淺析地質(zhì)條件對預(yù)裂爆破的影響

陳 迎 賓

(中電投云南國際密松建設(shè)分公司，云南 昆明 650228)

1 工程概況

四川寶興河水電站位于四川省雅安市寶興縣境內(nèi)東河上，主要由攔河閘壩首部樞紐、引水系統(tǒng)和地下廠房樞紐三部分組成。地下廠房系統(tǒng)由主副廠房及安裝間、主變室(兼尾閘室)、母線洞、尾水系統(tǒng)、交通洞、通風(fēng)洞、出線洞(兼排風(fēng)洞)、排水洞等組成。主副廠房及安裝間開挖尺寸72×17.60×36.62 m(長×寬×高，下同)，布置有巖壁吊車梁；主變室開挖尺寸為68.0×14.6×6.7 m(長×寬×高)；

本區(qū)地下洞室群的巖石為非均質(zhì)，軟硬不均，砂巖最大飽和抗壓強(qiáng)度為130 MPa，泥板巖的最小飽和抗壓強(qiáng)度為40 MPa。節(jié)理密集，平均節(jié)理線密度為1～2條/m，裂隙、隱性裂隙發(fā)育，本區(qū)地下洞室群的節(jié)理、層理、裂隙、斷層傾角一般為≥60°，為高傾角；走向與預(yù)裂面交角一般為30°～40°呈小銳角。

2 預(yù)裂爆破的主要特點(diǎn)及成縫機(jī)理

在寶興地下廠房直立面進(jìn)行深孔臺(tái)階拉槽開挖時(shí)，為保證開挖質(zhì)量，減少大面爆破對巖體的影響，首先在拉槽主爆區(qū)之前沿設(shè)計(jì)輪廓線先爆出一條具有一定寬度的貫穿裂縫，以緩沖、反射開挖爆破的振動(dòng)波，以減少爆破其對洞室預(yù)留高邊墻巖體的破壞影響，避免超挖。采用預(yù)裂爆破同時(shí)對降低工程造價(jià)，保證施工安全，縮短施工工期也有較大的好處。

預(yù)裂縫面的形成是應(yīng)力波和爆炸氣體壓力共同作用結(jié)果的理論。一般認(rèn)為應(yīng)力波的主要作用是在炮孔周圍產(chǎn)生一些初始的徑向裂縫，繼之，在爆炸高壓氣體準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力的作用下，使徑向裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)相鄰的兩個(gè)炮孔爆炸時(shí)，不論是同時(shí)起爆，或是存在著不同程度的時(shí)差，由于應(yīng)力集中的緣故，沿炮孔的連心線方向首先出現(xiàn)裂縫，并且發(fā)展也最快。在爆炸氣體的壓力作用下，由于最長的徑向裂隙擴(kuò)展所需的能量最小，所以該處的裂縫將首先得到擴(kuò)展。因此，連心線方向也就成為裂縫繼續(xù)擴(kuò)展的最優(yōu)方向，而其它方向的裂縫發(fā)展甚微。從而保證了裂縫沿著連心線將巖體裂開。預(yù)裂爆破的主要技術(shù)要點(diǎn)為：(1)沿設(shè)計(jì)開挖輪廓線打一排較密的孔；(2)選用低猛度、低爆速，低密度、傳爆性能好，藥卷直徑小的炸藥；(3)采用不偶合裝藥結(jié)構(gòu)；(4)周邊預(yù)裂孔同時(shí)起爆。

3 預(yù)裂爆破的設(shè)計(jì)和施工

3.1 預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)參數(shù)確定

預(yù)裂爆破主要參數(shù)的影響因素復(fù)雜，很難從理論上得出一個(gè)完整無缺的解，有不少爆破工作者根據(jù)各自積累的經(jīng)驗(yàn)，針對幾個(gè)最主要的影響因素，歸納了一些經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式，在這些計(jì)算式中，主要考慮線裝藥密度與巖石的抗壓強(qiáng)度，炮孔間距以及孔徑之間的關(guān)系，基本的形式是：

Q線=K[σ壓]α·[a]β·[d]γ

(1)

式中：Q線為炮孔的線裝藥密度，kg/m；σ壓巖石的極限抗壓強(qiáng)度，MPa；a為炮孔間距，m；d為炮孔直徑，m。K、α、β、γ均為系數(shù)。

這類計(jì)算公式，常見的有：

(1) 長委長江科學(xué)院提出的計(jì)算式

Q線=0.034[σ壓]0.63·[a]0.67

(2)

