1、5断层发育片岩条件下垂直高边坡开挖支护施工技术李乔生马瑞明/中国水利水电第十四工程局有限公司吴书正/金华市浦江县水务局【摘要】本文以拉哇水电站尾水出口边坡开挖支护施工为例，对“一次深孔预裂、两次梯段爆破、渣分层支护”的边坡施工技术进行了论述，对边坡开挖支护施工总体规划布置、全工序施工主要方式方法进行了详细的介绍，重点阐述了断层发育片岩条件下垂直边坡锚索施工采取固壁灌浆措施的处理方法及效果。高边坡开挖支护施工进行全过程质量控制，达到了设计最终施工效果，可为以后类似工程建设提供借鉴。【关键词】厂垂直高边坡发防护网施工便道预裂及梯段爆破固壁灌浆1二工程概况拉哇水电站尾水出口最大开挖边坡达8 1.7
2、m，共四级边坡，且均为垂直边坡，尾水出口边坡垂直水流方向开挖长度超过12 6.6 6 m（仅为出口门槽段，不包括两侧尾水平台及鱼道开挖部分）。尾水出口边坡地表发育有断层F243，破碎带宽度为50 2 0 0 cm，充填岩块、岩屑及少量方解石，局部附泥膜，断面粗糙不平直，出露长度约为2 40 m。尾水出口高程2 559.6 4m以下设计开挖边坡为直立边坡，边坡走向与自然岸坡走向一致，边坡高度约为3 9.6 4m，坡顶为尾水出口平台（宽6.5m）。尾水出口布置在坝轴线下游2 9 0 42 0 m右岸基岩陡壁处，地形坡度为6 0 6 5尾水出口平台顶部开挖底板高程为2 559.6 4m。2施工方法比
3、选参考以往垂直高边坡开挖支护施工方法，并结合尾水出口边坡结构布置特点，初步可供选取的开挖支护施工方法有“3 5m逐层开挖逐层支护”和“一次深孔预裂、两次梯段爆破、渣分层支护”两种。若采取“3 5m逐层开挖逐层支护”的施工方法，受限于拉哇水电站尾水出口边坡施工场地狭窄的客观条件，不利于石方开挖、锚喷支护、锚索等施工工序的搭接流水作业，且修筑施工便道的石方开挖回填工程量巨大，耗用时间较长，不能满足施工进度计划要求，因此不宜采用。若采取“一次深孔预裂、两次梯段爆破、渣分层支护”的施工方法，可在立面、平面上分为多个施工区域，较大限度地提高狭窄场地的利用率，形成多工序流水作业，多个工作面同步交替开挖、支
4、护，提高施工效率。通过对施工方法进行比较研究，宜采用“一次深孔预裂、两次梯段爆破、渣分层支护”的方法进行尾水出口垂直高边坡施工。但受限于边坡地形地貌及断层发育的地质条件，需进一步细化施工方法，在同一分区内严禁上下交叉作业的前提下，满足施工安全及进度要求，同时减小施工难度，控制施工成本。3总体施工方案遵循“先清、后锚、再开挖”的原则。边坡开口前先清坡并进行安全处理（包括撬挖、砌石、锚固等），对开挖区周围的不稳定体，在开挖前进行清理或锚固，保证开挖时坡顶的稳定、安全。开挖支护时采用“一次深孔预裂、两次梯段爆破、渣分层支护”的方式组织施工，即在预裂和梯段爆破完成后，利用反铲扒渣揭露3 m，及时采用履
5、带钻机进行锚索、锚杆孔的施工和人工挂网，喷混凝土按7 10 m高度为一层施工。边坡开挖至河床原始高程后，开始对设计开挖范围内河床进行开挖，并形成下挖施工通道，逐步完成尾水出口边坡开挖支护。边坡开挖支护分层图如图1所示。6土石方与导截流工程原地形线原地形线已开挖完成区域已开挖完成区域69869872559.64又2 559.6 4大于5m施工道路锚杆履带式潜孔钻造锚杆孔施工道路002D444400941968垫渣96预裂分层线72540.05=30094D009碧土分界线又2 53 0.3 0碧土分界线（隧洞开挖分层线）0091:432521.500-2521.20V/2521,500元1502
