20 m深孔預(yù)裂施工的可行性研究

李福浩，王寶，張忠平

（中國(guó)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(zhǎng)288.4 m。巖性為灰?guī)r，灰色~深灰色，呈晶結(jié)構(gòu)，厚層、中厚層夾少量薄層狀構(gòu)造，屬堅(jiān)硬巖。壩肩開(kāi)挖工程，主要由左右岸壩肩開(kāi)挖和左右岸拱壩槽開(kāi)挖組成。最高開(kāi)挖邊坡高達(dá)167.5 m，開(kāi)挖范圍上下游方向最長(zhǎng)50 m，平均長(zhǎng)40 m。整個(gè)工程壩肩上下游預(yù)裂面積為7.53×106m2，工程規(guī)模宏大、設(shè)計(jì)體型復(fù)雜、技術(shù)含量高、施工難度大。

2 20 m深孔預(yù)裂爆破設(shè)想的由來(lái)

2.1 設(shè)計(jì)要求

左右岸高邊坡開(kāi)挖根據(jù)設(shè)計(jì)體型及臺(tái)階高度設(shè)計(jì)，因設(shè)計(jì)的臺(tái)階高度為20 m，為了保證開(kāi)挖爆破質(zhì)量，考慮大壩地質(zhì)情況和施工安全，設(shè)計(jì)初始值給定為：開(kāi)挖階段上下游開(kāi)挖臺(tái)階高度為5 m，分4次完成1個(gè)臺(tái)階開(kāi)挖循環(huán)。邊坡超挖不得超過(guò)20 cm，欠挖不得超過(guò)10 cm。

2.2 實(shí)際操作

項(xiàng)目部在壩肩首次開(kāi)挖作業(yè)中，同監(jiān)理方、設(shè)計(jì)方、業(yè)主溝通后，將開(kāi)挖方式優(yōu)化為：首先按常規(guī)開(kāi)挖10 m梯段，保證坡腳超挖≤20 cm、欠挖≤10 cm；然后用手風(fēng)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(shí)際施工中，操作難度和復(fù)雜程度不言而喻，造成施工進(jìn)度緩慢，開(kāi)挖體型外觀質(zhì)量極差，大量人工、機(jī)械設(shè)備窩工。

2.3 修正后的實(shí)際操作

通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，最初的施工方案很不理想，通過(guò)一致協(xié)商后決定采用預(yù)裂20 m一次施工到位，分2次對(duì)10 m梯段進(jìn)行爆破開(kāi)挖。實(shí)踐證明，采用20 m深孔預(yù)裂梯段爆破和電子雷管毫秒微差起爆網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開(kāi)挖坡面預(yù)裂爆破一次成型，并且超欠挖可控制在允許范圍內(nèi)。

3 爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度分析

3.1 規(guī)范要求

GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》的要求如下：

1）評(píng)價(jià)爆破對(duì)不同類(lèi)型建（構(gòu)）筑物、設(shè)施設(shè)備和其他保護(hù)對(duì)象的振動(dòng)影響，應(yīng)采用不同的安全判據(jù)和允許標(biāo)準(zhǔn)。

2）永久巖石高邊坡的爆破振動(dòng)判據(jù)采用保護(hù)對(duì)象所在地基礎(chǔ)質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和主振頻率。如果保護(hù)對(duì)象類(lèi)別為永久性巖石高邊坡，則允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度V應(yīng)控制在10~15 cm/s。

3）對(duì)永久性巖石高邊坡在爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)選定安全允許質(zhì)點(diǎn)振速時(shí)，應(yīng)認(rèn)真分析以下影響因素：邊坡的地質(zhì)情況、邊坡的開(kāi)挖強(qiáng)度、支護(hù)跟進(jìn)速度等。

3.2 國(guó)內(nèi)外控制爆破振動(dòng)速度的范圍值

質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度與巖體的動(dòng)應(yīng)變或動(dòng)應(yīng)力間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)在爆前爆后巖體中新增裂隙調(diào)查、聲波對(duì)比測(cè)試等手段，提出了多種基巖開(kāi)裂的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度判據(jù)，A.Bauer等建議的巖體爆破損傷質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度安全判據(jù)為：巖石爆破損傷的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度臨界值＜25.0 cm/s時(shí)，巖體損傷效果會(huì)達(dá)到完整，不會(huì)致裂[1]。工程實(shí)踐中，考慮到質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最能直接反映邊坡的動(dòng)力響應(yīng)，質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度被普遍作為巖石高邊坡的爆破振動(dòng)安全判據(jù)。對(duì)具體工程，一般考慮地質(zhì)條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)及爆破損傷檢測(cè)，按照工程類(lèi)比法確定允許的爆破振動(dòng)速度。國(guó)內(nèi)類(lèi)似水電工程高邊坡控制爆破振動(dòng)速度范圍值見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)類(lèi)似水電工程高邊坡控制爆破振動(dòng)速度范圍值

