預留巖坎水下爆破技術在低涵進口施工中的應用

蔣厚良 張 環 謝 燦

(湖南宏禹工程集團有限公司，湖南 長沙 410007)

目前，我國大部分大中型水利病險工程均需進行除險加固借鑒其他水庫深水下取水口巖坎成功的爆破經驗，結合金陵水庫的地質條件，要在庫水位無法降低至低涵隧洞底板高程的條件下進行開挖，需預留巖坎代替臨時圍堰擋水。當巖坎后段隧洞貫通后，再通過水下爆破技術將巖坎爆破拆除。文章以金陵水庫低涵進口預留巖坎為例，全面介紹有水條件下的水下爆破技術。

1 工程概況

1.1 工程概況

金陵水庫總庫容4820萬m3，壩長196m，壩頂高程367.00m，正常蓄水位359.15m，本次除險加固工程在主壩左岸山體中新建低涵隧洞，隧洞總長158.8m，0+042.15處布置啟閉機豎井，進口底板開挖高程337.91m，頂部開挖高程為340.71m，襯砌厚度為0.4m，為矩形進口隧洞；考慮城鎮供水需求，庫水位最低可降至342.00m，且保持時間最長不得超過1個月，水位距底板有4.09m高差。

1.2 工程地質

隧洞洞身地層為泥盆系中統跳馬澗組(D2t2)砂巖、石英砂巖、泥質砂巖、砂巖與頁巖互層，石英砂巖多鐵質膠結，預留巖坎處巖石弱風化。

洞身部位地質構造比較簡單，未發現大的斷裂構造和節理密集帶，巖層產狀變化較小，單斜，傾向下游偏右岸，產狀為115°～125°∠10°～35°。表部強風化巖體厚4～8m，強風化巖體內裂隙較發育，穩定條件較差，弱風化及微風化巖體完整性較好；弱—微風化巖體為弱透水性，為相對隔水層，水頭低于10m時，庫水不會滲入巖坎后的隧洞內，能確保隧洞的開挖安全。進口邊坡為反向坡，邊坡穩定。

2 工程設計

新建低涵輸水隧洞須滿足供水要求，底板設置低，按常規法施工，設置圍堰擋水，工程量很大，相應投資很大，且城鎮供水問題也難以解決，不切合實際。本次設計采取新建低涵輸水隧洞從出口開始并利用豐水季節開工，即從每年的開工準備期9月份開始，單向開挖，當開挖至隧洞豎井交接處時停止開挖，進行豎井下部閘室施工，待豎井閘室完成后，再往前開挖至集石坑，按逐漸上升坡度開挖至隧洞“進口”，利用隧洞進口處預留巖坎擋水，進行低涵輸水隧洞鋼筋混凝土進口部分襯砌，待新建低涵輸水隧洞接近庫內邊坡時，由專門爆破公司對前部擋水巖坎進行爆破開通。

本次施工總體方案基本按照設計方案，利用巖坎作為擋水圍堰，主要差異在于開挖至豎井時，完成襯砌及鋼襯，待水位下降后，再進行進口段施工。

3 隧洞掘進

在庫水位為353.00m時，低涵隧洞從出口段向進水口段掘進，同時下掘低涵啟閉機豎井。開挖到0+042.15位置與豎井貫通，貫通后邊探水邊往進水口方向施工，開挖至0+018位置后對隧洞已開挖段及豎井永久襯砌，同時完成壓力鋼管與水電站段銜接。

4 巖坎圍堰

當庫水位在350.00m時，發現進口位置有一寬10m平臺，隨著庫水位下降，同步修筑低涵進口下庫道路，待庫水位為342.00m時，在低涵進口修筑一個6m×8m施工平臺，平臺高程342.50m。施工平臺剖面見圖1。

圖1 施工平臺剖面圖 (單位：m)

因本低涵隧洞進口山體基本趨于垂直，考慮安全性，巖坎頂部寬度3.0m，按1∶1向出口方向放坡，以斜井方式進洞。巖坎剖面見圖2。

圖2 巖坎剖面圖 (單位：m)

