卡魯瑪尾水隧洞出口圍堰拆除控制爆破技術

楊玉銀，張艷如，張 榮，韓 靜，張健鵬

(1.中國水利水電第五工程局有限公司，成都610066；2.四川大學錦城學院，成都611731)

對于國內圍堰的拆除爆破施工，已經有了非常成熟的爆破施工經驗，并且我國的爆破器材種類、規格充足；鉆孔機具品類繁多，均能滿足各類爆破施工要求。但在非洲等不發達國家進行圍堰拆除爆破施工中，受周圍爆破環境，爆破器材種類、規格、性能以及鉆孔機具種類、性能的限制，在一定程度上增加了爆破施工難度，加大了爆破施工成本。因此，必須針對具體施工情況，采取合理有效的施工措施，才能確保圍堰拆除爆破順利完成。

1 工程概況

卡魯瑪水電站尾水隧洞工程位于烏干達境內的卡爾揚東哥地區卡魯瑪村，距離烏干達首都坎帕拉270 km。尾水隧洞共2條：1#尾水隧洞長8 705.505 m，2#尾水隧洞長8 609.625 m，開挖斷面呈平底馬蹄形，寬13.60～15.20 m，高13.45～15.05 m。圍堰距尾水隧洞出口112.5 m，堰頂長132.8 m，寬11.4 m，主要作用是防止白尼羅河河水流入尾水出口基坑和尾水隧洞，為尾水出口施工創造干地施工條件，同時保障尾水隧洞內施工安全。圍堰是在原河岸邊利用洞渣填筑，其防滲結構為粘土心墻。圍堰按照25年一遇洪水設計，設計水位高程為963.6 m，考慮安全加高，尾水出口圍堰頂高程為964.1 m。

圍堰設計拆除范圍高程953.5～964.1 m，拆除期間河水位高程961.0 m。上部土石圍堰采用反鏟挖裝自卸汽車，下部基巖開挖采用控制爆破拆除。下部基巖為強風化～弱風化花崗片麻巖，屬IV～V類圍巖，巖性較軟。截止2019年6月5日，尾水出口檢修閘門已安裝，并充水調試完畢，具備圍堰拆除條件。圍堰典型斷面如圖1所示。

圖1 尾水隧洞出口圍堰Fig.1 Tailrace tunnel outfall cofferdam

圍堰左端距左側貼坡混凝土1.5～1.8 m；右端距右側貼坡混凝土2.0～2.5 m；上游側距尾水出口底板齒墻混凝土33.5 m，距尾水出口1#、2#閘門混凝土112.5 m；下游側緊臨白尼羅河(見圖2)。

圖2 圍堰周圍環境平面Fig.2 Surrounding environment of cofferdam

2 爆破難點與處理技術

尾水出口圍堰拆除爆破主要針對圍堰底部基巖，對應于953.5～958.8 m高程段，其上部土石圍堰開挖采用反鏟直接挖除。拆除爆破工作存在以下難點：

①圍堰的主要爆破巖體均處于河道水位以下，鉆孔爆破難度比普通露天爆破技術難度大；②圍堰距離尾水出口左、右兩側墻貼坡混凝土過近，爆破振動控制難度大；③圍堰上、下游水位高差大，下游側河道水位高程961.0 m，上游側尾水出口底板高程953.5 m，高差7.5 m，爆破后會有大量渣體在水頭差作用下涌入圍堰上游尾水出口內，涌入渣體難于清理；④基巖水下鉆孔在浮渣上進行，成孔難度大，易發生堵孔現象，造成廢孔或裝藥困難；⑤飛石控制要求高，基巖爆破時產生的飛石，既不能進入下游河道內，也不能進入上游尾水出口；⑥水下基巖爆破，要求一次爆破到設計開挖高程，避免底板高程不夠進行二次爆破；⑦國外施工，爆破器材受限，主爆孔內非電毫秒雷管的腳線長度最長僅有10.0 m，而主爆孔深度在9.5 m以上，腳線長度無法滿足聯炮要求。

