三峽工程壩段控制爆破設計與實施

王 剛，葉立志

（中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710016）

三峽工程左非13號壩段基巖為前震旦紀閃云斜長花崗巖，緩傾角節理較為發育，受23°∠35°及225°∠32°兩組節理切割，在壩基上形成一條長約40m，寬25m的條帶狀楔形體的不利結構，按照設計地質部門要求，必須對地質缺陷部位開挖至設計線以下2.5m，開挖方量約2 000m3。

壩基巖體為弱風化至微風化，巖質較為堅硬，爆區無地下水出露，除地質缺陷部位，總的來說巖石的物理力學特性較為良好。

1 問題的提出

與左非13號壩段相鄰的左非12號壩段，澆筑的混凝土已達20m高，左非14號壩段堆放有大量設備及材料，而且，周圍20m遠處有一臺2000型門機和一臺胎帶機。不良的邊界條件給這一部位開挖造成極大的困難。如果采取常規的爆破方法，不但會造成飛石對爆區周圍設備、機具的損害，而且爆破地震效應產生的地震波可能會造成壩體混凝土的開裂；不但會影響到三家承包商的關系，而且對三峽工程帶來極大的損失。

對于此種情況，通常采取靜態爆破方法，可以解決飛石和地震波的破壞造成的危害。然而，靜態膨脹劑價格較高，需用量極大。該方法不僅提高了成本，而且需要一個多月的工期，將會對工程的總進度造成嚴重影響。由于氣溫已逐漸變低，氣溫過低不能充分發揮靜態膨脹劑的效能，因此，經討論棄用了靜態爆破方法。

鑒于此，決定采取控制爆破方法對該地質缺陷部位巖體進行開挖。

2 控制爆破采取的措施

采取控制爆破方法，必須很好地進行兩個方面的控制，即對爆破產生的飛石的控制和對地震效應產生的地震波的控制。爆破產生的空氣沖擊波和噪音對周邊危害不大，可不做為控制項目。

2.1 防止飛石的措施

（1）該爆區呈槽形、條帶狀，四周受到圍巖夾制，僅有向上一個方向的自由面。因此，只要對地表自由面加以約束，可以限制飛石沿自由面射出，擬對爆區地表進行全面柔性覆蓋，實現對該自由面約束的效果。

（2）改變爆破孔的裝藥結構，加強孔口堵塞來減少飛石。遇到夾層、節理、斷層時適當減少裝藥量，炮孔上部預留足夠的堵塞長度，采用一半粘土，一半細沙混合后堵塞，并用炮桿搗密實，以提高堵塞質量。

（3）清理地表的浮石和松動巖塊，尤其將炮孔孔口附近的石塊清理干凈，以免在起爆時拋射遠處。

（4）合理設計起爆順序和時間間隔來減少飛石，確保巖石向臨空方向拋擲，保證沿抵抗線方向完全開裂。

（5）減少裝藥集中量。采取多鉆小孔徑炮孔，并分散、均勻裝藥，加大不耦合系數的方法，也可以避免飛石的產生。

（6）對飛石可能拋擲到的地方的設備及建筑物，進行預先防護。

2.2 消減地震效應的措施

（1）實踐證明，采取微差爆破方式降震效果較為顯著，根據振幅疊加原理，爆破形成地震波的振幅不是各個藥包起爆時所產生的簡單總和，而是相互干擾，有著很復雜的疊加關系，疊加值小于總和值，所以采取分段微差網絡對降震效果比較好。

