黄河万家寨水利枢纽地基开挖技术及设计

地基开挖是一种最常用而又十分可靠的地基处理方法。万家寨水利枢纽工程地基开挖分基坑开挖和坝肩开挖两部分，每部分又包括覆盖层开挖和地基石方开挖。

（一）覆盖层的开挖

覆盖层的开挖，主要是利用推土机把覆盖层推松，并对个别大孤石爆破解小，将其集中在一起，然后用反铲或装载机配自卸车运往下游渣场。覆盖层开挖的任务是为石方开挖清面。

（二）地基石方开挖

1.地基石方开挖程序

地基石方开挖采用先坝肩后基坑的开挖顺序。对于坝肩，则采用自上而下高梯段分层的开挖方法，开挖石渣推入河床再用自卸车运往弃渣场；对于基坑，其开挖顺序也是自上而下分层进行。无论坝肩还是基坑，其侧壁设计边线均采用预裂爆破，基础面预留1.5m 保护层，以避免爆破破坏非开挖的岩基。

2.左坝肩开挖

万家寨水利枢纽工程大坝坝址区河谷为“U”形，两岸岩壁陡立，根据其体形及工期要求，考虑到施工设备、交通、现场等其体情况，将105.0m 高的边坡分7 层开挖，其中5 层采用潜孔钻高梯段开挖，另外2 层因岩层地质条件较差及潜孔钻无法就位于工作面，故采用手风钻开挖。左坝肩梯段分层开挖情况见表9-1和图9-1。

表9-1　左坝肩梯段分层开挖情况表

图9-1　坝肩梯段分层开挖图

3.右岸基坑开挖

万家寨水利枢纽施工导流采用分期导流方式。电站厂房布置在右岸，右岸基坑开挖包括坝基和电站厂房地基两部分。电站厂房地基开挖深度大，开挖难度也较大。采用先开先锋槽，然后逐步向四周扩挖、自上而下的开挖方法。右岸基坑开挖分三层进行。

第一层开挖主坝12～19 号坝段及主厂房地基高程892.00m 以上部分，先在主坝19 号坝段下（游）0+46m～0+66m 间开先锋槽，先锋槽开挖完后，向上游推进至坝下0+46m 桩号，改用手风钻开挖，底部留0.8m 保护层。其余部位开挖至892.00m 高程。

第二层开挖主坝15 号坝段下游主厂房地基坝下0+70m～0+120m 间开先锋槽，然后向左、右和上游3 个方向推进。该阶段开挖至883.00m 高程。该层开挖时，同时进行主坝12～19 号坝段地基保护层的开挖。

第三层开挖主厂房高程878.00m 以上部分。在12 号坝段下游主厂房地基开先锋槽，先锋槽形成后，向上游向右岸推进，同时沿厂房下游边线开挖一条宽8.0m 的斜坡道至18 号坝段。该层开挖时，同步进行引进水管地基高程882.00m 以上保护层的开挖。右岸基坑开挖爆破参数见表9-2；基坑分层开挖情况如图9-2。

表9-2　右岸基坑开挖爆破参数表

图9-2　基坑分层开挖情况如图

4.保护层开挖

保护层开挖，视其顶部开挖方式而采用不同的方案。上部采用潜孔钻开挖的，保护层分3层开挖，第一层用手风钻钻孔，非电导爆管起爆；第二层用手风钻钻孔，火花起爆；第三层采用人工风镐撬挖。上部采用手风钻开挖的，保护层分两层开挖，开挖方法同上述第二、三层保护层的开挖。

5.先锋槽开挖

先锋槽开挖采用双层楔形掏槽，掏槽孔间距2.0m，排距2.5m，内层孔开孔间距6.0m，孔底间距1.0m；外层掏槽孔开孔间距14.0m，孔底间距2.0m，掏槽孔孔斜56°。先锋槽尺寸，宽度为14.0m，长度视现场情况确定，但长度不能小于宽度，否则将影响爆破效果。为了保证掏槽效果，每次掏槽深度控制在6.0m，每次开挖深度大于6.0m的分两层掏槽。第一次掏槽爆破后，迅速向四周扩挖，当槽底部施工机械能够作业时，进行第二次掏槽，然后将两次掏槽合并为一层，进行高梯段开挖。先锋槽开挖分层如图9-3。

图9-3　先锋槽开挖分层图

（三）施工布置

1.坝肩开挖道路布置

坝肩开挖，在1008.00～982.00m 梯段时，用已有的施工便道可满足施工需要；在982.00～975.00m，从坝轴线下游沿边坡修临时便道与上坝公路相通，临时交通便道长度150m 左右，路面宽5.0m坡度控制在15%左右（仅供推土机反铲、钻机交通用）。开挖机械自便道上至982.00m上坝公路进入982.00m工作面；975.00～960.00m高程段开挖，采用40t 吊车将钻机自982.00m高程上坝公路吊至975.00m高程工作面。由于边坡地势陡峭，设计边坡为1∶0.25和1∶0.17，因此施工中制作了安装全封闭人行爬梯（爬梯外侧制作安全防护栏，并挂安全网），爬梯用锚杆固定于边坡上，并随开挖高程的下降向下延伸，解决960.00m以上施工人员进入施工作业面的交通问题。960.00m以下梯段开挖，自左基坑临时便道，沿边坡堆积体修一条施工便道，该便道长450m宽5.0m最大坡度15%，并随开挖工作面的下降而下降，解决左坝肩960.00m以下施工机械人员交通，坝肩开挖废渣推入河床，利用河床施工便道运至弃渣场。