6、520.0015072520.00YU图1边坡开挖支护分层图（尺寸单位：cm，高程单位：m）3.1总体规划在尾水出口边坡施工区域平面上，总体形成四个分区，分区一、分区二、分区三长度均为3 1.6 7 m，分区四长度为46.6 7 m。根据实测地形地貌，尾水出口高程2559.64m以下开挖边线距离原始地形线最薄约为5m，出渣道路利用高程2 559.6 4m以上的边坡开挖料及高程2559.64m以下开挖岩台面作为出渣高度，施工便道根据开挖高度逐级降低。尾水出口高程2 559.6 4m以下开挖支护施工便道共布置2 条：一条自下游围堰至施工区（R3，高程2 540.0 0 m以上施工），另一条自下游围
7、堰至施工区（R3，高程2 540.0 0 m以下施工）。在明渠基坑上游侧及下游侧各设置一个集水井（4m2mX2m），工作面废水、渗水、降水汇集至集水井后统一抽排至三级沉淀池处理。尾水出口边坡总体规划布置图如图2 所示。3.2施工工期及施工强度施工工期为2 0 2 2 年3 月3 0 日至12 月2 1日。尾水出口开挖综合最高月平均强度为3.6 万m/月，喷混凝土月平均强度为2 7 5m/月，锚杆造孔为7 50 0 m/月，排水孔高峰强度为12 0 0 m/月，锚索高峰强度为3 6 束/月。3.3施工工艺流程预裂分两层进行，第一层预裂至尾水出口高程2539.00m左右，预裂高度约为2 1m，出露
8、的两个尾水隧洞出口之间范围采用手风钻进行光面爆破或浅孔预裂，其余主爆孔以7 m左右为一层进行爆破。考虑到单级边坡高约40 m，施工时开挖出渣一层支护一层，出渣分层高度按3 m左右控制。在预裂及主爆孔施工完成后，采用挖机按3 m为一层逐层开挖，开挖完成一层后，利用履带潜孔钻进行锚杆孔施工，人工注装锚杆及挂网，喷混凝土主要采用混凝土湿喷车进行，喷护高度按7 10 m左右为一层施工。尾水出口高程2559.64m以下边坡长度约为19 2 m，充分利用边坡长度，形成多个工作面交替开挖、支护。每层开挖后采用履带式潜孔钻完成锚杆、排水孔的造孔工作，支护随着渣料下降相应进行施工。底板部位应预留1.5m厚保护层
9、，采取光面爆破法施工。边坡开挖施工工艺流程如图3所示。3.4施工准备3.4.1自然边坡修整岩体清理以人工撬挖为主，松散体、危岩体按照自上而下顺序清理。上部较大的孤石先用手风钻造孔，静态爆破解小，渣料集聚后，人工翻渣至下部平台。坡面清理以白天作业为主，同时在施工区域下方各施工道路口、平台设置专人看护，修整作业结束并认真检查坡面无滚石后方可进行下部施工。3.4.2防护网施工首先根据测量放出的边坡开口线，人工自上而下进行植被清理及坡面修整。被动防护网基座的基础顶面应平整，以使下支撑绳尽可能紧贴地面，将基座套人地脚螺栓并用螺母拧紧，地脚锚杆端头部分结构均应做防锈处理。借助于基座间的连接和上拉锚绳来实现
10、钢柱的固定安装，通过拉锚绳调整钢柱方位满足设计要求。被动防护网施工示意图如图4所示3.4.3施工便道修筑根据实际地形地貌，尾水出口高程2 559.6 4m以下开挖边线距离原始地形线最薄约为5m，故计划施工便道R3在尾水出口高程2 559.6 4m以上第3 级边坡开挖时，将开挖石渣翻渣至高程2 559.6 4m以下边坡以及下断层发育片垂直高边坡开挖支护施工技术E2+440.000尾水出口平台交通洞33292503506.0mX7.0m32/650变配电站基坑施工道路空压机站尾水洞尾水洞中心线2560.00Z3(11m15m)方位角E62WJO+448方位角E6295中心线集水井WJ0+140.1
