土石方施工技术在水利水电工程建设中的应用
时间：2023-04-25 08:15:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
何卫安
土石方施工是水利水电工程的基础工程，它可以有效地保障水利建设项目顺利实施，并为其他工程的施工提供有利的作业环境。水利水电工程建设场地的自然环境较为复杂，工期较为紧张，往往会对工程的成败产生一定的影响。所以，对土石方工程的施工技术进行深入的探讨，才能有效地改善施工质量，从而对工程造价进行精确的控制，实现工程成本最低化。
在水利工程建设中，由于土石方工程的施工工艺比较复杂，施工过程比较烦琐，要想取得最好的施工效果，确保工程的安全性、可靠性，应结合现场的实际情况制定出一套完善的施工方案。由于土石方工程的特殊性，在工程建设中存在着许多不确定因素，甚至有一定的安全隐患，因此，在工程建设中，要尽可能地避免在恶劣的气候条件下进行施工，同时要根据实际情况，制订合理的施工计划，严格执行相关的规范和技术要求，从而达到对工程质量和工程造价的有效控制。
某水电站的开挖工程由发电站厂房的明挖、调压井井挖、压力钢管洞和引水洞洞挖等组成。发电站厂房明挖的边坡分为上游和右岸的边坡，基坑开挖面的最低值为1475.40m，最大的开口线为1560m，土石分界高度为1529m，其中，右岸坡面1529m以下为右方开挖，1529m以上为土方开挖，上游坡面1525m以下为右方开挖，1525m以上为土方开挖，在1500.35～1525.35高程的斜坡斜率为1∶0.5，1500.35高程以下的斜率为1∶0.3，石方明开挖量为442969m3。引水洞和压力管道的长度为876.403m，石方洞挖工程量为83259m3。调压井位于发电引水洞3+446．17m～04-000.00处，覆盖层最高约1740.00m，中央的原位置高程为1704.00m，该井采用环形剖面，开挖深度71.6m，直径为30m，石方井的开挖量为53242m3。
针对该项目的总体工期和后期混凝土、设备安装等要求，在工程设计中，主要以压力钢管洞斜井段洞挖和调压井开挖两种施工方式为主，而调压井开挖的钻孔深、钻孔直径大；
压力钢管洞斜井段洞挖工作存在较大的困难，且施工比较集中，强度大、工作量大、施工周期紧张，其特征是：
（1）施工技术复杂，其中调压井井深71.8m，直径30m，岩层破裂，构造错综复杂。
（2）施工进度紧张，以厂房开挖为例，整座厂房的开挖土方，总计750000m3。工程的总工期仅为5个月，工程强度大、工期短。
（3）施工条件复杂，本项目地处新疆南方地区，气候干旱、多风、强风，加之岩体破裂和风化的作用，均为千粒岩，对工程安全施工方面有较高的要求。
（4）建筑场地占地面积小，厂房开挖处均在两面环山的位置，两面临江，占地面积不大；
调压井在半山腰，且处于有山外悬崖的情况下，施工条件非常苛刻，施工技术、设备和方法都具有很大的局限性，施工非常困难。
1. 厂房石方边坡开挖施工技术
（1）施工方案
案例中水电站的最大掘进深度为84.6m，石方边坡长度为52m，石方边坡为千粒岩夹板岩，且为破碎岩，大部分为Ⅱ、Ⅲ类，少数为Ⅳ类，当地地质条件容易发生崩塌，造成钻井难度加大，边坡成形困难。为了确保孔口的成孔率，使边坡成型平稳，必须严格控制超挖率和欠挖率，对全部石方边坡进行预裂爆破处理，并在钻孔施工中采用黄土、碎石等材料来加固处理，成孔检验后装炸药布线爆破。
（2）放样与钻孔
针对钻孔密集、地质复杂、钻孔难度大、精度要求高的技术要求特点，采取了以下几种施工方案：①利用TCR-402全站仪进行钻孔放样，孔位布置在设计边线-10cm处；
