土石方工程施工的土石分级与开挖技术要点

【水利知识分享】土石方工程施工的土石分级与开挖技术要点

水利水电工程中，土石方工程是基础性施工内容，涉及土石分级、开挖技术、锚固支护及地下工程施工等多个方面。其中，土石分级是合理选择开挖方法与施工机械的核心依据，直接关系到施工效率与工程安全。

一、土石方工程施工的土石分级

水利水电工程施工中常用的土石分级，依开挖方法、开挖难易、坚固系数等，共划分为16级，其中土分4级，岩石分12级。

1. 土的分级

土分为Ⅰ～Ⅳ级，依据自然湿重度、外观特性及开挖工具进行划分：

• Ⅰ级土（砂土、种植土）：疏松，黏着力差，自然湿重度 16.5～17.5 kN/m³，用锹或略加脚踩即可开挖；
• Ⅱ级土（壤土、淤泥、含根种植土）：开挖时能成块并易打碎，重度 17.5～18.5 kN/m³，用锹需脚踩开挖；
• Ⅲ级土（黏土、干燥黄土、干淤泥、含少量砾石黏土）：粘手、干硬，重度 18.0～19.5 kN/m³，需用镐或三齿耙开挖；
• Ⅳ级土（坚硬黏土、砾质黏土、含卵石黏土）：结构坚硬，分裂后呈块状，重度 19.0～21.0 kN/m³，需用镐、三齿耙等开挖。

2. 岩石的分级

岩石分为Ⅴ～ⅩⅥ级，依据天然湿度下平均重度、净钻时间、极限抗压强度及坚固系数 f 综合评定：

• Ⅴ～Ⅶ级（软岩）：极限抗压强度 20～60 MPa，坚固系数 f=1.5～6.0，代表岩石有硅藻土、白垩岩、页岩、泥灰岩、砾岩等；
• Ⅷ～Ⅹ级（中硬岩）：极限抗压强度 60～120 MPa，坚固系数 f=6.0～12.0，代表岩石有角砾状花岗岩、石灰岩、白云岩、大理岩等；
• Ⅺ～ⅩⅣ级（坚硬岩）：极限抗压强度 120～200 MPa，坚固系数 f=12～20，代表岩石有粗粒花岗岩、安山岩、玄武岩、辉绿岩、玢岩等；
• ⅩⅤ～ⅩⅥ级（极硬岩）：极限抗压强度 200 MPa 以上，坚固系数 f=20～25 以上，代表岩石有安山岩、玄武岩、辉长岩、石英岩等。

3. 洞室开挖的围岩分类

地下洞室围岩以岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状五项因素的总评分为依据，结合围岩强度应力比进行分类：

• Ⅰ类（稳定）：总评分 T＞85，S＞4，可不支护；
• Ⅱ类（基本稳定）：85≥T＞65，S＞4，不支护或局部锚杆、喷薄层混凝土；
• Ⅲ类（稳定性差）：65≥T＞45，S＞2，喷混凝土+系统锚杆+钢筋网，大跨度时浇筑混凝土衬砌；
• Ⅳ类（不稳定）：45≥T＞25，S＞2，喷混凝土+系统锚杆+钢筋网或钢构架；
• Ⅴ类（极不稳定）：T≤25，需管棚+喷混凝土+系统锚杆+钢构架，必要时二次支护。

Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩的强度应力比小于规定值时，围岩类别宜相应降低一级。

二、土方与石方开挖技术要点

1. 土方开挖

• 开挖方式：自上而下开挖、上下结合开挖、先岸坡后河槽开挖和分期分段开挖；
• 正铲挖掘机：最常用机械，适用于停机面以上的各类坚实土和爆破后岩石，但不能水下开挖；
• 反铲挖掘机：基本作业方式有沟端挖掘、沟侧挖掘等，循环过程含挖掘、回转、卸料、返回四个过程；
• 推土机：运距以不超过 60m 为宜，开行方式为穿梭式；
• 铲运机：集开挖、运输、铺填于一体，适用于 Ⅰ～Ⅱ级土，运距 600～1500m；
• 保护层：临近设计高程时留出 0.2～0.3m 保护层，待上部结构施工时挖除。

2. 石方开挖

• 钻孔爆破：浅孔爆破（孔径＜75mm、孔深＜5m）适用于地下工程和基础分层开挖；深孔爆破（孔径＞75mm、孔深＞5m）适用于 Ⅶ～ⅩⅣ级岩石，是大型基坑和采石场的主要方法；
• 控制爆破：预裂爆破先形成轮廓裂缝再主体爆破，光面爆破最后爆除光爆层获得平整壁面；地下洞室中光面爆破效果更优；
• 基础保护层：厚度为台阶爆破药卷直径的 25～40 倍，分三层逐级减小药卷直径，最后一层爆破孔不应穿过建基面；
• 爆破飞石安全距离：浅孔台阶爆破 ≥200m，洞室爆破 ≥300m。

三、锚固技术与地下工程施工

1. 锚固技术

• 锚杆支护：局部锚杆起悬吊作用，系统锚杆按梅花形排列形成连续加固拱；
• 喷射混凝土：利用压缩空气高速喷射形成薄层支护，依赖水泥与集料的连续撞击压密；
• 预应力锚索：深入岩体深层增大正向拉力与抗剪强度，分为有粘结和无粘结两种。

2. 地下工程施工

• 分类：平洞（倾角≤6°）、斜井（6°～75°）、竖井（≥75°）；断面分特小断面（≤10m²）至特大断面（＞225m²）共五类；
• 平洞开挖：中小断面全断面开挖，大断面分层分区开挖；Ⅳ类围岩循环进尺控制在 2m 以内，Ⅴ类围岩 1m 以内；
• TBM 掘进机：适用于圆形断面、洞径 3～12m、洞长超 5km、围岩Ⅰ～Ⅲ类、岩石抗压强度 30～200MPa 的条件。

总结

土石方工程施工以土石分级为基础，16级分级体系（土4级、岩12级）直接决定了开挖方法与设备选择。土方以机械开挖为主、人工为辅；石方以控制爆破为核心，预留保护层确保建基面完整；锚喷支护体系保障洞室围岩稳定。掌握分级标准与各类技术的适用条件，是确保施工安全与质量的关键。