喀斯特地貌顺坡裂隙趾板保护层开挖方法与流程

本发明属于水利水电建筑施工领域，涉及混凝土面板堆石坝的大坝趾板的开挖方法，特别是涉及喀斯特地貌的顺坡裂隙趾板保护层和上游边坡开挖方法。

背景技术：

基岩保护层一次爆除法的研究和试验在我国只有二十几年的历史，它的发展相当缓慢，从施工快速、高效的角度看至今还不太成熟，仍然处于不断探索、完善的阶段，因此，还没有被广泛地应用于水工建筑物岩石基础开挖施工中。

五十年代初期,前苏联科学院院士尼.瓦.缅尔尼科夫在“间隔装药爆破”方面作了开创性的研究。同时，瑞典和加拿大学者通过试验提出了周边爆破法——预裂爆破和光面爆破，在岩石中获得了光滑平整的开挖轮廓，各国学者都开始研究其成缝机理·预裂和光面爆破技术的发展逐渐带动了水电系统对开挖边坡及设计轮廓面保护的试验研究工作。1973年葛洲坝工程进行了一系列预裂爆破试验，1974年开始采用预裂爆破开挖边坡，有效地控制了爆破对保留区的不良影响，确保了开挖边坡形状，避免了过大的超挖，加快了施工进度，该施工进度迅速推广到其它各大中型水电工程开挖施工中。

在预裂和光面爆破技术不断成熟的同时，水工建筑物坝基开挖仍然沿用传统的“层层剥皮”式的保护层开挖方法，即对预留保护层采用手风钻钴孔,浅孔火炮分层开挖，并留0.2～0.3m的人工撬挖层。此种开挖方法重复清基工程量大、占用工期长、耗费高，质量也不理想。广大工程技术人员迫切希望改进传统的保护层开挖方法，加快施工进度，便开始尝试把预裂和光面爆破技术应用到保护层开挖中。

在应用预裂、光面爆破技术开挖坝基保护层的同时，为进一步简化施工程序、加快施工进度、减少开挖成本，又引进了垂直爆破孔孔底设置柔性垫层的小梯段毫秒微差爆破技术，1982年长委施工处与长江科学院在万安水利枢纽船闸下闸首应用该技术进行了4组保护层(粉砂岩、砂质页岩)一次爆除试验，1985年又在底孔坝段(中粗粒长石石英砂岩〉进行了4组生产性试验，获得了一定的成果，并在1986年获得原水利电力部科技进步二等奖，该试验的主要成果是：手风钻钻孔一次爆除，采用小梯段、不耦合装药、孔间(排间)毫秒微差起爆、严格控制孔深、孔底加柔性垫层减缓爆破冲击波的破坏作用。

炮孔孔底设复合垫层一次爆除保护层是目前坝基保护层开挖中的一个新的思路，1998年8～10月在三峡大坝二期泄洪及厂房坝段建基面开挖中进行了生产性试验，取得了一定的成果，但效果不是很理想，有待进一步的试验和研究。

国外多数国家为了快速经济开挖建筑物岩石基础，一般预留的保护层厚度较小,保护层的开挖工艺也较为简单,多采用一次控制爆破开挖到建基面，对基础中由于爆破产生的新裂隙和扩张裂隙留待混凝土覆盖完毕后进行固结灌浆补强处理。有的国家甚至没有明确的基岩保护层概念，如瑞典现行的施工规范中就没有明确规定保护层开挖方法，而是采用一种谨慎开挖层的方法；前苏联70年代的规范中就允许岩石纵波波速有一定范围的变化。因此，国外针对基岩保护层的开挖方式进行的研究并不多。

夹岩水利枢纽及黔西北供水工程地处云贵高原,分部着广泛的喀斯特地貌，这里石灰岩层厚度大，分布广。大坝趾板是整个混凝土面板堆石坝的重要防渗结构，而夹岩水利枢纽趾板建基面地质条件相对较差，岩性、地质条件变化大，大多为顺层边坡，岩石风化，节理、裂隙、断层发育且复杂多变，趾板建基面开挖形体尺寸及平整度直接影响基础质量、施工进度以及施工成本。因此，开挖过程中如何控制趾板建基面平整度是个棘手的难题。通常爆破开挖针对岩石情况通过爆破试验优选开挖效果好、成本适中、进度快的爆破工艺。传统技术有两种：一是预裂和光面爆破法，二是预留保护层法——“层层剥皮”式的保护层开挖方法。第一种方法的缺点是：仅适用于基岩比较完整、地质条件较好的坝基，不适用于喀斯特地貌的簿层节理、裂隙、断层发育的坝基。第二种方法的缺点是：重复清基工程量大、占用工期长、耗费高，质量也不理想。

