卡卡水电站导流洞进出口边坡快速开挖支护技术朱俊杰

卡卡水电站导流洞进出口边坡快速开挖支护技术朱俊杰

朱俊杰

中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司湖北宜昌443002

摘要：随着“一带一路”建设和国际产能合作的深入推进，中国企业参与国际工程项目承包的机会越来越多，在国际工程项目实施过程中，受到国际标准的严格管控，传统的国内施工工艺、方法在国际项目不能完全适用。在安哥拉卡卡水电站导流洞工程施工中，针对导流洞进出口边坡开挖支护特点，采用每级边坡一次性爆破完成，分次出渣支护的方法，锚杆孔采用高效械化钻孔设备作业，并研制了可移动式支护施工操作平台。实现了项目在严格的合同工期及欧美标准管控下快速安全施工，环保达到了相应标准。

关键词：导流洞；洞口；边坡；快速；开挖；支护

1.前言

安哥拉卡古路卡巴萨水电站（以下简称卡卡水电站）工程位于安哥拉宽扎河中游，电站装机容量2172MW（4×530MW+1×52MW），多年平均发电量8566GWh。导流洞用于大坝施工期导流，是整个项目最先实施的单项工程，其中导流洞进出口明渠边坡最大开挖高度74m，土石方开挖量51.4万m3，支护锚杆6.8万m，边坡支护面积2.2万m2，根据地质条件特点，边坡整体覆盖层较小，平均覆盖层厚度约5m左右，且多数为强风化岩石，大多数为石方开挖。在开挖支护实施过程中，受国际项目严格的总进度计划约束，面临施工工期有限，同时安哥拉当地市场材料和设备缺乏，人工工效低，欧美标准对安全、质量、环保要求严格。本项目通过技术研究及工程实践，形成了一套边坡快速开挖支护技术。

2、技术特点

（1）针对安哥拉当地市场材料缺乏，人工工效低，欧美标准对环保要求严格，采用DG700型液压钻进行钻锚杆孔施工，提高了施工工效，同时大量地减少了钻孔施工产生的粉尘。

（2）针对边坡锚杆孔钻孔施工时，DG700型液压钻机需要一定的作业空间，采取将每级边坡一次性爆破完成，出渣、支护分次（一般每次为5m高度）完成，每次出渣后预留石渣形成施工平台。

（3）针对边坡锚杆插杆及喷护施工由人工操作，边坡各施工部位需要搭设临时脚手架操作平台，费工费时，经研究，发明了一种可移动式边坡支护施工操作平台，大幅度降低了施工成本，也加快了施工进度。

3.技术原理

3.1施工流程

3.2主要施工技术

3.2.1开挖技术

导流洞进出口明渠采用自上而下分层施工的方法，层厚一般在5m～10m。采取每级边坡一次性爆破完成，出渣、支护分2次完成的方法。在边坡预裂爆破完成后，首次出渣高度为5m，预留5m高度石渣形成一个施工平台，之后在该平台上完成上部5m高度范围边坡支护工作，最后完成下部剩余5m高度范围内出渣及边坡支护。该方法满足DG700型液压钻钻孔设备操作空间要求。边坡预裂成型，预裂孔间距80cm～100cm，建基面及马道预留2.0m保护层，采用光面爆破挖除，光爆孔间距40cm～50cm。

（1）施工放样

开挖之前采用全站仪进行施工放样，先将所需要开挖区域开挖轮廓线上的控制点放样，用木桩在控制点上定位；对于边坡预裂孔放样，一般情况下规则形状边坡开口线上每4.0m放一个控制点和一个方向点，扭曲面边坡开口线上每一个孔位放一个控制点和方向点；在开挖过程中加强对开挖高程的测控。

（2）覆盖层剥离

覆盖层剥离前进行施工放样，剥离范围为开挖轮廓线以外5.0m范围内，范围外的植被及树木要得到有效保护，不允许乱砍乱伐。树木主要采用人工砍伐的方式进行清除，表层剥离采用1.2m³反铲开挖，20t自卸汽车运输至渣场堆存，表层剥离的厚度不超过20cm，对于有机物含量高的腐殖土挖除必须安排专门的位置进行堆存。

