20 m深孔預裂施工的可行性研究

李福浩，王寶，張忠平

（中國水利水電四局，西寧 810000）

1 引言

本次工程涉及的新疆某水電站混凝土拱壩為拋物線型雙曲拱壩，壩頂高程880.5 m，最大壩高167.5 m，壩頂全長288.4 m。巖性為灰巖，灰色~深灰色，呈晶結構，厚層、中厚層夾少量薄層狀構造，屬堅硬巖。壩肩開挖工程，主要由左右岸壩肩開挖和左右岸拱壩槽開挖組成。最高開挖邊坡高達167.5 m，開挖范圍上下游方向最長50 m，平均長40 m。整個工程壩肩上下游預裂面積為7.53×106m2，工程規模宏大、設計體型復雜、技術含量高、施工難度大。

2 20 m深孔預裂爆破設想的由來

2.1 設計要求

左右岸高邊坡開挖根據設計體型及臺階高度設計，因設計的臺階高度為20 m，為了保證開挖爆破質量，考慮大壩地質情況和施工安全，設計初始值給定為：開挖階段上下游開挖臺階高度為5 m，分4次完成1個臺階開挖循環。邊坡超挖不得超過20 cm，欠挖不得超過10 cm。

2.2 實際操作

項目部在壩肩首次開挖作業中，同監理方、設計方、業主溝通后，將開挖方式優化為：首先按常規開挖10 m梯段，保證坡腳超挖≤20 cm、欠挖≤10 cm；然后用手風鉆將剩余10 m剝除，同樣控制邊坡超欠挖為：超挖≤20 cm、欠挖≤10 cm。在實際施工中，操作難度和復雜程度不言而喻，造成施工進度緩慢，開挖體型外觀質量極差，大量人工、機械設備窩工。

2.3 修正后的實際操作

通過實踐檢驗，最初的施工方案很不理想，通過一致協商后決定采用預裂20 m一次施工到位，分2次對10 m梯段進行爆破開挖。實踐證明，采用20 m深孔預裂梯段爆破和電子雷管毫秒微差起爆網絡技術，開挖坡面預裂爆破一次成型，并且超欠挖可控制在允許范圍內。

3 爆破質點振動速度分析

3.1 規范要求

GB 6722—2014《爆破安全規程》的要求如下：

1）評價爆破對不同類型建（構）筑物、設施設備和其他保護對象的振動影響，應采用不同的安全判據和允許標準。

2）永久巖石高邊坡的爆破振動判據采用保護對象所在地基礎質點峰值振動速度和主振頻率。如果保護對象類別為永久性巖石高邊坡，則允許質點振動速度V應控制在10~15 cm/s。

3）對永久性巖石高邊坡在爆破振動安全允許標準選定安全允許質點振速時，應認真分析以下影響因素：邊坡的地質情況、邊坡的開挖強度、支護跟進速度等。

3.2 國內外控制爆破振動速度的范圍值

質點峰值振動速度與巖體的動應變或動應力間存在對應關系。國內外學者通過在爆前爆后巖體中新增裂隙調查、聲波對比測試等手段，提出了多種基巖開裂的質點峰值振動速度判據，A.Bauer等建議的巖體爆破損傷質點峰值振動速度安全判據為：巖石爆破損傷的質點峰值振動速度臨界值＜25.0 cm/s時，巖體損傷效果會達到完整，不會致裂[1]。工程實踐中，考慮到質點振動速度最能直接反映邊坡的動力響應，質點峰值振動速度被普遍作為巖石高邊坡的爆破振動安全判據。對具體工程，一般考慮地質條件，結合現場試驗、爆破振動監測及爆破損傷檢測，按照工程類比法確定允許的爆破振動速度。國內類似水電工程高邊坡控制爆破振動速度范圍值見表1。

