控制性爆破技術(shù)在大斷面窯洞開挖中的應(yīng)用

顧利超，張 劍，晏國順，張 義

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611130；2.華電西藏能源有限公司大古水電分公司，西藏 山南 856000)

隨著我國水電事業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多處于高山峽谷河流段的水電站發(fā)電廠房安裝間布置在山體內(nèi)，由明室結(jié)構(gòu)改成了洞室結(jié)構(gòu)。這些洞室邊坡陡峻，地質(zhì)條件復(fù)雜、開挖技術(shù)要求高，斷面尺寸大，開挖極其困難。由于地形、地質(zhì)條件等原因影響，洞室開挖施工布置困難，開挖和支護(hù)工序間存在較大的相互干擾。為了減小這些交叉干擾影響，提高開挖施工機(jī)械的使用效率，爆破規(guī)模被增大，因此爆破震動(dòng)對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性影響日益突出。為減小影響，提高開挖工程的質(zhì)量、安全，控制性爆破技術(shù)成為了大斷面洞室開挖施工中的關(guān)鍵，發(fā)揮著越來越顯著的作用。

1 工程概況

西藏DG水電站位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)。DG水電站為二等大(2)型工程，開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，水庫正常蓄水位3 447.00 m，相應(yīng)庫容0.552 8億m3，電站裝機(jī)容量為660 MW。

電站樞紐建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)及升壓站等組成。發(fā)電廠房采用壩后式布置，主要由主廠房、副廠房、變電站等組成。廠房機(jī)組安裝間位于主廠房右側(cè)窯洞內(nèi)，機(jī)組安裝間為半窯洞式，位于水電站右岸岸坡內(nèi)，最大開挖尺寸28 m×29 m(寬×高)，開挖斷面超過了600 m2。工程地質(zhì)為弱風(fēng)化下段黑云母花崗閃長巖，構(gòu)造不發(fā)育，節(jié)理輕度發(fā)育，巖體完整～較完整，以Ⅲ類圍巖為主，洞壁及洞頂穩(wěn)定性較好，成洞條件較好。

2 爆破方案

根據(jù)以往洞室開挖施工經(jīng)驗(yàn)，窯洞式安裝間采取分層分區(qū)方式進(jìn)行開挖施工，開挖采取短進(jìn)尺、小循環(huán)、弱爆破、支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)。窯洞安裝間拱座作為主要受力部位，須保證拱座與邊墻的巖石角，采取預(yù)留1 m厚度保護(hù)層先進(jìn)行預(yù)裂爆破，后用光面加人工削鉆的方式將拱座開挖成型，邊墻遵循以下原則進(jìn)行開挖支護(hù)：先洞后墻、先抽槽，然后邊墻預(yù)裂，最后開挖保護(hù)層；中部抽槽采用梯段爆破。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，窯洞安裝間開挖主要分層高程擬控制為：3 406～3 395 m，3 395～3 390 m、3 390～3 385 m、3 385～3 380 m、3 380～3 377 m。第一層采用中導(dǎo)洞先行，兩側(cè)導(dǎo)洞后擴(kuò)挖的方式開挖，中導(dǎo)洞跨度為8 m，高度11 m，其后每層開挖5 m，最后一層為保護(hù)層，厚度3 m，中下層開挖采取兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層施工方式，考慮支護(hù)施工操作平臺(tái)，保護(hù)層厚度為4 m，頂拱部位開挖過程中在中導(dǎo)洞支護(hù)完成后進(jìn)兩側(cè)導(dǎo)洞開挖，具體安裝間開挖分層分區(qū)情況見圖1。

圖1 安裝間窯洞開挖分層圖

3 爆破施工

3.1 爆破參數(shù)選擇

3.1.1 預(yù)裂爆破

通過預(yù)裂爆破，預(yù)先在主爆區(qū)與邊坡保留區(qū)分界處產(chǎn)生一條裂縫，使主爆區(qū)的一部分爆破應(yīng)力被裂縫阻斷而不能傳遞至被保留的邊坡，對(duì)保留巖體的破壞小，達(dá)到減震的效果。

安裝間窯洞爆破開挖中預(yù)裂鉆孔采用YT28手風(fēng)鉆進(jìn)行鉆孔，各種爆破參數(shù)根據(jù)生產(chǎn)性爆破試驗(yàn)結(jié)果及施工爆破效果確定。

預(yù)裂孔開孔點(diǎn)在輪廓線上，誤差不大于5 cm，孔底偏差不大于20 cm進(jìn)行控制，預(yù)裂孔孔徑為50 cm。

預(yù)裂爆破最大單響藥量按不大于50 kg控制。

1)孔距

a=(1～12)D

(1)

式中：a為炮孔孔距，mm；D為鉆頭直徑，mm。

故a=(350～600)mm，強(qiáng)風(fēng)化巖石取小值350 mm，微、新巖石取大值600 mm。

預(yù)裂爆破孔選用φ32藥卷，爆破參數(shù)見表1。

2)線裝藥密度。安裝間窯洞巖體主要為Ⅲ類黑云母花崗閃長巖，手風(fēng)鉆造孔預(yù)裂線裝藥密度采用100～300 g/m。

3)裝藥結(jié)構(gòu)。底部1.0～1.5 m加強(qiáng)裝藥，炮孔頂部1.0～2.0 m線裝藥密度適當(dāng)減小，孔口段用炮泥、沙子或巖粉堵塞0.8～1.0 m，預(yù)裂孔裝藥方式采用竹片軸向、徑向不耦合裝藥。