（3）土方开挖

按开口线自上而下分层开挖，层高按3.0～5.0m控制。主要采用1.6m³反铲开挖，1.2m³反铲削坡，20t自卸汽车运输至监理工程师批准的弃渣场。对崩积层中的块石（孤石）采用手风钻钻孔，浅孔小药量爆破挖除。土方边坡人工配合修整，直至达到设计要求的坡度和平整度。

（4）石方明挖

采用自上而下分层开挖的方式，层高一般以每级马道之间的高差为准，边坡预裂孔采用QZJ-100B潜孔钻钻孔；台阶爆破孔采用DG700型液压钻钻孔，深孔梯段微差松动爆破；马道和建基面预留2.0m厚保护层，采取水平光面爆破。层间开挖的顺序一般是先进行台阶爆破开挖，其次靠近边坡采用边坡预裂孔、缓冲孔、台阶爆破孔结合爆破开挖，最后靠近马道、建基面采用水平光面爆破开挖。

①预裂爆破

预裂孔采用QZJ-100B型潜孔钻钻孔，孔径Ф90mm，间距80～100cm，钻孔深度与斜度根据梯段高度和边坡坡比计算确定。

预裂爆破选用Ф25mm乳化炸药，间断不耦合装药结构，线装药密度暂定350～400g/m，采用导爆索导爆，电雷管起爆。

②缓冲爆破

缓冲孔采用DG700型液压钻钻孔，孔径Ф90mm，钻孔深度一般比预裂孔深度浅2.0m，孔的斜度与预裂孔斜度一致。

③台阶爆破

爆破孔采用DG700型液压钻钻孔，孔径Ф76～Ф115mm，孔深一般在8.0m～10.0m，孔间排距拟采用宽孔距、小排距方式布孔。

台阶爆破选用Ф70mm（或76mm）乳化炸药，连续不耦合装药结构，据现场考察，岩石主要以花岗岩、片麻岩为主，岩石坚硬，单耗暂定450～550g/m³之间。

④水平光面爆破

主要是对马道平台和建基面预留厚2.0m的保护层采用水平光面爆破。水平孔采用YT-28手风钻钻孔，钻孔直径Ф42mm，孔距0.5m，孔深3.0m；保护层上的辅助爆破孔采用YT-28手风钻钻孔，钻孔直径Ф42mm，孔的深度根据保护层的厚度而定，预留0.5m～0.7m保护层。

水平光面爆破选用Ф25mm乳化炸药，水平孔间断不耦合装药结构，线装药密度暂定200～300g/m之间，水平孔采用导爆索传爆，爆破孔采用非电毫秒雷管传爆，孔内延时爆破。

最终爆破参数根据现场爆破效果进行优化。

⑤出渣

爆破出渣采用1.6m³反铲装渣，20t自卸车运输至弃渣场。

3.2.2边坡支护技术

边坡支护过程中耗时较长的工序主要为锚杆施工，包括钻孔，插杆，注浆，其中钻孔工作量大，耗时长。导流洞进出口边坡支护锚杆共6.8万m，按常规施工方法为在形成的马道上搭设双排脚手架形成施工平台并采用人工操控QZJ-100B型潜孔钻钻孔，该方法施工工效低，安全风险大，由于该设备没有除尘系统，环保也难以保证。经研究，锚杆钻孔采取高效机械化施工。

（1）设备选型

因本项目采购用于钻孔施工的设备有DT1131三臂台车和DG700型液压钻机，DT1131三臂台车体型庞大，需要的作业空间较大，且行动不便，使用时需要配置独立的电源，而本项目目前无电网供电，需配置发电设备满足其动力需求。DG700型液压钻机体型较小，机动灵活，需要的作业空间较小，仅需要柴油即可满足其动力需求，适合进行边坡锚杆钻孔施工。因此采用DG700型液压钻机进行锚杆钻孔施工。

（2）钻孔

钻孔前，测量人员采用莱卡（Leica）全站仪对锚杆孔位放样，用红油漆在边坡上作好标记。然后由有经验的操作手操作DG700型液压钻钻孔，钻孔直径76mm，钻机就位后，钻杆对准孔位，调整好钻孔角度，孔位偏差为100mm，按照设计深度钻孔，孔深允许偏差为50mm。