針對以上圍堰拆除爆破施工技術難點，對現場進行了詳細勘查，對逐個問題進行了分析研究，最后決定在拆除爆破施工中采取以下措施：

1)水下基巖拆除爆破采用水上鉆孔爆破作業。上部土石圍堰開挖到河水位以上0.5 m，即開挖到961.5 m后，停止水上土石圍堰拆除，將961.5 m平面作為水下基巖開挖鉆孔、裝藥作業平臺。

2)以液壓破碎錘為主預拆除左右兩側墻貼坡混凝土附近的圍堰體。鑒于下部基巖為強～弱風化巖，巖性較軟，為了減輕爆破對尾水出口左右兩側墻貼坡混凝土的爆破振動，決定采用液壓破碎錘結合反鏟，開挖左、右兩側墻貼坡混凝土一定范圍內的基巖，必要時局部輔以手風鉆鉆孔、小藥量爆破。

3)上游側尾水出口內充水。在主體圍堰開始拆除以前，尾水出口1#、2#檢修井閘門已經安裝并充水調試完畢，具備擋水條件。為了避免下部基巖拆除爆破時，渣體涌入上游尾水出口，在下部基巖開挖鉆孔作業前，上游側尾水出口內先充水至961.0 m，保持圍堰上下游水壓平衡。

4)圍堰下部基巖開挖鉆孔作業采用下套管的方法。在下部基巖開挖鉆孔作業時，從鉆孔作業平臺961.5 m到下部基巖面，至少有2.7 m以上土石渣體覆蓋，成孔難度較大，為了確保成孔質量，在爆破作業鉆孔時，采用跟管技術在孔內下直徑φ90 mm的PVC套管，以確保鉆孔、裝藥作業順利完成。

5)選擇合理的爆破方向并增加孔口填塞長度。為了控制孔口飛石，首先將爆破方向選在沿圍堰軸線方向，并加大孔口填塞長度。對于下部基巖開挖爆破，除了下部基巖段填塞長度外，上部還有2.7 m以上的土石渣體覆蓋層，因此孔口填塞長度可達5.0 m以上，可有效控制垂直方向爆破飛石。

6)每茬炮爆破時前部覆蓋渣體。為了提高爆破破碎效果并防止水平方向飛石，每茬炮爆破時，前部(臨空面方向、爆破飛石方向)預留上茬炮渣體覆蓋，以防止爆破后水平方向飛石。

7)設置孔底超深。根據文獻[1]，為了確保底板開挖高程一次到位，基巖開挖鉆孔可設置較大的超深。

8)采用低段位雷管孔內接長保證聯炮長度。為了保證孔內非電毫秒雷管腳線長度滿足聯炮需要，主爆孔孔底采用MS16段雷管，并在其腳線末端采用MS1段雷管在孔內接長后延伸到孔外。

3 爆破設計

3.1 拆除爆破方案

3.1.1 預拆除

1)上游側圍堰預拆除。在圍堰主體開挖爆破前，首先要采用液壓破碎錘結合反鏟挖除上游圍堰前的堆渣體和下部基巖(見圖3)。

圖3 圍堰上游側預拆除Fig.3 Cofferdam pre-demolition on the upstream side

2)兩側墻貼坡混凝土附近圍堰預拆除。經爆破安全距離驗算，在距離左、右兩側墻貼坡混凝土14 m范圍內，不能采用爆破法進行開挖，只能采用液壓破碎錘結合反鏟預先挖除。挖除后堰體剩余寬度10 m左右，為了保證圍堰拆除安全，開挖前需對下游河道側圍堰進行加寬、加固。

3.1.2 爆破方案

圍堰開挖以961.5 m為界，分為上、下兩部分。上部開挖為水上開挖，采用1.2 m3反鏟直接挖裝25 t自卸汽車。下部開挖為水下開挖，主要針對958.8 m以下基巖，采用深孔爆破技術，鉆孔作業在961.5 m工作平臺上進行，鉆具穿過2.7～5.0 m的土石圍堰填筑體進入下部基巖，為保證成孔質量，鉆孔采用跟管技術[1]，孔內設φ90 mm的PVC套管。下部基巖爆破后，出渣采用長臂反鏟挖裝25 t自卸汽車，渣料運往棄渣場。

