大規(guī)模冰水堆積體鉆爆施工技術(shù)初探

胡 勇, 韓順波

(中國水利水電第七工程局有限公司 一分局,四川 彭山 620860)

1 工程概況

梨園水電站位于迪慶州香格里拉縣(左岸)與麗江地區(qū)玉龍縣(右岸)交界河段,為金沙江中游河段規(guī)劃的第三個(gè)梯級,上游與兩家人水電站相銜接,下游為阿海水電站。

梨園水電站工程屬一等大(1)型工程,主要永久性水工建筑物為 1級建筑物。工程為以發(fā)電為主,兼顧防洪、旅游等綜合利用的水利水電樞紐工程。樞紐建筑物主要由面板堆石壩、右岸溢流道及消力池、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)及岸邊主副廠房、左岸泄洪沖沙洞等組成。水庫庫容為 7.27×108m3,電站裝機(jī)容量為 2400 MW。

2 冰水堆積體地質(zhì)巖性情況

該電站進(jìn)水口堆積體為壩區(qū)內(nèi)規(guī)模最大的堆積體,分布高程從河邊至高程 1910.00m,邊坡垂直高度約 205 m,堆積體開挖方量為 441×104m3。堆積物結(jié)構(gòu)密實(shí),部分呈弱膠結(jié),表部形成“硬殼”,堆積體內(nèi)的粉細(xì)砂或粉土多呈透鏡狀或“雞窩”狀,連續(xù)性差。大部分冰水堆積體呈不同程度膠結(jié),開挖時(shí)需通過鉆爆作業(yè)完成。按膠結(jié)程度及組成成分大致分為四類:第一類為狀如混凝土的卵石致密膠結(jié)物,主要分布于堆積體表層;第二類為狀如砂巖的細(xì)砂致密膠結(jié)物,主要分布于堆積體表層;第三類為狀如蜂窩的卵石膠結(jié)物,分布于堆積體表層以下部位;第四類為層狀的弱膠結(jié)粉細(xì)砂含少量卵石,分布于堆積體表層以下部位。電站進(jìn)水口的堆積物厚18.1～118.97 m不等,總體上堆積物厚度大、范圍廣,膠結(jié)物特性各異,分布不均勻。

3 施工難點(diǎn)

該工程電站進(jìn)水口冰水堆積物厚度大、范圍廣且堆積物巖性變化較大、膠結(jié)致密程度不同。由于冰水堆積體以上特殊的施工過程中面臨鉆爆造孔時(shí)塌孔嚴(yán)重,成孔率低,造成鉆孔設(shè)備效率低下;冰水堆積體內(nèi)局部松散、架空、膠結(jié)物及松散體層狀分布,爆破時(shí)易漏氣,從而造成單耗藥量高,而爆破效果卻很差,嚴(yán)重影響挖裝設(shè)備效率,制約開挖施工進(jìn)度。

冰水堆積體及崩積層等產(chǎn)狀交錯(cuò),導(dǎo)致其開挖面下部巖性分布無法探明。受爆破效果影響,鉆爆挖裝時(shí)不能形成明顯的分區(qū)和施工分層臺(tái)階,現(xiàn)場施工組織較為困難,挖、裝、運(yùn)設(shè)備效率低下。

4 表層“硬殼”的鉆爆施工

電站進(jìn)水口冰水堆積體表層為致密、強(qiáng)膠結(jié)物,施工前期,參考地質(zhì)資料及表層土揭露后出露的地質(zhì)表觀情況進(jìn)行了一系列的鉆爆試驗(yàn)。

4.1 鉆孔設(shè)備

根據(jù)現(xiàn)場情況,首先采用英格索蘭 CDH-831C液壓鉆機(jī),其造孔直徑為 90mm。

4.2 鉆爆參數(shù)

