深水條件下巖塞鉆孔爆破關鍵技術及應用

趙 根，吳新霞，周先平，黎衛超，胡英國，吳從清

（長江水利委員會長江科學院，武漢430010）

深水條件下巖塞鉆孔爆破關鍵技術及應用

趙 根，吳新霞，周先平，黎衛超，胡英國，吳從清

（長江水利委員會長江科學院，武漢430010）

為實現深水條件下的巖塞鉆孔爆破貫通與成型，系統研究深水條件下巖塞鉆孔爆破的貫通機理。提出結合隧洞開挖的巖塞爆破試驗方法，對巖塞鉆孔爆破參數的合理性、爆破器材的防水抗壓性能以及起爆網路的可靠性、施工工藝等進行現場試驗；對巖塞在庫區與隧洞內外不同水壓差下的爆破石渣運動形態進行水工模型試驗，解決了高水壓條件下的巖塞鉆孔爆破貫通成型、石渣運動控制等技術難題，并成功應用于長甸水電站擴機工程的巖塞爆破中。可為類似巖塞爆破工程提供參考與借鑒。

巖塞爆破；電子雷管；模型試驗；爆破效應

1 引言

基于國家“十三五”規劃提出的水資源高效利用的方針，對部分水庫增建水工隧洞進行二次開發是大勢所趨。增建的水工隧洞進口常位于水面以下數十米甚至百米深處，如采用常規擋水圍堰方案，其爆破風險及費用將成倍增加，尤其在界河流域上，由于保密和國家安全因素的影響，不允許修建圍堰。在此情況下，水下巖塞爆破成為解決問題的重要途徑。水下巖塞爆破不受水位消漲和季節條件的影響，可省去工期長、成本高的圍堰工程，施工與水庫的正常運行互不干擾，是一種適合深水條件下的引水洞進口施工方法。

巖塞爆破技術在挪威應用較早，JAEGER等﹝1﹞早在1979年便對巖塞爆破的基本理論和方法進行了介紹。我國上世紀60年代開始應用巖塞爆破技術，基于大量的工程實踐，國內巖塞爆破技術在設計方法、進水口成型、爆后巖渣處理措施以及對附近建筑物的影響等方面都有所創新。楊朝輝﹝2﹞、楊建紅﹝3﹞、馮立孝﹝4﹞、劉美山﹝5﹞、任煥強﹝6﹞等基于不同的工程背景，研究了巖塞爆破的具體實施技術；趙根等﹝7﹞研究了電子雷管起爆系統在巖塞爆破中的應用；李江等﹝8﹞研究了劉家峽巖塞爆破的水工模型試驗技術。

受爆破器材和施工設備的限制，以往的水下巖塞爆破大多采用硐室爆破的方法，后逐漸發展為在巖塞體中部用集中藥包、周邊擴大部分用鉆孔爆破。由于硐室爆破振動影響大，不確定性影響因素高，如今多數工程不允許或放棄采用硐室爆破的方式。相比之下，全排孔爆破有其獨到的優點，在雷管延時精度逐漸提高以及鉆孔施工質量明顯進步的前提下，可以有效地控制單響藥量，減少爆破對保留巖體以及近區建筑物的影響，安全性顯著提高。然而，我國完全采用鉆孔爆破僅用于巖塞直徑小于6 m（印江巖口）的巖塞爆破，在大直徑厚巖塞的條件下實施全排孔巖塞爆破尚未嘗試和探索，未來采用全鉆孔的巖塞爆破技術可能成為關注的重點。

巖塞爆破技術雖在不少工程中已得到成功應用，但已有文獻大多涉及巖塞爆破施工工藝，鮮有對深水條件下的巖塞鉆孔技術進行系統的闡述和總結。

2 巖塞鉆孔爆破貫通成型機理

巖塞爆破成功的判別標準可分為：①爆后輪廓面質量滿足設計要求，包括洞口形狀、尺寸符合預定的設計要求，且洞壁光滑穩定、損傷小；②爆破塊度、爆渣堆積滿足設計預期；③周圍環境安全，包括洞內結構、洞外結構及周圍建筑物安全。

巖塞爆破貫通成型是巖塞爆破的核心，針對深水條件下的巖塞鉆孔爆破，開展貫通成型機理的研究顯得尤為重要，圖1為深水條件下巖塞爆破力學環境示意圖。

圖1 深水條件下巖塞爆破力學環境示意圖Fig.1 Schematic diagram of rock plug blasting under deep water condition

