亭子口廠房工程基礎保護層一次爆破技術淺析

王克生,李春鋒,杜金琴,楊清蓉

(中國水利水電第五工程局有限公司五分局,成都,610225)

1 概述

為了避免基礎巖石面出現爆破裂隙,或使原有構造裂隙和建基面巖體的自然狀態產生不應有的惡化,鄰近水平建基面應預留巖體垂直保護層。按照規范規定,預留保護層采用小炮分層爆破的開挖方法,每次開挖的厚度為預留保護層總厚度的l/2～2/3。根據以往類似工程來看,這種“層層剝皮”式的開挖保護層的方法,工期長、造價高、質量也不甚理想(每次鉆爆幾十厘米,由于巖面高低不平,鉆孔深度很難掌握,難免超鉆)。用這種方法開挖保護層,施工很難控制,鉆孔普遍達到設計開挖面后有不少超深,同時單耗藥量普遍達到1.0kg/m3以上,使得很多建基面上都有殘留炮孔(超深一般0.3m～0.5m)及爆破裂隙。

亭子口水利樞紐工程為大唐公司創建精品工程項目,對廠房工程基礎巖體的完整性要求高。但因截流時間滯后,廠房工程土石方開挖工期被壓縮,致使土石方開挖強度大幅度提高;為給廠區基礎保護層開挖提供合適的、可行的、較為經濟的開挖方式,在廠區石方開挖爆破過程中進行了基礎保護分層爆破開挖試驗和一次爆破開挖試驗。通過對比這兩種基礎保護層的爆破效果,確定合理的裝藥參數、起爆網絡的合理性等,最后在廠房工程基礎保護層開挖過程中采用了一次爆破技術。

2 爆區底層巖性

廠房地面高程為370m～438m,平均地形坡角23°,地表堆積殘坡積、崩坡積粘土夾塊石,厚度小于5m,設計建基面最低高程343.80m。建基巖體為K 1c2-1層厚層巖屑砂巖,為微新巖體,飽和單軸抗壓強度35MPa～45MPa,變形模量20GPa,完整性較好,建基巖體質量為BⅡ類。安裝場由安Ⅰ段和安Ⅱ段組成,安Ⅰ段設計建基面高程376m～382m,建基巖體為K 1c2-3層長石石英砂巖,飽和抗壓強度20M Pa～25M Pa,變形模量為8GPa,完整性較好,建基巖體質量為CⅢ類;安Ⅱ段設計建基面高程334.3m～376.0m,最低開挖高程334.30m,建基巖體為K 1c2-1～K 1c2-3層的巖屑砂巖、長石石英砂巖及粘土巖,基巖體質量為BⅡ～CⅣ類。

3 現場爆破試驗

為給建基面保護層一次爆破提供合理的爆破參數,本次爆破試驗在保護層上部尾水渠段較為平整的場地上進行。在爆破試驗過程中,進行了爆破前后的聲波檢測。

3.1 孔底柔性墊層試驗

水平建基面保護層一次爆破技術的關鍵之一,是孔底鋪設柔性墊層,使藥包和孔底之間呈不耦合狀態。通過柔性墊層的緩沖作用,使孔底以下基巖所受的爆炸壓力明顯降低,從而使基巖的完整性得到保護。試驗過程中選用了鋸末作柔性墊層材料,柔性墊層的長度選定為15cm。

爆破前后,分別在兩組觀測孔內跨孔檢測巖體聲波速度。兩組孔底巖石不同深度爆破前后波速變化見表1。

表1 孔底有無柔性墊層對比試驗

對比試驗表明,鋸末柔性墊層對孔底以下基巖有明顯的保護作用。在有15cm墊層的孔底基巖,其聲波速度僅比爆前降低了7.5%～8.5%,大體相當于無墊層時孔底以下0.6m～0.7m處巖石的破壞情況。而無墊層時,孔底巖石爆破后波速下降達13%～15%。

3.2 爆破參數試驗

本次一次爆破開挖試驗,爆區選定在尾水渠段較為平整的場地進行。在采用孔底設柔性墊層減震的同時,還采用小抵抗線、寬孔距、小梯段爆破技術,充分利用先爆孔形成的良好臨空面,使爆破能量主要沿臨空面方向破碎巖體,拋擲巖塊,相應減少底部爆破荷載。用短時差等間隔毫秒微差雷管起爆,以克服后排巖體夾制作用,獲得較平整的建基面。

根據嘉陵江青居電站廠區樞紐保護層開挖爆破經驗,2.1m的保護層用一次性鉆孔爆破是可行的,且爆破質量優良。用手風鉆造孔,孔徑d=45mm,采用梅花形布孔,共布置炮孔150個。其中,布置4個物探孔,孔深5.6m～5.8m,其余鉆孔深為2.1m～2.4m,炮孔間排距為1.2m×0.8m。藥卷直徑采用φ32mm,裝藥量取Q=1kg,單耗q=0.60kg/m3。為了便于控制鉆孔孔底距基礎面的距離,采用垂直孔。爆破方法采用寬孔距小抵抗線梯段爆破,起爆網絡采用梯段排間起爆。