3.3 實(shí)際工程的典型成果

3.3.1 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度分析

1）左岸800~790 m爆破區(qū)共布置7個(gè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度測(cè)點(diǎn)（編號(hào)為L(zhǎng)9-1~L9-7），各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)成果見(jiàn)表2。

表2 左岸800~790 m爆破區(qū)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表

由表2可知，左岸800~790 m爆破區(qū)最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為L(zhǎng)9-2測(cè)點(diǎn)Z方向的速度：23.34 cm/s。

2）左岸780~770 m爆破區(qū)共布置5個(gè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度測(cè)點(diǎn)（編號(hào)為L(zhǎng)11-1~L11-5），各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)成果見(jiàn)表3。

表3 左岸780~770 m爆破區(qū)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表

由表3可知，左岸780~770 m爆破區(qū)最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為L(zhǎng)11-3測(cè)點(diǎn)X方向的速度：5.51 cm/s。

3）右岸830~820 m爆破區(qū)共布置5個(gè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度測(cè)點(diǎn)（編號(hào)為R6-1~R6-5），各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)成果見(jiàn)表4。

表4 右岸830~820 m爆破區(qū)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表

由表4可知，右岸830~820 m爆破區(qū)最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為R6-1測(cè)點(diǎn)Z方向的速度：15.09 cm/s。

3.3.2 孔內(nèi)巖石成像分析

1）綜合左岸800~790 m爆破區(qū)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(fā)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(wú)明顯變差現(xiàn)象，裂隙面、層面等弱面未有明顯張開(kāi)（壓縮）或錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。

2）綜合左岸780~770 m爆破區(qū)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(fā)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(wú)明顯變差現(xiàn)象，裂隙面、層面等弱面未有明顯張開(kāi)（壓縮）或錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。

3）綜合右岸830~820 m爆破區(qū)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(fā)育數(shù)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(yù)裂梯段爆破、電子雷管毫秒微差起爆網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在控制爆破振動(dòng)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(qū)域的造孔裝藥情況

典型爆破區(qū)域的造孔裝藥情況詳見(jiàn)表5。

表5 典型爆破區(qū)域的造孔裝藥情況一覽表

4.2 裝藥方式和結(jié)構(gòu)調(diào)整的效果

1）爆破振動(dòng)沖擊波的能量大小及傳播與爆區(qū)巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、爆破裝藥量等因素相關(guān)，控制最大單響裝藥量對(duì)控制沖擊波對(duì)周邊的破壞影響有較為明顯的效果。在本工程中選用數(shù)碼電子雷管，采用單孔單響的技術(shù)手段，將最大單響控制在43 kg，現(xiàn)場(chǎng)效果極為明顯。

2）有針對(duì)性地調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)，在本工程中預(yù)裂孔采用φ32 mm藥卷對(duì)剖，從而將線密度調(diào)整為250 g/m，爆破孔直徑為φ120 mm，孔內(nèi)裝填直徑為φ70 mm乳化藥卷，大大降低了爆破振動(dòng)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(dòng)破壞。在本工程中利用數(shù)碼電子雷管的特點(diǎn)，將逐孔延時(shí)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(shí)爆破能使質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度較齊發(fā)爆破平均降低40%~60%。

4）在一定條件下，利用創(chuàng)造臨空面和削薄開(kāi)挖厚度等施工方法，同時(shí)，通過(guò)降低單響藥量進(jìn)行預(yù)裂爆破，降低爆破沖擊波對(duì)保護(hù)區(qū)的破壞，效果很好。

5 結(jié)語(yǔ)

20 m深孔預(yù)裂爆破因受?chē)?guó)內(nèi)主流造孔設(shè)備的影響，未得到較大規(guī)模的推廣，相關(guān)爆破實(shí)例較少，在本工程結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，大膽地采用預(yù)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(jìn)度，并且保證了邊坡的開(kāi)挖質(zhì)量，重點(diǎn)是爆破振動(dòng)影響基本處在可控狀態(tài)。數(shù)碼電子雷管的引進(jìn)極大地降低了最大單響，為20 m深孔預(yù)裂奠定了良好的基礎(chǔ)。