初期在冰水堆積體表層進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)炮孔間排距分別選用了 2.5 m×2.5 m、3m×3m、3m×3.5m、3.5m×4m四種,相應(yīng)孔深分別為 2.5 m、4.0m、5.0 m、6.0m,炸藥選用 1#巖石乳化炸藥,炸藥單耗分別選用 0.25 kg/m3、0.3 kg/m3、0.35 kg/m3,經(jīng)對鉆孔、爆破后的效果及反鏟挖裝情況進(jìn)行分析,表層硬殼厚度為 1.5～2.5m,硬殼下部為不均勻?qū)訝罴?xì)砂結(jié)構(gòu),往下為反鏟不能直接挖的強(qiáng)膠結(jié)構(gòu)造。鉆進(jìn)成孔在 2.0～3.0 m之間,超過此深度,雖然亦能成孔,但鉆進(jìn)時(shí)間較長,一般 20～30min左右成孔 4.5～6.0 m,效率極其低下,且成孔率極低。當(dāng)單耗低于 0.3 kg/m3時(shí),爆破大塊較多,需二次解爆,挖裝效率低。

初步結(jié)論:對進(jìn)水口冰水堆積體表層“硬殼”進(jìn)行鉆爆,采用中風(fēng)壓液壓鉆機(jī)即可,布孔間排距宜控制在 2.5～3.5m,結(jié)合造孔效率及成孔率,造孔深度宜為 2.0～3.0 m,具體深度為打穿表層“硬殼”即可。由于表層“硬殼”下部夾有松散砂層,爆破漏氣相當(dāng)嚴(yán)重,炸藥單耗宜按 0.3～0.35 kg/m3控制,裝藥結(jié)構(gòu)為 φ70藥卷耦合裝藥。表層“硬殼”合理鉆爆參數(shù)見表 1。

表1 冰水堆積體表層“硬殼”鉆爆參數(shù)表

5 表層以下大面爆破

5.1 鉆孔設(shè)備選型

冰水堆積體表層混凝土狀強(qiáng)膠結(jié)“硬殼”爆破揭除、形成施工平臺(tái)后,即可進(jìn)行冰水堆積體大面梯段爆破。

冰水堆積體大面梯段爆破采用英格索蘭CDH-831C液壓鉆機(jī)及 CM351高風(fēng)壓鉆機(jī)鉆孔。開挖區(qū)中部冰水堆積體結(jié)構(gòu)同表層性狀差別很大,為強(qiáng)膠結(jié)、弱膠結(jié)、松散砂層混合結(jié)構(gòu),分布無層次,無規(guī)律可尋,極不均勻。此種結(jié)構(gòu)憑肉眼看至少有 50%可以利用反鏟直接裝,但實(shí)際施工時(shí),僅有少部分可直接挖裝,挖裝規(guī)模極小,絕大部分必須通過鉆爆才能挖裝。根據(jù)表層“硬殼”經(jīng)驗(yàn),鉆爆參數(shù)設(shè)計(jì)見表 2。

表2 冰水堆積體中下部鉆爆參數(shù)表

經(jīng)多次鉆爆施工發(fā)現(xiàn),對于冰水堆積體內(nèi)部膠結(jié)程度不均勻、膠結(jié)體與松散體相混合、分布無規(guī)律巖性,由于鉆孔過程中塌孔極其嚴(yán)重,造成孔內(nèi)大量大粒徑塌孔砂石無法吹出,成孔率低,炮孔無法鉆至設(shè)計(jì)深度,炮孔利用率不高,鉆孔速度慢,鉆孔設(shè)備效率低下。由于炮孔利用率不高,無論從機(jī)械效率、燃油消耗及炸材耗量等方面,都使得施工成本較高。

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)、影像資料進(jìn)行收集及分析對比,得出初步結(jié)論:CM 351高風(fēng)壓鉆機(jī)由于其供風(fēng)壓力較液壓鉆機(jī)大(液壓鉆最高壓為 1.0 MPa,高風(fēng)壓鉆機(jī)供風(fēng)壓力為 1.5～2.4MPa),能更有效的克服炮孔內(nèi)塌孔砂石重力將其吹出,避免了因風(fēng)壓不足而導(dǎo)致的孔內(nèi)大粒徑砂石無法排出而造成的塌孔、堵孔,保證了成孔率;同時(shí),高風(fēng)壓鉆機(jī)扭矩大,鉆進(jìn)快,縮短了成孔時(shí)間,更有利于提高機(jī)械效率、降低施工成本,加快施工進(jìn)度。

