黄丰水电站粘土岩开挖与建基面保护施工技术.doc

黄丰水电站粘土岩开挖与建基面保护施工技术季洪波 翟景科 朱新胜 孟专红 陈以龙 摘 要 本文以黄丰电站厂房和泄洪闸基岩开挖与建基面保护为研究对象，根据粘土岩岩质软弱，强度低，开挖爆破过程中易受到扰动，在水的作用下引起软化、泥化、膨胀、崩解、收缩干裂等工程特性，选用合理的施工方法与合适爆破参数，最大限度避免开挖爆破对基岩的扰动破坏、和有效的建基面保护措施，确保工程质量和进度，并为类似工程粘土岩开挖施工提供参考与借鉴。关键词 黄丰水电站 粘土岩 钻爆 建基面 保护 1 工程概况黄丰水电站位于青海省循化县境内的黄河干流上，是黄河上游龙羊峡刘家峡河段中的第十个梯级。黄丰水电站枢纽工程主体由电站厂房、泄洪闸、土石坝、开关站等建筑物组成。工程主要任务是发电，兼顾下游少量灌溉、供水等综合利用效益。电站总装机容量225MW。黄丰水电站粘土岩开挖范围主要包括泄洪闸、厂房和开关站部位，泄洪闸粘土岩开挖厚度约9m，厂房和开关站部位粘土岩开挖厚度约13.5m。根据设计要求，建筑物基础开挖面验收标准为：泄洪闸地震波速度值为VP1800m/s，泄洪闸护坦段地震波速度值为VP1500m/s。因此爆破施工前的重点工作是选用合理的施工方法和爆破参数，来有效保护建基面满足设计波速要求。黄丰水电站工程完成粘土岩开挖共计37万m3，自2009年3月开始施工，2009年6月完工。枢纽布置见图1。2 工程地质构成坝区各建筑物基础及边坡的岩石均属强度低，易软化，易泥化的岩石。岩性主要为含粉砂质泥岩，其次为含粉砂粘土质石膏岩夹层。此类岩石强度低，开挖爆破过程中易受到扰动，在水的作用下引起软化、泥化、膨胀、崩解、收缩干裂等，因此爆破开挖施工过程中必须采取针对性的开挖保护和处理措施。 3 爆破设计及爆破试验3.1 爆破设计本工程粘土岩开挖深度在5.013.5m之间，按照水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范（DL/T5289-2007）要求，确定采用浅孔梯段爆破方案，既能满足泄洪闸及厂房结构基础的设计要求，又能做到工程技术可行、施工安全可靠、经济合理。开关站土石坝厂房泄洪闸图1 黄丰水电站枢纽工程布置图钻孔形式采用垂直孔和倾斜孔两种形式，平地爆破时先采用拉槽爆破，之后开始进行梯段爆破，主要布孔方式为多排孔微差爆破，能够提高爆破效果，有效降低爆破单耗。浅孔梯段高度设计为5m，钻孔直径设计为105mm，保护层开挖设计钻孔直径为45mm；孔深为3.96.5m；底盘抵抗线W1=200.105=2.1；孔距和排距均取3.0m，堵塞长度1.63.2m。根据类似工程经验，本工程单耗初步定为0.35kg/m3左右。3.2 爆破安全防护1）质点位移震动速度的参考公式为： K系数 根据岩石性质取值，粘土质粉砂岩取92；Q延期起爆的最大装药量，根据爆破试验效果最大装药量为18kg；地震波衰减系数，与地质条件有关，粘土质粉砂岩取1.17；R为爆源至测点之间的水平距离(m)系数K取92，爆破水平距离取300m代入上式得：V=0.36cm/s根据水利水电工程爆破安全监测规程（DL/T5333-2005）要求，一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物安全允许振速为2.03.0cm/s；钢筋混凝土结构房屋安全允许振速为3.05.0cm/s。本工程质点振动速度经过计算为0.36cm/s，处于规程要求的安全允许振速标准以内，不会对工程附近建筑物和民房造成危害。2）警戒安全距离的确定空气冲击波安全距离：RK=25Q1/3 =25181/3=65.5m飞石安全距离：按GB6722-2008规定，深孔爆破飞石距离应不小于200m，现场实际警戒水平距离取300m是安全的。3.3 爆破试验爆破开挖试验选在电站厂房进行，桩号为坝下0+010.0坝下0+070.0、坝左0+040.0坝左0+70.0。 通过三次爆破试验确定本工程采用浅孔梯段爆破方案可行，建基面以上2m范围应采用保护层爆破方案，可以确保建基面不受爆破振动影响。梯段高度根据结构设计体型定为5m左右。保护层厚度设计为2m。根据爆破试验成果分析，本工程浅孔梯段爆破单耗在0.31kg/m3较为合理，既能达到既定的爆破效果，又能有效控制爆破成本，爆破安全方面也能满足各项安全指标要求。