特大型斷面洞室開挖應用爆破研究

劉峰春，趙全超，劉月明

（中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 丹東 118002）

1 工程概述

金沙江溪洛渡水電站，是我國西電東送中線的骨干電源之一，是金沙江下游梯級開發的第三級水電站。溪洛渡電站是以發電為主，兼有防洪、擋沙和改善下游航運條件等巨大的綜合效益，具有不完全年調節能力的特大型水電站，是金沙江流域實施“西電東送”的第一期工程。

溪洛渡水電站施工期，于壩址兩岸各布置了3條導流洞，自左向右，左岸為1～3號導流洞，右岸為4～6號導流洞，其中左、右岸各有2條與廠房尾水洞結合。另外，電站于左、右岸各設置1條獨立尾水洞，左岸為1號尾水洞，右岸為6號尾水洞。導流洞和尾水洞斷面型式均為城門洞型，導流洞開挖斷面為21.6m×23.6m，尾水洞開挖斷面為18.6m×23.6m，開挖斷面均超過了400m2，屬于特大型斷面洞室。

2 特大斷面洞室開挖施工思路

依據以往總結的施工經驗，特大型斷面洞室開挖，需采用分層分部的開挖方法進行施工。以溪洛渡水電站左岸導流洞和左、右岸尾水洞為例，開挖共分成上層、中層、下層三層，上層又分成中導洞和左右兩側邊墻進行，按照自上而下，自內而外的順序，依次進行施工。

洞室上層為水平孔爆破開挖層，開挖高度一般控制在8.0～10.0m之間，從安全角度以及方便施工角度著想，中導洞開挖寬度又控制在9.0～11.0m之間，剩余左、右側墻再一次擴挖到位，洞室上層開挖，現多采用手風鉆配備鉆爆臺車，鉆設水平孔裝藥爆破。

洞室下層為底板保護層，開挖高度一般控制在3.0m左右，主要為了防止中層開挖施工期間，大藥量爆破對洞室底板基巖的破壞，現多采用水平孔爆破法施工或小梯段淺孔爆破法施工。

洞室中層為中間梯段層，即為洞室上層和下層中間的部位，開挖高度一般控制在10m以內，超過10m的易分成兩層進行開挖。為了加快施工進度保證施工質量，現多采用兩側墻預裂，中間深孔梯段爆破的方法進行施工。

3 分部施工順序

特大型斷面洞室開挖，根據附屬施工支洞和道路的布置情況，以主洞和支洞的平交部位為節點，從平面上劃分成幾個區段進行施工，各區段之間的施工順序按工程總體的規劃情況，統一安排布署，同區段內的洞室從斷面上劃分成幾個施工部位，各部位之間開挖施工順序為：洞室上層中導洞施工→洞室上層兩側墻擴挖施工→洞室中層開挖施工→洞室下層開挖施工。

4 開挖爆破形式應用

當爆破在有臨空面的半無限介質表面附近進行時，爆破后會形成一個如倒立圓錐狀的爆破漏斗，爆破漏斗的底面半徑r與藥包最小抵抗線W的比值為爆破作用指數，用n表示，即n=r/W。工程中依據n值的大小對爆破進行分類：當n=1即r=W時，為標準拋擲爆破；當n＞1即r＞W時，為加強拋擲爆破；當0.75≤n＜1時，為減弱拋擲爆破；當0.33≤n＜0.75時，為松動爆破；當n＜0.33時，為隱藏式爆破。

而實際工程運用中，此爆破作用指數常直接反應為炮孔間排距的比值，即炮孔間距a與炮孔排距b的比值a/b，用m表示，通常按m=n進行試算。

根據以上劃分標準，特大型斷面洞室上層和下層的水平孔爆破法開挖施工中，所有的二臺孔、抬動孔、底板孔和上層中導洞的掏槽孔爆破均屬于加強拋擲爆破，所有的崩落孔、光爆孔爆破均屬于減弱拋擲爆破；中層梯段爆破法開挖施工中，所有梯段孔爆破屬于加強拋擲爆破，所有預裂孔爆破屬于隱藏式爆破。