表1 國內類似水電工程高邊坡控制爆破振動速度范圍值

3.3 實際工程的典型成果

3.3.1 質點振動速度分析

1）左岸800~790 m爆破區共布置7個質點振動速度測點（編號為L9-1~L9-7），各測點振動監測成果見表2。

表2 左岸800~790 m爆破區質點振動監測成果統計表

由表2可知，左岸800~790 m爆破區最大質點振動速度為L9-2測點Z方向的速度：23.34 cm/s。

2）左岸780~770 m爆破區共布置5個質點振動速度測點（編號為L11-1~L11-5），各測點振動監測成果見表3。

表3 左岸780~770 m爆破區質點振動監測成果統計表

由表3可知，左岸780~770 m爆破區最大質點振動速度為L11-3測點X方向的速度：5.51 cm/s。

3）右岸830~820 m爆破區共布置5個質點振動速度測點（編號為R6-1~R6-5），各測點振動監測成果見表4。

表4 右岸830~820 m爆破區質點振動監測成果統計表

由表4可知，右岸830~820 m爆破區最大質點振動速度為R6-1測點Z方向的速度：15.09 cm/s。

3.3.2 孔內巖石成像分析

1）綜合左岸800~790 m爆破區鉆孔電視觀察成果，孔壁以青灰色為主，較光滑，局部粗糙；巖體較完整，局部較破碎完整性差；發育大量裂隙，以緩傾角閉合裂隙為主，裂隙面多呈白色。爆破前后孔壁巖體表觀完整性無明顯變差現象，裂隙面、層面等弱面未有明顯張開（壓縮）或錯動現象。

2）綜合左岸780~770 m爆破區鉆孔電視觀察成果，孔壁以青灰色為主，較光滑；巖體較完整；發育少量閉合裂隙，以陡傾角裂隙為主。爆破前后孔壁巖體表觀完整性無明顯變差現象，裂隙面、層面等弱面未有明顯張開（壓縮）或錯動現象。

3）綜合右岸830~820 m爆破區鉆孔電視觀察成果，RZK25和RZK26爆前鉆孔分別于孔深5.5~5.9 m和4.8~5.1 m段巖體較破碎，局部掉塊形成空洞。爆后鉆孔孔壁以青灰色為主，較光滑，局部粗糙；巖體較完整，局部較破碎；發育數條裂隙，以緩傾角閉合裂隙為主。

綜上所述，本工程中選用的20 m深孔預裂梯段爆破、電子雷管毫秒微差起爆網絡技術在控制爆破振動速度的范圍值方面是可控的。

4 采用的控制手段

4.1 典型爆破區域的造孔裝藥情況

典型爆破區域的造孔裝藥情況詳見表5。

表5 典型爆破區域的造孔裝藥情況一覽表

4.2 裝藥方式和結構調整的效果

1）爆破振動沖擊波的能量大小及傳播與爆區巖性、地質構造、地形地貌、爆破裝藥量等因素相關，控制最大單響裝藥量對控制沖擊波對周邊的破壞影響有較為明顯的效果。在本工程中選用數碼電子雷管，采用單孔單響的技術手段，將最大單響控制在43 kg，現場效果極為明顯。

2）有針對性地調整裝藥結構，在本工程中預裂孔采用φ32 mm藥卷對剖，從而將線密度調整為250 g/m，爆破孔直徑為φ120 mm，孔內裝填直徑為φ70 mm乳化藥卷，大大降低了爆破振動沖擊波的能量。

3）采用微差爆破可以降低爆破沖擊波傳播中的能量疊加，從而降低爆破沖擊波振動破壞。在本工程中利用數碼電子雷管的特點，將逐孔延時控制在35 ms。在總裝藥量和其他爆破條件相同的情況下，逐孔延時爆破能使質點振動速度較齊發爆破平均降低40%~60%。

4）在一定條件下，利用創造臨空面和削薄開挖厚度等施工方法，同時，通過降低單響藥量進行預裂爆破，降低爆破沖擊波對保護區的破壞，效果很好。

5 結語

20 m深孔預裂爆破因受國內主流造孔設備的影響，未得到較大規模的推廣，相關爆破實例較少，在本工程結合現場實際情況，大膽地采用預裂孔20 m一次成型、爆破10 m梯段爆破的方式，極大地解決了20 m梯段爆破中的各種困難，加快了施工進度，并且保證了邊坡的開挖質量，重點是爆破振動影響基本處在可控狀態。數碼電子雷管的引進極大地降低了最大單響，為20 m深孔預裂奠定了良好的基礎。