特殊地质条件下坝基开挖技术研究
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摘要：在特殊地质条件下，结合现场爆破试验和声波测试成果总结并调整采用适合工程特点的开挖方式、爆破参数及综合控制技术等手段来满足坝基开挖的要求，达到优质、高效、满足基础开挖技术要求的目的。通过金安桥坝基特殊地质条件下的开挖施工实践，总结了对坝基高应力释放区的开挖施工工艺及爆破控制措施，为以后类似工程开挖的施工提供了较好的借鉴经验。
关键词：特殊地质坝基开挖技术 研究
1 概述
金安桥水电站位于云南省丽江市境内的金沙江中游河段上，是金沙江中游河段规划的第五级电站。
工程枢纽主要由混凝土挡水重力坝、右岸溢流表孔及消力池、右岸泄洪（冲沙）底孔、左岸冲沙底孔、坝后厂房及交通洞等永久建筑物及导流隧洞、围堰等临时建筑物组成，坝高160m、电站装机2400MW（4×600MW）。
本工程坝基建基面合同开挖完工节点工期为2006年12月5日，并于2006年12月底实现大坝第一块混凝土浇筑。
1.1地质情况
坝区出露地层主要为二迭系上统玄武岩组上段(P2β3)，岩性有玄武岩、杏仁状玄武岩、火山角砾熔岩和凝灰岩。在右岸高处分布有二迭系上统黑泥哨组(P2h)地层。第四系地层在坝区也分布较广。
枢纽区岩层呈单斜构造。玄武岩流层呈舒缓波状，其总体产状近南北，倾向西，倾角12°～30°。枢纽区以坚硬的玄武岩为主，构造形迹主要表现为断裂构造，断层等破裂结构面较发育。
坝段内无区域性的Ⅰ级结构面，分布的Ⅱ级结构面断层有3条(F5、F8、F29)，已发现的Ⅲ级结构面断层有F1等42条，其它还有属Ⅳ级结构面的小断层(f)、挤压面（g）、绿帘石石英脉错动面(EP)和广泛发育的属Ⅴ级结构面的节理裂隙。
其中上述绿帘石石英脉错动面(EP)及其绿泥石化岩于坝基6#～10#坝段EL1292m～EL1266m之间，该岩体具有块度小、纵波速高、渗透性微弱的特性，岩块间镶嵌紧密程完整状，在原位状态下有较高的力学强度，并具有一定的抗变形及抗剪能力，根据其岩体中岩石块度大小，划分为块裂裂面绿泥石化岩体和碎裂裂面绿泥石化岩体两类。块裂裂面绿泥石化岩体节理发育但隐微裂隙不发育，岩石块度一般为10cm～30cm，节理面普遍充填绿泥石膜；碎裂裂面绿泥石化岩体中节理发育，多隐微裂隙，岩石块度一般为10cm以下，裂面全部充填绿泥石膜。其质量类别分布属Ⅲb及Ⅲc类。此岩体在开挖施工过程中若开挖方式和技术控制不当，将对重力坝坝基变形、抗滑稳定产生非常不利的影响，且该岩体开挖出露后极易侵蚀、风化。
1.2裂面绿泥石化岩体对开挖爆破的影响
裂面绿泥石化岩体是一种新的、且少见的特殊岩体，开挖爆破极易受到扰动，引起岩石松弛、抗剪强度及抗变形能力下降，若开挖处理不当，将对重力坝坝基变形、抗滑稳定产生不利的影响。针对裂面岩体开挖后极易受扰动、松弛的特性，初始开挖采用传统的梯段爆破时，经声波检测发现其声波值的损失达到10％～50％，满足不了设计要求的建基面声波值损失不大于10％的要求。
2 裂面绿泥石化岩体开挖方式的研究、分析及开挖措施
根据以上裂面绿泥石化岩体的特性和对坝基的不利的因素，根据专家咨询意见和坝基开挖的技术要求，对坝基绿泥石化岩体的开挖施工研究、分析提出并制定了3条施工原则：
(1) 达到建基面前，严格禁止大药量爆破引起的震动，造成岩体松弛；
(2) 设计建基面以上应预留1.0m左右的撬挖层，开挖到清撬上缘后，用机械或人工进行撬除；
(3) 尽可能减少开挖后暴露时间，建基面清撬处理完成后立即用混凝土进行封闭。
根据上述研究分析，为了有效降低爆破对裂面绿泥石化岩体的扰动、松弛，经过对绿泥石化岩体生产性开挖试验，并经讨论，制定了如下保护性开挖措施：
(1) 通过对坝基梯段爆破层爆破前后声波衰减率和影响深度的分析，制定了基坑保护性开挖中缓冲层及清撬层的合理预留厚度。即预留1.0m的清撬层和4.0m的缓冲层进行保护性开挖施工；
(2) 通过保护性开挖生产性试验，根据不同的钻具对水平预裂和缓冲层的爆破，确定了两种方案：其一为手风钻造孔时，水平预裂与缓冲层同时分段起爆；其二为潜孔钻造孔时，水平预裂爆破先造孔爆破，再进行缓冲层造孔爆破；
(3) 建基面以上1.0m清撬层的开挖采用推土机、机械破碎锤为主，人工手持风镐为辅进行施工，避免爆破对建基面的扰动；
(4) 清撬层施工在混凝土施工前7～10天完成，避免建基面岩体长时间暴露，防止了外因对建基面的进一步侵蚀、风化。
3 保护性开挖施工
坝基建基面保护性开挖高程以建基面以上5.0m控制，建基面预留1.0m的清撬层，清撬层以上为缓冲层，缓冲层以上为梯段爆破层，梯段爆破层最大层高不得大于5.0m，各层施工作业时须严格控制爆破参数。
