天池抽水蓄能電站地下洞室群爆破方案比選

黃建全 董平 楊盛喆 肖林斌

摘要：河南省天池抽水蓄能電站地下洞室群光面爆破中頻繁出現炸藥能量利用率低、爆破后輪廓面平整度差、圍巖損傷及超欠挖現象嚴重等問題，為了提高洞室群光面爆破效果，優化光面爆破方案及爆破參數設計。針對天池抽水蓄能電站尾水洞的爆破開挖，采取施工現場試驗手段，分別監測常規光面爆破、水壓光面爆破和聚能水壓光面爆破產生的爆破振動，并對各爆破方式現場爆破效果進行觀測，分析不同爆破工藝的參數對現場爆破效果的影響，對方案進行比選、優化。研究結果表明：與常規光面爆破相比，水壓光面爆破和聚能水壓光面爆破效果更佳，且采用聚能水壓光面爆破產生的半孔率最高，其也能進一步提高隧道輪廓平整度、解決炸藥能量無法充分利用而導致原材料浪費降低對周邊圍巖的損傷等問題。研究成果可為類似水利水電工程地下廠房洞室群爆破的設計與優選提供借鑒。

關鍵詞：爆破振動;地下洞室群;聚能水壓光面爆破;輪廓平整度;天池抽水蓄能電站;河南省

中圖法分類號：TV743文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.04.006

文章編號：1006 - 0081（2021）04 - 0035 - 07

1 研究背景

目前在建的天池抽水蓄能電站位于河南省南陽市南召縣馬市坪鄉境內，主要由上水庫、輸水系統、地下廠房系統、下水庫及地面開關站等建筑物組成。該電站地下廠房洞室群爆破開挖過程中，出現了炸藥能量利用率較低、爆破后輪廓面極不平順、圍巖受擾動破壞及超欠挖現象嚴重等問題。這些問題亟待解決，采用常規爆破手段難以克服。

地下廠房洞室群開挖是抽水蓄能電站工程中的重中之重，其開挖質量的好壞直接影響周邊環境質量、施工人員的身體健康以及地下構筑物的質量。因此，爆破開挖方案的優選與制定在水利水電工程等領域尤其重要[1]。地下洞室施工采取光面爆破開挖可對洞室的超欠挖、輪廓線完整度、周圍圍壓的損傷等進行控制，確保隧道施工安全[2]。近年來，許多學者針對光面爆破機理以及光面爆破參數的選取開展了大量研究[3]。水壓光面爆破技術相對于常規爆破有降低爆破振速和提高炸藥利用率等優勢[4-5]，目前國內外隧道工程中采用的水壓爆破技術，主要分為炮眼灌水加炮泥封堵[6]和水袋加炮泥封堵[7]兩種技術。聚能水壓光面爆破技術就是將聚能爆破技術、水壓爆破技術與光面爆破技術3者優勢組合而成的一種全新的爆破技術[8-9]，這項爆破技術在地下洞室開挖中逐漸得到推廣。

本文采取施工現場試驗手段，分別監測常規光面爆破、水壓光面爆破和聚能水壓光面爆破產生的爆破振動，并對各爆破方式現場爆破效果進行觀測，分析不同爆破工藝的參數對現場爆破效果的影響，對方案進行比選、優化。

2 工程概況

河南省天池抽水蓄能電站的地下廠房系統建筑物主要由主廠房、主變洞、母線洞、排風洞、500 kV 電纜出線平洞、500 kV 電纜出線豎井、進廠交通洞、主變運輸洞、通風兼安全洞、排煙豎井、電纜交通洞、排水廊道、自流排水洞等洞室組成。地下廠房開發方式系尾部式開發，主廠房軸線方向為 N69°W，機組縱軸線距上庫進出水口水平距離約 3 000 m，距下庫進出水口水平距離約 450 m。地下廠房三維立體圖如圖1所示。