技术实现要素：

本发明根据喀斯特地貌的地质特点，提供了一种喀斯特地貌顺坡裂隙趾板保护层开挖方法。通过该方法将柔性垫层爆破技术与预留保护层开挖有机结合，趾板建基面梯段爆破和上游边坡双聚能预裂光面爆破一起爆破，使爆炸能量在柔性垫层作用下已基本衰减，又通过预留保护层再次衰减，有效防止爆炸能量对建基面造成破坏，起到了双重保护下部岩石的作用。从而保证了趾板建基面的开挖平整度以及基岩完整性。

具体的，本发明提供一种喀斯特地貌顺坡裂隙趾板保护层开挖方法，该开挖方法中采用趾板建基面梯段爆破和上游边坡双聚能预裂光面爆破一起爆破，并结合柔性垫层加预留保护层的梯段毫秒微差爆破法，具体包括如下步骤：

(1)技术交底：趾板建基面开挖技术要求、爆破设计参数、施工要点交底；

(2)测量放样：趾板和上游边坡爆破部位的放样、炮孔点位的确定；

(3)炮孔孔位确认：按照爆破设计复核孔位、孔深，按照放样单核对炮孔间排距是否合格，孔位偏差<10cm；

(4)钻机就位：调整钻机位置，测量孔钻角度，确保角度无误；

(5)钻机开钻、填写钻孔记录；

(6)钻至炮孔深40cm左右时复核并调整钻孔角度；

(7)控制炮孔孔深，钻孔至建基面30～50cm处停止钻孔，预留出30～50cm保护层；如遇特殊地质条件做好相关记录，并考虑是否调整爆破设计；

(8)爆破施工：在装炸药前要复核爆破设计；按爆破设计在炮孔内装柔性垫层、装药、封堵孔、使孔内炸药联网、爆破；

(9)保护层开挖：人工配合镐头机、电锤进行保护层开挖至设计要求。

一些优选的实施方式中，所述炮孔包括位于趾板建基面的第一主爆孔、位于上游边坡附近的第二主爆孔、位于上游边坡附近的缓冲孔和位于上游边坡上的双聚能预裂光面孔；所述缓冲孔和双聚能预裂光面孔均具有一排。

一些优选的实施方式中，第一主爆孔具有一排或多排。第一主爆孔排列的排数可以根据趾板建基面的大小，爆破程度等来设定。

另一些优选的实施方式中，第二主爆孔具有一排或多排。第二主爆孔排列的排数可以根据上游边坡附近的面积大小以及需要爆破的程度来设定。

一些优选的实施方式中，第一主爆孔采用自孔底向上连续装药的装药结构，底部设柔性垫层；第二主爆孔采用自孔底向上连续装药的装药结构，底部无柔性垫层；缓冲孔采用自孔底向上间隔装药的结构，底部设柔性垫层；双聚能预裂光面孔采用双聚能管内连续装粉状药的装药结构，并在底部1m高范围设φ32加强药卷，同时在双聚能管底部设柔性垫层。

一些优选的实施方式中，所述柔性垫层位于预留保护层与炸药装填区之间；在炮孔内装药前先铺设柔性垫层在孔内底部的预留保护层上。

设置了柔性垫层在预留保护层上后，能够在爆破过程中将上部岩石破碎又最大限度的降低对下部基岩的破坏。即第一爆破冲击波通过柔性垫层一次能量衰减，其利用柔性垫层爆破自身的优势(药卷不与孔底直接接触)减少了介质传递爆破冲击的作用，通过预留保护层再次衰减；第二是炮孔及柔性垫层本身的可压缩性较大使爆破压力降低。从而通过上述两点起到了双重保护下部岩石的作用。

一些优选的实施方式中，柔性垫层厚度在30～50cm之间。

一些优选的实施方式中，所述柔性垫层材料选自缓冲材料。柔性垫层的作用主要是缓冲，使爆破冲击缓冲并衰减，因此选用缓冲材质，比如，锯末、泡沫等。

更为优选的实施方式中，柔性垫层材料选自具有中空结构的缓冲材质。其中，具有中空结构的缓冲材质作为柔性垫层，除了材质本身具有缓冲性能，能够减缓爆破冲击，实现能量衰减；中空的结构也能够隔绝冲击波的传递，更有效和快速的使冲击能量衰减，从而，能够保证后续的趾板建基面的开挖平整度以及基岩完整性。比如毛竹制成的中空的竹筒，或者废矿泉水瓶或可乐等饮料瓶等塑料材料。一些具体的实施方式中，所述柔性垫层材料选自废塑料瓶。

