層出不窮，但整體仍是通過各種掛網(wǎng)噴漿、打錨桿、邊坡噴砼等方式維持穩(wěn)定[1]。同時(shí)，高邊坡存在高聳作業(yè)工況，人員施工需要考慮搭設(shè)腳手架[2]。架體存在安全隱患和搭設(shè)周期，對(duì)于大型水電建設(shè)工期是否要緊，開展無排架施工方式進(jìn)行高陡邊坡的施工處理亟待探究。

1 高陡邊坡無排架施工需求分析

云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的旭龍水電站導(dǎo)流洞出口高邊坡高度140m，同時(shí)存在25m深基坑，開挖難度大、安全管控壓力大，最大開挖高度140～150m，開口線頂部巖體強(qiáng)卸荷，且有松動(dòng)破碎巖體大量發(fā)育，松動(dòng)體邊坡巖體破碎，邊坡的穩(wěn)定性較差。在落差巨大的邊坡上進(jìn)行支護(hù)施工需要考慮多方面技術(shù)協(xié)調(diào)問題。該文探討的一種新式的無排架施工工藝：即通過每級(jí)15m高馬道，預(yù)裂爆破完成后，開挖下降5m作為施工平臺(tái)采用JK590潛孔鉆機(jī)進(jìn)行上部的邊坡支護(hù)施工。由項(xiàng)目的高陡邊坡特點(diǎn)出發(fā)，得到一次預(yù)裂到底，隨層支護(hù)控制爆破的無排架高陡邊坡施工技術(shù)。主要的工藝特征是先進(jìn)性預(yù)裂巖面施工，然后通過爆破，破碎巖體，而后分層開挖支護(hù)形成邊坡穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系。無排架預(yù)裂爆破與隨層支護(hù)工藝流程如圖1所示。

圖1 無排架預(yù)裂爆破與隨層支護(hù)工藝流程

2 無排架高邊坡施工的適用性及原理

由于取消了排架的搭設(shè)，極大程度地降低了作業(yè)高度，工作平臺(tái)更加寬廣，施工工器具擺放合理，且面對(duì)不良?xì)夂蛳掳踩┕さ陌踩愿斜ＷC。在爆破控制技術(shù)中，結(jié)合薩達(dá)夫斯基爆破振動(dòng)強(qiáng)度公式[3]，可以得出預(yù)裂爆破的有關(guān)爆炸參數(shù)見表1。

表1 控制爆破的主要爆破參數(shù)表

無排架施工即取消常規(guī)的排架搭設(shè)施工，利用地形和地質(zhì)條件通過炸藥預(yù)裂，然后打入錨桿、掛網(wǎng)噴射混凝土，最后逐步分層向下開挖土方，完成高邊坡支護(hù)的施工工藝。對(duì)于邊坡開挖線、馬道的開挖，采取先錨固后開挖的施工順序，即馬道鎖口錨筋樁施工完成后進(jìn)行下級(jí)臺(tái)階開挖。基于此，其適用性主要用于開挖高度大、且發(fā)育有大型破碎閃片巖、作業(yè)空間狹窄的高陡邊坡支護(hù)施工，公路隧道、水利導(dǎo)流洞出口邊坡等均適用[4]。尤其是在超百米以上的高陡邊坡施工，具有較好的推廣使用價(jià)值。在高山峽谷及兩岸邊坡坡度較大地帶，施工難度大，材料就位難，安全風(fēng)險(xiǎn)極高，整體施工難度高。

爆孔布設(shè)如圖2所示，每塊邊坡上均按此進(jìn)行爆孔設(shè)置，其基本原理就是利用地勢(shì)和鉆機(jī)機(jī)械因地制宜，進(jìn)行預(yù)裂和開挖配合施工，通過一次預(yù)裂到底，再進(jìn)行分層支護(hù)、分層開挖的工藝進(jìn)行施工。這種施工方法最大限度的避免了在高陡邊坡上進(jìn)行搭設(shè)腳手架體所存在的安全隱患，省去了架體搭設(shè)時(shí)間、架體地基支承力的驗(yàn)算以及架體的安裝和拆除施工所耗費(fèi)的時(shí)間。當(dāng)分層支護(hù)時(shí)，利用原位地層作為施工平臺(tái)，進(jìn)行鉆孔支護(hù)。

