岩石非爆破开挖施工方案的选择与实践

袁 芳 景晓春 刘兴华

（西北勘测设计研究院有限公司 陕西 西安 710065）

本供水工程为解决某水电站移民集镇2万移民的生产生活饮水。在工程施工过程中，因移民不同意爆破开挖，导致工程施工进度极度缓慢，为提高施工进度，保证工期，建设各方做了很多努力，经历了对设计方案的优化选择、施工方案的多方位比选、不同施工机械的多种尝试等艰难过程，最终找到了适合的施工方法和机械，提高了施工效率，保证了工期，为电站顺利下闸蓄水提供了有力保障。

1 工程概况

该水电站移民集镇供水工程是2万移民的供水工程。工程设计年限15年，最高日用水规模4603m3/s。

工程分两期建设，一期为泉水水源；二期为水水源。工程主要建包括：水厂基础设施、取水工程、净水工程、输水工程及电气设备五部分。

工程主要内容有：取水泉室3座、泉室至一级泵站管线DN300钢管86.6m，DN400钢管119.4m，一级泵站、一级泵站至水厂管线DN250钢管205.6m，水厂、水厂至1#高位水池管线 DN250 钢管 298m，1#、2#、3# 高位水池，1#高位水池至2#高位水池管线DN250管道1285m，1#高位水池至3#高位水池管线DN225管道2920m。

2 施工难点

在施工工程中，主要的技术难点集中在了1#高位水池的石方开挖。1#高位水池位于水源点东北侧山体缓坡地带，岩性为浅灰色厚层灰岩、结晶灰岩，岩石坚硬，裂隙较发育，地表局部有少量坡积及植被覆盖。山体自然边25°～36°，场地地势向南倾斜。该斜坡地带边坡稳定性好，地基承载及变形模量高，地下水埋藏深，适合修建水池等相应配套设施及建筑物。1#高位水池施工图设计为2座600m3清水池，其功能是向2#和3#高位水池输水为整个移民集镇供水工程的输水咽喉。

由于位于水源北侧山体上方的输电铁塔基础深孔爆破，造成水源泉眼出水量减小，水质混浊。该事件发生后，附近居民强烈要求水源附近石方开挖禁止爆破施工，因此，本工程的施工难点为1#高位水池石方开挖必须采用非爆破方法开挖。

3 设计方案优化选择

为解决1#高位水池石方开挖困难，首先设计单位对其设计方案进行了优化选择，尽力寻求在保证功能的前提下，最易于施工的方案，先后提出水塔方案和调整1#高位水池位置两个方案。针对提出的两个方案对其可行性进行了分析：

（1）水塔方案

如果调整为水塔设计方案，必须重新选址，同样存在施工便道石方开挖和水塔基础石方开挖的问题；而且水塔方案工程技术难度较大、结构复杂，安全要求高，必须重新选址，做相关的地质详堪资料，进行新的征地；原设计水池采用的是国家标准水池，若调整为非标准水塔，需通过一系列结构计算论证其安全可靠性。以上工作内容，在短时间内很难完成，无法保证工期。

（2）调整1#高位水池位置

1#高位水池担负着向2#和3#高位水池输水的功能，可调整偏移的区域有限，仍旧存在石方开挖的问题；若要大幅度调整平面位置，不但要重新选址做详细的地质勘查工作，还要重新开挖施工便道，重新进行二级泵站设计，且水厂二级泵站内设备需要重新选型（设备已经安装），同时涉及新的征地的问题，工期很难保证。

通过对以上两个方案的研究和对比，结合工期考虑，都不能保证如期完成，故工期紧、任务重的情况下，不宜调整设计方案。

4 施工方法选择

在设计方案不宜调整的前提下，施工方案的选择经历了以下三个阶段:

4.1 破碎机

破碎机是利用液压高频率的冲击破碎既大又硬的脆性物体，如建筑混凝土、大块的石头、混凝土路等等。

首先，采用破碎机对1#高位水池施工便道进行石方开挖施工。施工便道全线总长约450m，但由于沿线岩石质地坚硬，虽然施工便道沿线岩石裂隙发育，但每天只能开挖不到10m3，施工进度缓慢。

4.2 劈裂机+破碎机

由于破碎机施工进度缓慢，后改为液压劈裂机施工。液压劈裂机是代替常规的爆破及破碎锤作业的一种机械，具有轻便、灵活、效率高、使用简单安全等特点，主要用于开采规整石料和开凿矿井及隧道。