5 平洞洞挖及襯砌

待斜井進洞后，采用控制爆破方式對進口18m進行爆破開挖，并在巖坎后修筑深1.5m集石坎，利用爬渣機配合反鏟進行出渣，最后按設計要求進行鋼筋混凝土襯砌。

6 巖坎水下爆破

6.1 巖坎剝離

先進行巖坎背水坡爆破剝離，減少預留巖坎的厚度至2m，并將1∶1后坡削成1∶0.3，再進行剩余的水下拆除爆破施工。巖坎剝離剖面見圖3。

圖3 巖坎剝離剖面圖 (單位：m)

6.2 爆破方式選擇

為確保一次性爆破拆除成功，采取下列爆破技術措施：

a.爆破應在進口攔污柵安裝完成具備工作條件下進行。

b.通過控制鉆孔方向和裝藥量，采取高單耗，進行高強度、定向拋擲的爆破方法，將石渣拋向庫區內，以減少石渣進入隧洞。

c.通過控制鉆孔間距和單位裝藥量，結合隧洞爆破經驗，爆破后控制最大粒徑在30cm以下，以方便水下石渣清理。

d.利用豎井工作閘門，下閘后將巖坎后沖滿水與庫水位齊平，確保爆破后基本處于靜水狀態，盡量減少爆渣隨水流進入隧洞。

e.巖坎兩端與山體連接及底部采用光面爆破。

6.3 火工材料單耗的確定

水下基巖爆破的炸藥單耗，對堅硬的巖石需取1.0～1.4kg/m3。通常水下巖塞鉆孔爆破的炸藥單耗可取1.0～1.8kg/m3，而按公式q=0.45+(0.05～0.15)H[3]計算(q為炸藥單耗，H為巖坎基巖水下深度)，巖坎基巖水下深度在3～4m時，q宜取0.8～1.0kg/m3。參考低涵隧洞開挖經驗，為使巖坎基巖爆渣粒徑控制在30cm以下，以及爆渣向上游斜上方拋擲的需要，對巖坎爆破炸藥單耗取1.2kg/m3。

6.4 鉆孔參數的選擇

6.4.1 鉆孔方向的確定

由于巖坎垂直高度僅4.19m，斜長為4.38m，高度相對較小，考慮石渣需拋向庫區，在巖坎背水坡上采用手風鉆鉆孔，方向垂直1∶0.3背水坡，孔徑42mm。

6.4.2 鉆孔排間距的確定

結合低涵隧洞開挖情況，考慮爆破效果，確定鉆孔排間距如下：

a.巖坎圍堰高度為4.19m，考慮分四排布置鉆孔，排距采用1.0m。

b.巖坎寬度為6.0m，上部三排孔間距采用1.0m，最下一排孔間距0.5m。

c.兩側與山體交接處，孔間距加密為0.5m。

7 巖坎石渣清理

爆破后大部分石渣拋向庫區內，為防止石渣未拋出，對低涵進口采用反鏟挖出，運輸至棄渣場，小石渣進入巖坎后方集石坑內。

8 結 論

由于預留巖坎巖石呈弱風化，地質構造比較簡單，未發現大的斷裂構造和節理密集帶，透水性弱，且巖坎前基本呈陡坎狀；在巖坎爆破后，大部分石渣拋向庫內，未發現較大粒徑狀，經量測，底板達到了設計高程，且兩側邊坡平順而穩定，通水狀況達到預期效果；對比圍堰施工，節約了資金，縮短了工期，同時開挖量小，對生態環境影響較小。

本項目利用現有山體，預留巖坎作為臨時圍堰，在隧洞完工后，通過水下爆破方式對巖坎圍堰進行爆破拆除，克服了庫水位無法降低至低涵隧洞底板高程進行開挖的難題，解決了供水與降低庫水位之間的矛盾，即保障了供水的民生要求，又使工程順利完成，對類似工程有很好的借鑒作用。