三峽船閘地面工程開挖支護施工技術綜述

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摘   要：三峽船閘高邊坡開挖與支護是三峽工程的幾大關鍵施工技術難題之一。在現(xiàn)有的施工技術水平的條件下，三峽船閘高邊坡開挖與錨固這一施工技術難題，已得到較為成功的解決。對高邊坡開挖支護施工技術的發(fā)展，愿意作這樣一個展望：可探討混裝炸藥車裝藥技術在高邊坡開挖爆破中更大范圍的推廣應用，提高勞動效率；可利用現(xiàn)代科學技術，將高邊坡開挖支護施工數(shù)字虛擬化，并將工程設計、施工和管理等信息及時反饋，使在開挖過程中的邊坡巖體的完整性、穩(wěn)定性和變形及其控制等可視化。
    關鍵詞：三峽船閘； 地面工程； 開挖支護； 施工技術； 綜述

    1、主要施工技術難題
    三峽船閘是目前世界上規(guī)模最大、水頭最高、結構最復雜的雙線五級連續(xù)船閘，在左岸山體經(jīng)人工深槽開挖爆破并對邊坡巖體進行錨固后，再襯砌超薄混凝土墻，形成人工建設的一段新的長江航道。航槽最大開挖深度170m（直立墻最大開挖深度68m）,中間保留57m寬的巖體中隔墩，兩線船閘分五個梯級，單線船閘巖槽寬37m，兩線船閘中心線相距94m。閘首和閘室段（簡稱主體段）全長1 621m，航槽開挖錨固后形成雙線四面長深陡高直立邊坡。在兩側邊坡山體內(nèi)部布置有多層排水洞，在兩側邊坡下面和中隔墩的巖體內(nèi)開挖有輸水隧洞和閥門豎井。
    三峽船閘地面工程開挖錨固的工程特性和主要施工難題：
    （1）開挖錨固工程量大，施工強度高，工期緊。土石方開挖4 196萬m3，預應力錨索4376束，高強錨桿9.3萬根，以及大量的邊坡噴護、隨機錨桿支護等。
    （2）施工項目多，場地窄，立體交叉作業(yè)，干擾大。特別是在二期深槽開挖錨固施工期間，在兩條長深窄槽內(nèi)同時進行開挖錨固，并受地下洞井施工制約，在開挖后期還同時進行主體段襯砌混凝土澆筑，多項目間施工干擾極大，施工布置特別是施工道路布置困難。
    （3）結構復雜，技術要求高，施工工藝要求嚴格。為節(jié)省巖石開挖和混凝土澆筑的工程量，巖槽形體結構為縱橫向均為臺階狀的閘槽直立邊墻、凹形閘首段、條形及階梯狀的中隔墩，直角多，拐點多，槽、溝、坎、口井形態(tài)不規(guī)則。為保持邊坡巖體的完整性，對開挖施工程序、開挖爆破對邊坡巖體的震動影響進行了極為嚴格的限制。為滿足結構布置要求，保證邊坡加固效果，對建基面超欠挖和錨固施工參數(shù)、開挖錨固施工程序進行了嚴格要求。
    （4）施工期安全問題突出。船閘邊坡巖體受開挖卸荷和爆破震動的雙重作用，復雜的形體結構對較復雜的工程地質(zhì)條件反應敏感，邊坡不穩(wěn)定塊體、不穩(wěn)定塊體塌滑和小型穩(wěn)定塊體松動掉塊，出現(xiàn)的概率較大；受開挖施工影響和工期緊的限制，對邊坡巖體的加固，特別是中小型不穩(wěn)定塊體的錨固，難以全部及時實施；施工期邊坡安全問題突出。持續(xù)大規(guī)模的開挖爆破，高排架錨固施工，多項目立體交叉作業(yè)，施工作業(yè)安全問題突出。
    2、快速開挖施工技術
    （1）選用先進的鉆爆、挖裝、運輸設備。主要采用阿特拉斯、古河、英格索蘭等先進快速液壓鉆孔設備，4～9.5m3正鏟、3～5m3裝載機等大斗容、先進挖掘設備，大馬力推土機集渣設備，20～42t大噸位運輸設備，進行梯段開挖。為提高裝藥工效和爆孔裝藥量，減少了爆破鉆孔，在槽頂以上揭頂開挖爆破施工中，應用了混裝炸藥車裝藥技術。在施工過程中，根據(jù)施工強度和出渣流向，合理布置施工道路和安排開挖工作面，優(yōu)化開挖設備組合和綜合利用，加強施工設備的維修與保養(yǎng)，提高設備的綜合利用率。
