特大型斷面洞室開挖應(yīng)用爆破研究

劉峰春，趙全超，劉月明

（中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 丹東 118002）

1 工程概述

金沙江溪洛渡水電站，是我國西電東送中線的骨干電源之一，是金沙江下游梯級開發(fā)的第三級水電站。溪洛渡電站是以發(fā)電為主，兼有防洪、擋沙和改善下游航運條件等巨大的綜合效益，具有不完全年調(diào)節(jié)能力的特大型水電站，是金沙江流域?qū)嵤拔麟姈|送”的第一期工程。

溪洛渡水電站施工期，于壩址兩岸各布置了3條導流洞，自左向右，左岸為1～3號導流洞，右岸為4～6號導流洞，其中左、右岸各有2條與廠房尾水洞結(jié)合。另外，電站于左、右岸各設(shè)置1條獨立尾水洞，左岸為1號尾水洞，右岸為6號尾水洞。導流洞和尾水洞斷面型式均為城門洞型，導流洞開挖斷面為21.6m×23.6m，尾水洞開挖斷面為18.6m×23.6m，開挖斷面均超過了400m2，屬于特大型斷面洞室。

2 特大斷面洞室開挖施工思路

依據(jù)以往總結(jié)的施工經(jīng)驗，特大型斷面洞室開挖，需采用分層分部的開挖方法進行施工。以溪洛渡水電站左岸導流洞和左、右岸尾水洞為例，開挖共分成上層、中層、下層三層，上層又分成中導洞和左右兩側(cè)邊墻進行，按照自上而下，自內(nèi)而外的順序，依次進行施工。

洞室上層為水平孔爆破開挖層，開挖高度一般控制在8.0～10.0m之間，從安全角度以及方便施工角度著想，中導洞開挖寬度又控制在9.0～11.0m之間，剩余左、右側(cè)墻再一次擴挖到位，洞室上層開挖，現(xiàn)多采用手風鉆配備鉆爆臺車，鉆設(shè)水平孔裝藥爆破。

洞室下層為底板保護層，開挖高度一般控制在3.0m左右，主要為了防止中層開挖施工期間，大藥量爆破對洞室底板基巖的破壞，現(xiàn)多采用水平孔爆破法施工或小梯段淺孔爆破法施工。

洞室中層為中間梯段層，即為洞室上層和下層中間的部位，開挖高度一般控制在10m以內(nèi)，超過10m的易分成兩層進行開挖。為了加快施工進度保證施工質(zhì)量，現(xiàn)多采用兩側(cè)墻預裂，中間深孔梯段爆破的方法進行施工。

3 分部施工順序

特大型斷面洞室開挖，根據(jù)附屬施工支洞和道路的布置情況，以主洞和支洞的平交部位為節(jié)點，從平面上劃分成幾個區(qū)段進行施工，各區(qū)段之間的施工順序按工程總體的規(guī)劃情況，統(tǒng)一安排布署，同區(qū)段內(nèi)的洞室從斷面上劃分成幾個施工部位，各部位之間開挖施工順序為：洞室上層中導洞施工→洞室上層兩側(cè)墻擴挖施工→洞室中層開挖施工→洞室下層開挖施工。

4 開挖爆破形式應(yīng)用

當爆破在有臨空面的半無限介質(zhì)表面附近進行時，爆破后會形成一個如倒立圓錐狀的爆破漏斗，爆破漏斗的底面半徑r與藥包最小抵抗線W的比值為爆破作用指數(shù)，用n表示，即n=r/W。工程中依據(jù)n值的大小對爆破進行分類：當n=1即r=W時，為標準拋擲爆破；當n＞1即r＞W(wǎng)時，為加強拋擲爆破；當0.75≤n＜1時，為減弱拋擲爆破；當0.33≤n＜0.75時，為松動爆破；當n＜0.33時，為隱藏式爆破。

而實際工程運用中，此爆破作用指數(shù)常直接反應(yīng)為炮孔間排距的比值，即炮孔間距a與炮孔排距b的比值a/b，用m表示，通常按m=n進行試算。

根據(jù)以上劃分標準，特大型斷面洞室上層和下層的水平孔爆破法開挖施工中，所有的二臺孔、抬動孔、底板孔和上層中導洞的掏槽孔爆破均屬于加強拋擲爆破，所有的崩落孔、光爆孔爆破均屬于減弱拋擲爆破；中層梯段爆破法開挖施工中，所有梯段孔爆破屬于加強拋擲爆破，所有預裂孔爆破屬于隱藏式爆破。

