光面爆破技術(shù)在異型結(jié)構(gòu)面開(kāi)挖中的應(yīng)用

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，上游距烏東德壩址約182km，下游距溪洛渡水電站約195km，控制流域面積43.03萬(wàn)km2，占金沙江以上流域面積的91%。白鶴灘水電站的開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，電站正常蓄水位為825.0m，水庫(kù)總庫(kù)容206.27億m3，電站總裝機(jī)容量16000MW。

樞紐工程主要由混凝土雙曲拱壩、二道壩及水墊塘、泄洪洞、引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成。

水電站泄洪洞共計(jì)3條，均布置在金沙江左岸；自金沙江向山體側(cè)并排一字布置，依次為3#泄洪洞、2#泄洪洞、1#泄洪洞，相鄰泄洪洞兩洞軸線間距51m；泄洪洞進(jìn)口右鄰左岸壩肩開(kāi)挖區(qū)，進(jìn)口正前方為引水系統(tǒng)進(jìn)水口開(kāi)挖區(qū)。泄洪洞進(jìn)洞點(diǎn)樁號(hào)為0+003.0m，0+003m～0+014.0m樁號(hào)為支鉸段，開(kāi)挖結(jié)構(gòu)體型順?biāo)鞣较驗(yàn)榉叫?，垂直水流方向?yàn)榉且?guī)則梯形。開(kāi)挖寬度為23m，在0+014m樁號(hào)突變?yōu)?0m，開(kāi)挖高度由29.00m漸變?yōu)?0.21m，其支鉸段反坡開(kāi)挖設(shè)計(jì)高度6.5m(高程794.0m～787.5m)，反坡設(shè)計(jì)斜長(zhǎng)為11.79m，反坡為變折坡，以1∶8.0的坡度于0+6.95m樁號(hào)變?yōu)?∶0.83。

支鉸段反坡開(kāi)挖前，下部已施工完成洞身Ⅰ層的開(kāi)挖。泄洪洞進(jìn)口支鉸段反坡及立面如圖1所示。

(單位：m)圖1 泄洪洞進(jìn)口支鉸段反坡及立面示意

2 工程地質(zhì)情況

泄洪洞進(jìn)口巖性為單斜地層，洞臉邊坡走向與巖層層面走向夾角約30°，傾向相同，為層狀順向坡。邊坡高80m～100m，由第四系覆蓋層和P2β14巖流層隱(微)晶玄武巖、杏仁狀玄武巖和角礫熔巖構(gòu)成，地表覆蓋層厚度不超過(guò)10m，構(gòu)成邊坡的巖體主要為Ⅲ1～Ⅳ類，其中近地表弱風(fēng)化上段、強(qiáng)卸荷巖體厚15m～20m為Ⅳ類巖體，中上部弱卸荷巖體主要為Ⅲ2類；坡高40m～45m以下為無(wú)卸荷巖體為Ⅲ1類。邊坡巖體巖質(zhì)堅(jiān)硬，無(wú)大的不利結(jié)構(gòu)面發(fā)育，邊坡整體穩(wěn)定。

泄洪洞進(jìn)口支鉸段反坡處于地下水位以下，地下水為裂隙水，不具備大規(guī)模地下水儲(chǔ)藏空間，發(fā)生大規(guī)模涌水的可能性小，透水量很小。

3 施工重、難點(diǎn)分析及應(yīng)對(duì)措施

(1)支鉸段反坡開(kāi)挖體型控制是重點(diǎn)

支鉸段反坡體型較復(fù)雜，頂部為變折斜坡，且施工質(zhì)量要求較高，不允許出現(xiàn)欠挖，超挖控制在15cm以內(nèi)。

應(yīng)對(duì)措施：借鑒類似工程經(jīng)驗(yàn)，參考洞室爆破開(kāi)挖的施工方法，支鉸段反坡采用分區(qū)、預(yù)留保護(hù)層開(kāi)挖，一次鉆孔成型、三面整體光面爆破，減少分次鉆孔錯(cuò)臺(tái)，保證開(kāi)挖體型。

(2)鉆孔質(zhì)量控制是難點(diǎn)

進(jìn)口支鉸段反坡斜面鉆孔孔深最大深度約14.2m，鉆孔坡度為1∶0.83，鉆孔一次成型孔深較大，孔的后半段由于鉆桿自重的原因，孔向偏差較大，難以保證成型孔的質(zhì)量，直接影響開(kāi)挖面體型和平整度。

應(yīng)對(duì)措施：測(cè)量放樣，精確定位反坡段斜坡面鉆孔孔位，鉆孔設(shè)備采用100Y型潛孔鉆，樣架固定鉆機(jī)，控制孔向及角度，實(shí)現(xiàn)14.2m光爆孔一次鉆孔成型。測(cè)量放樣對(duì)周邊光爆孔鉆孔時(shí)孔位偏差不大于5cm。