11、13线一方位角E62:935三风R3施工便道，（高程2 540.0 0 m以下施工）WJ0+171.7732520.00明渠开挖区WJ0+203.443集水井现道路，下游WJO+235.102围增至大坝基坑00900033290008t09R3施工便道，（高程2 540.0 0 m以上施工）集鱼系统P-1道路9.5m7.5m下游土石围层22360.00TTE2560.00图2尾水出口边坡总体规划布置图(单位：m)游围堰马道，垫渣修整形成施工便道（渣料不够时从主厂房、引水隧洞开挖工作面运无用料垫渣），垫渣体坡度为1：2。施工便道长度约为2 2 5m，宽6.5m，坡度约为12%，以满足施工机械通行
12、需要。因边坡逐层爆破，向下开挖，故每次爆破后须对施工便道进行修整，修复爆破及翻渣过程中对施工便道造成的破坏，以满足通行需要。另外，随边坡向下开挖，动态调整施工便道的布置。当开挖至河床原始高程后，施工便道调整为R3，在开挖区内随下挖修筑。R3在尾水出口高程2 540.0 0 m以下边坡下挖过程中，结合现场实际需要在开挖区预留形成。施工便道长度约为2 6 0 m，宽6.5m，坡度约为12%，满足施工机械通行。3.4.4施工排水布置距拉哇水电站坝址约2 0 km的巴塘县城设有巴塘气象站，该工程各气象要素特征值参照距离最近的巴塘气象站统计参数。据巴塘县气象站观测资料统计，多年平均降水量为48 7.1m
13、m。该工程尾水洞出口的基坑需要经常性排水，主要包括降雨、堰体和基坑渗漏水、地下水和施工废水等，以及不能从施工场地地表排水系统排除而进人基坑的地表汇水。按1天排完计算，其中出口基坑自然降水汇水面积约为3 9 0 51m，区域内降水量按一日最大降水量计算，则基坑自然降水排水强度约为39051X0.0424-2468.99(m/h)。施工废水包括土石方开挖用水、混凝土施工仓面冲洗和养护用水、混凝土拖泵用水等。尾水石方开挖高峰强度约为8 万m/月，产生废水约为2 6.11m/h；混凝土高峰强度约为2.4万m/月，产生废水约为3 4.3 8 m/h；开挖与混凝土浇筑不同期进行，取最大值，即施工废水取3
14、4.3 8 m3/h。综上，确定经常性最大排水量为：6 8.9 9 十3 4.3 8=103.37(m/h)。水泵排水能力按下式计算为Q泵=Q实一(XnXr)式中Q水泵排水能力，m/h；Q实实际排水能力，m/h；时间利用系数，取0.8 5；n水泵平均效率，取0.8；水泵平均泄漏率，取0.9。综上，Q录=10 3.3 7-(0.8 5X0.8X0.9)168.91(m/h)。8土石方与导截流工程施工准备自然边坡修整防护网施工爆破设计及试验截排水沟施工锁口锚固潜孔钻造孔预裂反铲挖掘机清理工作面测定爆破孔位主爆孔造孔、清孔人工按设计参数装药、爆破边坡安全处理，施工便道修整边坡锚喷反铲挖掘出翻渣至边坡