（3）锚杆加工

锚杆加工是在钢筋加工厂对钢筋进行裁剪、车丝加工，按照施工图中的锚杆尺寸进行裁剪，对锚杆一端进行车丝，车丝长度根据锚杆的粗细而定，一般在5cm～8cm之间。然后将加工好的锚杆运送至工地。

（4）插杆

边坡锚杆施工需要人工操作，为了给施工人员提供一个安全便利的操作平台，研制了一种可移动式边坡锚杆施工操作平台（已申报国家专利）。施工操作平台采用型钢和钢筋制作。充分利用现有施工设备作为平台的运输工具，实现安全快捷运输，经研究，该平台利用装载机铲斗托起运输，无需吊装设备进行转运。平台底部设计有与装载机铲斗尺寸相匹配的凹形卡槽，便于装载机铲斗伸入凹形卡槽将平台托起，并运输至任意一个施工作业面，同时在平台立柱上设置有拉杆吊环与装载机前部连接，保证了装载机在运输平台过程中的安全稳定。同时平台操作面上安装有护栏、爬梯、工具盒，便于施工人员在上面安全顺利作业。该操作平台与在每一个部位搭设钢管脚手架相比，节约了大量的人工和材料成本。该操作平台也可用于边坡喷护混凝土施工。操作平台结构形式及运输方式如图3-2所示。

图3.2可移动式边坡锚杆施工操作平台

（5）注浆

按照施工图上的工艺要求，锚杆注浆主要采用先插杆后注浆的工艺，人工配合将绑扎注浆管和排气管的锚杆插入孔内距孔底20cm；水平朝下的孔，注浆管插入孔底，排气管绑扎在孔口；车丝端外露，孔口采用砂浆或者锚固剂进行封堵，注浆从进浆管注入，直至水泥砂浆从排气孔溢出为止。注浆24小时后装上锚固板将螺母旋紧，24h内严禁敲击、碰撞、拉拔锚杆和悬挂重物。

（6）喷射混凝土施工

边坡喷射混凝土有两种，一种是素喷混凝土厚5cm，另一种是挂双层钢筋网喷混凝土厚15cm。混凝土在现场拌制，采用湿喷法，自下而上喷射，需挂网的受喷面先素喷5cm，挂网后喷5cm，再挂网，最后再喷5cm。

4.关键技术和效益

在卡卡水电站导流洞进出口边坡开挖支护中，每级边坡成功采用了一次性爆破完成，分次出渣支护，锚杆孔采用高效械化钻孔作业的施工方法。使项目在严格的合同工期及欧美标准管控下实现快速安全施工，环保达到相应标准。优质高效的实施了导流洞进出口边坡开挖支护，总体技术水平达到了国际先进水平。

按每100㎡边坡计，设计图在100㎡边坡上布置有约30根锚杆，每根锚杆平均长度约6m，采用DG700型液压钻钻孔比用KSZ-100型潜孔钻钻孔速度快，每钻进1m所需要的时间将缩短5分钟至10分钟，100㎡边坡钻孔缩短的时间约：30根×6m×7分钟/m（根据岩石坚硬程度缩短时间不同，取平均值7分钟/m）=1260分钟=21小时。另外搭设双排钢管脚手架100㎡需要耗时约1天。搭设双排钢管脚手架人工费34元/㎡，节省人工成本34×100=3400元。采用DG700液压钻钻孔单价77元/m，采用KSZ-100型潜孔钻钻孔单价107元/m，每米节省30元，100㎡边坡钻孔节省成本30×6×30=5400元。综上所述，每100㎡边坡支护施工缩短工期约2天，节省成本约8800元。2017年度支护面积约400㎡，共计节约成本约400㎡×8800元/㎡=352万元。

5.结语

本项目成功应用于安哥拉卡卡水电站导流洞进出口开挖支护工程中，实现了快速施工，满足了各项标准要求，采用高效机械化设备进行锚杆孔钻孔施工，每钻进1m所需要的时间相比常规方案缩短了5分钟至10分钟，每100㎡边坡支护节省成本约8800元。从调研的各种资料看，目前类似边坡项目常规的支护施工方法为边坡一次性开挖到位，然后搭设脚手架作为施工平台，采用人工操控潜孔钻钻孔的施工方法，而采用高效机械化设备在边坡上进行锚杆孔钻孔施工应用较少，该技术在国内外应属于较先进水平。为类似国际工程项目积累了经验，值得类似工程推广应用。