2.基坑开挖道路布置

第一层开挖，因该层开挖深度较小无须另行布置道路，利用右岸进厂公路即可。第二层开挖时，布置两条施工道路。一条自13 号坝段向右沿上游围堰背水面连接进厂公路和上堰便道；另一条自进厂公路向左沿下游围堰背水面至下游导墙，然后转向右上游方向至15号坝段下游先锋槽处。第三层开挖，利用第二层开挖下游施工道路，自下游导墙处向右转至18 号坝段，与厂房下游去向先锋槽的临时斜坡道连接。

3.施工排水

右岸基坑开挖，覆盖层开挖时，在主厂房地基左侧用手风钻打一个临时集水坑，作为第一层开挖时的泵坑，安装离心泵经下游导墙排入黄河。第二、三层开挖时，利用先锋槽作为临时泵坑进行排水，开挖大面低洼处的少量积水，用潜水泵排至泵坑。坝基保护层开挖时，利用先行形成的主厂房永久集水井作为泵坑进行排水。

4.供风布置

采用移动式18 电动空压机串联形成临时供风站，用6″～8″焊接管供至用风点，开挖高峰期配备3 台移动式油动空压机，随开挖工作面就近供风。

（四）钻爆设计(www.xing528.com)

1.钻爆设计依据

钻爆设计依据主要有：黄河万家寨水利枢纽工程坝基开挖施工技术要求和SL47—94《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》。

2.钻爆设计原则

针对不同开挖部位，选取不同行之有效的爆破方法，以防止爆破震动破坏基岩，保证坝基开挖的形态符合规范及设计要求；设计边线开挖采用预裂爆破方法，最大单响药量不超过80kg，要求爆破后在岩体上形成贯穿裂缝，缝宽不小于1cm，以达到足够的减震效果，保证孔壁不出现过大过多的爆破裂隙；保护层以上岩体开挖，采用松动爆破，毫秒分段起爆，最大单响药量不超过400kg，厚度1.5m以上的保护层开挖，亦采用毫秒分段起爆，最大单响药量不大于40kg。厚度小于1.5m保护层开挖，采用火花起爆，单孔单响。控制药卷直径不大于32mm。

3.火工材料选用

（1）炸药。采用山西太原兴安化学材料厂生产的RH101 乳化炸药及2 岩石炸药。密度为0.95～102g/cm3，殉爆距离3cm。

（2）导爆管。采用辽宁华丰化工厂生产的非电毫秒延期塑料导爆管爆速195m/s。

（3）导爆索。采用山西大同矿物局华工厂生产的防水导爆索，其爆速为6000m/s。

（4）起爆火雷管。采用8 号工业火雷管。

4.造孔设备

造孔设备选用瑞典产ATLASROC-606 自行式潜孔钻车，孔径95mm 主要用来造预裂孔，甘肃天水产CLQ-15 自行式潜孔钻车孔径115mm 主要用来造缓冲孔；手风钻YTP-26，孔径42mm，主要用于岩基保护层开挖及局部控制性开挖。

5.钻孔的技术要求

（1）预裂孔。开孔偏差小于5cm，孔斜偏差小于1°，孔深偏差小于30cm，且孔与孔相互平行。

（2）主爆孔。梅花型或矩形布置，倾角依据现场情况确定。

（3）缓冲孔。布置在主爆孔和预裂孔之间，倾角与预裂孔基本一致。其装药量为主爆孔的1/3～1/2，其作用是减小主爆孔对预裂面的震动破坏。

6.爆破参数选择

（1）最小抵抗线。最小抵抗线按炮孔装药量等于该孔爆破岩石体积需药量确定。孔内装药量Q1 按下式确定：

Q1=π/4D2Lr

爆破岩石体积需药量Q2 按下式确定：

Q2=qHWa

令炮孔所装药量与炮孔承担爆破区需要的要量相等，即Q1=Q2，可得到量小抵抗线W，按巴隆公式计算：

W=，其中（Q1、Q2 为炮孔药量和爆破岩石需要的药量）以上各式中：D 为药卷直径（m）；L 为药柱长度（m）；r 为装药密度（m）；H 为梯段高度（kg/cm3）；W为最小抵抗线（m）；a 为孔距（a=mw，m）；m 为密度系数。

（2）孔距。孔距a=mW，取m=1.25。

（3）孔径。孔径以现有设备CLQ-15 孔径Φ115mm，ATLAROC-606 钻机孔径Φ95mm，手风钻Y T-26，孔径Φ42mm。

（4）孔深。孔深以开挖施工程序确定各梯段的孔深。

（5）超深。超深为使梯段底部不留下残埂影响施工机械正常作业，钻孔深度需大于开挖梯段高度，超深一般取30%的抵抗线长度；超深一般控制在50cm 以内。

（6）堵塞长度。堵塞长度根据现场岩石状况确定，一般取2m。

（7）单位耗药量。由现场岩石状况及已有的施工经验，经现场实验确定单位耗药量Q=0.45kg/m3。

（8）单孔装药量。按炮孔负担爆破岩石的体积计算单孔装药量，即Q=qaWH。

（9）炮孔布置方式和起爆方式。炮孔在平面上按梅花型或矩形布置；起爆顺序采用自临空面按排序逐排起爆的方式，局部采用楔型和奇偶型起爆方式。

（10）起爆方式及爆破网络。采用毫秒微差爆破，孔内延时。在爆破规模较大孔内延时不能满足要求时，采用孔外延时，爆网络采用双管复线联网，每个孔内装2 个同段导爆管，其中一个装在药柱底部，一个装在药柱中间。2 个导爆管分别联在不同的主导爆索上，这样可提高爆破网络安全性，防止产生瞎炮。

以上所述为左坝肩及右基坑开挖方案，右坝肩左基坑开挖方案与上述相同。

（五）地基开挖主要机械设备

地基开挖主要机械设备如表9-3。

表9-3　地基开挖主要机械设备配备表