15、下部河床，施工便道修整初期支护避免上下交叉作业边坡锚喷支护装载机十自卸汽车出渣下一循环施工图3 边坡开挖施工工艺流程上拉锚绳（带减压环）环形网被动网钢柱基座2$16钢绳锚杆，/L=2m地脚螺栓锚杆图4被动防护网施工示意图水泵选型主要根据计算排水量和扬程两个参数选择。集水井和水泵设备布置如下：经常性抽排水：分别在1号、2 号尾水出口和3 号、4号尾水出口各布设一个4m2m2m集水井（1号、2号集水井），用于基坑排水。集水井的位置根据现场实际情况确定。1号集水井布置：2 台10 0 QWP10 0 10 0 110（H=10 0 m，Q=10 0 m/h，110 k W）水泵，排水能力为100m/
16、h，1台常用，1台备用。排水泵接$10 0 mm耐压橡胶软管排水至三级沉淀池。2号集水坑布置：2 台10 0 QWP-10010 0 110（H=10 0 m，Q=10 0 m/h，110 k W）水泵，排水能力为100m/h，1台常用，1台备用。排水泵接=10 0 mm耐压橡胶软管排水至导三级沉淀池。3.5锁口锚固各级边坡马道均设有锁口锚筋桩3 业3 2 2.0 m，L=12m，倾向坡内15，外露0.4m，在下一级边坡开挖前应完成对应马道锁口锚筋桩的施工。锁口锚筋桩施工采用“先插杆后注浆”的施工工艺。根据设计图纸，由测量人员放出孔位，并做好标识。钻机钻头直径应大于锚杆直径40 mm以上，使锚
17、杆杆体水泥浆或水泥砂浆保护层厚不小于2 0 mm。钻孔完成后用高压风、高压水联合清洗，将孔内松散岩粉粒和积水清除干净。如果不需要立即插入锚杆，孔口应加盖或堵塞予以适当保护，在锚杆安装前应对钻孔进行检查，以确定是否需要重新清洗。钻孔结束后，对每一钻孔的孔径、孔向、孔深及孔底清洁度进行认真检查并记录。边坡锁口锚筋桩为下倾孔，故注浆管与锚筋桩杆体绑扎牢固，后一同插至孔底，然后回抽3 5cm。3.6造孔预裂(20m)预裂爆破采用履带式潜孔钻造孔，钻孔过程中，专人对钻孔的质量及孔网参数按照作业指导书的要求进行检查，如发现钻孔质量不合格或孔网参数不符合要求，立即返工，直至满足钻孔要求。一次预裂爆破深度为2
18、0m，尾水出口高程2 559.6 4m以下边坡在高度方向上分两次进行。设计开挖底板处预留1.5m厚保护层，保护层采用水平光面爆破开挖。预裂孔钻孔方向与设计方向一致，钻孔倾角与方位偏差不得大于士1.5%孔深，孔位偏差不得大于5%孔距，终孔的高程偏差不得大于士5cm。采用3 2 mm直径卷状乳化炸药，人工装药，装药结构为空气间隔不耦合形式，起爆网络采用导爆索传爆、电子数码雷管起爆。3.7梯段爆破(710m)预裂爆破完成后，边坡石方开挖按7 10 m高度分层逐层下挖。各梯段的覆盖层清理或开挖结束后，首先采用手风钻对自然边坡临空面进行整形钻爆，以减少梯段爆破底盘抵抗线，然后根据该层开挖区域大小分为若干
19、个爆区进行梯段爆破开挖。深孔梯段爆破采用履带式潜孔钻造孔、耦合装药结构，起爆网络采用电子数码雷管分段起爆，单响药量满足质点振动速度的要求。根据现场实际情况，为避免形成较大超挖，局部开挖区采用9断层发育片岩条件下垂直高边坡开挖支护施工技术手风钻钻孔，光面爆破开挖成型，单响药量满足质点振动速度的要求。预裂爆破及梯段爆破孔位布置图如图5所示，参数见表1。A100MS3预裂孔O200缓冲孔4MS2缓冲孔3MS5缓冲孔2缓冲孔1MS3250MS5主爆孔6MS3主爆孔5MS5主爆孔4MS3主爆孔3MS5主爆孔2MS3主爆孔MS3起爆点TTTTT临空面图5预裂爆破及梯段爆破孔位布置图（单位：cm）表1预裂爆