進水口巖塞采用鉆孔爆破時，一般圍繞巖塞的中軸線依次布置掏槽孔、崩落孔和周邊孔。當掏槽孔起爆時，炮孔周圍巖石在爆炸能量的作用下產生強烈的壓剪與拉裂破壞，并向空孔和兩端臨空面區域移動并拋擲，形成圓柱形的臨空面；崩落孔由內而外依次起爆，破碎的巖石向掏槽孔形成的臨空面做徑向運動，向兩端臨空面進行軸向拋擲；最后，周邊孔形成平整輪廓面。與此同時，在巖塞體內外水壓差的作用下，庫區水體經巖塞口快速涌入，并將爆渣沖入集渣坑，至此，巖塞體消失，形成貫通的進水口。以上是巖塞爆破過程的定性描述，要順利實現這一過程，掏槽爆破效果至關重要，如果掏槽效果不好，徑向不能形成良好的臨空面條件，崩落孔破碎的巖石只能向兩端臨空面進行軸向拋擲，可能造成巖塞體兩端爆除而中部卻出現殘留的后果。

因此，需要研究巖塞爆破的掏槽效果及影響因素，進而提出改善巖塞爆破效果的解決方案。從表觀層面看，巖塞爆破與常規的隧洞掘進開挖類似，通過合理地布置掏槽孔、崩落孔以及周邊孔，實現開挖成型；但需要指出的是，常規隧道掘進一個循環的爆破進尺為3～5 m，而巖塞爆破的一次爆破成型厚度一般為10 m左右，有的甚至達15～18 m。在深孔條件下，沿炮孔軸線長度方向的巖體夾制作用可能對爆破效果產生決定性的影響。圖2為基于動力有限元仿真的巖塞掏槽爆破損傷分布。

圖2 巖塞掏槽爆破效果示意圖Fig.2 Schematic diagram of blasting effect for rock plug

從圖2中可以看出，兩端掏槽爆破效果較好，而中部效果略差，這表明在巖塞厚度較大時，掏槽效果首先在巖塞體中部變差。如上所述，掏槽效果是巖塞爆破的關鍵所在，中部掏槽效果變差必然影響該區域的貫通效果。

圖3為崩落孔與周邊孔之間區域沿巖塞體軸線的損傷程度分布情況。巖塞兩端的破碎程度較高，而在中部的損傷程度降低。為避免掏槽孔深度過大，出現炮孔中部掏槽效果不理想的情形，可設法減少掏槽孔的深度，于是預先開挖中導洞的爆破方案應運而生（見圖4）。

中導洞的存在將顯著改變巖塞的貫通效應，主要體現在以下兩個方面。首先針對鄰近中導洞部分的巖體而言，一方面很大程度解除了巖體的夾制作用；另一方面，由于中導洞的壁面為該區域巖體的破碎提供了臨空面，爆炸應力波傳播至臨空面時反射產生拉應力波，可以加強巖體的破碎。其次，中導洞掏槽實際上減小了巖塞一次貫通的厚度。當一次貫通深度降低時，沿巖塞軸線方向的夾制作用將減弱。

基于常規的施工條件和施工設備，中導洞的直徑一般在3～4 m，因此，需要確定中導洞的深度。圖5給出了巖塞貫通效果評價指數與中導洞深度的對應關系。

圖3 崩落孔與周邊孔區域的損傷程度分布曲線Fig.3 Damage distribution of position between caving holes and contour holes

圖4 帶中導洞的巖塞鉆孔爆破示意圖Fig.4 Schematic diagram of rock plug with middle drift

圖5 中導洞深度與爆破貫通效果評價指數的對應關系Fig.5 Relationship of blasting effect and the depth of middle drift

從圖5中可以看出，隨著中導洞掘進深度的增加，巖塞爆破效果評價指數增大，但增大趨勢逐漸平緩。但在巖塞體中進行爆破開挖，形成中導洞，無疑會影響其穩定性。隨著中導洞掘進深度的增加，巖塞體的安全系數降低，但巖塞貫通效果指數有增加的趨勢，兩個主要參考指標分別隨中導洞的深度呈正相關和負相關的變化趨勢，如果對兩個參考指標進行限定，則可以得到合理的中導洞掘進深度。

