土石方明挖施工技术

第七章土石方明挖施工技术
在水电工程施工中，明挖主要是建筑物基础、导流渠道、溢洪道和引航道（枢纽工程具有通航功能时）、地下建筑物的进、出口等部位的露天开挖，为开挖工程的主体。

明挖的施工部署也关系着工程全局，极为重要.依据工程地形特征，明挖的施工部署大体可考虑分为两种类型。

一为工程规模大而开挖场面宽广，地形相对平坦,适宜于大型机械化施工,可以达到较高的强度，如葛洲坝工程和长江三峡工程。

二为工程规模虽不很大，而工程处于高山峡谷之中，不利于机械作业，只能依靠提高施工技术，才能克服困难,顺利完成。

第一节明挖施工规划
一、明挖施工特点
我国水电工程明挖施工一般都具有以下特点：
( 1 )工程量大、部位集中、工期紧.
（ 2 ）开挖深度大，形成的高边坡施工难度大.
( 3 )露天作业受气候和水文条件的影响较大，而事前又难以确定.
（ 4 )工程地质复杂多变，开挖揭示的地质情况常和设计依据的地质条件不符，有较大变化时，就要修正设计，影响到工程进度。

（ 5 )为了加快工程进度，在施工部署中，常采取边浇混凝土、边开挖的方法，施工干扰大。

（ 6 )水工建筑物基础开挖，轮廓复杂,对基岩开挖的要求＋分严格，施工技术要求高，制约开挖进度。

二、明挖施工程序与进度
1 ．施工程序
水利枢纽工程通常由若干单项工程项目组成，如坝、电站、通航建筑物等.安排土石方工程施工程序，首先要划分分部工程和施工工区(段）。

分部工程通常按建筑物划分，如大坝、电站等。

施工区（段）是按施工特性和施工要求来划分的，如船闸可分为上引航道、船闸及下引航道。

区（段）划分除形态特征外,关键还在施工要求方面。

如船闸和引航道在施工要求上就不一样，从工程进度上看，船闸基础开挖后，要进行混凝土工程施工和闸门等金属结构的安装,以及调试等工作，需要较长时间。

引航道一般只有开挖或筑堤，没有或仅有少量混
凝土浇筑,工期相对不甚紧迫。

施工程序上应先挖船闸基础,再挖引航道.在工程质量上,船闸基础开挖质量要求高，必须保证基础岩石的完整性，爆破控制较严格,引航道开挖质量要求,则不太严格。

安排施工区（段）的施工程序，即安排各区（段）的施工先后次序，其主要原则是:
( 1 ）工种多，需要较长施工时间的区（段）应尽早施工；工种少、施工简单、又不影响整个工程或某部分完工日期的区（段）可后施工。