液压劈裂机结合凿石机（风钻）使用，开采规整石料50m3/台·天～100m3/台·天，一般石方破裂（如1#高位水池施工便道的石方开挖）每天200m3/台～400m3/台，破裂不包括石方剥离及弃运。但使用劈裂机提高石方开挖效率，必须先将石方开挖坡面打开缺口后，再进行逐层剥离。

运用劈裂机后，开挖效率明显提高，但当在剥离第一层弱风化岩石后，下部岩石石质明显变硬，配合劈裂机作业的凿石机打孔困难，凿孔时间延长致使施工进度缓慢，不能保证工期。

在石质坚硬情况下，使用劈裂机效率下降的原因主要有：①未根据岩石节理顺岩石节理开挖临空面；②凿石机凿孔位置未垂直于岩石节理；③岩石凿孔设备落后，遇到坚硬岩石，凿孔困难与劈裂机开石效率不相匹配。

4.3 岩石切割机+破碎机

针对工期紧、任务重的实际情况，承包方委托了非爆破开挖的专业施工单位进行施工。该专业施工方具体施工方法为采用岩石切割机与破碎机结合的方式进行开挖。

切割机由以下几部分组成：翻转台、传动机架、水平切割车、横切装置、横切同步装置、横切上支承装置、液压系统、操纵机电气系统。切割机根据用途的不同分为数控切割机、岩石切割机、板材切割机、墙壁切割机等几大类，已广泛应用于建筑工程、石材加工、建材施工现场为石材、大理石、耐火砖、步道砖、盲道砖等领域，具有切割领域宽、切割速度快，机身体及小，灵活便于操作等优点。

本次施工方案为：测量放线后，先用水墨钻开挖出临空面，然后用切割机将岩石切割成小块，再用破碎机将岩石破碎。采用的主要设备为：岩石切割机（1.6m圆盘，电机 25kW）、330破碎机、水墨钻（LM170型功率5.5kW，钻头 60cm）、水泵（两相2.5kW，100m高扬程潜水泵）、60kW发电机、330装载机、5m3水箱，其中水泵、发电机为辅助设备，水泵主要用来抽水冷却电机，以免切割机电动机发热过高损坏；发电机在停电时用来发电，保证施工持续不断的进行。

最后，1#高位水池采取的具体开挖方法是：将场地分为左右两个工作区，一边作测量放线，水墨钻开挖出临空面，再切割成50cm×50cm小块；另一个工作区采用破碎机破碎岩石、清渣。施工分两班，每班4人，两班轮流，两个工作区互换，白天切割，晚上破碎。详细施工工艺为：①测量放线：测量时先用全站仪放出水池的控制坐标，设置相应桩点，然后采用钢卷尺控制具体的开挖位置；②开挖临空面；③岩石切割：根据岩石的节理走向布置切割位置，间距按照0.5m设置；④机械破碎：采用330破碎机对切割后的岩石进行凿打破碎开挖；⑤清渣、除渣：采用挖机挖出破碎后的岩石，清理工作面，为下一轮的切割做准备。

专业施工单位进场后，每天工作20小时进行交叉（切割与破碎）施工，20日内共计完成挖方总量的40%左右，预计在规定工期前可全部完成。

5 总结

由于工程自身地质条件和施工区周边环境的影响，1#高位水池的开挖被迫采用非常规的开挖方法。在经历了漫长的讨论与尝试，最终采用了切割机加破碎机的施工方法。对比以上三种方法，破碎机适用于坚硬的孤石，对整体性好的岩石施工效果较差；劈裂机是相对专业的开山机械设备（液压劈裂机），先将石方开挖坡面打开缺口后，对其进行震裂逐层剥离，但在本工程中，由于施工人员缺乏经验，没有正确掌握使用技巧，导致没有完全发挥劈裂机的效率；切割机对这种整体性好的岩石切割效率高，切割操作简单，实用性强，配合破碎机后开挖的效率大大提高。

通过对1#高位水池石方开挖方法的选择，可以看出，正确选用施工机械对工程进度的关键性影响。在设计方案最优的前提下，提高工程进度唯一的方法就是确定适用的施工方案，选择高效的施工机械，投入足够的施工力量。另外，施工队伍的专业水平对工程质量、进度都有重要影响。而设计方也应根据工程地理环境、自然环境、工程地质条件等因素寻求最优的设计方案，在满足工程功能要求、安全、经济、合理的情况下，最大限度的便于施工，易于施工，为确保工程建设质量和工程进度提供有力的前提保障。陕西水利

[1]《岩土工程勘察设计规范》（GB50021-2011）[S]．

[2]水利电力部水利水电建设总局组织编． 水利水电工程施工组织设计手册（第二册）[M]． 中国水利水电出版社，1990，2．