三峽船閘地面工程開(kāi)挖支護(hù)施工技術(shù)綜述

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摘   要：三峽船閘高邊坡開(kāi)挖與支護(hù)是三峽工程的幾大關(guān)鍵施工技術(shù)難題之一。在現(xiàn)有的施工技術(shù)水平的條件下，三峽船閘高邊坡開(kāi)挖與錨固這一施工技術(shù)難題，已得到較為成功的解決。對(duì)高邊坡開(kāi)挖支護(hù)施工技術(shù)的發(fā)展，愿意作這樣一個(gè)展望：可探討混裝炸藥車(chē)裝藥技術(shù)在高邊坡開(kāi)挖爆破中更大范圍的推廣應(yīng)用，提高勞動(dòng)效率；可利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，將高邊坡開(kāi)挖支護(hù)施工數(shù)字虛擬化，并將工程設(shè)計(jì)、施工和管理等信息及時(shí)反饋，使在開(kāi)挖過(guò)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(guān)鍵詞：三峽船閘； 地面工程； 開(kāi)挖支護(hù)； 施工技術(shù)； 綜述

    1、主要施工技術(shù)難題
    三峽船閘是目前世界上規(guī)模最大、水頭最高、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的雙線五級(jí)連續(xù)船閘，在左岸山體經(jīng)人工深槽開(kāi)挖爆破并對(duì)邊坡巖體進(jìn)行錨固后，再襯砌超薄混凝土墻，形成人工建設(shè)的一段新的長(zhǎng)江航道。航槽最大開(kāi)挖深度170m（直立墻最大開(kāi)挖深度68m）,中間保留57m寬的巖體中隔墩，兩線船閘分五個(gè)梯級(jí)，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(jiǎn)稱(chēng)主體段）全長(zhǎng)1 621m，航槽開(kāi)挖錨固后形成雙線四面長(zhǎng)深陡高直立邊坡。在兩側(cè)邊坡山體內(nèi)部布置有多層排水洞，在兩側(cè)邊坡下面和中隔墩的巖體內(nèi)開(kāi)挖有輸水隧洞和閥門(mén)豎井。
    三峽船閘地面工程開(kāi)挖錨固的工程特性和主要施工難題：
    （1）開(kāi)挖錨固工程量大，施工強(qiáng)度高，工期緊。土石方開(kāi)挖4 196萬(wàn)m3，預(yù)應(yīng)力錨索4376束，高強(qiáng)錨桿9.3萬(wàn)根，以及大量的邊坡噴護(hù)、隨機(jī)錨桿支護(hù)等。
    （2）施工項(xiàng)目多，場(chǎng)地窄，立體交叉作業(yè)，干擾大。特別是在二期深槽開(kāi)挖錨固施工期間，在兩條長(zhǎng)深窄槽內(nèi)同時(shí)進(jìn)行開(kāi)挖錨固，并受地下洞井施工制約，在開(kāi)挖后期還同時(shí)進(jìn)行主體段襯砌混凝土澆筑，多項(xiàng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)要求高，施工工藝要求嚴(yán)格。為節(jié)省巖石開(kāi)挖和混凝土澆筑的工程量，巖槽形體結(jié)構(gòu)為縱橫向均為臺(tái)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(diǎn)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(duì)開(kāi)挖施工程序、開(kāi)挖爆破對(duì)邊坡巖體的震動(dòng)影響進(jìn)行了極為嚴(yán)格的限制。為滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)布置要求，保證邊坡加固效果，對(duì)建基面超欠挖和錨固施工參數(shù)、開(kāi)挖錨固施工程序進(jìn)行了嚴(yán)格要求。
    （4）施工期安全問(wèn)題突出。船閘邊坡巖體受開(kāi)挖卸荷和爆破震動(dòng)的雙重作用，復(fù)雜的形體結(jié)構(gòu)對(duì)較復(fù)雜的工程地質(zhì)條件反應(yīng)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(dòng)掉塊，出現(xiàn)的概率較大；受開(kāi)挖施工影響和工期緊的限制，對(duì)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(shí)實(shí)施；施工期邊坡安全問(wèn)題突出。持續(xù)大規(guī)模的開(kāi)挖爆破，高排架錨固施工，多項(xiàng)目立體交叉作業(yè)，施工作業(yè)安全問(wèn)題突出。
    2、快速開(kāi)挖施工技術(shù)