（ 2 ）工种不多但对整个工程或部位起控制作用的区（段)，施工时将给主要区（段）带来干扰，甚至损害，这样的区（段）应先预期工。

例如，峡谷地区大坝的岸坡开挖。

( 3 )本身不是主要区（段），但它先施工可给整个工程或主要区（段）创造便利条件,或具有明显经济效益的区（段)，也应早期施工或一部分早期施工。

( 4 )对其他部分或区（段)无大的影响，又不控制工期的区（段），应作为调节施工强度的区（段），安排在两个高峰之间的低强度时施工。

（ 5 ）各区（段）的施工程序应与整个工程施工要求一致，与施工导流及工程总进度符合。

2 ．施工进度
各分部和施工区（段)的施工程序确定后，即对施工进度进行安
排。

安排施工进度时，必须根据工程的各个部分和区(段）的施工条件及开挖或填筑工程量选择施工方案和机械设备。

依据各区(段）不同高程和位置的工作条件与工作场面大小，估算可能达到的施工强度，计算每个部位需要的施工时间，最后得出各部分和区（段)的总施工进度计划。

施工场面较大，施工条件方便,施工时间较长而强度不大的区（段)，可按其中等条件进行粗略估算。

对施工条件较差、施工时间较短、施工强度大的控制性区（段），应该按部位和高程分析其可能达到的施工强度和需要的施工时间。

最后按施工程序和各分部或区（段）需要的施工时间，作出土石方工程的进度计划。

土石方，工程施工进度反映出各分部工程和各区（段）的施工程序，施工的起止时间和施工强度。

实际上也决定了施工方法、机械设备数量及机械的规格型号。

除上所述,安排施工进度时必须考虑下述条件:
（ 1 ) 土石方工程施工进度必须与整个工程的施工总进度一致,按工程总进度要求按期完成，如果某部分实在不能在总进度规定时间内完成，应修正总进度.
（ 2 ）应考虑气候条件，特别是土料施工时，应考虑雨季、冬季（冰冻）对施工的影响。

在此期间是停工或是采取防护措施，应进行分析比较而定。

( 3 )应考虑水文条件，特别是山区河流的洪水期与枯水期水位
变化很大,某些部位可尽量利用枯水期低水位时施工，尽量减少水下施工或建筑围堰,以节省施工费用。

( 4 )主要建筑物基础处理一般都比较费时间，基础施工要求严格，有时遇有断层、破碎带或洞室溶穴需要处理，安排进度应留有余地。

( 5 )在料场距离远，道路坡度大的山区，堆石坝填筑的最大施工强度，往往受道路昼夜允许行驶的车辆车次控制。

三、明挖施工方案选择
土石方工程施工方案的选择必须依据施工条件、施工要求和经济效果等进行综合考虑，具体因素有如下几个方面.
(1）土质情况。

必须弄清土质类别，是粘性土、非粘性土或岩石，以及密实程度、块体大小、岩石坚硬性、风化破碎情况。

(2）施工地区的地势地形情况和气候条件，距重要建筑物或居民区的远近。

（3)工程情况。

工程规模大小、工程数量和施工强度、工作场面大小、施工期长短等。

（4）道路交通条件。

修建道路的难易程度、运输距离远近。

(5）工程质量要求。

主要决定于施工对象，如坝、电站厂房及其他重要建筑物的基础开挖、填筑应严格控制质量。

通航建筑物的引航道应控制边坡不被破坏,不引起塌方或滑坡。

对一般场地平整的挖填有时是无质量要求的。

（6）机械设备。

主要指设备供应或取得的难易、机械运转的可靠程度、维修条件与能力。

对小型工程或施工时间不长时,为减少机械购置费用,可用原有的设备。

但旧机械完好率低、故障多,工作效率必然较低，配置的机械数量应大于需要的量，以补偿其不足。

工程数量巨大、施工期限很长的大型工程，应该采用技术性能好的新机械,虽然机械购置费用较多，但新机械完好率高，生产率亦高，生产能力强，可保证工程顺利进行.
( 7 )经济指标.当几个方案或施工方法均能满足施工要求时，一般应以完成工程施工所花费用低者为最好.有时，为了争取提前发电，经过经济比较后，也可选用工期短费用较高的施工方案.
四、土石料的利用与调配
水利水电工程有土石方开挖（基础开挖或料场开挖）料和土石方填筑料，以及其他用料（如开挖料作混凝土骨料等）。

另外，开挖土石料中一般有不能利用的废料,或用不完的剩余料等,将弃置于弃料场。

开挖的土石料的利用和弃置,不仅只是数量的平衡即空间位置上的平衡,而且有时间因数和经济效益等。

1 ．开挖料的利用
开挖的土石料可用来作堤坝的填料,混凝土骨料或平整场地的填料。

前两种利用质量要求较高，场地平整填料一般没有太多的质量要求。

堤坝材料的质量要求在土石坝设计规范和水工结构设计中有规
定,混凝土骨料也有规定。

开挖的土石料是否符合其要求，应通过试验研究确定.
除储量较大地超过用料量以外,可利用量都需依据施工方法和材料在地层中的分布情况仔细计算。

按地质断面计算的是材料的开挖量（储量)，机械化施工多是分层（梯段）开挖,在材料层的顶部或底部的一层开挖时，可能兼有可用料与不可用料(混杂料），这一部分中的可用料将作为弃料或其无质量要求的填料,可叫做开挖损失量.损失量的多少,可依据开挖层的厚度而定，开挖层厚度小，损失量少，否则损失量大，通常可按开挖层的50%计。