3.2 爆破器材

1)炸藥。主體圍堰拆除采用φ60 mm乳化炸藥，質量1 000 g、長30 cm。

2)導爆索。選用塑料導爆索[2]，外觀紅色，直徑5.0 ～5.4 mm，藥芯主要為太安，裝藥量10 g/m，爆速不小于6 km/s。

3)非電毫秒雷管?？變燃熬W路連接主要選用MS1～MS16段非電毫秒雷管，相鄰兩段雷管時差均為25 ms。孔內裝藥采用MS1、MS16段，腳線長10 m；其他孔外聯炮采用雷管MS2、MS3、MS4、MS5段，腳線長6 m。非電毫秒雷管參數如表1所示。

表1 非電毫秒雷管延時參數

4)電雷管。主要用于起爆整個非電毫秒雷管爆破網路，主要選用8#普通工業電雷管。

3.3 主爆孔設計

1)鉆孔直徑。根據烏干達能租賃到的鉆機情況，實際鉆孔直徑100 mm。由于上部覆蓋層為土夾石，為了保證成孔、裝藥質量，孔內套入了外徑90 mm的PVC塑料管，管壁厚4.3 mm，計算鉆孔直徑取D=81.4 mm。

2)爆破基巖厚度。根據圍堰上游側基坑出露的基巖情況，基巖平均高程在958.8 m，設計開挖高程為953.5 m，則上游側拆除爆破基巖厚度H1=5.3 m；根據圍堰下游側鉆孔探測的情況，基巖平均高程957.3 m，則下游側拆除爆破基巖厚度H2=3.8 m。

3)鉆孔超深[1]。本次基巖拆除開挖屬于水下開挖，為了保證不留根坎，同時考慮水下爆破欠挖時補充爆破難度大、效率低，采用了較長的超深值，取h=1.5 m。

4)主爆孔鉆孔傾角。為控制向上飛石，考慮到巖石硬度不高，所有鉆孔均與爆破方向垂直，即與圍堰軸線方向垂直。但同一排鉆孔橫斷面上，靠近河道側鉆孔按一定角度向河道側傾斜(見圖4)。

圖4 主爆孔橫斷面Fig.4 Cross section of main blasting hole

5)主爆孔孔深。以垂直孔為例，上游側L1=H1+h=6.8 m；下游側L2=H2+h=5.3 m，由于圍堰底部基巖不是平面，應根據實際鉆孔過程中基巖出露情況測定孔深，并據此確定實際裝藥量。

6)基巖段最小填塞長度[1]。l2=(20～30)D，取l2=20D=1.63 m，除了最小填塞長度外，基巖上部還有2.7～5.0 m的圍堰土石渣體覆蓋層。

7)最大裝藥長度。上游側l1=L1-l2=(6.8-1.63) m=5.17 m；下游側l1=L2-l2=(5.3-1.63) m=3.67 m。

8)炸藥單耗。水下爆破由于爆破介質同時承受著上覆渣體和水體的壓力，同時爆破介質的破碎亦須克服渣體和水體的阻力，因此水下爆破的炸藥單耗較陸地露天爆破為大，通常比陸地臺階爆破增加30%～50%[1]。爆破基巖為強～弱風化花崗片麻巖，巖性較軟，露天爆破可取0.35～0.45 kg/m3，本工程結合文獻[1]國內外的統計資料，取炸藥單耗q單耗=0.65 kg/m3。

9)孔內每米裝藥量。主爆孔炸藥選用乳化炸藥，孔內每米裝藥量：q米=3.33 kg/m。

10)主爆孔單孔爆破控制的最大面積。按照下式[3-4]計算

(1)

式中：q米為孔內每米裝藥量，q米=3.33 kg/m；l1為孔內最大裝藥長度，上游側取l1=5.17 m；q單耗為炸藥單耗，q單耗=0.65 kg/m3；H為基巖厚度，上游側基巖厚度取H1=5.3 m；則Smax=5.0 m2。