(2) 葛洲壩工程局提出的算式

Q線=0.367[σ壓]0.5·[d]0.86

(3)

(3) 武漢水利電力大學(xué)提出的計(jì)算式

Q線=1.27[σ壓]0.5·[a]0.84·[d/2]0.24

(4)

上述經(jīng)驗(yàn)公式，都受到在歸納整理這些公式所處條件的限制，只能在一定的范圍內(nèi)使用，不能包羅萬象。在寶興水電站地下廠房直立面預(yù)裂爆破實(shí)施中采用了武水提出的計(jì)算公式，并實(shí)際試驗(yàn)中進(jìn)行了部分參數(shù)的修正，最后采取確定為：

Q線=1.22[σ壓]0.5·[a]0.70·[d/2]0.24

(5)

3.2 預(yù)裂爆破鉆孔的要求

鉆孔的機(jī)具根據(jù)炮孔的直徑和孔深來選用，一般情況下，直徑小于50毫米，深度在6米以內(nèi)的孔，多采用手風(fēng)鉆，孔徑在70 mm以上，孔深在6 m以上的深孔，則要采用潛孔鉆。在寶興電站廠房施工時(shí)采用孔徑70 cm，孔深10 m。在鉆孔時(shí)，進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施，允許的偏斜度控制在1度以內(nèi)。由于巖面的不平整或鉆進(jìn)的方向不是垂直，往往容易引起孔口的偏離，此時(shí)，可以采用人工撬鑿或用鉆機(jī)沖擊的方法，鑿出孔口位置，經(jīng)檢測無誤后，才開始鉆進(jìn)。

3.3 預(yù)裂爆破藥包加工的要求

用于預(yù)裂爆破的藥包，要能在鉆孔內(nèi)均勻地連續(xù)分布。在實(shí)際施工中，大多須在現(xiàn)場加工制備，通常采用兩種方法：一是將炸藥裝填于一定直徑的硬質(zhì)塑料管內(nèi)連續(xù)裝藥，為了順利地引爆和傳爆，在整個(gè)管內(nèi)貫穿一根導(dǎo)爆索。另一種是采用間隔裝藥，即按照設(shè)計(jì)的裝藥量和各段的藥量分配，將藥卷綁扎在導(dǎo)爆索上，形成一個(gè)斷續(xù)的炸藥串。由于每個(gè)孔的深度不一致，裝藥量也不同，因此，對于每一個(gè)孔應(yīng)當(dāng)分別準(zhǔn)備各自的藥串，編上該孔的孔號，不能混淆，然后包扎好待用。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)寶興電站地下廠房預(yù)裂爆破采用間隔裝藥的方式。

3.4 預(yù)裂爆破裝藥、堵塞和起爆的要求

為使炸藥爆炸時(shí)能夠獲得良好的不偶合效應(yīng)，藥柱(或藥卷串)應(yīng)置于炮孔的中心。為達(dá)此目的，可采用一種塑料制的膨脹聯(lián)結(jié)套將藥柱固定在炮孔中央。在我國的預(yù)裂爆破中，多半將藥卷串綁在竹片上，再插入孔中。對于垂直孔， 竹片應(yīng)置于保留區(qū)的一側(cè)，對于傾斜的孔，竹片應(yīng)置于孔的下側(cè)面。炸藥裝填好以后，堵塞之前先要用紙團(tuán)等松軟的物質(zhì)蓋在炸藥柱上，堵塞過程中，應(yīng)注意使藥卷串保持在孔中央的位置上，不要因堵塞而將藥卷串推向孔邊。堵塞應(yīng)密實(shí)，以防止爆炸氣體沖出，影響預(yù)裂效果。在預(yù)裂爆破中，采用導(dǎo)爆索起爆，效果較好。為減輕預(yù)裂爆破過程中的振動(dòng)影響，采用了分段起爆的方式。

1—堵塞段；2—頂部減弱裝藥段；3—正常裝藥段；4—底部增強(qiáng)裝藥段圖1 裝藥示意圖

3.5 質(zhì)量評定

在進(jìn)行廠房直立面預(yù)裂爆破后對爆破參數(shù)的進(jìn)行評價(jià)，主要是看預(yù)裂爆破的質(zhì)量如何，是否形成了所要求的裂縫，對周圍的巖體有無損壞。在爆破區(qū)完全開挖清碴后，預(yù)裂面全部顯露出來，實(shí)際的開挖輪廓與設(shè)計(jì)開挖輪廓的差值為12厘米。預(yù)裂面上的半孔率(鉆孔的痕跡)可保留65%以上。預(yù)裂面上的巖體基本完整，沒有出現(xiàn)明顯的爆破裂隙。