5 爆破設(shè)計參數(shù)研究

（1）水平孔孔深的確定

特大型斷面洞室的上層和下層，一般采用手風鉆鉆設(shè)水平孔裝藥爆破的方式進行開挖施工，其水平鉆孔孔深根據(jù)開挖圍巖類別情況及選用的鉆孔機械確定，圍巖條件好時循環(huán)進尺加大（孔深加大），圍巖條件差時循環(huán)進尺減小（孔深減?。?，并且為了減小堵塞長度占總孔深的比例，使鉆孔的利用率最大化，在圍巖條件允許，鉆孔機械可以達到的情況下，應(yīng)盡可能地加大孔深。

（2）單位耗藥量的擬定

炸藥單位耗藥量根據(jù)要開挖巖體的地質(zhì)條件確定，硬巖單位耗藥量大，軟巖單位耗藥量小，在工程施工之前，要詳查工程地質(zhì)資料，確定工程地質(zhì)巖性，根據(jù)以往類同工程經(jīng)驗，初步比選一個炸藥單耗，進行爆破試驗，從而確定一個合理的炸藥單耗。合適的炸藥單耗對爆破效果的好壞影響至關(guān)重要，選定的單耗過大，在炮孔間排距和孔深不變的情況下，則炮孔的單孔裝藥量增大，孔內(nèi)炸藥爆破后產(chǎn)生的爆破漏斗底面半徑比設(shè)想的擴大，爆破形式隨即發(fā)生質(zhì)的變化，松動爆破可能變?yōu)閽仈S爆破，造成工程事故，反之炸藥單耗選定過小，則會出現(xiàn)爆破缺力現(xiàn)象，達不到設(shè)想的爆破效果，影響工程施工質(zhì)量和施工進度。

（3）炮孔間排距的確定

炮孔間排距的確定影響因素較多，如根據(jù)巖石地質(zhì)條件選定的單位耗藥量，炮孔的裝藥利用率，擬定裝藥結(jié)構(gòu)的線裝藥密度，根據(jù)炮孔爆破作用類別確定的爆破作用指數(shù)以及開挖斷面的規(guī)格尺寸等。

初擬炮孔間排距，按下式進行試算式中 l1—炮孔裝藥長度；l2—炮孔堵塞長度；（取l2=0.8b）；L—炮孔孔深，L=l1+l2，根據(jù)圍巖類別情況和鉆孔機械擬定；q—單位耗藥量，根據(jù)爆破圍巖類別情況初擬定；ql—選用炸藥卷的連續(xù)線裝藥密度。

a=mb，因此 式（1）又可改寫成：

根據(jù) 式（2）試算出炮孔排距后，按a=mb求出相應(yīng)的炮孔間距。

（4）炮孔布孔方式的選取

炮孔的布孔方式主要分為兩種，一種為矩形布孔，一種為三角形布孔又叫梅花形布孔。在炸藥單位耗藥量和炮孔間排距一樣的情況下，兩種布孔方式爆破后產(chǎn)生的爆破效果截然不同，其爆破作用機理分析見圖1。

圖1 爆破作用機理分析圖

由圖1對比可以看出，當采用矩形布孔形式進行爆破施工時，前排相臨2個炮孔爆破產(chǎn)生的爆破漏斗中間，產(chǎn)生一塊爆破死角區(qū)域B區(qū)，第二排的炮孔爆破時，其最小低抗線值等于兩排炮孔的排距，即W=B，所以，進行第二排炮孔爆破時，對前排爆破死角區(qū)域B區(qū)的爆破修整力度有限，同時產(chǎn)生爆破交集區(qū)域C區(qū)，致使B區(qū)極易產(chǎn)生大塊的孤石，爆破后渣堆的石渣粒徑不均一，不易開采生成塊度相差較小的有用石料，且不利于進行裝載出渣；采用梅花形布孔爆破時，在間排距和炸藥單耗不變的情況下，第一排的爆破效果和采用矩形布孔時效果一樣，關(guān)鍵在于第二排炮孔爆破時作用效果發(fā)生變化，受前排炮孔爆破時中間產(chǎn)生的爆破死角B區(qū)影響，后排最小低抗線值變?yōu)閮膳排诳椎目组g凈值，即W＞B，最小低抗線值發(fā)生變化致使爆破作用半徑擴大，且爆破漏斗底半徑減小，對前排爆破產(chǎn)生的爆破死角區(qū)域B區(qū)進行二次爆破修整，同時使兩相臨炮孔的爆破交集隨之減小，使爆破后整體爆堆的石渣粒徑比較均勻，便于開采生成塊度均一的有用石料，且更便于裝載出渣施工。

