三峡船闸地面工程开挖支护施工技术综述

    1、主要施工技术难题
    三峡船闸是目前世界上规模最大、水头最高、结构最复杂的双线五级连续船闸，在左岸山体经人工深槽开挖爆破并对边坡岩体进行锚固后，再衬砌超薄混凝土墙，形成人工建设的一段新的长江航道。航槽最大开挖深度170m（直立墙最大开挖深度68m）,中间保留57m宽的岩体中隔墩，两线船闸分五个梯级，单线船闸岩槽宽37m，两线船闸中心线相距94m。闸首和闸室段（简称主体段）全长1 621m，航槽开挖锚固后形成双线四面长深陡高直立边坡。在两侧边坡山体内部布置有多层排水洞，在两侧边坡下面和中隔墩的岩体内开挖有输水隧洞和阀门竖井。
    三峡船闸地面工程开挖锚固的工程特性和主要施工难题：
    （1）开挖锚固工程量大，施工强度高，工期紧。土石方开挖4 196万m3，预应力锚索4376束，高强锚杆9.3万根，以及大量的边坡喷护、随机锚杆支护等。
    （2）施工项目多，场地窄，立体交叉作业，干扰大。特别是在二期深槽开挖锚固施工期间，在两条长深窄槽内同时进行开挖锚固，并受地下洞井施工制约，在开挖后期还同时进行主体段衬砌混凝土浇筑，多项目间施工干扰极大，施工布置特别是施工道路布置困难。
    （3）结构复杂，技术要求高，施工工艺要求严格。为节省岩石开挖和混凝土浇筑的工程量，岩槽形体结构为纵横向均为台阶状的闸槽直立边墙、凹形闸首段、条形及阶梯状的中隔墩，直角多，拐点多，槽、沟、坎、口井形态不规则。为保持边坡岩体的完整性，对开挖施工程序、开挖爆破对边坡岩体的震动影响进行了极为严格的限制。为满足结构布置要求，保证边坡加固效果，对建基面超欠挖和锚固施工参数、开挖锚固施工程序进行了严格要求。
    （4）施工期安全问题突出。船闸边坡岩体受开挖卸荷和爆破震动的双重作用，复杂的形体结构对较复杂的工程地质条件反应敏感，边坡不稳定块体、不稳定块体塌滑和小型稳定块体松动掉块，出现的概率较大；受开挖施工影响和工期紧的限制，对边坡岩体的加固，特别是中小型不稳定块体的锚固，难以全部及时实施；施工期边坡安全问题突出。持续大规模的开挖爆破，高排架锚固施工，多项目立体交叉作业，施工作业安全问题突出。
    2、快速开挖施工技术
    （1）选用先进的钻爆、挖装、运输设备。主要采用阿特拉斯、古河、英格索兰等先进快速液压钻孔设备，4～9.5m3正铲、3～5m3装载机等大斗容、先进挖掘设备，大马力推土机集渣设备，20～42t大吨位运输设备，进行梯段开挖。为提高装药工效和爆孔装药量，减少了爆破钻孔，在槽顶以上揭顶开挖爆破施工中，应用了混装炸药车装药技术。在施工过程中，根据施工强度和出渣流向，合理布置施工道路和安排开挖工作面，优化开挖设备组合和综合利用，加强施工设备的维修与保养，提高设备的综合利用率。
    （2）采用中部掏先锋槽及“先槽后井”的方式，实现快速入槽梯段开挖。在槽顶以下深槽开挖中，采用深槽中部掏先锋槽、两侧预留侧向保护层，进行入槽梯段钻爆，两侧预留保护层开挖及时跟进。对竖井开挖工期滞后的部位，闸槽开挖以窄槽形式通过竖井部位，即采用“先槽后井”的入槽方式，为船闸开挖争取了半年以上的工期。对因边坡锚固施工占压开挖工作面的部位，在保证边坡稳定的前提下，在占压面的另一侧以窄槽形式入槽通过。
    3、直立深槽开挖控制爆破与建基面成型开挖技术
    3.1深槽开挖与支护施工程序
    同级两线闸槽平行下挖，一线闸槽领先时不超过另一线闸槽开挖一个梯段，相邻开挖工作面高差不大于一个梯段。输水隧洞及其施工支洞开挖超前相应同区段闸室明挖，竖井开挖在闸墙顶平台形成后进行、闸槽开挖以滞后竖井开挖不少于一个梯段为原则（即“先井后槽”原则）。对竖井制约段，因竖井钻爆施工方法由原潜孔钻钻爆改变为采用导井法、手风钻钻爆，经现场爆破试验论证，闸槽开挖以窄槽形式通过竖井部位，与竖井开挖同时下挖或闸槽超前下挖，竖井与闸槽开挖部位之间至少保持30m的水平距离，即“先槽后井”入槽方式。闸室槽挖采用掏槽爆破的施工方式，其施工程序为：两侧预留3.0～5.0m侧向保护层，先进行先锋槽深孔梯段微差爆破，然后再进行侧向保护层光面爆破。
    用于防止地表水入渗的封闭混凝土及喷混凝土随船闸首层槽挖及时跟进，对直立边坡岩体起到较好锁固作用的锁口支护在边坡岩体即时变形完成后与开挖同梯段及时跟进，随机锚杆支护随开挖及时跟进。锚索加固原则上与开挖梯段隔一梯段实施；用于临时性支护的锚索施工随开挖同梯段及时跟进。高强结构锚杆施工考虑到其材质、结构型式以及开挖爆破影响等多方面因素，锚杆造孔施工根据开挖工作面的情况适时进行，锚杆安装原则上在相邻一定范围内开挖结束后、按先闸首及其相邻段后闸室段分区进行。