因此在储料层顶部的开挖损失量是开挖面积乘0。

5 倍开挖层厚度。

除此以外,还应考虑堆存损失、运输损失、加工损失等。

2 ．土石方调配
所谓调配就是要将基坑或料场开挖的土石料合理地用于各填筑或弃料区。

理论上讲调配是否合理的主要判断指标是运输费用,费用花费最少的方案就是最好的调配方案。

也可以按t 或m3(km3）来衡量.当开挖区或采料场数量较少，而填筑区或弃料场也很少时，这种调配很简单。

反之，调配就可能很复杂。

对于较复杂的问题，可采取简化措施，例如在土石坝施工中，可分为粘土、砂砾料和块石等几个独立部分来考虑。

土石调配可按线性规划进行。

设有开挖基坑m个，为R1, R2，…, R m；弃料场n个,为J l， J2，…，J n。

令b i表示基坑（i=1，2,…，
m)开挖出的土石方量；a j表示弃料场j ( j＝1，2,…，n)可堆弃的土石方量。

C ij表示基坑i分配给弃料场j 的土石方的单价(表7— l)，可用如下矩阵表明。

3 ）格加入一个单位量，相应地在(l ， 2 ）格减少一个单位量,使1 号基坑量保持13 万m3，相应地要2 号弃料场保持8 万m3 ,则需
在（2 , 2 ）加入一个单位量.同样,2 号基坑16 万m3，则（2 ' 3 ）应减去一个单位量.因之其回路为（l , 3 )→( l , 2 )→（ 2 ， 2 ）→（ 2 , 3 )→( l , 3 ） ,相应地,伴随的单位补偿为8—9 + l—7 ＝-7 ,同样各非基本格的回路和单位补偿列于表7-4 中。

伴随的单位补偿是增加一个或减少一个单位量时，运距值的变化，即是分配变化后运距总值的变化,表7—4 中非基本格（l ， 3 ）增加一个单位量,而总运距将减少7 个单位。

表7—3 中格位运距乘分配数量的总和为Z=10×3 + 3×9 + 5
×l + 11×7 + l×4＋l6×5=223°伴随的单位补偿值为零时，Z正
值不变，为正数时Z值增大，为负数时Z 值减小，非基本格位(l , 3 ）为-7 ，是有利的，按此首次迭代后的分配如表7-4 所示。

选表7—5 中的非基本格同前一样使其入基本格，得出表7—6。

可以看出其伴随的单位补偿均为正数,Z值只能增大,故最好的分配方案是表7－5 ,其z 值为:Z = 10×3 + 3×8 + 8×l +8×7 + l×4 + 16×5 = 202.
以上所述，主要是提供了土石方调配的一种方法。

实际工程中，为了充分利用开挖料,减少二次转运的工程量,土石方调配，需考虑许多因素，如围堰填筑时间、土石坝填筑时间和高程、厂前区管道施工工序、围堰拆除方法、弃渣场地（上游或下游）、运输条件(是否过河，架桥时间）等，所以是一项细致的工作.合理的土石方调配对工程的造价、施工进度等起着重要作用。

3．堆料场和弃渣场
（1）堆料场。

堆料场是指堆存备用土石料的场地，当基坑和料场开挖出的土石料需作建筑物的填筑用料，而两者在时间上又不能同时进行,就需要堆存，堆存时应注意以下几点：
①易堆易取,特别是料源较缺乏时,能将堆存的土石料全部取出，尽量减少损失。