3 深水條件巖塞爆破試驗方法

3.1 巖塞爆破試驗方法

巖塞爆破關系到整個工程的成敗，且離正在運行的重要水工建筑物（大壩、中控室等）較近，因此，提出了較常規拆除爆破更高的技術要求：

（1）對爆破設計中遇到的技術問題均需開展試驗，進行充分論證，做到技術措施的完善與落實；

（2）巖塞爆破必須一次爆通成型，滿足過流斷面和體型要求，同時使洞臉邊坡保持整體穩定；

（3）在巖塞爆破輪廓成型的條件下，應盡量減小爆破對周邊建筑物的有害影響。

為探明水下巖塞爆破在設計與施工中可能遇到的關鍵技術難題，大多采用原位試驗方法，即在巖塞爆破工程附近選一個試驗場地，進行一個與原型相同或規模稍小的巖塞爆破試驗。如豐滿水電站泄洪洞水下巖塞爆破，巖塞直徑11 m，采用集中藥室爆破方法，總藥量為4 075 kg，進行了直徑為6 m的水下巖塞爆破試驗，總藥量為828 kg。

在巖塞爆破工程附近，單獨開展巖塞爆破試驗，將導致工程量增大，同時爆破試驗的次數有限，一旦試驗失敗，將嚴重影響下一步的工作。在長甸水電站改造工程的進水口巖塞爆破中，創新性地提出了結合引水隧洞開挖進行巖塞爆破試驗的方法，取得了良好效果。該試驗方法具有以下特點：結合隧洞開挖進行爆破試驗，不需另外選址，基本不增加額外工程量和投資；可進行多參數組合的巖塞爆破方案優化試驗，試驗次數基本不受限制。

3.2 巖塞爆破試驗內容

巖塞爆破試驗的主要內容如圖6所示，并以長甸巖塞爆破工程為例，介紹巖塞爆破試驗各項內容的操作方法。

圖6 巖塞爆破試驗內容Fig.6 Experiment content of rock plug blasting

在爆破器材試驗方面：將炸藥、雷管放入壓力罐中加壓至0.55 MPa，7天后測試雷管的延時精度、可靠度，10天后開展炸藥的爆速以及殉爆距離試驗等。另外，在水庫60 m水深處進行了雷管、導爆索、炸藥等起爆性能試驗。

在爆破參數試驗方面：長甸巖塞爆破試驗結合引水隧洞的正常開挖，設計了多組巖塞爆破參數試驗方案，包括不同掏槽孔形式、周邊孔光面與預裂爆破方式的選擇以及中導洞設置與否等。最終確定了適合該區域巖性特征的炸藥單耗、掏槽形式、周邊孔爆破方式以及不同類型炮孔的裝藥結構等。

在施工工藝試驗方面：開展鉆孔放樣、定位、監控等鉆孔工藝試驗；按設計裝藥結構怎樣進行綁扎、防水處理，堵塞材料的選擇與使用、雷管腳線的保護等均是需要解決的問題。因此開展巖塞爆破施工工藝試驗，既熟悉了施工流程，又對可能出現的問題提出了解決方案，為實際巖塞爆破施工鍛煉了隊伍、提高了操作水平、提出了應急預案。

針對巖塞爆破的有害效應，每次巖塞爆破試驗均進行爆破振動、沖擊波監測，對爆堆形狀以及爆破塊度進行測量和分析，并采用聲波法進行爆破后洞壁巖體影響深度的測試。

4 巖塞爆破有害效應控制技術

4.1 水擊波效應控制技術

巖塞爆破產生的水擊波影響分兩個方面，一是巖塞體爆破向庫區傳播的水擊波，可能對水庫養殖區、大壩等產生一定的影響；二是向隧洞內傳播的水擊波，可能對閘門井等產生影響。采用毫秒延時起爆技術，可有效降低水擊波的危害。如長甸巖塞爆破的瞬間，在巖塞口上方水域，出現內含多頭“蘑菇”的鼓包（見圖7），實測的水擊波波形（見圖8）也表明，由于采用了毫秒延時爆破技術，水擊波分散成了多個小峰值。在隧洞內降低水擊波危害最有效的方法，就是使巖塞體內表面與水體隔離，其間留有空氣墊層，使巖塞爆破溢出的能量首先產生空氣沖擊波，再傳輸到水體產生水擊波，這樣可極大地降低水擊波對隧洞結構、閘門等的破壞影響。

圖7 巖塞爆破產生的鼓包Fig.7 The expansion of water during rock plug blasting

圖8 實測水擊波波形Fig.8 The waveform of water shock wave

4.2 爆破振動效應控制技術

在爆破振動效應控制方面，巖塞爆破可采用的措施與常規爆破類似，首先需進行爆破振動衰減規律測試，再基于保護對象的控制標準與爆心距，確定合理的爆破單段藥量。爆破振動控制采用數碼雷管起爆技術，嚴格控制每段雷管的起爆時間，確保不重段、不竄段，使爆破單段藥量的控制得以嚴格實現。