一些优选的实施方式中，爆破过程中，根据炮孔孔深及时修正装填炸药高度。

一些优选的实施方式中，技术交底包括自上而下梯段开挖；严禁欠挖，尽量减少超挖；严格控制平整度≤15cm；建基面不得有反坡、倒悬坡、陡坎尖角。

一些优选的实施方式中，技术交底包括还包括爆破设计参数讲解，测量、钻孔、装药、爆破、保护层开挖等施工要点交底。

一些优选的实施方式中，按爆破设计图放出孔位，确定每排炮孔方位角、孔斜，采用喷漆在孔位旁标出孔号；实测各孔的孔口高程；技术员按照孔口高程计算各孔的实际孔深。

一些优选的实施方式中，钻孔过程严格控制孔深。

有益效果

本发明的喀斯特地貌顺坡裂隙趾板保护层开挖方法与常规的预裂爆破和预留保护层爆破开挖相比，预留保护层柔性垫层爆破节约成本，提高了机械利用率及施工进度，为后续施工创造了有利条件。并且，趾板建基面梯段爆破和上游边坡双聚能预裂光面爆破一起爆破，并结合柔性垫层加预留保护层的梯段毫秒微差爆破法，提高了趾板建基面的平整度，减少了超挖，节省了回填混凝土的费用；保护了建基面的完整性，提高了趾板基础的防渗能力。

附图说明

图1为本发明柔性垫层及预留保护层以及上游边坡爆破工艺的炮孔孔位布置及起爆网络图(平面示意图)；

图2为图1的本发明柔性垫层及预留保护层以及上游边坡爆破工艺的纵剖面图(a-a剖面图)；

图3为图1的本发明柔性垫层及预留保护层以及上游边坡爆破工艺的横剖面图(b-b剖面图)；

图4为本发明第一主爆孔装药结构示意图

图5为本发明第二主爆孔装药结构示意图；

图6为本发明缓冲孔装药结构示意图；

图7为本发明双聚能预裂光面孔装药结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明涉及的结构或这些所使用的技术术语做进一步的说明。在下面的详细描述中，图例附带的参考文字是这里的一个部分，它以举例说明本发明可能实行的特定具体方案的方式来说明。我们并不排除本发明还可以实行其它的具体方案和在不违背本发明的使用范围的情况下改变本发明的结构。

本发明中，针对喀斯特地貌的基岩，采用趾板保护层开挖方法，也即预留保护层及柔性垫层爆破施工的开挖方法，其爆破方法采用趾板建基面梯段爆破和上游边坡双聚能预裂光面爆破一起爆破，并结合柔性垫层加预留保护层的梯段毫秒微差爆破法，具体的施工步骤为：

1.技术交底：趾板建基面开挖技术要求、爆破设计参数、施工要点交底；

其中，技术交底中，要求自上而下梯段开挖；严禁欠挖，尽量减少超挖；

严格控制平整度≤15cm；建基面不得有反坡、倒悬坡、陡坎尖角，爆破设计参数讲解，测量、钻孔、装药、爆破、保护层开挖等施工要点交底。

根据该工艺设定炮孔结构，大小，孔排距和位置。一些实施例中，炮孔7包括第一主爆孔9，第二主爆孔10，缓冲孔11，双聚能预裂光面孔14，炮孔7通常为铅垂孔或斜孔。如图2、图3所示，为一个趾板保护层开挖中设计的孔径、孔距和孔深，以及各种孔的排布方式示意图。其中，图2为图1的爆破孔排列的纵剖面图，建基面具有一定的坡度，图3为图1的爆破孔排列的横剖面图，在建基面上具有预留保护层6，预留保护层6上可以设计有柔性垫层2，在其上炮孔7内设有爆破区3.爆破区内装填炸药，然后用石屑回填形成堵塞区4。

2.本发明中，设计的爆破设计为趾板建基面梯段爆破和边坡双聚能预裂光面爆破结合柔性垫层加预留保护层的梯段毫秒微差爆破法。其炮孔的具体的结构如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示。