主廠房由主機間、安裝間和副廠房組成，呈“一”字形布置。安裝間和副廠房分別布置在主機間的左、右兩端，洞室斷面為城門洞型，主廠房洞室開挖尺寸為156.50 m×23.50 m×51.80 m（長×寬×高）。主廠房與主變洞之間由4條母線洞、1條電纜交通洞和1條主變運輸洞連接。

3 爆破試驗方案

本文對尾水洞施工分別進行常規光面爆破、水壓光面爆破及聚能水壓光面爆破現場試驗，試驗過程中須考慮新型布孔及裝藥結構產生的爆破振動影響，爆破孔位置可根據現場實際情況調整。

3.1 常規光面爆破

常規光面爆破技術原理為：炮眼中的炸藥爆炸后，在巖石中傳播應力波產生徑向壓應力和切向拉應力，由于炮眼相鄰互為“空眼”，所以在炮眼連線兩側產生應力集中度很高的拉應力，超過巖石抗拉強度，炮眼之間的巖體形成的初始裂縫要比其他方向嚴重;除此之外，由于炸藥爆炸生成的高壓氣體膨脹，產生了靜力作用促使初始裂縫進一步延伸擴大。

3.1.1 炮眼布置

爆破試驗以尾水洞開挖段進行試驗，炮孔起爆網絡如圖2所示。為了進一步控制爆破振動造成的影響，具體炮眼及其引爆連線方式為：6發雷管用于孔外聯網，32發雷管用于孔內聯網。

3.1.2 爆破參數

結合河南省天池抽水蓄能電站尾水洞開挖參數條件，鉆孔內裝藥量計算公式為

式中：Q為線裝藥密度，kg/m;q為單位體積耗藥量，g/m3;a為周邊眼間距，m;B為光爆層厚度，m。通過現場試驗和施工經驗數據，可確定Q=0.12～0.25 kg/m。單孔藥量依據線裝藥密度Q進行計算，最后計算出總藥量。擬定常規爆破試驗的爆破開挖參數如表1所示。

3.1.3 爆破結構

常規隧道爆破采用不連續裝藥，炮眼間距炮眼中僅裝炸藥而無回填堵塞，其裝藥結構如圖3所示。

3.2 水壓光面爆破

水壓光面爆破原理為：往炮眼中一定位置注入一定量的水，并用專用的炮泥回填堵塞炮眼，利用在水中傳播的沖擊波對水的不可壓縮性，使爆炸能量經過水傳遞到圍巖中，幾乎不產生能量損失;同時，水在爆炸氣體膨脹作用下產生的“水楔”效應，有利于巖石破碎。水壓光面爆破技術布孔方式與常規光面爆破技術完全相同，不同之處在于炮孔的裝藥結構，以實現爆破開挖防塵降塵效果。

3.2.1 爆破參數

水壓光面爆破參數如表2所示。

3.2.2 爆破結構

（1）輔助炮眼。首先往炮眼最底部裝填水袋，必須把水袋捅到底，隨后裝填藥卷，藥卷數量要比常規爆破少1卷，藥卷與最底部水袋靠緊，炮眼深度的1/2為裝填水袋的累計長度（圖4）。

（2）掏槽炮眼。裝藥順序與輔助眼裝藥順序一致，只是在裝藥卷的數量上比常規爆破少2卷（圖5）。

（3）周邊炮眼。先在炮眼底部裝入1條水袋，隨后裝入1卷藥卷，然后間隔60～70 cm裝入半節藥卷，距炮眼口80 cm停止裝藥，裝入2條水袋、2節炮泥封口（圖6）。

裝藥作業需注意以下6個要點：水袋要飽滿挺拔、炮泥要軟硬適中、底部水袋要到底、炮泥要封到孔口、炮泥搗固用炮棍、3種材料要緊貼。

3.2.3 水袋及炮泥制作

炮泥采用PNJ-A型炮泥機加工而成，制作炮泥可就地取材，節約成本，按照土∶砂∶水=0.75∶0.10∶0.15的比例制作。根據線裝藥密度、堵塞長度、藥卷直徑等參數選定合適的水袋規格。