11)孔距、排距。水下炮孔布置，原則上越簡單、越規則越好。根據以上計算及同類工程水下鉆孔布置參數[1，3]：①本工程主體爆破采用方形布孔，取孔距a=2.0 m，排距b=2.0 m?？拙W面積S=a·b=4.0 m2<5.0 m2；②鑒于左、右兩側墻貼坡混凝土附近受單響藥量控制，在距離14 m時，單響藥量應控制在12.76 kg內，可取孔距a1=2.0 m，排距b1=1.5 m，并采用逐孔起爆技術。

12)裝藥結構。①單孔藥量：主體上游側Q1=q單耗abH1=13.78 kg，實際施工可取Q1=14.0 kg；主體下游側Q2=q單耗abH2=9.88 kg，實際施工可取Q2=10.0 kg；兩側墻貼坡混凝土附近Q3=q單耗a1b1H1=10.33 kg，實際施工可取Q3=10.5 kg。②實際裝藥長度：主體上游側l1-1=Q1/

q米=4.20 m；主體下游側l1-2=Q2/q米=3.0 m；兩側墻貼坡混凝土附近l1-3=Q3/q米=3.15 m。③實際填塞長度：主體上游側l2-1=L1-l1-1=(6.8-4.2)m=2.6 m>1.63 m；主體下游側l2-2=L2-l1-2=(5.3-3.0)m=2.3 m>1.63 m；兩側墻貼坡混凝土附近l2-3=L1-l1-3=(6.8-3.15)m=3.65 m>1.63 m。以上炮孔除了基巖段填塞長度外，還有上覆2.7～5.0 m的土石圍堰覆蓋層。④裝藥結構：圍堰拆除主爆孔均采用孔內連續裝藥，孔底裝入MS16段非電毫秒雷管，在靠近孔口部位1.0 m左右采用MS1段非電毫秒雷管接長并延伸到孔外，以圍堰主體上游側炮孔為例，裝藥結構如圖5所示。

圖5 主爆孔裝藥結構Fig.5 Explosive charging structure in main blasting hole

3.4 掏槽孔設計

圍堰主體拆除爆破方向沿堰體軸線方向，為了給主爆孔創造臨空面，必須在圍堰合適位置設置掏槽孔。為了加快拆除進度，采用從堰體中部向兩側雙向開挖的施工順序，因此，掏槽孔設置在圍堰中部。掏槽采用深孔楔形掏槽(見圖6)，由內掏槽孔、主掏槽孔、4級輔助掏槽孔組成。鉆孔直徑同主爆孔，計算鉆孔直徑取D=81.4 mm；孔距2.0 m、排距1.44～1.5 m；鉆孔傾角60°～85°，由內向外逐排擴大；掏槽孔裝藥采用φ60 mm乳化炸藥，裝藥長度選取孔深的60%～70%，但須確保基巖段填塞長度不小于1.63 m。

圖6 圍堰掏槽結構Fig. 6 Cofferdam cutting structure

3.5 炮孔布置

圍堰拆除工作從堰體中部向兩側退行雙向爆破開挖。掏槽孔布置于圍堰的中部，然后向兩側布置主爆孔。具體炮孔布置如圖7所示。

圖7 炮孔布置Fig.7 Layout of blasting hole

3.6 起爆網路

圍堰主體開挖起爆網路采用孔外單排分組，組間延時結合排間延時的起爆技術。同一排爆破孔，靠近上游側垂直孔每3孔為1組；靠近河道側傾斜孔，每4孔為1組?？變绕鸨捎肕S16段非電毫秒雷管，組間采用MS2段非電毫秒雷管聯炮，排間采用MS5段非電毫秒雷管聯炮，整個孔外網路采用普通電雷管起爆。靠近左、右兩側墻貼坡混凝土部位，采用逐孔起爆技術。主爆孔典型起爆網路如圖8所示。

圖8 圍堰主體起爆網路Fig.8 Detonating network of cofferdam main body

3.7 安全驗算

1)最大單響藥量計算。圍堰拆除爆破時，為了保證對尾水出口左、右兩側墻貼坡混凝土及尾水出口底板齒墻混凝土的爆破振動在允許范圍內，必須嚴格控制最大單響藥量。最大單響藥量可按下式計算[1，5]。

(2)