3.测量放样：趾板爆破部位的放样、炮孔点位的确定；

趾板建基面开挖的测量任务由测量队专人负责，对趾板爆破部位的放样、炮孔点位的确定进行全程跟踪，对数据进行复核计算。

4.炮孔孔位确认：按照爆破设计复核孔位、孔深，按照放样单核对炮孔间排距是否合格，孔位偏差<10cm；

一些实施例中，炮孔7孔径设计为：φ90mm；孔间排距：2m×2m。如图2所示，爆破孔位布置及起爆网络示意图中，炮孔7之间的间排距均为2m，第一主爆孔9、第二主爆孔10的非电雷管5全部引线联网，缓冲孔11、双聚能预裂光面孔14先用导爆索将各孔外露导爆索13连接后再连接一个非电雷管，最终连接到起爆点处。在第二排第一主爆孔9(炮孔7的一种)的内侧还分别布置二排第二主爆孔10(炮孔7的一种)，在第二排第二主爆孔10(炮孔7的一种)的内侧布置一排缓冲孔11(炮孔7的一种)，在最内侧(边坡预裂和光面爆破面)布置一排双聚能预裂光面孔14(炮孔7的一种)。一些实施例中，孔深根据现场孔位测量计算在建基面法线方向留0.5m计算。

5.钻机就位：调整钻机位置，测量孔钻角度，确保角度无误；

一些实施例中，钻孔设备选用液压钻机。

6.钻机开钻、填写钻孔记录；

7.钻至炮孔深40cm左右时复核并调整钻孔角度；

钻至40cm左右时再次检查钻孔角度，及时调整避免误差过大，从而保证炮孔的大小和垂直度。

8.控制炮孔孔深，钻孔至建基面上30～50cm，作为预留保护层；如遇特殊地质条件做好相关记录，并考虑是否调整爆破设计；

钻孔过程严格控制孔深，按测量放样单执行。

9.复核爆破设计；

爆破设计根据炮孔现场检查情况及爆破试验结果做好药量控制，遇到薄弱或破碎带适当减少药量。

按爆破设计在炮孔内装柔性垫层、装药、封堵孔、使孔内炸药联网、爆破；

本发明中，设计的爆破方法为柔性垫层加预留保护层的梯段毫秒微差爆破法。其具体的柔性垫层加预留保护层的工艺及炮孔结构、位置和装填如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示。具体来说，预留保护层6在建基面1上，并且，在预留保护层上设有趾板基础预留面8，炮孔7钻孔至趾板基础预留面8。所述炮孔7中的第一主爆孔9底部设柔性垫层2，柔性垫层2上方为爆破区3.爆破区3内装填炸药，采用自孔底向上连续装药的装药结构，装药完成后用石屑回填形成堵塞区4，最后在孔9上方设非电雷管5，见图4；炮孔7中的第二主爆孔10底部无柔性垫层，爆破区3采用自孔底向上连续装药的装药结构，装药完成后用石屑回填形成堵塞区4，最后在孔10上方设非电雷管5，见图5；炮孔7中的缓冲孔11底部设柔性垫层2，采用自孔底向上间隔装药的结构，见图6，用塑料绳将药卷12、导爆索13绑在毛竹片上形成间隔，导爆索13一端插入孔底药卷12，另一端引出孔11上方，爆破区3装药完成后用石屑回填形成堵塞区4；炮孔7中的双聚能预裂光面孔14采用双聚能管内连续装粉状药15的装药结构，其中并在底部1m高范围设φ32加强药卷18，同时在双聚能管底部设柔性垫层2，见图7，用透明胶将加强药卷18、导爆索13绑在双聚能管上，导爆索13一端插入孔底双聚能管内，另一端引出孔14上方，装药完成后用石屑回填形成堵塞区4。炮孔7底部与建基面1之间设有预留保护层6，该预留保护层6的厚度通常在30-50cm之间，根据具体的地质和爆破设计选择，第一主爆孔9和缓冲孔11以及双聚能预裂光面孔14在装填时，底部先装填柔性垫层2，柔性垫层2选用缓冲材质，比如锯末、泡沫，或者竹筒，或者废矿泉水瓶或可乐等饮料瓶。柔性垫层2太厚的话，会使爆破冲击衰减太多，影响最终的爆破效果，增加开挖的工作量；而柔性垫层2太薄的话，冲击波减缓有限，会造成基岩破坏，影响完整性，因此柔性垫层2的厚度通常在30-50cm之间。柔性垫层2可以使用1～2个φ64mm，长度23cm的废饮料瓶作为垫层。在炮孔7的中部，具有爆破区3，该爆破区3用于装填炸药，比如第一主爆孔9、第二主爆孔10连续装φ70药卷炸药、缓冲孔11间隔装φ70药卷、预裂孔14【连续装粉状炸药(预先装入双聚能管内)】。然后在炮孔7(主爆孔9，主爆孔10，缓冲孔11，预裂孔14)上部，爆破区3上方为堵塞区4，用石屑放置在该区4中堵塞炮孔7，在第一主爆孔9、第二主爆孔10底部接上非电雷管5或用导爆索与炸药捆绑连成一体(缓冲孔、预裂孔)。炮孔7孔底垫层区2及装药过程中爆破员、质检员全程监控，根据孔深及时修正装填高度。具体做法是：装药前，将废矿泉水瓶依次放在炮孔口附近，先检查炮孔深度，然后用手将废矿泉水瓶放入炮孔7中，并用竹棍将矿泉水瓶压入孔底，然后装药、封堵、联网。装药既要减少炸药爆破对建基面的影响，同时又要保证爆破破碎效果，通过试验总结，梯段爆破孔采用自孔底向上连续装药的装药结构，缓冲孔11采用间隔装药结构，双聚能预裂光面孔14采用连续装粉状装药结构。