3.2.1 爆前爆后檢測。包括測定爆前全部孔口高程、孔深以及物探孔的聲波檢測,具體見表2～表4、插圖1～插圖3。

表2 電站廠房及尾水渠保護層一次開挖爆破試驗爆前炮孔孔頂高程

表3 電站廠房及尾水渠保護層一次開挖爆破試驗爆后炮孔孔頂高程

表4 尾水渠基礎保護層爆前爆后單孔聲波縱波速度值統計

圖1 W 1、W 2號孔爆前爆后聲波單孔聲波曲線對比

圖2 W 3、W 4號孔爆前爆后聲波單孔聲波曲線對比

3.2.2 爆前爆后單孔聲波成果。建基面巖體在開挖爆破中,受爆破作用的影響,巖體表層將會產生爆破松弛帶,其波速相對于原位巖體有一定的降低。因此,通過爆破前后聲波對比觀測,可確定爆破影響深度及爆破對巖體的影響程度。尾水渠基礎保護層單孔爆破松弛影響深度統計結果見表5。

表5 尾水渠基礎保護層單孔爆破松弛影響深度統計

3.2.3 爆破試驗結論

(1)根據尾水渠基礎保護層爆前爆后單孔聲波檢測Vp曲線對比圖及統計對比表(見圖1、圖2及表5),爆前單孔聲波縱波速度最大值4348m/s,最小值2941m/s,平均值3595m/s;爆后最大值4082m/s,最小值2941m/s,平均值3499m/s。

(2)本次檢測爆前爆后單孔聲波測試孔各4個,以爆破后孔深為基準,較強烈爆破松弛影響,影響深度0.8m～0.9m,爆后聲波Vp的平均降低幅度為9.63%(具體見表5)。

(3)從爆后聲波檢測結果看,爆后對建基面基本沒有損傷;爆破后,經過人工清渣沖洗,未見爆破裂隙。從表2、表3爆破前后孔頂高程及爆破后效果來看,爆破后建基面較為平整。因此,采用一次爆除的方式是可行的,爆破參數比較合理。

4 寬孔距小抵抗線梯段爆破

寬孔距爆破是將炮孔孔距拉大,抵抗線縮小,使孔距與抵抗線的比值大于2。寬孔距爆破技術能降低炸藥單耗,改善破碎效果,提高條形藥包延米爆破量。主要原因是:隨著孔距增大,排距減小,實際爆破抵抗線小于標準爆破漏斗的抵抗線;第一排炮孔爆破后,給第二排炮孔增加了一個臨空面,以后每排炮孔爆破后,都使其后面一排的藥包增加一個臨空面,臨空面越多,巖石的夾制力越小,反射波的能量越大,爆破的破碎效果越好。臨空面增加,巖石的運動方向增加,巖石發生相互碰撞的概率就大大增加,造成附加破碎的效果更加明顯,使炸藥的能量盡可能用來破碎巖石,減輕對基巖的破壞作用。這種方法在目前的水電施工中應用較廣,網絡布置簡潔,施工快捷。

5 裝藥結構

采用柔性墊層使炮孔底部形成不耦合裝藥結構,即在炮孔底部設置一種排水型體積可變的柔性墊層。亭子口廠房工程采用φ35mm高15cm的鋸末卷墊層(為防潮,外層包裹一層塑料薄膜),使藥卷不與炮孔底部直接接觸或減少水介質傳遞爆炸的沖擊作用。在基礎保護層一次爆破實踐中證明,加柔性墊層確實可以起到保護下層巖體的作用,使爆炸能量的傳遞受到明顯消減。上部裝藥結構未采用其它工程用的全段不耦合裝藥,而是吸取了深孔爆破裝藥結構的經驗,采用了空氣層裝藥結構。即炸藥全部采用φ32mm藥卷,孔口填塞根據孔深不同,長為0.3m～0.5m;填塞段與藥卷之間留一段空氣柱。實踐證明,這種裝藥結構簡便易行,可減少爆巖塊度,降低爆震,爆破效果較好。裝藥結構形式見圖3。

圖3 裝藥結構示意

6 經濟效益評價

在廠房工程基礎保護層開挖后,將一次爆破技術與分層爆破的各項指標進行對比,前者在爆破次數、清面次數、鉆孔和出渣的指標上均優于后者,且可以節約時間45%以上;爆后的挖裝工作,前者可以節省大量的資源,單位耗藥量、雷管消耗等方面,前者單價僅為后者的60%。保護層一次爆破和分層爆破的經濟效益比較見表6。

表6 基礎保護層開挖經濟效益比較

7 結語

7.1 從亭子口廠房工程基礎保護層一次爆破的作用機理和效果來看,采用保護層一次爆破技術能有效地降低對巖石破壞,加快施工進度。

7.2 基礎保護層一次爆破技術與常規方法相比,具有更好的經濟效益,極大地降低了施工成本。

7.3 基礎保護層一次爆破技術作為一項新的爆破技術,已經越來越多地應用于工程實踐,但它仍有待進一步的發展和完善,以充分發揮其開挖工期短、確保開挖質量、減少資源投入等方面的作用。由于受到施工現場各方面的因素影響,在應用保護層一次爆破技術時,一定要結合工程實際情況,綜合考慮工區地質、工期以及經濟性等方面因素進行現場的爆破試驗,確定合理的爆破參數和技術措施。