4.3 爆破石渣與閘門井涌浪的控制技術

巖塞爆破的石渣處理分兩種情況，一是石渣在水流作用下由隧洞泄出，如排沙洞巖塞爆破；二是將爆渣留在集渣坑內，避免爆渣對發電機組產生破壞影響，如發電引水洞進口巖塞爆破。集渣坑的形狀、大小、集渣效果等需通過水工模型試驗來確定。

從安全角度考慮，閘門井水體涌浪的高度不能超過閘門井預警高程（頂板），因此需要合理確定閘門井爆前的水位。已有的研究表明，閘門井涌浪高度與水庫水位、閘門井水位存在一定的相關關系，且涉及復雜的水動力學運動過程，一般采用水工模型試驗方法來綜合確定。

5 巖塞爆破施工工藝

5.1 裝藥與聯網

巖塞掌子面因炮孔滲水點多、庫水溫度低、作業空間局促，施工條件惡劣。裝藥施工關鍵問題在于采取有效的措施保證裝藥施工質量，盡量避免滲水對爆破材料的影響。裝藥可采用有一定柔性的PE管預先加工藥包（筒）、單孔一次性安裝到位的工藝。

由于巖塞掌子面環境惡劣，聯網施工一定要按照爆破器材的特性做好細節工作。如數碼電子雷管的連線接頭不能置于水中（盡管爆破器材試驗時，將接頭置于水下60 m，也能正常起爆），因此需制定嚴格措施保障在集渣坑充水過程中所有數碼電子雷管接頭高于水面。起爆網路防護是爆破成敗的一個重要環節，必須建立嚴格的聯網制度，由經培訓的爆破人員聯網，并由主管技術工程師負責網路檢查。

5.2 巖塞充水與補氣實施

開始充水補氣意味著施工作業進入不可逆的階段。必須在巖塞體爆破裝藥及聯網完成并檢查無誤后，才能開始充水。

為保證閘門井的水位達到一定的高程，同時確保巖塞體內的起爆網路不被水淹沒，必須對氣墊進行補氣加壓。

實施過程中，充水、補氣系統需進行跟蹤監測，集渣坑內水位可利用攝像頭實時傳遞到現場爆破指揮中心，充水過程遇到臨時堵頭滲漏量較大的問題時需及時處理。

5.3 巖塞爆破效果監測方法

在靠近巖塞體隧洞側壁上布置攝像頭，對巖塞爆破瞬間、爆穿后的水石流等進行拍攝和跟蹤。

通過空氣沖擊波和水擊波壓力傳感器進行動態監測，范圍為巖塞進水口至閘門井后臨時堵頭迎水面。

在錨固灌漿洞內、閘門井高程檢修平臺、臨時堵頭迎水面以及堵頭下游等不同部位，布置爆破振動監測點。

同時對巖塞口及附近周邊圍巖進行變形監測，可將多點位移計布置在錨固灌漿洞，分別監測巖塞口上部圍巖和集渣坑頂拱的變形。

6 工程應用實例

長甸水電站改建工程巖塞進水口系統由巖塞體、連接段和集渣坑等部分組成。長甸進水口巖塞中心軸線與水平夾角43°，巖塞段厚度12.5 m，巖塞外口直徑14.6 m，塞底直徑10 m，擴散角10°，巖塞厚徑比1.25。巖塞與集渣坑之間設中心線長7 m的連接段，內徑10 m。集渣坑段采用氣墊式布置，該段下部為集渣坑，上部在爆破時為氣墊室。

采用中導洞超前開挖的全排孔巖塞爆破方案；結合引水隧洞爆破開挖，分別對巖塞以及中導洞開挖的爆破參數進行了試驗，并得到合理的爆破參數；同時對爆破器材進行選型及抗水抗壓性能試驗，確保其在55 m水頭下能安全準爆。

2014年6月16日10：26發布起爆命令，按動起爆按鈕，約1.5 s后，監測屏幕出現巖塞起爆圖像，直至采集攝像頭被爆破沖擊波破壞和淹入水中。隨后，庫面觀察組傳來起爆后水面鼓包信息。10：30，確認巖塞爆破成功。閘門井啟閉室開始進入恢復供電程序，相關各組進行安全檢查，進入閘門井啟閉室，查看巖塞爆破涌浪情況，閘門井水位上升至庫水位，未發現涌浪進入閘門井啟閉室底板（123.5 m）現象。啟閉室恢復動力電源供給后，閘門緩慢下降，于12：20順利關閉，說明爆渣未進入閘門槽附近。