保护层爆破开挖单耗比梯段爆破稍高，确定为0.35 kg/m3。4 粘土岩爆破开挖施工4.1 施工规划根据泄洪闸及厂房建筑物结构布置和开挖区域特点，采用分区、分块、分层的开挖方法，施工中具体采用分区、分块、分层见表1。表1 石方开挖施工作业区段划分表开挖分区范 围主要挖运设备所属区域坝左右0+000.00以右；坝上0-085.00坝下0+048.50；液压反铲挖装自卸汽车运输泄水闸（含右导墙）坝左右0+000.00以右；坝下0+048.50坝下0+124.50；坝左右0+000.00以右；坝下0+124.50下游坝左右0+000.00坝左0+041.50；坝上0-047.50坝下0+134.11液压反铲挖装自卸汽车运输电站厂房坝左0+041.50坝左0+100.00；坝上0-047.50坝下0+134.11液压反铲挖装自卸汽车运输坝左0+100.00以左的岸坡区推土机、反铲自上而下翻渣，装载机装自卸汽车外运结合混凝土浇筑的先后安排要求，开挖顺序为区、区、区、区，每层进行拉槽爆破，而后再向两边分别进行扩挖，邻近开挖边坡，采用预留保护层光面爆破或预裂爆破的开挖方式。依此方法，按自上而下的开挖程序施工，对泄洪闸底部建基面采用底部预留保护层开挖技术；厂房开挖不预留保护层，坝肩开挖由于其主要是砂砾石层和风化层，故采用反铲直接进行开挖，随后紧跟进行混凝土喷护施工。其施工程序如图2。区开挖喷射砼施工下一循环作业区开挖地质素描区开挖区开挖测量放线下一循环作业地质素描喷射砼施工厂房一期、坝肩开挖测量放线空压机站及附属设施准备泄洪闸开挖施工准备施工道路图2 开挖施工程序图4.2 施工方法4.2.1 梯段爆破开挖泄洪闸、厂房一期石方明挖主要采用浅孔梯段爆破开挖方法，其开挖梯段高度一般为35m。钻孔设备采用Atlas D7液压钻车及YQ100型潜孔钻，保护层开挖及保护层之上的一层的开挖采用YT28手风钻造孔。为保证边坡成型和稳定，保护层开挖需采用预裂或光面爆破技术，底部保护层采用底部加柔性垫层、垂直钻孔或水平钻孔开挖方式，确保建基面开挖符合设计要求。粘土岩开挖采用采用分区、分层自上而下逐层钻爆开挖方法，钻孔机具采用Atlas D7液压钻机，分层厚度35m，先开先锋槽（槽宽15.0m左右，即大于挖掘机回转半径），然后向两侧扩大开挖。建基面以上预留2.0m作为底部水平保护层，以防止爆破开挖对基岩岩体造成破坏。表2 35m浅孔梯段爆破参数表名 称台阶高度m排距m孔距m孔径mm孔深m药径mm装药长度m单孔药量kg单耗kg/m3控制爆破孔1.50.60.9421.8320.80.60.35边坡保护层3121.5423.5321.61.20.35梯段爆破35331053.56.5601.62.86.513.50.31光爆孔30.6423.5250.81.00.420.510.35注：控制爆破指建基面保护层一次爆破开挖技术，孔底加10cm的柔性垫层（细砂砾填充）。4.2.2 建基面保护层开挖邻近设计建基面，采取预留2m厚岩体保护层，孔底加柔性垫层的小梯段一次爆除法。基础开挖至保护层上线时，按监理人的要求结合实际地质情况，布置一定数量的声波检验孔，预先测检基础面以下23m 范围内的波速。在保护层开挖后，复测纵波速度，其最小值需满足设计要求。地震波检测按照1020m网格布置，另需布置10组单孔检测，每组38孔，孔深56m，孔位及数量由地质工程师根据实际地质情况确定。紧靠建基面上2m以内的垂直面保护层，采用手风钻钻孔、装药、火花起爆，其药卷直径不大于32mm；建筑物基础最后一层留足30cm的撬挖层。粘土岩撬挖层完成后，及时采取塑料薄膜覆盖或其它措施，保持粘土岩的天然含水量。开挖后的岩石表面应干净、粗糙，岩石中的断层、裂隙、软弱夹层应被清除到施工图纸规定的深度。岩面清理结合高压风枪，但不得采用水冲式。建基面上不得有反坡、倒悬、陡坎尖角；结构面上的泥土、锈斑、钙膜、破碎和松动岩块以及不符合质量要求的岩体等均必须采用人工清除或处理。永久建筑物基础不允许有欠挖，开挖面应严格控制平整度。4.2.3 边坡预裂（光面）爆破预裂（光面）爆破采用导爆索。若一次预裂（光面）孔较多，可按单响药量要求控制，每20个左右的预裂（光面）孔作为一组，各组间以MS2段毫秒非电塑料导爆管分开。预裂（光面）孔装药采用间隔不偶合装药结构，并随粘土岩的风化程度在施工中调整使用。