圖2 高邊坡上爆孔布設(shè)與隨層分界設(shè)計(jì)圖

3 控制爆破技術(shù)研究

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

對(duì)在高陡邊坡施工無排架，主要涉及對(duì)錨噴指標(biāo)、預(yù)裂方式、緩沖孔方式等技術(shù)要點(diǎn)[5]。技術(shù)的應(yīng)用需要在高陡邊坡上進(jìn)行沖孔，孔眼布置以及預(yù)裂排布需要通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析得出。依據(jù)該工程出口段邊坡的地形態(tài)勢(shì)，得到?jīng)_孔方式和參數(shù)設(shè)置要求見表2。

表2 沖孔方式和參數(shù)設(shè)置

孔眼厚度要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)適當(dāng)作調(diào)整。開挖主要采用垂直主爆孔結(jié)合水平預(yù)裂孔的方式進(jìn)行爆破開挖。隨后需要依據(jù)開挖后的坡面進(jìn)行噴砼護(hù)面。在現(xiàn)場(chǎng)分區(qū)的基礎(chǔ)上確保不出現(xiàn)翻渣過程中大量石塊的堆積，需要增加分區(qū)界線上的及時(shí)爆破預(yù)裂[6]，在考慮施工預(yù)裂效果后，給出預(yù)裂埋深應(yīng)當(dāng)與預(yù)裂主要爆炸方向一致。采用洞徑為?9cm，洞距為80cm的爆破施工參數(shù)；同時(shí)炸藥量線密度為0.3～0.4kg/m，埋置深度需要填充2.5～3m。此外，采用JK590型自行式履帶潛孔鉆機(jī)進(jìn)行預(yù)裂爆破及深淺支護(hù)鉆孔施工，鉆孔速率提高2.5倍，孔位轉(zhuǎn)移靈活機(jī)動(dòng)，且覆蓋施工高度達(dá)到5m，提高開挖支護(hù)效率。

鉆孔采用ROCD7液壓鉆和QZJ100B潛孔鉆，爆破炸藥通過人工進(jìn)行實(shí)施；中部大面爆破采用孔內(nèi)微差延時(shí)爆破技術(shù)，并輔以YT-28手風(fēng)鉆鉆孔爆破開挖。邊坡開挖石方利用高邊坡下方道路內(nèi)層堆渣平臺(tái)，防止渣料下河。采用3m3裝載機(jī)集渣、2m3反鏟挖掘機(jī)裝渣、20t自卸車運(yùn)渣，通過1#道路出渣。

導(dǎo)流洞出口明挖分層梯段高度為7.5m，建基面開挖采用預(yù)留保護(hù)層的方式進(jìn)行?？刂票频奶荻伪谱畲笠欢纹鸨幜客ㄟ^試驗(yàn)確定[7]，且需滿足質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的要求。其中爆破的徑向不耦合系數(shù)D、周邊孔間距E算法如公式（1）、公式（2）所示。

式中：dk、dl分別為炮孔直徑和藥卷直徑，cm；[σc]為隧道圍巖的抗壓強(qiáng)度，Pa；α為表征爆生氣體性質(zhì)的常數(shù)；r為爆生氣體的絕熱指數(shù)；P0為爆生氣體的初始?jí)毫?，Pa；kp為巖石抗破壞屈服系數(shù)。

在確認(rèn)二者的計(jì)算方式后，對(duì)高邊坡隨層支護(hù)中的爆破炸藥情況也需進(jìn)行研究控制，得出技術(shù)指標(biāo)要求見表3。