②防止水、污染杂物混入料堆,致使堆存材料质量降低，特别是处理好的土料,必须防止雨水和地表水流渗入土堆内，使土料含水量增大，给以后使用带来麻烦.
③当有几种材料时应分几个场地堆存.如有二三种料堆在一个堆场,应尽量分隔开，避免混杂。

④堆存位置最好在用料地点或料场附近，尽量减少回取运距.
⑤如堆料场在基坑附近，一般不允许占压开挖部位.
利用基坑开挖料作土石建筑物的填料，或做混凝土的骨料是经常可见的。

由于开挖施工工艺问题，常有不合格料混杂,对这些混杂料应禁止送入堆场。

( 2 )弃渣汤.开挖出的不能利用的土石料应做为弃料处理,弃渣场选择与堆弃原则是：
①尽可能位于库区内，这样可以不占农田耕地。

②施工场地范围内的低洼地区可作为弃渣场，平整后可作为或扩大为施工场地.
③弃渣堆置应不使河床水流产生不良的变化，不妨碍航运,不对永久建筑物与河床过流产生不利影响.
④在可能的情况下，应利用弃土造田，增加耕地.
⑤弃渣场的使用应做好规划,开挖区与弃渣场应合理调配，以使运费最少.
第二节岩基开挖施工技术
岩基开挖是岩基处理中最普通、最可靠的方法。

开挖就是按照设计要求，将风化、破碎、有缺陷的岩层挖掉，使坝体修建在完整坚实的岩体上。

几乎所有的混凝土坝工程，都有岩基开挖问题，且岩基开挖的工程量很大，有的基至达到几十万、几百万立方米，需要大量的机械设备、器材、资金和劳力,并占用相当长的工期。

因此，如何又快、又好、又省地进行开挖处理，对于加快水利水电建设，有着相当重要的意义。

进行岩基开挖,通常是在充分具备坝址的工程地质资料、明确水工设计要求的基础上，结合工程的施工条件，由地质、设计、施工几方面的人员一起进行研究，确定坝基的开挖深度、范围及开挖形态.如发现重大问题，应及时协商处理，修改设计，报上级审批。

一、坝基开挖的特点
在水利水电工程中坝基开挖的工程量往往达数万立方米，甚至达数十万、百万方，需要大量的机械设备(钻孔机械、土石方挖运机械等),器材、资金和劳力。

工程地质复杂多变，如节理、裂隙、断层破碎带、软弱夹层和滑坡等,还受到河床岩基渗流的影响和洪水的威胁，因而占用了相当长的工期,从开挖程序来看又属多层次的立体开挖作业.因此，经济合理的坝基开挖方案及挖运组织，对安全生产和加快工程进度，具有重要的意义。

二、坝基开挖程序
岩基开挖要保证质量，加快施工进度，做到安全施工，必须要按照合理的开挖程序进行。

开挖程序因各工程的情况不同而不尽统一,但一般都要以人身安全为原则，遵守自上而下、先岸坡后基坑的程序进行，即按事先确定的开挖范围,从坝基轮廓线的岸坡部分开始，自上而下，分层开挖,直到坑基，图7－1 为某水电站主坝坝基开挖程序。

对大中型工程来说，当采用河床内导流分期施工时，往往是先开挖围护段一侧的岸坡,或者坝头开挖与一期基坑开挖基本上同时进行，而另一岸坝头的开挖在最后一期基坑开挖前基本结束。

对一段中、小型工程，由于河道流量小，施工场地紧凑，常采用一次断流围堰（全段围堰）施工.这样，一般是先开挖两岸坝头，后进行河床部分基坑开挖。

对于顺岩层走向的边坡、滑坡体和高陡边坡的开挖，更应按照开挖程序进行开挖。

开挖前，首先要把主要地质情况弄清，对可疑部位应及早开挖暴露并提出处理措施。

一些小型工程，为了赶工期也有采用岸坡、河床同时开挖的。

这时由于上下分层作业，施工干扰大，要特别注意施工安全。

河槽部分采用分层开挖逐步下降的方法。

为了增加开挖工作面，扩大钻孔爆破的效果，提高挖运机械的工作效率，解决开挖施工中的基坑排水问题，通常要选择合适的部位先抽槽，即开挖先锋槽。

先锋槽的平面尺寸以便于人工或机械装运出碴为度，深度不大于向下实际
挖深的2/3 （即预留基础保护层)，随后就利用此槽壁作为爆破自由面,在其两侧布设有多排炮孔进行爆破扩大，依次逐层进行.当遇有断层破碎带,应顺断层方向挖槽，以便及早查明情况，作出处理方案。