    （1）選用先進(jìn)的鉆爆、挖裝、運(yùn)輸設(shè)備。主要采用阿特拉斯、古河、英格索蘭等先進(jìn)快速液壓鉆孔設(shè)備，4～9.5m3正鏟、3～5m3裝載機(jī)等大斗容、先進(jìn)挖掘設(shè)備，大馬力推土機(jī)集渣設(shè)備，20～42t大噸位運(yùn)輸設(shè)備，進(jìn)行梯段開(kāi)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(kāi)挖爆破施工中，應(yīng)用了混裝炸藥車(chē)裝藥技術(shù)。在施工過(guò)程中，根據(jù)施工強(qiáng)度和出渣流向，合理布置施工道路和安排開(kāi)挖工作面，優(yōu)化開(kāi)挖設(shè)備組合和綜合利用，加強(qiáng)施工設(shè)備的維修與保養(yǎng)，提高設(shè)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(shí)現(xiàn)快速入槽梯段開(kāi)挖。在槽頂以下深槽開(kāi)挖中，采用深槽中部掏先鋒槽、兩側(cè)預(yù)留側(cè)向保護(hù)層，進(jìn)行入槽梯段鉆爆，兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層開(kāi)挖及時(shí)跟進(jìn)。對(duì)豎井開(kāi)挖工期滯后的部位，閘槽開(kāi)挖以窄槽形式通過(guò)豎井部位，即采用“先槽后井”的入槽方式，為船閘開(kāi)挖爭(zhēng)取了半年以上的工期。對(duì)因邊坡錨固施工占?jí)洪_(kāi)挖工作面的部位，在保證邊坡穩(wěn)定的前提下，在占?jí)好娴牧硪粋?cè)以窄槽形式入槽通過(guò)。
    3、直立深槽開(kāi)挖控制爆破與建基面成型開(kāi)挖技術(shù)
    3.1深槽開(kāi)挖與支護(hù)施工程序
    同級(jí)兩線閘槽平行下挖，一線閘槽領(lǐng)先時(shí)不超過(guò)另一線閘槽開(kāi)挖一個(gè)梯段，相鄰開(kāi)挖工作面高差不大于一個(gè)梯段。輸水隧洞及其施工支洞開(kāi)挖超前相應(yīng)同區(qū)段閘室明挖，豎井開(kāi)挖在閘墻頂平臺(tái)形成后進(jìn)行、閘槽開(kāi)挖以滯后豎井開(kāi)挖不少于一個(gè)梯段為原則（即“先井后槽”原則）。對(duì)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?dǎo)井法、手風(fēng)鉆鉆爆，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)論證，閘槽開(kāi)挖以窄槽形式通過(guò)豎井部位，與豎井開(kāi)挖同時(shí)下挖或閘槽超前下挖，豎井與閘槽開(kāi)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?yàn)椋簝蓚?cè)預(yù)留3.0～5.0m側(cè)向保護(hù)層，先進(jìn)行先鋒槽深孔梯段微差爆破，然后再進(jìn)行側(cè)向保護(hù)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(shí)跟進(jìn)，對(duì)直立邊坡巖體起到較好鎖固作用的鎖口支護(hù)在邊坡巖體即時(shí)變形完成后與開(kāi)挖同梯段及時(shí)跟進(jìn)，隨機(jī)錨桿支護(hù)隨開(kāi)挖及時(shí)跟進(jìn)。錨索加固原則上與開(kāi)挖梯段隔一梯段實(shí)施；用于臨時(shí)性支護(hù)的錨索施工隨開(kāi)挖同梯段及時(shí)跟進(jìn)。高強(qiáng)結(jié)構(gòu)錨桿施工考慮到其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)型式以及開(kāi)挖爆破影響等多方面因素，錨桿造孔施工根據(jù)開(kāi)挖工作面的情況適時(shí)進(jìn)行，錨桿安裝原則上在相鄰一定范圍內(nèi)開(kāi)挖結(jié)束后、按先閘首及其相鄰段后閘室段分區(qū)進(jìn)行。
    3.2 深槽開(kāi)挖爆破控制技術(shù)
    經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，按照掏槽爆破增加施工預(yù)裂（光面）爆破、兩次緩沖、兩次預(yù)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(shù)，先中間抽槽（即先鋒槽），然后進(jìn)行側(cè)向保護(hù)層、槽頂保護(hù)層和底部保護(hù)層的開(kāi)挖施工。閘室開(kāi)挖寬度37m，抽槽寬度20～24m，一側(cè)預(yù)留側(cè)向保護(hù)層3m（首層預(yù)留5～8m，第二層以下地質(zhì)條件差的部位預(yù)留5m），另一側(cè)預(yù)留施工道路（含側(cè)向保護(hù)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(kāi)挖，其先鋒槽的寬度按15～17m控制。為使預(yù)留的側(cè)向保護(hù)層相對(duì)整齊、完整，以保證直立邊坡的開(kāi)挖質(zhì)量，先鋒槽開(kāi)挖或擴(kuò)挖時(shí)，在側(cè)向保護(hù)層邊線上布置有施工預(yù)裂或施工光爆孔。
    廣泛應(yīng)用微差起爆技術(shù)，優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，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(shí)減小爆破振動(dòng)對(duì)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(biāo)如下表所示。

    三峽船閘槽挖單響藥量和爆破振速控制指標(biāo)表
    3.3 直立邊坡成型及水平建基面開(kāi)挖技術(shù)