5 爆破設計參數研究

（1）水平孔孔深的確定

特大型斷面洞室的上層和下層，一般采用手風鉆鉆設水平孔裝藥爆破的方式進行開挖施工，其水平鉆孔孔深根據開挖圍巖類別情況及選用的鉆孔機械確定，圍巖條件好時循環進尺加大（孔深加大），圍巖條件差時循環進尺減小（孔深減?。?，并且為了減小堵塞長度占總孔深的比例，使鉆孔的利用率最大化，在圍巖條件允許，鉆孔機械可以達到的情況下，應盡可能地加大孔深。

（2）單位耗藥量的擬定

炸藥單位耗藥量根據要開挖巖體的地質條件確定，硬巖單位耗藥量大，軟巖單位耗藥量小，在工程施工之前，要詳查工程地質資料，確定工程地質巖性，根據以往類同工程經驗，初步比選一個炸藥單耗，進行爆破試驗，從而確定一個合理的炸藥單耗。合適的炸藥單耗對爆破效果的好壞影響至關重要，選定的單耗過大，在炮孔間排距和孔深不變的情況下，則炮孔的單孔裝藥量增大，孔內炸藥爆破后產生的爆破漏斗底面半徑比設想的擴大，爆破形式隨即發生質的變化，松動爆破可能變為拋擲爆破，造成工程事故，反之炸藥單耗選定過小，則會出現爆破缺力現象，達不到設想的爆破效果，影響工程施工質量和施工進度。

（3）炮孔間排距的確定

炮孔間排距的確定影響因素較多，如根據巖石地質條件選定的單位耗藥量，炮孔的裝藥利用率，擬定裝藥結構的線裝藥密度，根據炮孔爆破作用類別確定的爆破作用指數以及開挖斷面的規格尺寸等。

初擬炮孔間排距，按下式進行試算式中 l1—炮孔裝藥長度；l2—炮孔堵塞長度；（取l2=0.8b）；L—炮孔孔深，L=l1+l2，根據圍巖類別情況和鉆孔機械擬定；q—單位耗藥量，根據爆破圍巖類別情況初擬定；ql—選用炸藥卷的連續線裝藥密度。

a=mb，因此 式（1）又可改寫成：

根據 式（2）試算出炮孔排距后，按a=mb求出相應的炮孔間距。

（4）炮孔布孔方式的選取

炮孔的布孔方式主要分為兩種，一種為矩形布孔，一種為三角形布孔又叫梅花形布孔。在炸藥單位耗藥量和炮孔間排距一樣的情況下，兩種布孔方式爆破后產生的爆破效果截然不同，其爆破作用機理分析見圖1。

圖1 爆破作用機理分析圖

由圖1對比可以看出，當采用矩形布孔形式進行爆破施工時，前排相臨2個炮孔爆破產生的爆破漏斗中間，產生一塊爆破死角區域B區，第二排的炮孔爆破時，其最小低抗線值等于兩排炮孔的排距，即W=B，所以，進行第二排炮孔爆破時，對前排爆破死角區域B區的爆破修整力度有限，同時產生爆破交集區域C區，致使B區極易產生大塊的孤石，爆破后渣堆的石渣粒徑不均一，不易開采生成塊度相差較小的有用石料，且不利于進行裝載出渣；采用梅花形布孔爆破時，在間排距和炸藥單耗不變的情況下，第一排的爆破效果和采用矩形布孔時效果一樣，關鍵在于第二排炮孔爆破時作用效果發生變化，受前排炮孔爆破時中間產生的爆破死角B區影響，后排最小低抗線值變為兩排炮孔的孔間凈值，即W＞B，最小低抗線值發生變化致使爆破作用半徑擴大，且爆破漏斗底半徑減小，對前排爆破產生的爆破死角區域B區進行二次爆破修整，同時使兩相臨炮孔的爆破交集隨之減小，使爆破后整體爆堆的石渣粒徑比較均勻，便于開采生成塊度均一的有用石料，且更便于裝載出渣施工。

6 洞室分層開挖及爆破設計

特大型斷面洞室開挖，按照擬定的施工方案，分區段分部位有序進行組織施工，以溪洛渡水電站左岸1號尾水洞為例，對特大型斷面洞室的分部開挖方案和爆破設計進行介紹。溪洛渡水電站左岸1號尾水洞，最大開挖斷面為18.6m×23.6m，總共分成上、中、下三層，上層層高9.0m，頂拱為半徑R=11.175m的圓弧，中導洞寬10.0m，兩側墻各寬4.3m；中層層高9.3m，為18.6m×9.3m矩形；下層層高5.3m，兩底角為半徑R=4.3m的圓弧，爆破分區如圖2所示。