表3 隨層支護(hù)炸藥技術(shù)指標(biāo)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)流洞出口高邊坡的爆破施工，建立因素分析表進(jìn)行綜合評(píng)判分析，見表4。

表4 導(dǎo)流洞出口高邊坡爆破因素分析表

該表所顯示的爆破控制參數(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)施工評(píng)分法對(duì)方案各因素進(jìn)行無量綱賦值后，依據(jù)模糊綜合評(píng)判理論確定隸屬度后建立模糊綜合評(píng)判矩陣R，如公式（3）所示。

經(jīng)計(jì)算得出公式（4）結(jié)果，按最大隸屬度原則[8]確定方案2為控制爆破的最優(yōu)方案。

3.2 隨層支護(hù)施工技術(shù)研究

支護(hù)通過噴射混凝土予以加固，起到支撐作用。而進(jìn)行混凝土噴射之前，先開挖巖石邊坡，由于在爆破預(yù)裂完成后，巖體出現(xiàn)裂縫，設(shè)備開始進(jìn)場(chǎng)進(jìn)行被動(dòng)網(wǎng)的防護(hù)，同時(shí)進(jìn)行的是開挖作業(yè)施工；在不斷向下開挖過程中需要分層分段嵌入錨桿，打入錨桿起到的作用是圈梁鎖口的效果，能夠更好地?fù)巫≌麄€(gè)巖石支護(hù)邊坡面，不會(huì)發(fā)生垮塌。而對(duì)于嵌入的錨桿將作為邊坡支護(hù)系統(tǒng)的一部分不在工后被拆除，對(duì)于錨桿與噴射混凝土之間存在標(biāo)高的規(guī)律距離，通常整個(gè)支護(hù)用錨桿的上下兩端的直線距離為15～20m或二層開挖梯段的高度；不同巖石和部位開挖施工工藝原則如下：根據(jù)工程地質(zhì)已經(jīng)探明的工況，進(jìn)行開挖發(fā)育，同時(shí)對(duì)于每層混凝土噴射面進(jìn)行防護(hù)，按照錨桿、噴射混凝土的工藝步驟依次進(jìn)行施工，在巖石開挖過程中，使每層都能順利挖至設(shè)計(jì)指定部位而不出現(xiàn)任何質(zhì)量問題。

在確定了無排架施工工藝方法后，其對(duì)應(yīng)的支護(hù)技術(shù)業(yè)自然形成。主要體現(xiàn)在噴射混凝土的工藝方法上方，傳統(tǒng)的噴砼技術(shù)著眼于將混凝土粉直接干噴的形式附著在較為濕潤(rùn)的巖石表層上，從而自然硬化形成。隨層支護(hù)中，需要采用模糊矩陣的方法確認(rèn)支護(hù)等級(jí)，見表5。

表5 影響隨層支護(hù)各因素的組合權(quán)重

表5中的權(quán)重表明，高陡邊坡隨層支護(hù)共有12項(xiàng)影響因素，最小抵抗線、炸藥單耗以及開挖深度是影響支護(hù)效果的主要因素。

最小抵抗線問題即邊坡支護(hù)的剛度提供是否能夠抵抗邊坡巖體的拉應(yīng)力而不發(fā)生破壞，現(xiàn)場(chǎng)施工表面：抵抗線主要來自于錨桿（錨索）的提供，旭龍導(dǎo)流洞出口高陡邊坡的砂漿錨桿材料選用熱扎Ⅲ級(jí)鋼筋，并檢驗(yàn)合格后方可用于支護(hù)施工。鋼筋的入庫存放需要及時(shí)進(jìn)行使用，長(zhǎng)期不用的鋼筋可能出現(xiàn)拉力不足，銹蝕等材料退化問題，在錨桿施工過程中，計(jì)算好整體工程用量對(duì)于熱軋鋼筋的進(jìn)場(chǎng)有重要意義。錨桿注漿所采用水泥強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5的普通硅酸鹽水泥，且水泥砂漿強(qiáng)度等級(jí)不低于30MPa。