    （2）采用中部掏先鋒槽及“先槽后井”的方式，實現(xiàn)快速入槽梯段開挖。在槽頂以下深槽開挖中，采用深槽中部掏先鋒槽、兩側預留側向保護層，進行入槽梯段鉆爆，兩側預留保護層開挖及時跟進。對豎井開挖工期滯后的部位，閘槽開挖以窄槽形式通過豎井部位，即采用“先槽后井”的入槽方式，為船閘開挖爭取了半年以上的工期。對因邊坡錨固施工占壓開挖工作面的部位，在保證邊坡穩(wěn)定的前提下，在占壓面的另一側以窄槽形式入槽通過。
    3、直立深槽開挖控制爆破與建基面成型開挖技術
    3.1深槽開挖與支護施工程序
    同級兩線閘槽平行下挖，一線閘槽領先時不超過另一線閘槽開挖一個梯段，相鄰開挖工作面高差不大于一個梯段。輸水隧洞及其施工支洞開挖超前相應同區(qū)段閘室明挖，豎井開挖在閘墻頂平臺形成后進行、閘槽開挖以滯后豎井開挖不少于一個梯段為原則（即“先井后槽”原則）。對豎井制約段，因豎井鉆爆施工方法由原潛孔鉆鉆爆改變?yōu)椴捎脤Ь?、手風鉆鉆爆，經(jīng)現(xiàn)場爆破試驗論證，閘槽開挖以窄槽形式通過豎井部位，與豎井開挖同時下挖或閘槽超前下挖，豎井與閘槽開挖部位之間至少保持30m的水平距離，即“先槽后井”入槽方式。閘室槽挖采用掏槽爆破的施工方式，其施工程序為：兩側預留3.0～5.0m側向保護層，先進行先鋒槽深孔梯段微差爆破，然后再進行側向保護層光面爆破。
    用于防止地表水入滲的封閉混凝土及噴混凝土隨船閘首層槽挖及時跟進，對直立邊坡巖體起到較好鎖固作用的鎖口支護在邊坡巖體即時變形完成后與開挖同梯段及時跟進，隨機錨桿支護隨開挖及時跟進。錨索加固原則上與開挖梯段隔一梯段實施；用于臨時性支護的錨索施工隨開挖同梯段及時跟進。高強結構錨桿施工考慮到其材質(zhì)、結構型式以及開挖爆破影響等多方面因素，錨桿造孔施工根據(jù)開挖工作面的情況適時進行，錨桿安裝原則上在相鄰一定范圍內(nèi)開挖結束后、按先閘首及其相鄰段后閘室段分區(qū)進行。
    3.2 深槽開挖爆破控制技術
    經(jīng)現(xiàn)場爆破試驗，按照掏槽爆破增加施工預裂（光面）爆破、兩次緩沖、兩次預裂（光面）控制爆破新思路，三峽船閘37 m寬直立深槽采用雙重緩沖、雙重光面爆破技術，先中間抽槽（即先鋒槽），然后進行側向保護層、槽頂保護層和底部保護層的開挖施工。閘室開挖寬度37m，抽槽寬度20～24m，一側預留側向保護層3m（首層預留5～8m，第二層以下地質(zhì)條件差的部位預留5m），另一側預留施工道路（含側向保護層）10～12m；梯段高度8～10m。首層豎井制約段采用“先槽后井”施工程序開挖，其先鋒槽的寬度按15～17m控制。為使預留的側向保護層相對整齊、完整，以保證直立邊坡的開挖質(zhì)量，先鋒槽開挖或擴挖時，在側向保護層邊線上布置有施工預裂或施工光爆孔。
    廣泛應用微差起爆技術，優(yōu)化爆破設計，有效控制單響爆破藥量和起爆順序，單孔單響或兩孔一響的“V”型或斜線形起爆，提高被爆巖體破碎程度，同時減小爆破振動對邊坡巖體的破壞程度。
    三峽船閘槽挖單響藥量和爆破振速控制指標如下表所示。

    三峽船閘槽挖單響藥量和爆破振速控制指標表
    3.3 直立邊坡成型及水平建基面開挖技術