圖2 開挖斷面炮孔分布圖

6.1 上層和下層水平孔爆破開挖

以人工持YT-28型手風鉆，在鉆爆臺車上鉆孔，上層中導洞首先采用大角度楔形掏槽，然后崩落孔毫秒微差分段跟進爆破，擴槽至設計斷面；兩側擴挖施工利用中導洞形成的臨空面，直接鉆設崩落孔爆破擴挖至設計邊線；下層開挖施工利用中層開挖形成的上部臨空面，直接抬動爆破開挖至設計底板，為了保證設計邊線處的施工質量和設計面平整度，洞室設計邊線處均采用光面爆破施工。上層中導洞開挖，設計每循環進尺3.0m，實際平均每循環進尺2.7m；上層兩側邊墻擴挖和洞室下層開挖，設計每循環進尺3.0m，實際平均每循環進尺2.8m。

（1）水平孔爆破設計

根據爆破作用類別不同，炮孔分掏槽孔、崩落孔、周邊孔、二臺孔（抬動孔）及底板孔等。鉆孔直徑均為φ42mm，上層中導洞掏槽孔炮孔設計參數如表1中所示；上層擴槽崩落孔取間距a=0.9m等間距布置，所有周邊孔的孔距以10d～14d控制，最小抵抗線與孔距之比均按W/a≈1.2控制；所有二臺孔及底板孔取間距在1.2～1.0m之間等間距布孔，最小抵抗線與孔距之比按W/a≈0.8控制。炮孔裝藥選用RJ2號巖石高威力乳化炸藥，除周邊孔選用導爆索作為連線，綁扎φ22mm藥卷間隔裝藥外，其余炮孔均采用φ32mm藥卷連續裝藥，孔口堵塞長度均以不小于0.8倍抵抗線控制。

各類炮孔之間采用非電毫秒導爆管串并連成爆破網絡，導火索引爆火雷管后傳爆爆破網絡，毫秒微差分段起爆，起爆順序為：掏槽孔→崩落孔→二臺孔（抬動孔）→周邊孔→底板孔的順序。

洞室上層和下層各部位炮孔分區布置如圖3所示，上層中導洞大角度楔形掏槽孔布置如圖4。

圖3 掏槽孔布置平面示意圖

（2）爆破設計參數

特大斷面洞室上層和下層各類炮孔爆破設計

圖4 掏槽孔布置剖面示意圖

參數如表1所示。

表1 洞室上層和下層水平孔爆破設計參數表

6.2 中層爆破開挖

洞室中層開挖，采用梯段爆破法進行施工，采用YQ-100B輕型風動潛孔鉆鉆設豎直孔裝藥爆破。為了保證設計開挖面的光整度，及減小爆破對洞室圍巖的擾動，首先在中層兩側邊墻設計邊線處進行預裂爆破，然后再進行中間梯段爆破。中層開挖施工以10m為一段，循環進行，后序循環爆破利用前一循環形成的臨空面，進行水平方向拋擲爆破。

（1）爆破設計

尾水洞中層開挖，在兩側墻設計邊線處布置預裂孔，孔距0.8m，孔徑為φ90mm，裝藥采用RJ2號巖石高威力乳化炸藥，中間用φ32mm藥卷間隔裝藥，底部用2～3支φ32藥卷綁到一起2～3倍加強間隔裝藥，各個炮孔之間采用導爆索串聯成整體，連接到主爆破網絡上。

梯段爆破每次起爆長度為10m，炮孔按矩型或是梅花形布孔，排距2.0m，每排兩側炮孔至設計邊線距離不小于1.2m，中間等間距布置6～7個炮孔，炮孔間距在2.4m左右，鉆孔直徑為φ90mm。炮孔裝藥采用RJ2號巖石高威力乳化炸藥，φ60藥卷柱狀裝藥，爆破采用塑料導爆管串并聯形成爆破網絡，然后與兩側墻預裂爆破網絡連接，采用導火索引爆火雷管后傳爆，控制最大單響藥量在100kg以內。

（2）爆破設計參數

特大斷面洞室中層各類炮孔爆破設計參數如表2，表3所示。

表2 裂爆破鉆爆設計參數表

表3 梯段爆破設計參數表