鉆桿的鉆進(jìn)方向進(jìn)行校核、調(diào)整，并在鉆桿上安裝扶正器。鉆進(jìn)0.5m、1m、3m、5m、10m的階段均采用坡度尺、錘球?qū)︺@桿進(jìn)行復(fù)核。

鉆孔考慮10cm技術(shù)超挖，并將斜向光爆孔的傾角向外0.6°，以減少鉆桿深度施鉆時(shí)的自重影響。第一個(gè)斜向邊墻光爆孔貫通后，對(duì)貫通后的孔末端進(jìn)行測(cè)量確定孔的坐標(biāo)，復(fù)核實(shí)際孔位與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)線的位置對(duì)比，確定該光爆孔是否出現(xiàn)超挖過(guò)大或欠挖的現(xiàn)象，以此調(diào)整鉆孔角度。

結(jié)果表明，采用上述應(yīng)對(duì)措施后，斜坡面爆破孔設(shè)計(jì)鉆孔59個(gè)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施鉆62孔，除3個(gè)孔孔底偏差超出15cm外(不合格)，其余鉆孔質(zhì)量滿足要求，偏差均在10cm以內(nèi)。成孔合格率較高，不合格孔已采用水泥砂漿全孔封堵。

4 施工方法

泄洪洞進(jìn)口支絞段反坡采用分區(qū)開(kāi)挖爆破，結(jié)構(gòu)面周邊預(yù)留2m保護(hù)層，一次鉆孔、三面整體光面爆破。

4.1 施工分區(qū)

支鉸段反坡分兩區(qū)施工，支鉸大梁周邊預(yù)留保護(hù)層區(qū)域?yàn)棰騾^(qū)，保護(hù)層以內(nèi)的爆破區(qū)為掏槽區(qū)為Ⅰ區(qū)。反坡段施工前，下部洞身Ⅰ層開(kāi)挖已完成，為反坡爆破開(kāi)挖提供了良好臨空面。

保護(hù)層厚度的確定：根據(jù)《現(xiàn)代水利水電工程爆破》中“經(jīng)驗(yàn)法”：保護(hù)層厚度不小于外側(cè)梯段爆破藥卷直徑的30倍。

梯段爆破藥卷直徑d=32mm，保護(hù)層厚度h>30×0.032=0.96m，為減少梯段孔底部藥包爆破對(duì)反坡開(kāi)挖結(jié)構(gòu)巖面的振動(dòng)破壞，保護(hù)層厚度h取值2.0m。泄洪洞支鉸段反坡施工分區(qū)見(jiàn)圖2所示。

(單位：m)圖2 泄洪洞進(jìn)口支鉸段反坡施工分區(qū)

4.2 爆破開(kāi)挖施工順序及施工流程

4.2.1 施工順序

支鉸大梁反坡段開(kāi)挖分兩區(qū)爆破。首先爆破開(kāi)挖Ⅰ區(qū)，再爆破Ⅱ區(qū)，Ⅱ區(qū)一次三面光爆完成支絞大梁反坡段開(kāi)挖。

4.2.2 施工流程

泄洪洞進(jìn)口支鉸段反坡段開(kāi)挖施工流程見(jiàn)圖3所示。

圖3 泄洪洞進(jìn)口支鉸段反坡開(kāi)挖施工流程

4.3 施工平臺(tái)

泄洪洞進(jìn)口支鉸段反坡鉆孔采用腳手架搭設(shè)施工平臺(tái)。由持證的專業(yè)架子工搭設(shè)，搭設(shè)高度、寬度滿足施工要求。平臺(tái)支撐要著實(shí)地，連接要牢固、穩(wěn)定，防止在施鉆時(shí)鉆機(jī)產(chǎn)生不均勻下沉、擺動(dòng)、位移等影響鉆孔質(zhì)量。作業(yè)層與上部頂層滿鋪竹夾板。

4.4 鉆孔

掏槽區(qū)和保護(hù)層區(qū)域鉆孔均采用100Y潛孔鉆機(jī)，孔徑φ76mm。鉆孔機(jī)具采用48mm鋼管搭設(shè)樣架固定，保證鉆孔角度。

Ⅰ區(qū)施工為反坡段掏槽開(kāi)挖，孔位均為水平孔；Ⅱ區(qū)施工為反坡段保護(hù)層開(kāi)挖，1∶8和1∶0.83坡比的巖面鉆孔按坡比鉆斜孔，兩側(cè)豎向周邊保護(hù)層鉆水平孔。

每個(gè)孔位均由測(cè)量人員放樣確定，孔位的偏差不大于5cm，并按照每排孔的高程，確定鉆孔深度，現(xiàn)場(chǎng)做好孔位標(biāo)識(shí)，為操作工人提供參照。反坡段鉆孔全部一次成型。