机械大面积清理预裂线附近浮碴，先由测量后放出预裂（光面）线后，人工清理预裂线两侧0.5m范围，然后由测量、技术员按设计孔位用白粉按照线位点出孔位，并用地质罗盘测出预裂线的走向。钻机定位后，先用地质罗盘贴在钻机滑架侧面，调整使滑架与预裂孔连线走向垂直，然后再按设计倾角调整钻杆同水平面的夹角，手风钻或地面钻采用按设计坡比自制的角度控制板进行角度控制，钻孔倾角误差不大于1，沿预裂（光面）线方向炮孔定位偏差不大于5cm。4.2.4 撬挖层人工开挖粘土岩人工撬挖层的开挖设计要求原则上采用人工辅以小型机具（风镐、铁锹等）进行，主要是为防止大型机械轮压对建基面粘土岩可能造成的破坏和扰动。实施过程中，由于进度十分缓慢，新开挖敞露出来的建基面不能及时采用混凝土覆盖，表层很快出现龟裂和风化现象。为满足设计8小时内覆盖混凝土的要求，黄丰水电站粘土岩人工撬挖层采用了小型液压反铲先站位于撬挖层作业板块外一端，薄层开挖两侧撬挖层粘土岩，弃土摊铺在中间撬挖层上，摊铺厚度至少在50cm以上，然后反铲进占蹲位其上，进行撬挖层作业板块中间部分开挖，依次循环，由作业板块的一端至另一端进行开挖。液压反铲作业时，严格控制开挖深度，预留510cm左右完全由人工撬挖清理干净。4.2.5 建基面混凝土覆盖保护新开挖敞露出来的岩面，随含水量损失快慢程度，一般68小时左右就有微裂隙产生，开始风化。因而，除做好粘土岩建基面不受重压或扰动保护外，还需做好粘土岩开挖周边与岩体内部层间排水及混凝土覆盖前建基面天然含水量的保持工作。撬挖层施工前须先进行作业面周边地表水和出露裂隙水的截排。周边地表水采用截水沟、拦水埂截排；边坡岩层裂隙渗水采用安插导管或沿坡面架设集水管槽外排；工作面局部岩体渗水采用前期设临时工作坑外排、或前期在出水点安插导管引排，后期封堵。建基面混凝土覆盖前的保护包括：撬挖层施工过程中的保护、地震波波速测试、基岩面验收、地质素描等、直至覆盖混凝土。为保持建基面天然含水量，避免基岩出现干缩龟裂、风化和表层裂隙的产生，撬挖层的开挖应根据结构混凝土浇筑分仓分块，由短边开始顺长边方向进行，每撬挖一段（段长按1小时左右撬挖层撬挖长度）即用塑料薄膜和彩条布覆盖，随后再行撬挖、跟进覆盖，依次进行。清理干净的建基面及时进行地震波测试，地震波波速测试合格后，即按验收程序组织验仓、地质素描，并同时进行垫层混凝土覆盖浇筑准备工作。验仓结束和混凝土未入仓前，建基面仍要全面覆盖，混凝土浇筑时逐块揭膜、逐块浇筑。5 建基面物探检测黄丰水电站泄洪闸建基面岩体进行了物探检测。泄洪闸建基面岩体声波测试，共测5组，25个孔。其中泄洪闸闸室段1组5个孔，泄洪闸消力池段1组5个孔，泄洪闸右导墙段2组10个孔，泄洪闸护坦段1组5个孔。从波速曲线看出 ，表层和深部岩体波速曲线没明显的拐点，波速值在17502220 m/s之间，变化范围不大，表明岩体较均匀、完整，无明显卸荷松动，受开挖影响小，达到预留保护开挖目的。根据设计要求，泄洪闸地震波速度值为VP1800m/s，泄洪闸护坦段地震波速度值为VP1500 m/s。泄洪闸建基面测试共布置测线278段，其中护坦段76段。泄洪闸建基面岩体速度合格271段，不合格7段，合格率97.5%。表明泄洪闸建基面岩体除个别部位外，绝大部分岩体的速度值达到其验收标准，满足设计要求。通过对泄洪闸建基面岩体测试成果资料分析可得出以下结论：1）泄洪闸基础开挖后的建基面，声波和地震波测试均能满足设计要求。2）泄洪闸建基面岩体声波测试成果表明，所测大部分孔无明显卸荷松动现象，少数孔松动卸荷范围01.4m，均在预留保护层范围内。预留保护层以下所测孔无明显卸荷松动现象，说明开挖爆破对岩体影响不明显，达到预留保护开挖目的。3）泄洪闸建基面岩体测试合格率97.5%，表明建基面大部分岩体较完整，采用的保护方法效果好，并在812小时内及时覆盖建基面，是能够满足设计要求。6 结束语黄丰水电站粘土岩爆破开挖工程已完工并通过验收，总结该工程施工经验得出如下结论：（1）粘土岩是属变形大、强度低、赋存环境效应和时间效应强烈软岩中性状极差的一类岩体，对工程建设施工开挖的进度、质量起关键控制作用。在进行工程施工时必须予以高度重视。（2）粘土岩开挖爆破参数、建基面保护层厚度的确定，应根据爆破试验确定。（3）粉砂质粘土岩含有膨胀矿物成分，有遇水膨胀、干燥收缩的特点，受水浸泡、或敞露的岩面以及干湿状态下的粘土岩，易于