抽槽的位置一般选在地形低较、排水方便及容易引入出碴运输道路的部位，也可结合水工建筑物的底部轮廓，如截水槽、齿槽部位布置,但截水槽、齿槽的开挖应做专题爆破设计。

尤其对基础防渗、抗滑稳定起控制作用的沟槽,更应慎重地确定其爆破参数,以防因爆破原因而对基岩产生破坏。

三、坝基开挖深度
坝基开挖深度,通常是根据水工要求按照岩石的风化程度（强风化,弱风化,微风化和新鲜岩石）来确定的.坝基一般要求岩基的抗压强度约为最大主应力的20 倍左右，高坝应坐落在新鲜到微风化下限
的完善基岩上，中坝应建在微风化的完整基岩上，两岸地形较高部位的坝体及低坝可建在弱风化下限的基岩上。

岩基开挖深度，并非一挖到新鲜岩石就可以达到设计要求，有时为了满足水工建筑物结构形式的要求,还须在新鲜岩石中继续下挖。

例如，高程较低的大坝齿槽，水电站厂房的尾水管部位等。

有时为了减少在新鲜岩石中的开挖深度，提出改变上部结构形式,以减少开挖工程量.例如，黄龙滩水库工程的导流底孔，原设计底板厚度为5m ，后将其修改为厚lm 的脱开底板,如图7—2 所示,使开挖深度大为减少。