3.3 聚能水壓光面爆破

聚能水壓爆炮是集水壓爆破和聚能爆破為一體的爆破方式，其原理是通過聚能管產生的高溫高壓“氣刃”作用，水袋在爆破作用下形成“水楔”效應。炸藥的爆生氣體與氣液多相介質有機結合、相互作用且共同作用于裂縫，促進巖石破裂和裂縫貫通。同時，水滲入掌子面巖體中，防止巖爆發生。聚能光面爆破技術布孔方式與常規光面爆破技術相同，不同之處在于周邊眼的間距。聚能光面爆破需嚴格控制爆破參數，以實現在不同地質條件下精確控制開挖范圍。聚能水壓光面爆破技術與水壓光面爆破技術的裝藥結構完全相同，不同之處在于聚能水壓光面爆破技術增加了聚能管裝置。

3.3.1 爆破參數

水壓光面爆破參數如表3所示。

3.3.2 聚能管裝置

聚能管裝置由聚能管、炸藥、傳爆線和起爆雷管4部分組成。聚能管是定型PVC管，委托工廠生產，長度可根據需要調整。聚能管由特制的PVC管加工制作，是具有抗靜電阻燃的一種特種塑料，結構形式主要有雙M型，D型等，如圖7所示。根據不同圍巖類型選擇相應斷面尺寸。

D型聚能管一般為瓦斯礦井專用，河南省天池抽水蓄能電站所處巖層地質條件較好，故選用雙M型聚能管。雙M型聚能管由兩個相似的半壁管組成，管壁厚2 mm，聚能管的長度根據炮眼深度決定，半壁管中央的凹槽為“聚能槽”。聚能管尺寸：聚能槽頂角70°，聚能槽頂部距離17.27 mm，半壁管寬度24.18 mm，兩半壁管相扣成的聚能管寬度為28.35 mm。為使聚能槽對準開挖輪廓面，兩半壁管可調聚能方向8°～10°。

4 爆破效果分析

4.1 爆破振動監測

4.1.1 測點布置及現場監測

爆破振動監測測點布置于尾水洞開挖掌子面后方一定距離邊墻位置處，每間隔10 m布置一個測點，共布置2個測點（圖8～9）。在爆破試驗時布置振動安全測點進行爆破振動監測，對比離掌子面相同距離下的質點三向振動速度大小，分析水壓及聚能對爆破振動的影響規律。

4.1.2 監測數據分析

本文進行3組爆破試驗，每組試驗均含常規光面爆破、水壓光面爆破和聚能水壓光面爆破3種方式，爆破振動監測數據見表4。

根據《爆破安全規程實施手冊》中相關規定[10]，同時考慮圍巖參數和周邊建筑物與隧道的相對位置關系，發現已開挖的地下洞室洞壁質點振動速度小于10 cm/s。結合表4實測數據可知，3種爆破方案爆破振動產生的質點振動速度均控制在10 cm/s以內，監測區測點振動速度滿足有關安全爆破控制標準。常規光面爆破產生的爆破振動主頻率明顯高于水壓光面爆破及聚能水壓光面爆破，且爆破振動引起質點垂直方向的振動更加明顯。

由于文章篇幅限制，只列出爆破試驗三的典型監測波形圖（圖10～11）。結合兩圖可知，距爆源中心距離越大，質點振動速率明顯越低。對比圖10～11中由3種不同爆破方式測得的波形圖可知，水壓光面爆破和聚能水壓光面爆破產生的爆破振動明顯弱于常規光面爆破。

從經濟指標分析角度來看，聚能水壓光面爆破單孔藥量、炮眼數量及總藥量等爆破參數均低于常規光面爆破和水壓光面爆破。

4.2 爆后效果觀測

由圖12～14可看出：相對于常規光面爆破，采取水壓光面爆破和聚能水壓光面爆破進行爆破開挖后，隧洞輪廓面更加平整，而聚能水壓光面爆破更有利于提高“半孔率”。因此，從技術指標、經濟指標及爆破效果等角度考慮，建議工程中后續洞室爆破方案選取為聚能水壓光面爆破。