    針對(duì)直立邊坡成型開(kāi)挖進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，選用了國(guó)內(nèi)外有關(guān)合適鉆機(jī)進(jìn)行一次鉆30 m或60 m深孔的鉆孔試驗(yàn)，結(jié)果表明采用一次鉆孔、分段爆破開(kāi)挖成型方案在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均不可行。而直立邊坡采用小孔徑小梯段爆破施工技術(shù)，有效地保證高陡邊坡成孔質(zhì)量，使船閘結(jié)構(gòu)形體符合設(shè)計(jì)要求，側(cè)向保護(hù)層光面爆破技術(shù)，可確保邊坡成型和巖體穩(wěn)定。直立墻邊坡預(yù)留側(cè)向保護(hù)層原則上全部采用手風(fēng)鉆分層鉆爆，為加快施工進(jìn)度，槽挖第一層的側(cè)向保護(hù)層巖體開(kāi)挖及直立坡預(yù)裂或光面爆破成型可采用潛孔鉆鉆爆。水平保護(hù)層開(kāi)挖均采用手風(fēng)鉆水平光爆一次成型技術(shù)。
    4、高邊坡快速安全支護(hù)施工技術(shù)
    4.1 按施工程序及時(shí)加固邊坡
    在施工過(guò)程中，為保證邊坡安全，按照開(kāi)挖施工避讓支護(hù)施工的原則，嚴(yán)格按照開(kāi)挖與支護(hù)施工程序，及時(shí)采取噴護(hù)、混凝土封閉進(jìn)行邊坡表面防滲，鎖口錨桿實(shí)施鎖口支護(hù)，隨機(jī)錨桿加固表層巖體，錨索及錨樁加固不穩(wěn)定塊體。在開(kāi)挖基本結(jié)束后實(shí)施的高強(qiáng)錨桿，在導(dǎo)致巖體變形和破壞的主要因素（開(kāi)挖）不復(fù)存在的條件下，可以起到比鎖口錨桿和隨機(jī)錨桿更好的錨固效果。
    4.2 預(yù)應(yīng)力錨索施工技術(shù)
    針對(duì)船閘施工條件和高精度、大孔徑、水平長(zhǎng)錨索孔的成孔技術(shù)要求，研制了高精度輕型快速水平鉆機(jī)及機(jī)具，采用DKM-1型、MZ-165型、MGJ-50型等主要型號(hào)鉆機(jī)，高排架作業(yè)，實(shí)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(cè)技術(shù)。
    對(duì)錨索的施工工藝進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的試驗(yàn)和研究，特別是對(duì)錨索材料檢測(cè)、漿材配合比、止?jié){環(huán)工藝、注漿系統(tǒng)改進(jìn)、水平長(zhǎng)錨索的穿索工藝等，進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)分析和試驗(yàn)研究，形成了一套成熟的施工工藝，制訂了詳細(xì)的操作實(shí)施細(xì)則。通過(guò)錨索驗(yàn)收試驗(yàn)研究，解決了船閘4 376束錨索的驗(yàn)收試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，制訂了相應(yīng)的實(shí)施細(xì)則與技術(shù)要求。
    4.3 高強(qiáng)錨桿施工技術(shù)
    全面系統(tǒng)地研究和解決了高強(qiáng)錨桿成套施工技術(shù)。研制了高精度、輕型快速水平錨桿鉆機(jī)，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(shì)，滿(mǎn)足了永久船閘直立坡上高強(qiáng)錨桿高強(qiáng)度、大面積施工要求。確定了高強(qiáng)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(qiáng)錨桿噴鋅、雙層環(huán)氧樹(shù)脂涂層防腐處理工藝及檢測(cè)技術(shù)；引進(jìn)冷擠壓套筒連接技術(shù)，解決了高強(qiáng)錨桿連接技術(shù)；研究確定了施工質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；制訂了詳細(xì)的操作實(shí)施細(xì)則。并為了解錨桿工作狀態(tài)，進(jìn)行了錨桿反復(fù)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(yàn)和研究。
    4.4 通過(guò)邊坡安全監(jiān)測(cè)指導(dǎo)施工
    通過(guò)爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)、邊坡變形監(jiān)測(cè)、邊坡應(yīng)力監(jiān)測(cè)等邊坡安全監(jiān)測(cè)，分析邊坡安全，對(duì)指導(dǎo)邊坡開(kāi)挖與支護(hù)起到了積極的作用。
    5、結(jié)語(yǔ)
    經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)和工程實(shí)踐，采取上述綜合施工技術(shù)，三峽船閘地面一、二期開(kāi)挖與支護(hù)工程，已安全、按期、優(yōu)質(zhì)完成，開(kāi)挖施工質(zhì)量?jī)?yōu)良，邊坡支護(hù)施工符合設(shè)計(jì)要求。在現(xiàn)有的施工技術(shù)水平的條件下，三峽船閘高邊坡開(kāi)挖與錨固這一施工技術(shù)難題，已得到較為成功的解決。對(duì)高邊坡開(kāi)挖支護(hù)施工技術(shù)的發(fā)展，愿意作這樣一個(gè)展望：可探討混裝炸藥車(chē)裝藥技術(shù)在高邊坡開(kāi)挖爆破中更大范圍的推廣應(yīng)用，提高勞動(dòng)效率；可利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，將高邊坡開(kāi)挖支護(hù)施工數(shù)字虛擬化，并將工程設(shè)計(jì)、施工和管理等信息及時(shí)反饋，使在開(kāi)挖過(guò)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。