②用100型潜孔钻机进行钻孔，并安装坚固的钢管排架；
③在开孔后，为了增加孔洞的成孔率，采取了在孔洞中进行的边钻边填黄土的方法；
④在钻井作业中，应注意井架的稳定性，利用测斜仪对钻孔的角度进行校正，并及时调整。
（3）圆弧段钻孔施工
拱段是上、右岸坡的联结带，它的开弧长、下口弧小、施工技术复杂、要求的精度高，在采取放样、钻进等措施的同时，应采取以下措施：①利用TCR-402全站仪，将两侧斜坡底口相交处进行固定，并进行桩基定位；
②钻孔从开口线开始，中点造孔，在由中间点向两侧两个点进行造孔，以此类推，直到全部造孔完成；
③按各孔的要求，对钻孔深度进行严格的控制，不允许有孔洞交叉；
④在成孔过程中，应按桩位置对钻孔角度（包括斜角、钻机的安装角度）进行校正，确保工程的质量。圆弧段孔位排列和钻孔顺序如图1所示。
图1 圆弧段孔位排列和钻孔序图
（4）装药施工及网络连接
采用气隙非耦合式装药结构，其直径为32mm的乳化型炸药，300～420g/m的线装药。前排主炮在开孔前加装减震和避震孔，以降低其爆炸振动，并且采用了减少炮孔间隔、减少井眼装药量等解决方法，同时采用直径70mm的乳化炸药作为不耦合的圆柱装药。在预裂爆系统中，应用了电力起爆、导爆索传爆以及无导爆系统等多种技术。
2.压力钢管斜井段洞挖施工技术
压力管孔在0+020.00～0+184.61处的斜井段，与上压钢管的上水平段成40°。坡度：起点高1601.7m，底深1484.78m；
岩体主要是板岩-千枚岩，主要为Ⅲ型，局部为II型，断裂或断层密度等级为Ⅳ，基本稳定。在本施工项目中，先开挖直径2m的导向井，然后再进行扩孔成形。导井由下至上施工，斜井由上而下，采用手工钻孔爆破的施工方式。
（2）放样与布孔
导井剖面用TCR-402全站仪测量，根据孔位布置图，用红色油漆进行标记。
（3）钻孔
在导井段的中段，设7个钻孔，周围采用光面爆破，TY-26手风式钻机辅助TY-28气腿钻孔。两个直径为φ25mm的钢筋爬梯，在导向井的方向上对称排列（距离50cm，台阶筋的直径为φ25～30cm）。在每个周期工作面的下面，导向井的壁面相距1.5m处，设置一列直径为φ25×100mm、L=3.5m、裸露50cm的锚索。为保证钻具的安全摆放和操作人员的方便使用，在井壁上每间隔10m（在爬梯附近）布置一个直径为lm，深为lm的工作物资储存平台孔。
（4）装药、联网及爆破
选择光面爆破专用炸药和2号岩用乳化炸药，人工装药、联网，爆破选择非电毫秒级雷管群联分段微差爆破。
（5）斜井扩挖施工方法
采用自行装配的扩井机进行施工，台车采用钢结构制造，每台矿车由2台JM5低速卷扬机进行动力牵引，5t中速卷扬机牵引是最佳的动力牵引方式。在扩井车上设置电铃以及对讲机（电铃沿孔设置并连接到洞口），在扩井过程中，根据扩井掘进进程，在已扩开的斜井底部安装应急钢爬梯，保证工程施工的安全可靠，并能够及时应对突发情况。斜井的扩挖施工如图2所示。
至于灌区内部、城镇内部的水权分配采用何种方式，可以交由各地自行探索、自主选择。或许可以采用灌区用水协会集体所有的形式，也可能在灌区内部采用进一步分解到农户的形式。在城镇内部，水权或许可以属于城镇政府，而委托给供水公司和自供水单位使用。
图2 斜井扩挖示意图
①放样和穿孔。按TCR-402全站仪测得的数据进行放线，并按设计要求将剖面周围的外形曲线放出。根据所设计空洞图纸，在工作面上用红色油漆标记出钻孔位置，并将外围孔设置在距边长5～10cm的范围内，以防止过深和欠深。