因此,在后來的施工中,對于冰水堆積體造孔設(shè)備進(jìn)行了合理調(diào)配,全部采用高風(fēng)壓鉆機(jī)造孔。改用高風(fēng)壓鉆機(jī)后,成孔時(shí)間比液壓鉆縮短25%,成孔率提高了 30%,一次鉆孔成孔深度可達(dá)6 m。

5.2 爆破參數(shù)

對于爆破參數(shù),由于該部分冰水堆積體膠結(jié)分布不均、強(qiáng)弱程度不同,經(jīng)現(xiàn)場爆破試驗(yàn)得知,無法按某一固定參數(shù)進(jìn)行施工,應(yīng)根據(jù)具體情況作相應(yīng)調(diào)整。

(1)對于鉆機(jī)平臺(tái)相對規(guī)整、巖石膠結(jié)相對較好的爆區(qū),可按一固定參數(shù)進(jìn)行布孔。如間排距 3 m×3 m或 3.5 m×3.0 m,炸藥單耗一般選取 0.3 kg/m3。間排距過大,因爆破露氣或質(zhì)地不均勻容易出現(xiàn)大塊而造成挖裝困難,需要進(jìn)行二次爆破。

(2)對于鉆機(jī)平臺(tái)不規(guī)整、巖石膠結(jié)不均勻、分布無層次的爆區(qū),則先按一固定間排距布孔。在鉆孔過程中,根據(jù)冰水堆積體膠結(jié)情況,對孔間排距隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。對于較好區(qū)域,按原定參數(shù)進(jìn)行造孔;對于結(jié)構(gòu)相對松散(但反鏟無法直接挖裝)的區(qū)域,因成孔相對較淺,相應(yīng)調(diào)小炮孔間排距(即減小炮孔抵抗線),增大單耗藥量至 0.33～0.38 kg/m3,以避免出現(xiàn)質(zhì)地不均勻,爆破露氣,爆破無深度,表層漏斗等現(xiàn)象,最終導(dǎo)致反鏟無法挖裝。

6 永久邊坡欠挖的處理

永久邊坡形成過程中,對于松散冰水堆積體,利用反鏟可直接削坡。對于坡面局部強(qiáng)膠結(jié)物導(dǎo)致反鏟無法直接成坡時(shí),在前期施工中,采用光面爆破進(jìn)行施工,其光爆參數(shù):手風(fēng)鉆造孔,孔距 40～60 cm,孔徑為 42mm,孔深根據(jù)膠結(jié)物厚度情況在現(xiàn)場確定;采用 φ32乳化炸藥不耦合裝藥,線裝藥密度為 250～350 g/m。

由于膠結(jié)物質(zhì)地不均勻,局部呈蜂窩狀結(jié)構(gòu),使得造孔卡鉆嚴(yán)重,成孔困難,效率低下,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度及坡面質(zhì)量,因而光面爆破對于永久邊坡的欠挖處理不盡理想。后采用液壓破碎錘對冰水堆積體坡面欠挖膠結(jié)進(jìn)行局部修整破碎,因其操作靈活,設(shè)備效率高,提高了永久坡面成坡速度,坡面質(zhì)量也得到了改善。

7 結(jié) 語

通過梨園電站前期在進(jìn)水口冰水堆積體施工進(jìn)行的一系列鉆爆生產(chǎn)試驗(yàn)及專門的試驗(yàn)研究,筆者得出了以下結(jié)論及體會(huì):

(1)對于冰水堆積體施工采用的鉆孔設(shè)備,應(yīng)選用供風(fēng)量大、供風(fēng)壓力大的鉆機(jī),有利于提高炮孔成孔率及成孔效率。

(2)對于冰水堆積體施工采用的炮孔參數(shù)及炸藥參數(shù),應(yīng)針對不同地質(zhì)巖性結(jié)構(gòu)(膠結(jié)程度及分布情況)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

(3)對于弱膠結(jié)狀冰水堆積體,可配置大功率挖裝設(shè)備進(jìn)行直接挖除,以減少造孔及爆破工程量。

(4)對于冰水堆積體爆破分區(qū)及鉆爆分層要進(jìn)行合理布置。受成孔率及成孔深度影響,爆破分層宜控制在 3～5m之間。