起爆网络是保证爆破效果的关键之一，其必须保证每个药包均能起爆，而且必须保证按设计顺序(如图1中所示，第1排第一主爆孔→第2排第一主爆孔→第3排第二主爆孔→第4排第二主爆孔→预裂孔→缓冲孔)和设计间隔时间起爆。爆破网络采用孔间微差起爆网络，用非电雷管起爆。起爆网络采用孔外延时，延时长短根据造孔数量确定。起爆顺序沿抵抗线最小的方向依次分段起爆，控制最大一段起爆药量小于100kg。

采用控制爆破技术，控制最大一段起爆用药量，使开挖震动波速严格控制在设计允许的范围内，并密切注意边坡的稳定情况。

一些实施例中，柔性垫层厚度在30-50cm之间。

10.人工配合镐头机、电锤进行保护层开挖至设计要求。

爆破出渣完成后，利用测量仪器检查趾板面欠挖情况，如存在欠挖情况，则采用搞头机将欠挖部分进行破碎并予以清除，然后采用测量仪器复核趾板建基面高程，重复以上工序直至趾板建基面高程和平整度符合设计要求。

趾板建基面上局部存在反坡、倒悬坡、陡坎尖角则采用电锤进行修规。

最后利用人工将结构面上的浮渣、泥土、锈斑、钙膜、破碎和松动岩块予以清除处理，以保证趾板建基面的平整度。

具体实施例：预留保护层柔性垫层爆破施工的应用

针对夹岩大坝趾板建基面地质条件相对较差，岩性、地质条件变化大，大多为顺层边坡，岩石风化，节理、裂隙、断层发育且复杂多变，趾板建基面开挖形体尺寸及平整度要求高，通过多次验证同时考虑到施工方便、经济，选用预留保护层柔性垫层爆破施工工艺。

夹岩大坝趾板建基面预留保护层柔性垫层爆破施工工艺具体为爆破开挖前通过爆破试验确定爆破施工参数：钻孔设备选用液压钻机；孔径采用φ90mm；孔间排距采用2m×2m；孔深根据现场孔位测量计算在建基面法线方向留0.5m计算；底部柔性垫层0.4m，孔底柔性垫层前期使用0.4m左右的毛竹管，几个循环后做了调整，一个孔使用2个废饮料瓶作为垫层+孔底预留0.5m保护层柔性垫层爆破开挖方案。施工过程中严格控制各项施工参数，最终保质保量地完成了河床以上趾板建基面开挖任务。

预留保护层柔性垫层爆破施工工艺的应用，确保了趾板开挖后的平整度。

(1)经统计，夹岩大坝趾板建基面开挖平整度共计检查平整度40组，最大值21，最小值10，平均值13.78，合格35组，合格率为87.5％，可以看出趾板建基面开挖平整度总体控制效果较好，是目前同类工程中开挖超挖量最小的。

(2)根据设计下发的大坝、溢洪道基础开挖及边坡支护施工技术要求，趾板每单元布置1组声波检测孔，每组3孔(三角形布置)，孔距2.1m，孔深12m。对趾板建基面前期勘探的声波成果和开挖完成后的声波测试情况作出对比。前期勘探时声波测试波速4000m/s左右，爆破完成后声波测试21组63个孔，平均波速4187m/s，爆后声波下降率小于10％，满足规范要求，岩面无明显爆破裂隙。

(3)趾板开挖修规后无欠挖，表面平整度小于15cm，受断层和泥夹层等地质原因影响局部超挖较多。爆破未损害岩体的完整性，开挖面无明显爆破裂隙。总体上看趾板开挖形体受控，棱角清晰，建基面平整。

通过以上分析，充分地体现了夹岩大坝趾板基础预留保护层柔性垫层爆破施工工艺的先进性。