②打孔。利用TY-26手风式钻机辅助TY-28气腿钻孔，并在周围进行了光面爆破。
③装填、网络和爆破。选择光面爆破专用炸药和2号岩用乳化炸药，人工装药、联网，爆破选择非电毫秒级雷管群联分段微差爆破。爆破后，采取人工扒渣、排险、全断面素喷射、机械出渣等措施进行下一步的施工。
3.调压井开挖施工技术
（1）施工方案
调压井位于发电站厂房引水洞3+446.17m～0+00000处的位置，上覆岩层的最高高度约174000m，中间部位的原地表高程170400m，该井采用环形剖面，开挖深度为71.6m，直径为30m，围岩为岩板型，含千枚岩，主要为Ⅲ级，局部为II级，断裂和裂缝集中区属于Ⅳ级，稳定性差-基本稳定。在此基础上，首先开挖2m长、2m深的导井，然后再进行扩孔成形。下44.5m的导井由下至上分段进行，22m的导井由一次钻爆，由上向下施工，先用水利钻机钻孔，再用导井溜碴。
（2）导井开挖施工技术
下导井在井下进行人工作业，以手式风压钻机进行钻孔、分段爆破，而上部导井则是采用一次爆破的方式。上部导井的开挖深度大，爆破参数要求高，爆破技术要求高。
①钻进和精度的控制。首先，确定下一段导槽的位置，再用TCR-420全站仪精确地将该导孔的上的中点和周围的各个孔位排出，再用红色油漆标记。在调压井的中点处设一中孔，在2m见方的边界线上设置4个爆破孔。
钻孔采用垂直的钢管排架法施工，采用100型潜孔钻，并与罗盘、斜度计相结合对孔位进行检测（垂直于地面或钻杆，不得倾斜，每增加一根钻杆，则需测量钻头的角度），并应将钻孔开到下层的竖井中。由于岩体破裂，在造孔时易发生卡钻，因此，在开孔时，应采取边填黄土的方式，以保证开孔时不会卡钻。
②封口。首先要保证每一个钻孔都要与下面的钻孔相通：按顺序排列，由上往下把绳子往下顺，一个人在下面（已经开挖了的井口）向上看，确认钻孔已经打开，并且位置一致，先用小沙包堵住孔洞的底部，然后用细沙从上方填入20cm左右。
③装药、联网、爆破。使用药筒直径70mm、32mm的乳化炸药，采用人工装药、联网，毫秒雷管与电雷管分段分层爆破。爆破掘进工艺是：堵塞孔底→装一定的炸药→堵住某一段→填入某段爆炸物，直至到达顶端并阻塞。
（3）井身扩挖施工技术
在井掘进工程开挖前，首先要打通导槽，将其作为溜碴井，然后对其进行扩挖。在扩挖之前，先要设置5m高、2m厚的水泥井圈，再由上到下逐层实施爆破，在每一层都用水力钻头和手风钻，用反铲机抛渣，再用自制的铁板铺成的场地供反铲（液压钻机）停放，使其在任意位置都能自由地起重。
①钻进和精度的控制。采用TCR-402全站仪将开挖剖面线放出，并在各孔上涂上红色颜料，以便于计算和观察。使用手风钻进行光爆孔、防护孔，同时使用HCR-1800水力钻机进行爆破。炮眼逐环排列在井眼周围，靠近开挖轮廓的最后一道炮孔为光爆孔，因井眼未设置良好的临空面，为改善爆破抛渣的效果，爆破孔和防护孔都向中心倾斜3～5°，所有的光爆孔都是垂直的，光爆孔在等距5cm处开孔，孔向应达到90°。爆破孔和保护孔的方向应与垂直井眼方向保持一致。
②装药、联网及爆破。选择光面爆破专用炸药和2号岩用乳化炸药，人工装药、联网，爆破选择非电毫秒级雷管群联分段微差爆破。
综上所述，应用文中所述施工技术后，该项目的整体施工质量取得了良好的提升效果，电站厂房已如期开挖，压管洞口的开挖完成时间比原计划早了一个月，调压井开挖也比计划提早了半个月，在施工期间，没有出现任何的安全事故，工程质量符合设计要求。
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