5 結 語

針對天池抽水蓄能電站尾水洞的爆破開挖，采取施工現場試驗手段，分別監測常規光面爆破、水壓光面爆破和聚能水壓光面爆破產生的爆破振動，并對各爆破方式現場爆破效果進行觀測，分析不同爆破工藝的參數對現場爆破效果的影響，對方案進行比選、優化。試驗結果表明：聚能水壓光面爆破技術可以很好地解決隧洞爆破炸藥能量利用率低、隧道輪廓平整度差、對圍巖損傷嚴重、爆破振動影響大等難題。本文結合實際工程案例試驗，驗證聚能水壓光面爆破技術在地下洞室群的良好效果，在實際工程中有廣闊的發展空間。聚能水壓爆破是傳統爆破技術的升級與創新，還有很多環節需要通過現場實踐檢驗，以進一步完善并推廣應用該技術。

參考文獻：

[1] 張正宇，張文煊，吳新霞. 現代水利水電工程爆破[M]. 北京：中國水利水電出版社， 2003.

[2] 鞏中江， 柴敬堯， 楊長庚. 鐵路隧道光面爆破施工技術與管理實例[J]. 隧道建設（中英文）， 2017，37（12）：1593-1599.

[3] 劉趕平. 大斷面隧道光面爆破設計[J]. 爆破， 2019，36（2）：65-71.

[4] 王威. 地鐵隧道節能環保水壓爆破施工技術[J]. 隧道建設， 2015（增2）：143-146.

[5] 張衛國. 水壓爆破技術在隧道掘進施工中的應用[J]. 石家莊鐵道大學學報（自然科學版）， 2013，26（2）：46-50.

[6] 吳曉亮， 路潔心， 李賀. 水壓爆破技術的應用[J]. 山西焦煤科技， 2011，35（6）：38-39.

[7] 歐陽艷， 付楊果. 隧道掘進中的水壓爆破技術[J]. 北方交通， 2011（8）：59-61.

[8] 李偉， 袁紹國， 高文磊. 聚能水壓光面爆破在巖巷掘進中的研究[J]. 煤炭技術， 2019，38（6）：25-27.

[9] 王軍. 聚能水壓光面爆破技術在崤山隧道施工中的應用研究[J]. 鐵道建筑技術， 2017（5）：81-84.

[10] 汪旭光，于亞倫，劉殿中. 爆破安全規程實施手冊[M]. 北京：人民交通出版社， 2004.

（編輯：江 文）

Comparison and selection of blasting schemes for underground cavern group of Tianchi Pumped Storage Power Station

HUANG Jianquan1，DONG Ping2，YANG Shengzhe1，XIAO Linbin2

（1. China Gezhouba Group First Engineering Co. Ltd.， Yichang 443002， China; 2. School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China）

Abstract：? In smooth blasting for underground cavern group of Tianchi Pumped Storage Power Station，the problems such as low explosive energy utilization rate， poor contour surface flatness after blasting， serious damage to surrounding rocks， and serious over or under excavation occurred frequently. In order to improve blasting effect，? smooth blasting schemes and blasting parameters should be optimized. Aiming at blasting excavation of the tailrace tunnel of Tianchi Pumped Storage Power Station， construction field test was conducted. In the test， blasting vibrations generated by conventional smooth blasting， hydraulic smooth blasting and energy-concentrated hydraulic smooth blasting were monitored and according to blasting effect of the blasting methods， the influence of different blasting parameters on the blasting effect was analyzed and the schemes were compared and optimized. The results showed that： compared with conventional smooth blasting， hydraulic smooth blasting and energy-concentrated hydraulic smooth blasting had better effects， and the half-hole rate generated by energy-concentrated hydraulic smooth blasting was the highest，which also could solve the problems such as raw material waste caused by insufficient utilization of explosive energy， improve tunnel contour flatness， and reduce the damage to surrounding rock. The research results can provide reference for design and optimization of blasting of underground powerhouse cavern group in similar water conservancy and hydropower projects.

Key words： blasting vibration;underground caverns; energy-concentrated hydraulic smooth blasting;flatness of contour;Tianchi Pumped Storage Power Station;Henan Province