    針對直立邊坡成型開挖進行了專項現(xiàn)場試驗研究，選用了國內(nèi)外有關合適鉆機進行一次鉆30 m或60 m深孔的鉆孔試驗，結果表明采用一次鉆孔、分段爆破開挖成型方案在技術和經(jīng)濟上均不可行。而直立邊坡采用小孔徑小梯段爆破施工技術，有效地保證高陡邊坡成孔質(zhì)量，使船閘結構形體符合設計要求，側向保護層光面爆破技術，可確保邊坡成型和巖體穩(wěn)定。直立墻邊坡預留側向保護層原則上全部采用手風鉆分層鉆爆，為加快施工進度，槽挖第一層的側向保護層巖體開挖及直立坡預裂或光面爆破成型可采用潛孔鉆鉆爆。水平保護層開挖均采用手風鉆水平光爆一次成型技術。
    4、高邊坡快速安全支護施工技術
    4.1 按施工程序及時加固邊坡
    在施工過程中，為保證邊坡安全，按照開挖施工避讓支護施工的原則，嚴格按照開挖與支護施工程序，及時采取噴護、混凝土封閉進行邊坡表面防滲，鎖口錨桿實施鎖口支護，隨機錨桿加固表層巖體，錨索及錨樁加固不穩(wěn)定塊體。在開挖基本結束后實施的高強錨桿，在導致巖體變形和破壞的主要因素（開挖）不復存在的條件下，可以起到比鎖口錨桿和隨機錨桿更好的錨固效果。
    4.2 預應力錨索施工技術
    針對船閘施工條件和高精度、大孔徑、水平長錨索孔的成孔技術要求，研制了高精度輕型快速水平鉆機及機具，采用DKM-1型、MZ-165型、MGJ-50型等主要型號鉆機，高排架作業(yè)，實現(xiàn)了錨索快速成孔。并研究解決了高精度錨索孔的孔斜檢測技術。
    對錨索的施工工藝進行了全面、系統(tǒng)的試驗和研究，特別是對錨索材料檢測、漿材配合比、止?jié){環(huán)工藝、注漿系統(tǒng)改進、水平長錨索的穿索工藝等，進行了大量的現(xiàn)場分析和試驗研究，形成了一套成熟的施工工藝，制訂了詳細的操作實施細則。通過錨索驗收試驗研究，解決了船閘4 376束錨索的驗收試驗標準，制訂了相應的實施細則與技術要求。
    4.3 高強錨桿施工技術
    全面系統(tǒng)地研究和解決了高強錨桿成套施工技術。研制了高精度、輕型快速水平錨桿鉆機，適用于鉆水平孔或緩傾角的錨桿孔，在孔徑為60～90mm、孔深15m內(nèi)有極大的優(yōu)勢，滿足了永久船閘直立坡上高強錨桿高強度、大面積施工要求。確定了高強錨桿施工工藝流程，包括確定孔口封堵材料、托架（居中環(huán)）形式、自由段防腐處理后的封閉材料和工作流程等；解決了高強錨桿噴鋅、雙層環(huán)氧樹脂涂層防腐處理工藝及檢測技術；引進冷擠壓套筒連接技術，解決了高強錨桿連接技術；研究確定了施工質(zhì)量檢測技術和驗收標準；制訂了詳細的操作實施細則。并為了解錨桿工作狀態(tài)，進行了錨桿反復張拉、錨桿抗剪試、錨桿與混凝土聯(lián)合工作等錨固效果的試驗和研究。
    4.4 通過邊坡安全監(jiān)測指導施工
    通過爆破震動監(jiān)測、邊坡變形監(jiān)測、邊坡應力監(jiān)測等邊坡安全監(jiān)測，分析邊坡安全，對指導邊坡開挖與支護起到了積極的作用。
    5、結語
    經(jīng)過技術攻關和工程實踐，采取上述綜合施工技術，三峽船閘地面一、二期開挖與支護工程，已安全、按期、優(yōu)質(zhì)完成，開挖施工質(zhì)量優(yōu)良，邊坡支護施工符合設計要求。在現(xiàn)有的施工技術水平的條件下，三峽船閘高邊坡開挖與錨固這一施工技術難題，已得到較為成功的解決。對高邊坡開挖支護施工技術的發(fā)展，愿意作這樣一個展望：可探討混裝炸藥車裝藥技術在高邊坡開挖爆破中更大范圍的推廣應用，提高勞動效率；可利用現(xiàn)代科學技術，將高邊坡開挖支護施工數(shù)字虛擬化，并將工程設計、施工和管理等信息及時反饋，使在開挖過程中的邊坡巖體的完整性、穩(wěn)定性和變形及其控制等可視化。