4 地質(zhì)條件對預(yù)裂爆破的影響

預(yù)裂爆破作為保護(hù)設(shè)計(jì)介質(zhì)的一項(xiàng)控制爆破技術(shù)，在我國已得到廣泛的應(yīng)用，在預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)和機(jī)理研究方面取得了許多成果，但是地質(zhì)條件對欲裂爆破的影響研究較少。本文研究主要針對不同的地質(zhì)條件對預(yù)裂爆破影響進(jìn)行了有限的分析和探索。

通過在爆破前對地質(zhì)條件的鉆探和研究，以及爆破試驗(yàn)對爆破參數(shù)不斷修正，對不同的地質(zhì)條件采用不同的爆破參數(shù)，地下廠房直立面的預(yù)裂爆破取得了基本成功。通過分析，地質(zhì)條件對預(yù)裂爆破影響有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)巖石愈完整愈均勻則愈有利于預(yù)裂爆破，非均質(zhì)、破碎和多裂隙的巖層則不利于預(yù)裂爆破，特別是巖石的層理產(chǎn)狀、裂隙發(fā)育程度、裂隙的主要方向?qū)︻A(yù)裂爆破效果的影響較大；本區(qū)地下洞室群的巖石為非均質(zhì)，軟硬不均，砂巖最大飽和抗壓強(qiáng)度為130 MPa，泥板巖的最小飽和抗壓強(qiáng)度為40 MPa，開挖后，預(yù)裂縫能形成，并貫穿到孔底，但一出碴，反鏟一鉤，預(yù)裂面坍塌，不穩(wěn)巖塊沿滑移面滑移，預(yù)裂面凹凸不平。

(2)巖石孔隙率、裂隙率大，將會(huì)使開挖巖面不平整度增加，造成超挖；巖石裂隙率大于5%時(shí)，很難形成預(yù)想得裂縫，開挖邊緣的巖石遭到強(qiáng)烈破壞，形成超挖。當(dāng)裂隙率在5%～1.5%時(shí)，采用小孔距預(yù)裂爆破可以收到較好的效果。本區(qū)裂隙率在3%～7%，從主廠房預(yù)裂開挖看，裂隙率大的地方預(yù)裂效果較差，裂隙率小的地方預(yù)裂效果較好.

(3)高傾角裂隙的預(yù)裂壁面不平整度比中等傾角(45°～60°)的裂隙小的多。走向平行于預(yù)裂縫得裂隙比橫穿過預(yù)裂縫的裂隙對預(yù)裂爆破得影響要小。與預(yù)裂線平面交叉成銳角的裂隙，最有可能促使壁面不平整和超挖；本區(qū)地下洞室群的節(jié)理、層理、裂隙、斷層傾角一般為≥60°，為高傾角；走向與預(yù)裂面交角一般為30°～40°呈小銳角，通過對對預(yù)裂面觀察看，凹凸不平，壁面不平整，存有超挖，預(yù)裂爆破效果較差。

5 結(jié) 語

寶興水電站地下廠房雖然規(guī)模不大，主廠房高邊墻只有36 m高，但是部分區(qū)域地質(zhì)條件較差，高邊墻開挖還是有一定的難度。為減少大面拉槽爆破對洞室預(yù)留高邊墻巖體的破壞影響，避免超挖，同時(shí)保證施工安全，在開挖實(shí)施過程中不斷優(yōu)化調(diào)整爆破參數(shù)，控制鉆孔及裝藥質(zhì)量，通過對不同的地質(zhì)條件采用不同的爆破參數(shù)，基本上取得了預(yù)想的效果。事實(shí)表明，巖石愈完整預(yù)裂爆破效果愈好；裂隙率越小預(yù)裂爆破效果越好；高傾角裂隙的預(yù)裂壁面不平整度要小；走向與預(yù)裂線平面交叉成銳角的裂隙，預(yù)裂爆破后壁面不平整度高，容易形成超挖。通過本次地質(zhì)條件對預(yù)裂效果的影響進(jìn)行的有限分析和探索，為以后類似工程實(shí)施提供一些參考和借鑒。