在保护性开挖施工前，先进行生产性爆破试验，验证爆破参数的合理性，为整个保护性开挖提供合理的技术参数，并根据生产性爆破试验声波检测成果进一步优化施工工艺。 （1）施工规划：
坝基保护性开挖除先锋槽外共分为4个施工区，47个循环作业面进行施工，每个循环作业面分为3层，即梯段爆破层、缓冲层和清撬层。
（2）爆破试验
为验证坝基水平预裂及缓冲层爆破对建基面的影响，确定坝基保护性开挖爆破参数的合理性，对坝基9#坝段分别进行了两次生产性爆破试验，通过对两次爆破试验爆前爆后声波检测值的比较，声波衰减值均在10%之内，符合大坝建基面开挖要求。根据试验数据确定坝基开挖爆破参数，见表1、表2。
（3）施工工艺及方法
坝基每个施工区在施工前为了便于形成爆破临空面，同时便于排水和临时施工道路的布置，先形成先锋槽及集水坑，再进行水平预裂和梯段爆破层的开挖，而后挖除缓冲层，最后人工、机械撬挖清撬层。
先锋槽开挖
为减少爆破对建基面的扰动，同时尽早形成先锋槽，先锋槽开挖宽度为8.0m。先锋槽的开挖分两层进行，第一层为距建基面5.0m以上，第二层为距建基面1.0～5.0m。第一层开挖时必须遵循小孔径、小药量的原则进行，孔径控制在Φ90mm；第二层开挖时采取密孔、小梯段、小孔径、小药量的方式进行施工，且孔底填充柔性垫层，以降低爆破对建基面的冲击。
缓冲层及水平预裂
缓冲层开挖时首先进行缓冲层与清撬层之间的预裂爆破，经研究讨论和专项爆破试验确定：采用手风钻施工时缓冲层与水平预裂爆破同步进行；采用潜孔钻施工时缓冲层与水平预裂须分期钻爆，二者钻爆施工时均严格控制爆破参数，具体参数如下：
a、水平预裂钻爆参数：坝基8#、9#、10#坝段水平预裂面均采用手风钻造水平预裂孔，孔径为Φ42mm，预裂面超欠控制在±0.3m，开挖循环进尺4.7m，间距0.5m，线装药量为150～200g/m，采用Φ25mm乳化炸药不偶合间隔装药；坝基7#坝段水平预裂面及7#、8#坝段之间边坡预裂面的预裂孔采用潜孔钻造水平预裂孔，孔径为Φ90mm，间距0.6m，线装药量为180～250g/m，采用Φ32mm乳化炸药不偶合间隔装药。
b、缓冲层钻爆参数：坝基8#、9#、10#坝段缓冲层爆破孔采用手风钻造水平爆破孔，钻爆厚度为2.0～5.0m, 孔径为Φ42mm，开挖循环进尺4.7m，间排距为1.0m×1.0m，单耗药量控制在0.4kg/m3以下；坝基7#坝段（采用液压钻垂直造爆破孔，钻爆厚度为3.0～4.0m，造孔孔径为Φ90mm，间排距2.5m×2.0m，单耗药量控制在0.4kg/m3以下。
（4）清撬层开挖
清撬层主要以推土机、机械破碎锤为主，人工手持风镐为辅进行施工，清撬原则以人工、机械清撬不动且用手锤敲击岩石无空洞声为准（除有结构要求外），最终清撬的面即为大坝建基面。
（5）建基面声波检测
7#坝段爆破前后垂直建基面1.0m处的波速衰减率平均值为4.3%，爆破影响深度在1.0～2.4m之间,其平均值为1.8m；跨孔波速在4000m/s以上的测点占91%，3000～4000m/s的波速测点占9.0%，主要分布在0～3.0m孔段，满足设计要求。
8#坝段处于碎裂裂面石化岩体地带，声波孔塌孔现象较为严重，爆破前后只有3个原位测试点，垂直建基面1.0m处的波速衰减率平均值为15%，爆破影响深度在0.8～2.4m之间其平均值为1.5m；跨孔波速多数在4500m/s以上，无3000以下的波速测点，基本满足设计要求。
9#坝段爆破前后垂直建基面1.0m处的波速衰减率平均值为6.6%，爆破影响深度在0.8～1.6m之间,其平均值为1.1m；跨孔波速主要集中在4000m/s以上，占95.6%，4000m/s以下的波速测点仅占4.4%，主要分布在2.0m以上孔段，满足设计要求。
10#坝段爆破前后垂直建基面1.0m处的波速衰减率平均值为8.6%，爆破影响深度在0.8～2.0m之间,其平均值为1.2m，跨孔波速相对分散，3000m/s以下的波速测点占2.9%，3000～4000m/s的波速测点占13.6%，主要分布在0～3.0m孔段，满足设计要求。
4 结 语
若采用常规的工艺进行施工,根据保护层以上岩体爆破前后声波测试情况判断、分析，开挖质量不能得到保证，建基面须进一步开挖或增加基础处理的工程，使节点工期目标得不到保障；而对裂面绿泥石化岩体采用保护性开挖的施工措施虽然在过程上较常规施工工艺复杂，但采用上述保护性开挖后，声波值损失在10％之内，满足设计技术要求，同时按节点工期完成坝基开挖施工，实现了年内大坝混凝土浇筑目标。
通过技术经济比较，该保护性开挖的应用有效的控制了爆破对裂面绿泥石化岩体的扰动，避免因地质原因可能引起建基面的进一步开挖或加大基础处理的工程资金的投入，其经济效应不可估量。此技术值得在类似基础开挖工程中推广和应用。
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