根據爆后水擊波、空氣沖擊波、爆破振動及進水口圍巖的變形結果，所有測試指標均在合理安全范圍以內，長甸水電站進水口巖塞爆破取得圓滿成功。

7 結語

本文針對深水條件下的巖塞爆破關鍵技術，研究了巖塞爆破的貫通機理，并提出了中導洞全排孔巖塞爆破方案，創新性地提出了結合隧洞開挖的巖塞爆破試驗方法，對巖塞爆破有害效應控制、爆破施工工藝等進行了研究。研究成果在長甸巖塞爆破工程中得到了成功應用。

（

）：

﹝1﹞JAEGER，COOK J C，ZIMMERMAN N G W，et al.Fundamentals of rock mechanics（Third Edition）［M］.Wiley-Blackwell，1979.

﹝2﹞楊朝輝，趙宗棣.印江巖口應急工程泄洪洞進口水下巖塞爆破設計與實踐［J］.工程爆破，2000，6（1）：64-69. YANG Chao-hui，ZHAO Zong-li.Design and practice of import rock plug blasting for flood discharge tunnel Print Jiang engineering［J］.Engineering blasting 2000，6（1）：64-69.

﹝3﹞楊建紅.巖塞爆破技術在水利水電工程中的應用［J］.電力學報，2003，18（2）：107-112. YANG Jian-hong.Application of rock plug blasting technique in hydroelectric engineering［J］.Journal of E-lectric Power，2003，18（2）：107-112.

﹝4﹞馮立孝.氣墊式水下巖塞爆破的技術研究及應用［J］.爆破，2007，23（4）：66-70. FENG Li-xiao.Technology research and application of the air cushion type of underwater rock plug blasting［J］.Blasting 2007，23（4）：66-70.

﹝5﹞劉美山，余強，王繆斯，等.貴州塘寨電廠取水口巖塞爆破［J］.工程爆破，2011，17（4）：36-41. LIU Mei-shan，YU Qiang，WANG Miu-si，et al.Rock blasting of water inlet at Tang Zhai hydro-power station［J］.Engineering blasting，2011，17（4）：36-41.

﹝6﹞任煥強，李榮偉，于江.某引水隧洞進口水下混凝土塞爆破［J］.水科學與工程技術，2013（4）：91-94. REN Huan-qiang，LI Rong-wei，YU Jiang.Concrete plug blasting for a tunnel［J］.Water Science and Engineering Technology，2013（4）：91-94.

﹝7﹞趙根，吳新霞，周先平，等.電子雷管起爆系統及其在巖塞爆破中的應用［J］.爆破，2015，32（3）：91-94. ZHAO Gen，WU Xin-xia，ZHOU Xian-ping，et al.Electronic detonator detonating system and its application in rock plug blasting［J］.Blasting，2015，32（3）：91-94.

﹝8﹞李江，葉明.劉家峽水電站巖塞爆破模型試驗施工技術［J］.水利水電施工，2015（1）：13-17. LI Jiang，YE Ming.Construction technology of rock plug blasting model test in Liu Jiaxia hydropower station［J］. Water Conservancy and Hydropower Construction，2015（1）：13-17.

Key technology and application of rock plug drilling blasting under deep water condition

ZHPO Cen，WU Xin-xia，ZHOU Xian-ping，LI Wei-chao，HU Ying-guo，WU Cong-qing
（Changjiang River Scientific Research Institute，CWRC，Wuhan 430010，China）

In order to realize the plug through，contour formation and controlling the adverse effects of blasting，the site experiment was implemented to test the rationality of the rock plug blasting parameters，the waterproof compression performance and the reliability of detonating network.The movement form of the blasting debris under different water pressure difference was investigated by using the hydraulic model test.Research results worked out the technical problems such as the contour formation and movement control of rock debris，which were used in the rock plug blasting of expansion project of Changdian hydropower station successfully.It also can provide a good reference for similar engineerings of rock plug blasting.

Rock plug blasting；Electronic delay detonators；Model test；Blasting response

O383

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.05.003

1006-7051（2016）05-0013-05

2016-03-25

國家青年自然科學基金資助項目（51609017，51309026）

趙根（1965-），男，博士，教授級高級工程師，從事工程爆破科研、設計與咨詢工作。E-mail：wuh_zhaogen@126.com