鉆孔注意事項(xiàng)：

(1)除特殊部位孔位外，Ⅰ區(qū)掏槽鉆孔均不允許深入至保護(hù)層內(nèi)；

(2)為確保結(jié)構(gòu)體開(kāi)挖后不出現(xiàn)欠挖，鉆孔時(shí)保護(hù)層周邊光爆孔均向外側(cè)偏移10cm作為技術(shù)超挖；

(3)為保證1∶0.83內(nèi)側(cè)坡面結(jié)構(gòu)體型滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，延伸內(nèi)側(cè)坡線至外側(cè)坡面，交點(diǎn)高程為798.25m，根據(jù)偏移10cm的技術(shù)超挖確定該坡面的鉆孔高程為798.4m。同上，1∶8的坡面鉆孔高程確定為794.0m；

(4)反坡段結(jié)構(gòu)體型中的陰角部位，為確保開(kāi)挖質(zhì)量，增加加密孔，加密孔為空孔，不裝藥；

(5)Ⅱ區(qū)保護(hù)層兩側(cè)周邊水平光爆孔孔底距1∶0.83斜坡面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)線的距離不小于0.5m，水平主爆孔孔底距1∶0.83斜坡面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)線的距離不小于1.2m。

(單位：m)圖4 泄洪洞進(jìn)口支鉸段反坡Ⅰ、Ⅱ區(qū)孔位鉆孔剖面示意

4.5 爆破設(shè)計(jì)

4.5.1 爆破器材選擇

(1)炸藥：選用2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑25mm、32mm；直徑25mm藥卷長(zhǎng)度20cm，120g/卷；直徑32mm藥卷長(zhǎng)度20cm，200g/卷。

(2)非電毫秒延遲導(dǎo)爆管雷管：外殼白色，共計(jì)1段、3段、5段、7段、9段、11段、13段、15段8個(gè)段別。非電毫秒延遲導(dǎo)爆管雷管段別及延期時(shí)間見(jiàn)表1。

表1非電毫秒延遲導(dǎo)爆管雷管

(3)導(dǎo)爆索：外殼為紅色，爆速不小于6500m/s；用于周邊光爆孔聯(lián)網(wǎng)。

(4)磁電雷管：爆破網(wǎng)絡(luò)引爆雷管，使用雙發(fā)雷管。

4.5.2 光爆孔孔網(wǎng)、爆破參數(shù)

(1)一般光爆孔抵抗線按下式確定

Wmin=(10～20)d

式中：Wmin——光爆孔最小抵抗線，m；

d——鉆孔孔徑，m。

根據(jù)上式：鉆孔孔徑為φ76mm，Wmin=(10～20)×0.076=0.76m～1.52m；本次取值0.9m。

(2)光爆孔孔距按下式確定

a=(0.6～0.8)Wmin

式中：a——光爆孔孔距，m。

根據(jù)上式：a=(0.6～0.8)×0.9m=0.54m～0.72m；本次取值0.5m(參考巖石強(qiáng)度)。

(3)裝藥量按下式確定

Q線=1.27×A×0.42[R壓]0.5×a0.6

式中：Q線——線裝藥密度，g/m。

[R壓]——巖體極限抗壓強(qiáng)度，MPa；本次Ⅲ1類玄武巖取值1.2；

a——鉆孔間距，m；

1.27——單位硝銨炸藥與乳化炸藥的做功能力(mL)轉(zhuǎn)換；

A——系數(shù)。本次取值0.9。

根據(jù)上式：Q線=350g/m。

(4)裝藥結(jié)構(gòu)

光爆孔底部2節(jié)φ25mm藥卷加強(qiáng)裝藥，間隔25cm均勻裝藥1節(jié)炸藥，竹片綁扎，孔內(nèi)導(dǎo)爆索起爆。

裝藥注意事項(xiàng)：

①Ⅰ區(qū)爆破時(shí)，Ⅱ區(qū)保護(hù)層區(qū)域爆破孔均裝砂填堵保護(hù)，減少爆破振動(dòng)對(duì)周邊巖體的影響；

②Ⅰ區(qū)頂部1∶8斜坡光爆孔鉆孔時(shí)深入Ⅱ區(qū)保護(hù)層區(qū)，鉆孔時(shí)測(cè)量放樣，保證該方向光爆孔與1∶0.83斜坡面的爆破孔交叉；

③Ⅱ區(qū)保護(hù)層區(qū)爆破時(shí)，1∶0.83的斜坡坡面爆破孔，為保證開(kāi)挖體型，鉆孔時(shí)已貫穿整個(gè)坡面，裝藥時(shí)底部采用速凝錨固劑封堵，便于裝藥；另外因該坡面鉆孔上端部一部分超出設(shè)計(jì)體型的孔段，在裝藥時(shí)均采用細(xì)石渣封堵，待Ⅱ區(qū)保護(hù)層區(qū)爆破后，該部位孔段采用水泥砂漿封堵，以提高巖體整體性。斜坡面爆破孔裝藥封堵規(guī)劃見(jiàn)圖5所示。