4)起爆。預(yù)裂炮孔先于相鄰主爆孔起爆的時(shí)間，不得小于100～150 ms。

5)藥量控制。預(yù)裂爆破孔采用串聯(lián)分段起爆方式進(jìn)行起爆，每四個(gè)孔為一段起爆，最大單響藥量為8.8 kg。

表1 預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)置表

3.1.2 梯段孔間微差爆破

常規(guī)梯段爆破，多孔一段起爆，爆破時(shí)只有抵抗線方向的一個(gè)側(cè)向臨空面，而孔間微差爆破，每個(gè)孔均有兩個(gè)側(cè)向臨空面，由于從臨空面產(chǎn)生的兩個(gè)爆破反射應(yīng)力波的相互疊加作用，將使巖石爆破的更加破碎，同時(shí)先后爆孔產(chǎn)生的石塊相互間的碰撞，更加保證了爆破質(zhì)量。相對(duì)常規(guī)梯段爆破，孔間微差爆破產(chǎn)生的地震波在時(shí)間和空間上均得到了較好的分散，因此有效減小了對(duì)邊坡的破壞。

安裝間窯洞爆破開挖中主爆破孔主要采用ROCD7液壓鉆鉆孔，孔徑D=90 mm，超鉆c=0.5～0.8 m。

主爆孔最小抵抗線W：

W=(20～40)d

(2)

式中：d為藥卷直徑，W=(20～40)70 mm=1 400～2 800 mm，取W=1.5～1.8 m，強(qiáng)風(fēng)化取小值。

鉆孔深度L：

L=H+h

(3)

式中：H為主爆孔深度，H=2.5～3 m；h為超鉆深度，h=0.5 m，L=3～3.5 m。

炮孔間距a：

a=MW

(4)

式中：M為炮孔鄰近系數(shù)，M取1.4；W為主爆孔最小抵抗線，W=1.5～1.8m，a=1.4×1.5(1.8)=2.1(2.5)m。

炮孔排距b：

b=0.866a

(5)

式中：a為炮孔間距，b=0.866a=0.866×2.1(2.5)=1.8(2.2)m；

裝藥量Q：

Q=qabL

(6)

式中：q為巖石爆破單位耗藥量，q=0.2～0.4 kg/m3；a為炮孔間距，a=2.1(2.5)m；b為炮孔排距，b=1.8(2.2)m；L為主爆孔鉆孔深度，L=3～3.5 m；單孔裝藥量計(jì)算結(jié)果見表2。

主爆孔爆破參數(shù)，根據(jù)爆破監(jiān)測(cè)成果，爆破效果對(duì)參數(shù)不斷進(jìn)行調(diào)整。主爆孔參數(shù)見表2。

表2 梯段主爆孔參數(shù)設(shè)置表

3.2 起爆延時(shí)時(shí)間選取

合理的起爆延時(shí)時(shí)間，將直接影響爆破震動(dòng)強(qiáng)度的大小。窯洞爆破開挖設(shè)計(jì)爆破孔間延時(shí)取△t=100～150 ms，選取毫秒延期雷管的段位為5、7、9、11、13、15。

3.3 爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

爆破網(wǎng)絡(luò)采用孔間微差順序爆破，這種塑料導(dǎo)爆管接力起爆網(wǎng)絡(luò)，能有效地將多孔齊爆變?yōu)閱慰捉恿ζ鸨仪氨诪楹蟊滋峁┬碌呐R空面，能充分利用爆破能量，爆破時(shí)增加巖石相互之間碰撞次數(shù)，爆破巖塊的塊度小，且具有單段起爆藥量少，極大減小爆破震動(dòng)對(duì)邊坡影響。爆破網(wǎng)路既要保證孔、排間順序起爆，也要保證傳爆可靠。

3.4 爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)

窯洞安裝間洞室爆破開挖，鉆孔深度3 m，單響最大藥量控制在300 kg以內(nèi)，震動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在窯洞側(cè)墻附近。

表3 爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

震動(dòng)監(jiān)測(cè)表明，爆破震動(dòng)得到了有效控制，爆破對(duì)邊坡的影響被控制在允許范圍內(nèi)。

3.5 爆破效果分析

安裝間窯洞爆破開挖通過采用預(yù)裂爆破、梯段孔間微差爆破、降低單響藥量等控制性爆破施工技術(shù)措施，爆破效果良好，主爆孔區(qū)域爆破巖石破碎，級(jí)配良好，巖石粒徑均在80 cm以下，滿足挖裝需求；孔底巖體破碎，受擠壓爆破影響沿孔底部全部拉裂，且孔底部以下巖體較完整，無明顯爆破裂痕。通過采用此種綜合爆破技術(shù)，沒有出現(xiàn)較大的欠挖及超挖現(xiàn)象，不僅保證了預(yù)留邊坡的穩(wěn)定性，還減少了邊坡欠挖處理工作量，從而降低了工程施工成本。

4 結(jié) 語

在大斷面洞室爆破開挖中采用預(yù)裂爆破，合理的裝藥結(jié)構(gòu)，選取孔間合適的起爆時(shí)差等控制性爆破技術(shù)措施，減小了單響藥量，降低了爆破震動(dòng)影響效果，同時(shí)較好地控制了邊坡超欠挖，提高了工程質(zhì)量、安全及工程經(jīng)濟(jì)效益，為類似工程提供參考。

圖2 安裝間窯洞爆破后效果圖(照片)