（2）在距離爆區不遠處施鉆多排減震孔，通過減震孔吸收消耗掉大部分振動的能量，并改變地震波的傳播途徑，以達到消減地震效應的目的。

（3）優化爆破網絡設計，降低最大單響藥量，從而降低地震強度，以達到消減地震效應的目的。

（4）合理地選取炮孔相鄰系數m，一般情況下，增大孔距，減小排距，不但能獲得比較好的爆破效果，而且對降低地震強度也非常有利。

（5）實踐證明，在孔底放置柔性墊層不僅起到對建基面石的保護作用，而且對降低地震強度也起到了一定的作用。

我國爆破振動的破壞標準見表1所示。

表1中國爆破振動破壞標準

3 控制爆破的方案設計

3.1 爆破參數的確定

3.1.1 鉆孔角度及孔徑

根據兩組節理面的傾角∠32°及∠35°，鉆孔角度以爆區中心向節理面方向漸變。即鉆孔角度向左岸方向由90°漸變至32°，向右岸方向由90°漸變至 35°。

為減少裝藥集中量，采取小孔徑炮孔。用YT-26型手風鉆造孔，鉆頭直徑為42mm，孔徑為45mm。

3.1.2 單位長度裝藥量及不耦合系數

單位長度裝藥量取決于藥卷直徑及炸藥密度等，藥卷直徑需要與孔徑相匹配，每米裝藥量可按下面公式計算：

Q1=πd2△/4

式中 Q1為每米孔裝藥量，kg/m；d為藥卷直徑，m；△為炸藥密度。

為了取得較大的不耦合系數，選取炸藥庫中的最小直徑的藥卷，即，直徑為25mm的乳化炸藥，乳化炸藥密度△=1.1g/cm3，通過計算可以得出每米裝藥量為：

Q1=πd2△/4=540g/m

不耦合系數可按下面公式計算：

K=D/d

式中 K為不耦合系數；D為鉆孔直徑；d為藥卷直徑。通過計算可以得出不耦合系數為：K=1.8。

3.1.3 孔距、排距與炮孔布置

針對該部位圍巖構造小裂隙發育、巖石為弱風化至微風化的特點，為達到控制爆破的目的，參照類似工程相關資料，炸藥單耗取q=0.3kg/m3。

在單位裝藥量和炸藥單耗一定的前提下，單孔炸藥承擔的爆破面積可以用下面公式計算：

S=Q1/q

式中 S為單孔炸藥承擔的爆破面積，m2。

單位炸藥承擔的爆破面積等于孔距（a）與排距（b）之積，即：S=ab。

為了便于網絡聯接，鉆孔按矩形布置，經計算可以得出單孔承擔的爆破面積為：S=1.8m2。爆區形狀近似為矩形，中部布置垂直掏槽孔，向兩側鉆孔傾角逐漸漸變為與結構面角度一致。孔距取a=1.5m，排距取b=1.2m。單孔爆破面積為S=1.5×1.2=1.8m2。

3.1.4 孔深、孔底墊層及孔口封堵

（1）孔深。根據設計地質人員提出的要求，需要將地質缺陷部位開挖至建基面以下2.5m，因此，孔深H=2.5/sinα，其中α為鉆孔角度。施工時超鉆20cm。

（2）孔底墊層。在孔底放置長為20cm的柔性墊層，以降低爆破對下部巖石的破壞，柔性墊層材料選用鋸末材料。

（3）孔口封堵。根據炮孔堵塞長度計算公式：L0=（1.0～1.2）W，其中W為最小抵抗線，取封堵長度為1.2m。采用一半粘土，一半細沙混合堵塞，并用炮桿搗密實，以提高堵塞質量。

3.1.5 裝藥量計算

采取連續裝藥，每孔裝藥量可按下面公式計算：

Q=Q1（L-L0）

平均孔深為：L=3.4m，Q1=0.54kg，單孔平均裝藥量Q=0.54×（3.4-1.2）=1.2kg。

總裝藥量可按下面公式計算：

Q總=Q×n

式中 n為總孔數，根據布孔圖，總孔數為513個。

總裝藥量Q總=1.2×513=615kg。

3.2 爆破網絡的設計

3.2.1 爆破網絡的選擇

為降低爆破對臨近建筑物的振動影響，對單響藥量進行了嚴格控制，爆破震速需控制在7～12cm/s以下（見中國振動破壞標準）。由于炮孔數量多，需要分段數量較多，所以采取了導爆管雷管接力的孔間微差起爆網絡，即在炮孔內放置段位高的ms9段非電毫秒延期雷管，在地表通過雙發ms2段雷管逐排接力傳爆，網絡設計圖見圖1。

由于采取了導爆管接力網絡，所以入孔的ms9段雷管需要有足夠的腳線長度，經計算宜選取腳線長度為5m的規格。

最大單響藥量計算：Qmax=Q×n，Q為單孔裝藥量，n為同時起爆的最多炮孔數，該部位孔深為2.5m，Q=（2.5-1.2）×0.54=0.7kg，n=12，經計算最大單響藥量為Qmax=8.4kg。