(單位：m)圖5 泄洪洞進(jìn)口支鉸段斜坡面爆破孔封堵規(guī)劃示意

(5)光爆孔堵塞長(zhǎng)度按下式確定：

L=(0.7～1.0)W

式中：L——爆破孔堵塞長(zhǎng)度，m；

W——光爆孔抵抗線，m。

根據(jù)上式：L=(0.7～1.0)×0.9m=0.63m～0.9m，本次取值0.8m。針對(duì)于淺孔可取值按0.5m計(jì)。

4.5.3 主爆孔孔網(wǎng)、爆破參數(shù)

(1)主爆孔間、排距按下式確定

b=W(采用微差爆破)

a=(1.0～2.0)W(采用微差爆破)

式中：b——主爆孔排距，m；

a——主爆孔間距/孔距，m；

W——光爆孔抵抗線，m。

根據(jù)上式主爆孔排距b=0.9m，本次取值按1.0m計(jì)；間距a=(1.0～2.0)×0.9m=0.9m～1.8m，本次取值Ⅰ區(qū)按1.5m，Ⅱ區(qū)取值1.5m。

(2)堵塞長(zhǎng)度按下式確定

L=(0.7～1.0)W

式中：L——爆破孔堵塞長(zhǎng)度，m；

W——光爆孔抵抗線，m。

根據(jù)上式：L=(0.7～1.0)×0.9m=0.63m～0.9m，本次取值0.8m。針對(duì)于淺孔可取值按0.5m計(jì)。

(3)裝藥結(jié)構(gòu)

主爆孔連續(xù)裝φ32mm藥卷，孔內(nèi)13段非電毫秒延遲導(dǎo)爆管雷管引爆。

4.5.4 孔網(wǎng)、爆破參數(shù)表

綜上數(shù)據(jù)，泄洪洞進(jìn)口支鉸大梁開(kāi)挖孔網(wǎng)、爆破參數(shù)見(jiàn)表2。

表2泄洪洞進(jìn)口支鉸大梁開(kāi)挖孔網(wǎng)、爆破參數(shù)

4.6 效果評(píng)價(jià)

(1)殘留炮孔保存率：進(jìn)口支鉸段反坡Ⅱ區(qū)保護(hù)層開(kāi)挖光面爆破孔共計(jì)施鉆78孔，保留殘孔73個(gè)，殘孔率93.6%，保留半孔69個(gè)，半孔率88.5%，且均勻分布在開(kāi)挖輪廓面上。滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

(2)坡面不平整度：開(kāi)挖坡面共計(jì)檢查橫向不平整度18個(gè)點(diǎn)，其中不平整度最大值12.5cm，最小值1.8cm，平均不平整度7.3cm。滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

(3)超欠挖值：測(cè)量數(shù)據(jù)檢測(cè)16個(gè)斷面，斷面間距1.5m，共計(jì)150點(diǎn)，其中最大超挖值10.6cm，最小超挖值5cm，平均超挖7.1cm，無(wú)欠挖，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

(4)爆破后，經(jīng)巖體聲波檢測(cè)，坡面Ⅲ1類圍巖聲波平均波速在4200m/s～4700m/s，巖體質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)事實(shí)證明，在水利工程中，針對(duì)異型結(jié)構(gòu)面開(kāi)挖，采用分區(qū)、預(yù)留保護(hù)層開(kāi)挖，一次鉆孔成型、三面整體光面爆破方法是可行的。相比傳統(tǒng)的手風(fēng)鉆鉆孔，短進(jìn)尺，多層開(kāi)挖，更宜保證異型結(jié)構(gòu)面的開(kāi)挖體型。

(2)采用100Y型潛孔施鉆坡面斜向光爆孔，樣架固定鉆機(jī)，鉆桿加扶正器，控制孔向及角度，能夠?qū)崿F(xiàn)14m深孔一次鉆孔成型，確保了異型結(jié)構(gòu)面的開(kāi)挖質(zhì)量。

(3)采用延伸鉆孔，裝藥時(shí)回填、封堵結(jié)構(gòu)線以外孔段，有利于現(xiàn)場(chǎng)施工，解決了支鉸段反坡類似變折結(jié)構(gòu)面鉆孔的技術(shù)難題。

(4)與傳統(tǒng)手風(fēng)鉆進(jìn)行光面爆破開(kāi)挖相比，一次鉆孔成型施工方法，避免了多次進(jìn)行鉆孔平臺(tái)的搭設(shè)和拆除工序，縮短了施工工期，對(duì)施工成本的控制效果明顯。