在隨層支護(hù)過程中，須及時(shí)做好護(hù)坡工作，以免在暴雨過后雨水巨大侵蝕力與剪切力破壞混凝土固有強(qiáng)度提升，從而使得邊坡出現(xiàn)破裂損壞；施工工程中及時(shí)排水，當(dāng)整個(gè)開挖即向下預(yù)裂爆破時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)翻土做好及時(shí)清運(yùn)，不得留在原工作場(chǎng)地，否則易出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象和進(jìn)一步的次生災(zāi)害。對(duì)隨層支護(hù)的12項(xiàng)影響因素都需要做好統(tǒng)籌，按其內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行控制。

3.3 高陡邊坡圍巖穩(wěn)定分析

高陡邊坡的圍巖應(yīng)力P與位移u的關(guān)系，符合彈塑性力學(xué)的相關(guān)原理，其關(guān)系曲線如圖3所示。可以看出由于高陡邊坡的圍巖存在自適應(yīng)變化區(qū)間，從穩(wěn)定趨于向應(yīng)力增高區(qū)域變化是一個(gè)應(yīng)力P先小后大的過程，在不同的位移所在位置，將對(duì)應(yīng)不同的剛度值，在數(shù)學(xué)上表征為其不同的斜率。自然所以發(fā)的物理現(xiàn)象則是巖體隨著錨索進(jìn)入以及爆破的不斷進(jìn)行，而發(fā)生一定程度的崩塌脫落。根據(jù)不同變形特點(diǎn)，劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4大區(qū)域，不同區(qū)域?qū)?yīng)不同圍巖變形值，當(dāng)巖體整體進(jìn)入到Ⅲ區(qū)時(shí)，由于變形巨大，巖體整體穩(wěn)定性將可能失去，因此，錨索拉住巖面所形成的能量之間的轉(zhuǎn)化，如公式（5）所示。

圖3 圍巖應(yīng)力位移P-u關(guān)系曲線

式中：∫TP（u）為錨索施工鉆入巖體內(nèi)的能量，∫TF（u）和∫TS（u）為巖體自身發(fā)出的應(yīng)力之和，分為巖體應(yīng)力與支護(hù)應(yīng)力2個(gè)部分。

通過公式（5）能量表達(dá)式，能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，應(yīng)當(dāng)注重將巖體自身應(yīng)力和支護(hù)應(yīng)力結(jié)合，支護(hù)應(yīng)力與巖體應(yīng)力要始終保持大于等于錨索施工鉆入巖體內(nèi)的應(yīng)力值。這二者之間存在一個(gè)巖體工程平衡穩(wěn)定的關(guān)系。在變形協(xié)調(diào)的狀態(tài)下，理論上只有維持關(guān)系式的平衡，巖體巖面就不會(huì)出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象，保持穩(wěn)定不變態(tài)勢(shì)。

4 結(jié)論

該文對(duì)旭龍水電站導(dǎo)流洞工程兩側(cè)的高陡邊坡支護(hù)技術(shù)進(jìn)行分析，討論并較為全面地研究了采用無排架施工的技術(shù)施工高陡邊坡，提高了其安全性和穩(wěn)定性，對(duì)于施工高陡邊坡的工程有一定的參考價(jià)值，并總結(jié)了以下2條結(jié)論：1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形和所有機(jī)械，進(jìn)行一次預(yù)裂到底施工，然后每級(jí)15m高馬道出渣，采用分層開挖并支護(hù)的施工工藝能夠提高工程效率，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于爆破控制方法，該文所列算法以及采用模糊綜合評(píng)判的方式可以得出在現(xiàn)場(chǎng)工況下的最優(yōu)控制方案。2）隨層支護(hù)方法主要通過噴射混凝土達(dá)到及時(shí)封閉穩(wěn)定，總結(jié)提煉出影響隨層支護(hù)因素的12種組合權(quán)重，并對(duì)最小抵抗線、炸藥單耗以及開挖深度給出工程控制規(guī)律。