3.2.2 網絡可靠度分析

為減少地面接力雷管的總延時，改善爆破效果，采取中部先掏槽，逐級向周邊傳遞起爆。整個起爆網絡為相鄰段間隔25ms的微差式接力式網絡，孔外接力雷管的總延時為t=14×ms2+2×ms3=14×25+2×50=450ms。

該次起爆網絡任一結點的準爆率可按下面公式計算：

Rdn=[1-（1-Ri）m]n

式中 Rdn是網絡中第n個結點的準爆率；Ri為單發雷管的準爆率；m為結點雷管的并聯數；n為雷管結點序號。

網絡最后一個結點的準爆率，就是整個外接力網絡的可靠度。該網絡傳爆雷管為2發并聯，即m=2，最末一個傳爆雷管的結點序號為n=16，導爆管單發準爆率為Ri=95％，將以上數據代入公式，計算得出整個網絡的可靠度為：

Rdn=[1-（1-Ri）m]n=[1-（1-0.95）2]16=96.1％

由此可見，整個網絡的設計比較可靠。

3.3 地表柔性覆蓋的設計

3.3.1 地表柔性覆蓋的方法

根據同類工程經驗，采取以下地表柔性覆蓋方法：

（1）首先在整個網絡聯網完成并檢查無誤后，在爆區上覆蓋新鮮稻草30cm一層，鋪蓋范圍超出爆區周邊2m。

（2）在稻草之上鋪設硬紙板層（炸藥箱等即可），與稻草覆蓋范圍一致。

（3）在硬紙板層上面鋪設雙層鐵絲網，網孔直徑為10cm×10cm。

（4）鐵絲網之上用10～16號麻芯鋼絲繩盤繞成1m×1m的網格狀，周邊掛在提前安裝的地錨上，與鐵絲網結合部位及鋼絲繩交叉點用10號鉛絲綁扎。

（5）地錨用φ25鋼筋加工，錨入地下的深度不小于1.5m。

3.3.2 注意事項

（1）在鋪設覆蓋層時要特別小心，以免對下部網絡造成損壞。

（2）鋪設鋼絲繩時不宜拉得過緊，應留有一定的松弛量。

（3）覆蓋爆區前應對爆破網絡全面檢查，并將起爆雷管腳線引出覆蓋區。

3.4 減震孔的設計

（1）設計思路。在爆破區和12號壩段之間的緩沖地帶，鉆多排深孔，當爆破的振動波傳至此時，就會被這些孔吸收消耗掉大部分振動的能量，使12號壩段的混凝土受到的地震波速降低至允許的安全質點振動速度。

（2）根據同類工程經驗，在爆區和12號壩段之間施鉆減震孔，減震孔的主要參數見表2。

表2 減震孔參數表

3.5 爆破的安全監測

為了確保左非12號壩段以及周圍建筑物的安全，爆破期間在主要部位設置了動態振動監測點。主要測定左非12號壩段距爆區最近點的質點振動速度和加速度，控制爆破振動量級在防護標準以內。

圖1 爆破網絡圖

4 爆破的實施及效果

在爆破準備工作就緒后，按三峽工程規定的時間正式起爆。

起爆后，看到爆碴堆積于爆區中部，爆碴高度約2～3m，兩側節理面附近形成深約2m的溝槽，地表柔性覆蓋材料隨爆碴隆起，覆蓋材料基本完好，未見有飛石拋射出。

通過對建筑物在爆破時振動參數的測定：質點振速：0.04～0.11cm/s；振動頻率:35～85 Hz；持續時間：150～500ms。結果表明：實測爆破振動速度符合我國爆破振動破壞標準，左非12號壩段混凝土完好無損。

5 結論

通過本次控制爆破實踐，可以得出以下結論：

（1）對于鄰近區域有建筑物和設備的爆破環境，采取密集造孔、分散裝藥、降低單耗、加強封堵、采用導爆管接力的孔間微差網絡，輔以地表柔性覆蓋等措施，對爆破產生飛石的控制的方法是完全可行的。

（2）通過施鉆減震孔、減小單響藥量等措施，完全可以消減爆破產生的地震效應，進而使鄰近大體積混凝土得以保護。

［1］張正宇，等.現代水利水電工程爆破［M］.北京：中國水利水電出版社，2002年.

［2］陶頌霖.爆破工程［M］.北京：冶金工業出版社，1979.

［3］張正宇，張文煊.非電起爆孔間微差爆破技術［J］.爆破器材，1993.