总之，开挖深度并不是一个多挖几米少挖几米的简单问题,而是涉及到大坝的基础是否坚实可靠,工程投资是否经济合理，工期和施工强度有无保证的大问题。

四、坝基开挖范围的确定
一般水工建筑物的平面轮廓，就是岩基底部开挖的最小轮廓线。

实际开挖时,由于施工排水、立模支撑、施工机械运行以及道路布置等原因，常需适当放宽,扩挖的范围视实际需要而定。

实际工程中放宽的距离,有从几米甚至到几＋米的。

坝基开挖的范围，必须充分考虑运行和施工的安全。

随着开挖高程的下降，对坡(壁）面应及时测量检查，防止欠挖，并避免在形成高边坡后再进行坡面处理。

开挖的边坡一定要稳定，要防止滑坡和落石伤人。

如果开挖的边坡太高,可在适当的高程设置平台和马道，并修建挡碴墙和拦碴栅等相应的防护措施。

近年来,随着开挖爆破技术的发展，工程中普遍采用预裂爆破来解决或改善高边坡的稳定问题。

在多雨地区，应十分注意开挖区的排水问题，防止由于地表水的侵蚀,引起新的边坡失稳问题。

开挖深度和开挖范围确定之后，应绘出开挖纵、横断面及地形图，作为基础开挖施工现场布置的依据。

五、地基开挖形态
重力坝坝段，为了维持坝体稳定，避免应力集中，要求开挖以后的基岩面比较平整，高差不宜太大，并尽可能略向上游倾斜，如图7－3 所示。

岩基岩面高差过大或向下游倾斜，宜开挖成一定宽度的平台。

平台面应避免向下游倾斜，平台面的宽度以及相邻平台之间的高差，应与混凝土浇筑块的尺寸协调。

通常在一个坝段中,平台面的宽度约为坝段宽度的1／2－1／3左右,如图7－4 所示。

在地形较陡的岸坡坝段，还应根据坝体侧向稳定的要求，在坝轴线方向也开挖成一定宽度的平台，如图7－5 所示。

拱坝要径向开挖，因此岸坡地段的开挖面将会倾向下游。

在这种情况下，沿径向亦应设置开挖平台。

拱座面的开挖，应与拱的推力方向垂直，以保证按设计要求使拱的推力传向两岸岩体.
支墩坝坝基，同样要求开挖比较平整，并略向上游倾斜。

支墩之间高差太大时，应该使各支墩能够坐落在各自的平台上，并在支墩之间用回填混凝土或加撑墙等结构措施加固，以维护支墩的侧向稳定。

遇有深槽或凹槽以及断层破碎带情况时，应作专门的研究,一般要求挖去表面风化破碎的岩层以后，用混凝土将深槽或凹槽以及断层
破碎带填平，使回填的混凝土形成混凝土塞和周围的基岩一起作为坝体的基础。

为了保证混凝土塞和周围基岩的结合，还可以辅以锚筋和接触灌浆等加固措施。

六、坝基开挖的现场布置
（ 1 ）坝基开挖深度。

一般是根据工程设计提出的要求来确定的。

在工程设计中，不同的坝高对基岩的风化程度的要求也不一样,高坝应坐落在新鲜微风化下限的完整基岩上。

中坝应建在微风化的完整基岩上。

两岸地形较高部位的坝体及低坝可建在弱风化下限的基岩上。

( 2 )坝基开挖范围。

在坝基开挖时，因排水、立模、施工机械运行及施工道路布置等原因，使得开挖范围比水工建筑物的平面轮廓尺寸略大一些,岩基底部扩挖的范围应根据实际需要而定。

实际工程中放宽的距离，一般以几米到十几米不等。

基础开挖的上部轮廓线应根据边坡的稳定要求和开挖的高度而定，如果开挖的边坡太高，可在适当高程设置平台和马道，并修建挡碴墙等防护措施。

( 3 ）坝基开挖形态.重力坝的坝基开挖形态应以利于坝体稳定,避免应力集中为原则,要求开挖后的基岩面比较平整，并尽可能略向上游倾斜。

当基岩面开挖高差过大或向下游倾斜时，可开挖成一定宽度的平台。

平台面应避免向下游倾斜,平台面的宽度以及相邻平台间的高差，应与混凝土浇筑块的尺寸协调。

一般平台面的宽度为坝体宽度的1/2 －1/3 ,如图7—6 所示。

在地形较陡的岸坡坝段，还应根据坝体侧向稳定的要求,在坝轴线方向也开挖成一定宽度的平台,如图7-7 所示。

拱坝的坝基开挖形态除了和重力坝相同的要求外，还要求岩基作径向开挖.拱座面的开挖,应与拱的推力方向垂直，以保证设计要求使拱的推力传向两岸岩体.
七、岩基开挖施工
岩基开挖主要是用钻孔爆破，分层向下，留有一定保护层的方式进行开挖。

坝基爆破开挖的基本要求：保证质量，注意安全，方便施工.
保证质量，就是要求在爆破开挖过程中,防止由于爆破震动影响而破坏基岩，防止产生爆破裂缝或使原有的构造裂隙有所发展；防止由于爆破震动影响而损害已经建成的建筑物或已经完工的灌浆地段。

为此，对坝基的爆破开挖提出了一些特殊的要求和专门的措施.
为保证基岩岩体不受开挖区爆破的破坏,应按留足保护层（系指在一定的爆破方式下,建筑物基岩面上预留的相应安全厚度）的方式进行开挖。

当开挖深度较大时，可采用分层开挖。

分层厚度，可根据爆破方式、挖掘机械的性能等因素确定。

遇有不利的地质条件时，为防止过大震裂或滑坡等，对爆破孔深和最大装药量,应根据具体条件由施工、地质和设计单位共同研究，另行确定。

开挖施工前，应根据爆破对周围岩体的破坏范围及水工建筑物对基础的要求，确定垂直向和水平向保护层的厚度.不具备试验条件时，可参照表7—7 选取.。