    3.2 深槽开挖爆破控制技术
    经现场爆破试验，按照掏槽爆破增加施工预裂（光面）爆破、两次缓冲、两次预裂（光面）控制爆破新思路，三峡船闸37 m宽直立深槽采用双重缓冲、双重光面爆破技术，先中间抽槽（即先锋槽），然后进行侧向保护层、槽顶保护层和底部保护层的开挖施工。闸室开挖宽度37m，抽槽宽度20～24m，一侧预留侧向保护层3m（首层预留5～8m，第二层以下地质条件差的部位预留5m），另一侧预留施工道路（含侧向保护层）10～12m；梯段高度8～10m。首层竖井制约段采用“先槽后井”施工程序开挖，其先锋槽的宽度按15～17m控制。为使预留的侧向保护层相对整齐、完整，以保证直立边坡的开挖质量，先锋槽开挖或扩挖时，在侧向保护层边线上布置有施工预裂或施工光爆孔。
    广泛应用微差起爆技术，优化爆破设计，有效控制单响爆破药量和起爆顺序，单孔单响或两孔一响的“V”型或斜线形起爆，提高被爆岩体破碎程度，同时减小爆破振动对边坡岩体的破坏程度。
    三峡船闸槽挖单响药量和爆破振速控制指标如下表所示。

    三峡船闸槽挖单响药量和爆破振速控制指标表
    3.3 直立边坡成型及水平建基面开挖技术
    针对直立边坡成型开挖进行了专项现场试验研究，选用了国内外有关合适钻机进行一次钻30 m或60 m深孔的钻孔试验，结果表明采用一次钻孔、分段爆破开挖成型方案在技术和经济上均不可行。而直立边坡采用小孔径小梯段爆破施工技术，有效地保证高陡边坡成孔质量，使船闸结构形体符合设计要求，侧向保护层光面爆破技术，可确保边坡成型和岩体稳定。直立墙边坡预留侧向保护层原则上全部采用手风钻分层钻爆，为加快施工进度，槽挖第一层的侧向保护层岩体开挖及直立坡预裂或光面爆破成型可采用潜孔钻钻爆。水平保护层开挖均采用手风钻水平光爆一次成型技术。
    4、高边坡快速安全支护施工技术
    4.1 按施工程序及时加固边坡
    在施工过程中，为保证边坡安全，按照开挖施工避让支护施工的原则，严格按照开挖与支护施工程序，及时采取喷护、混凝土封闭进行边坡表面防渗，锁口锚杆实施锁口支护，随机锚杆加固表层岩体，锚索及锚桩加固不稳定块体。在开挖基本结束后实施的高强锚杆，在导致岩体变形和破坏的主要因素（开挖）不复存在的条件下，可以起到比锁口锚杆和随机锚杆更好的锚固效果。
    4.2 预应力锚索施工技术
 &2000nbsp;  针对船闸施工条件和高精度、大孔径、水平长锚索孔的成孔技术要求，研制了高精度轻型快速水平钻机及机具，采用DKM-1型、MZ-165型、MGJ-50型等主要型号钻机，高排架作业，实现了锚索快速成孔。并研究解决了高精度锚索孔的孔斜检测技术。
    对锚索的施工工艺进行了全面、系统的试验和研究，特别是对锚索材料检测、浆材配合比、止浆环工艺、注浆系统改进、水平长锚索的穿索工艺等，进行了大量的现场分析和试验研究，形成了一套成熟的施工工艺，制订了详细的操作实施细则。通过锚索验收试验研究，解决了船闸4 376束锚索的验收试验标准，制订了相应的实施细则与技术要求。
    4.3 高强锚杆施工技术
    全面系统地研究和解决了高强锚杆成套施工技术。研制了高精度、轻型快速水平锚杆钻机，适用于钻水平孔或缓倾角的锚杆孔，在孔径为60～90mm、孔深15m内有极大的优势，满足了永久船闸直立坡上高强锚杆高强度、大面积施工要求。确定了高强锚杆施工工艺流程，包括确定孔口封堵材料、托架（居中环）形式、自由段防腐处理后的封闭材料和工作流程等；解决了高强锚杆喷锌、双层环氧树脂涂层防腐处理工艺及检测技术；引进冷挤压套筒连接技术，解决了高强锚杆连接技术；研究确定了施工质量检测技术和验收标准；制订了详细的操作实施细则。并为了解锚杆工作状态，进行了锚杆反复张拉、锚杆抗剪试、锚杆与混凝土联合工作等锚固效果的试验和研究。
    4.4 通过边坡安全监测指导施工
    通过爆破震动监测、边坡变形监测、边坡应力监测等边坡安全监测，分析边坡安全，对指导边坡开挖与支护起到了积极的作用。
    5、结语
    经过技术攻关和工程实践，采取上述综合施工技术，三峡船闸地面一、二期开挖与支护工程，已安全、按期、优质完成，开挖施工质量优良，边坡支护施工符合设计要求。在现有的施工技术水平的条件下，三峡船闸高边坡开挖与锚固这一施工技术难题，已得到较为成功的解决。对高边坡开挖支护施工技术的发展，愿意作这样一个展望：可探讨混装炸药车装药技术在高边坡开挖爆破中更大范围的推广应用，提高劳动效率；可利用现代科学技术，将高边坡开挖支护施工数字虚拟化，并将工程设计、施工和管理等信息及时反馈，使在开挖过程中的边坡岩体的完整性、稳定性和变形及其控制等可视化。