式中:R為爆破點與被保護對象間的距離,m；v為被保護對象能承受的安全允許振速，cm/s；K、α為爆破點至保護對象間與地形、地質條件有關的系數和衰減指數。

尾水出口左、右兩側墻貼坡混凝土及尾水出口底板齒墻混凝土的齡期均超過28 d。根據爆破安全規程[5],安全允許振速取10 cm/s；圍堰爆破基巖屬軟巖，取K=300，α=1.9。經過預拆除，爆破點距離尾水出口左、右兩側墻貼坡混凝土最近14.0 m；距離尾水出口底板齒墻混凝土最近33.5 m。

根據式(2)，靠近尾水出口左、右兩側墻貼坡混凝土的控制最大單響藥量Qmax=12.76 kg；靠近尾水出口底板齒墻混凝土的控制最大單響藥量Qmax=174.92 kg。

2)安全分析。①尾水出口左、右兩側墻貼坡混凝土。采用逐孔起爆技術，單孔藥量Q3=10.5 kg

3)圍堰中部掏槽爆破?？刂票普駝訉ξ菜隹诘装妪X墻混凝土的影響。根據圖7，最大單響藥量應出現在主掏槽孔，即圖8(a)中左側第二排靠上游側3孔和右側第二排靠上游側3孔，共6個主掏槽孔同時起爆。經計算，主掏槽孔上游側基巖段厚6.8 m，根據圖6可計算出主掏槽孔基巖段孔長7.68 m，主掏槽孔裝藥長度按照70%計算[4]，單孔裝藥量：Q主掏=7.68×0.7×3.33=17.90 kg，則同時起爆的6個主掏槽孔裝藥量為6Q主掏=107.4 kg

4)主爆孔3孔一組同時起爆與左、右兩側墻貼坡混凝土最小允許安全距離。可按下式計算[1，5]。

(3)

5)主爆孔2孔一組同時起爆與左、右兩側墻貼坡混凝土最小允許安全距離確定。根據式(3)：

通過以上安全驗算分析，該爆破設計滿足安全要求，當圍堰主爆孔與左、右兩側墻貼坡混凝土的距離R主<18.19 m時，必須采用逐孔起爆技術；當18.9 m≤R主<20.82 m時，可采用2孔一組同時起爆；當R主≥20.82 m時，可采用3孔一組同時起爆。

4 爆破效果

截止2019年9月13日，卡魯瑪水電站尾水隧洞出口圍堰拆除爆破工作全部結束，并通過了監理驗收。圍堰拆除爆破期間，每茬炮爆破時，前部均覆蓋有上茬炮爆破渣體，水平方向由于較厚渣體覆蓋，基本沒有飛石；孔口飛石高度基本控制在3.0 m以內。左右兩側墻貼坡混凝土表面未發現爆破振動裂隙，未發生個別飛石砸壞貼坡混凝土表面需要修復現象，爆破振動對左右兩側墻貼坡混凝土的影響控制在了允許范圍內。尾水出口圍堰的順利拆除爆破，為卡魯瑪水電站首臺機組發電奠定了堅實的基礎。圍堰拆除后的尾水出口如圖9所示。

圖9 圍堰拆除后的尾水出口Fig.9 Tailrace tunnel outfall after the demolition of cofferdam

5 結語

在烏干達卡魯瑪水電站尾水隧洞出口圍堰拆除爆破施工中，通過采用孔內接長雷管解決了雷管腳線不夠長的問題；通過左、右兩側墻貼坡混凝土附近一定范圍內巖體及圍堰上游側巖體預拆除，解決了爆破振動對混凝土的影響問題；通過每茬炮前部預留上茬炮渣體覆蓋，解決了水平方向爆破飛石問題；通過圍堰上游側的尾水出口內充水，解決了爆破后石渣涌入尾水出口的問題；孔內下套管，解決了上覆渣體內鉆孔成型及裝藥困難問題；加大孔底超深，解決了圍堰底部欠挖問題。實踐證明：在境外爆破施工中，通過分析爆破施工中存在的問題，綜合利用現有的爆破技術和當地資源條件，最終能夠順利完成爆破施工任務。