20、破及梯段爆破参数信号人起爆孔堵孔药卷单响爆破孔深超深孔距排距装药量线密度炸药单耗炮孔名称网络序号孔时间时间数长度直径药量备注类型/cm/cm/cm/cm/kg/(kg/m)/(kg/m)/ms/ms/个/cm/mm/kg孔裂孔MS1508801421501001003210.00140.000.48导爆索+竹片间隔预裂孔MS3+MS15509301521501001003210.00150.000.48装药主爆孔1MS5+MS1511099068001002502502007020.00120.000.46连续装药主爆孔2MS5+MS3+MS15160104058001002502502007
21、020.00100.000.46连续装药主爆孔3MS5*2+MS15220110068001002502502007020.00120.000.46连续装药主爆孔4MS5*2+MS3+MS15270115058001002502502007020.00100.000.46连续装药7m梯段主爆孔5MS5*3+MS15330121068001002502502007020.00120.000.46连续装药爆破主爆孔6MS5*3+MS3+MS1538012605800 1002502502007020.00100.000.46连续装药缓冲孔1MS5*4+MS154401320775050200250
22、1507014.0098.000.40连续装药缓冲孔2MS5*5+MS3+MS154901370775050200 2501507014.0098.000.40连续装药缓冲孔3MS5*5+MS155501430775050200150150708.5059.500.40连续装药缓冲孔4MS5*5+MS3+MS156001480775050200150150708.5059.500.40连续装药合计901265.003.8边坡支护尾水出口边坡主要支护材料及其参数为：挂钢筋网，A6150mm150mm；压网钢筋，C161.5m1.5m；喷混凝土，C25，厚15cm；系统排水孔，D563mX3m、预
23、应力锚索，50 m，P=10 0 0 k N等。挂钢筋网、压网钢筋、喷混凝土、排水孔等支护采用常见施工方法，本文不做详细叙述，重点叙述断层发育片岩条件10与导截流工程下预应力锚索施工。尾水出口边坡锚索施工过程中，由于断层发育造成锚索造孔过程中卡钻、漏风频发，成孔率低，导致锚索施工工序增加，需进行孔内摄像、锚索孔固壁灌浆及扫孔，锚索施工降效明显。以M316锚索孔内摄像成果为例（图6）进行分析，可知在锚索孔深3 2.13 2.5m段发育有约3 0 cm宽裂缝段。32.1/32.232.332.432.5图6M316锚索孔内摄像成果根据尾水出口边坡特殊的地质条件，经参建各方现场查看后召开专题会协商确
24、定，当锚索钻孔过程中遇围岩破碎，发生掉块、卡钻、断层等情况，成型困难时，立即停止钻孔，进行孔内成像，并进行分析研判。可采取固壁灌浆的方式（M30砂浆）加以处理，即通过灌浆记录仪按设计要求配合比配制砂浆，以砂浆泵进行固壁灌浆。固壁灌浆时可采用添加早强剂、水玻璃等措施控制灌注量，灌浆过程中加强周边巡查，遇漏浆、串浆等情况时，可采取低压、浓浆、限流等措施进行处理，必要时可采取待凝、扫孔、复灌等措施。根据实际制浆站与锚索孔口高程高差及浆液自重，对锚索孔口进浆压力进行控制，将压力表安装在孔口进浆管路上。经过固壁灌浆处理，前期施工时单孔固壁灌浆的水泥耗量平均为15.5t。由于前期固壁灌浆过程中浆液经裂隙、
25、断层对锚索深层孔道区域进行填充，因此后期锚索造孔过程中仅个别锚索孔需进行固壁灌浆处理，且单孔水泥耗量大大降低，平均仅为3.4t。由此可知，采取固壁灌浆的方式，不仅对单孔锚索造孔施工有效，而且可以由点及面，提高整个边坡岩体的完整性、稳定性。3.9明渠底板开挖明渠段主要为河床覆盖层砂卵石基础开挖。下部及河床土方以人工配合1.8 m反铲挖装2 0 t自卸车运输至指定渣场，土层较薄位置采用反铲辅助集渣。土方及覆盖层自上而下分层并超前于石方进行开挖，一般分层高度按3 m控制，孤石以手风钻浅孔小炮炸裂挖除。靠近设计规格线的土质边坡、底板区采用0.8m反铲并按设计进行开挖，预留保护层开挖，再以人工修整并使之
26、满足施工图纸要求的坡度和平整度。其中河床部位尾水渠底板预留的保护层在级配碎石垫层填筑前开挖。雨天施工时，施工台阶略向排水沟方向倾斜，以利于排水。4施工注意事项（1）尾水边坡开挖前，在坡顶及坡脚修建排水沟，开挖过程中根据地下水出露情况及时施工随机排水孔和系统排水孔，通过各种措施减少边坡渗水，降低裂隙水压力。（2）在雨季施工时，边坡施工过程中易发生滑动，造成塌方，应在边坡揭露后立即组织支护队伍按设计参数对其进行封闭，防止雨水渗透及冲刷。（3）以确保边坡稳定为核心，采取控制爆破和锚固的措施，严格按照“自上而下、由外向内、分区分层、及时支护”的原则组织施工，设计边坡面采用小药量预裂爆破，邻近设计边坡部
27、分采用缓冲爆破。（4）每一段边坡开挖成型后由地质工程师配合进行地质结构分析，对潜在不稳定块体或可能发生较大变形的块体及时进行随机锚杆支护，随后进行系统锚喷支护，以限制边坡卸荷松弛。对有多种支护形式的边坡，采取由浅到深、由表及里的支护程序，开挖后及时进行支护施工，最大限度地控制边坡有害变形，在确认边坡稳定后再继续降层开挖。5结论本文以断层发育片岩条件下垂直高边坡施工为背景，对“一次深孔预裂、两次梯段爆破、渣分层支护”的边坡施工技术进行了论述。该技术可在平面上分为多个施工段，以形成多工序流水作业，多个工作面同步交替开挖、支护，提高施工效率，并就自然边坡修整、施工便道修筑、集水井布置、锁口锚固、预裂
28、及梯段爆破等环节制订了相关施工程序、方法，重点论述了固壁灌浆在断层发育条件下的边坡锚索施工。边坡开挖支护施工满足施工质量标准要求，达到了预期的效果。参考文献1尹胜，刘勃龙，孙得森高陡边坡临时分级开挖支护施工技术研究J人民珠江，2 0 2 2，43（S2）：83-87.2邹辉主、被动防护网在水利工程边坡处理中的应用J中国水能及电气化，2 0 15（8）：14-17.3翟守文水利工程基坑排水施工技术J河南水利与南水北调，2 0 2 0，49（7)：47 48.4刘周辉浅谈某水电站边坡锚筋桩施工技术J.中国城市经济，2 0 11（12）：2 0 6.5王建民。某电站工程厂区开挖边坡预裂爆破实践11断层发育片岩下垂直高边坡开挖支护施工技术J 四川建材，2 0 1 5，41（4)：8 6-8 7.6沈再琼，曾安预裂爆破与深孔梯段爆破在黑石罗水库边坡开挖施工中的应用J施工技术，2 0 2 0，49（S 1)：1 6 0 4-1 6 0 5.7李海鹏，张宁固壁灌浆在破碎岩体锚索造孔施工中的试验与研究J西北水电，2 0 1 2（4）：90-94,98.8乔小龙，罗鹏，王福托高边坡锚索固壁灌浆液快凝配合比试验及应用J.四川水利，2 0 2 2，43(3)：2 7-2 9,3 3.