6 洞室分層開挖及爆破設(shè)計

特大型斷面洞室開挖，按照擬定的施工方案，分區(qū)段分部位有序進行組織施工，以溪洛渡水電站左岸1號尾水洞為例，對特大型斷面洞室的分部開挖方案和爆破設(shè)計進行介紹。溪洛渡水電站左岸1號尾水洞，最大開挖斷面為18.6m×23.6m，總共分成上、中、下三層，上層層高9.0m，頂拱為半徑R=11.175m的圓弧，中導洞寬10.0m，兩側(cè)墻各寬4.3m；中層層高9.3m，為18.6m×9.3m矩形；下層層高5.3m，兩底角為半徑R=4.3m的圓弧，爆破分區(qū)如圖2所示。

圖2 開挖斷面炮孔分布圖

6.1 上層和下層水平孔爆破開挖

以人工持YT-28型手風鉆，在鉆爆臺車上鉆孔，上層中導洞首先采用大角度楔形掏槽，然后崩落孔毫秒微差分段跟進爆破，擴槽至設(shè)計斷面；兩側(cè)擴挖施工利用中導洞形成的臨空面，直接鉆設(shè)崩落孔爆破擴挖至設(shè)計邊線；下層開挖施工利用中層開挖形成的上部臨空面，直接抬動爆破開挖至設(shè)計底板，為了保證設(shè)計邊線處的施工質(zhì)量和設(shè)計面平整度，洞室設(shè)計邊線處均采用光面爆破施工。上層中導洞開挖，設(shè)計每循環(huán)進尺3.0m，實際平均每循環(huán)進尺2.7m；上層兩側(cè)邊墻擴挖和洞室下層開挖，設(shè)計每循環(huán)進尺3.0m，實際平均每循環(huán)進尺2.8m。

（1）水平孔爆破設(shè)計

根據(jù)爆破作用類別不同，炮孔分掏槽孔、崩落孔、周邊孔、二臺孔（抬動孔）及底板孔等。鉆孔直徑均為φ42mm，上層中導洞掏槽孔炮孔設(shè)計參數(shù)如表1中所示；上層擴槽崩落孔取間距a=0.9m等間距布置，所有周邊孔的孔距以10d～14d控制，最小抵抗線與孔距之比均按W/a≈1.2控制；所有二臺孔及底板孔取間距在1.2～1.0m之間等間距布孔，最小抵抗線與孔距之比按W/a≈0.8控制。炮孔裝藥選用RJ2號巖石高威力乳化炸藥，除周邊孔選用導爆索作為連線，綁扎φ22mm藥卷間隔裝藥外，其余炮孔均采用φ32mm藥卷連續(xù)裝藥，孔口堵塞長度均以不小于0.8倍抵抗線控制。

各類炮孔之間采用非電毫秒導爆管串并連成爆破網(wǎng)絡(luò)，導火索引爆火雷管后傳爆爆破網(wǎng)絡(luò)，毫秒微差分段起爆，起爆順序為：掏槽孔→崩落孔→二臺孔（抬動孔）→周邊孔→底板孔的順序。

洞室上層和下層各部位炮孔分區(qū)布置如圖3所示，上層中導洞大角度楔形掏槽孔布置如圖4。

圖3 掏槽孔布置平面示意圖

（2）爆破設(shè)計參數(shù)

特大斷面洞室上層和下層各類炮孔爆破設(shè)計

圖4 掏槽孔布置剖面示意圖

參數(shù)如表1所示。

表1 洞室上層和下層水平孔爆破設(shè)計參數(shù)表

6.2 中層爆破開挖

洞室中層開挖，采用梯段爆破法進行施工，采用YQ-100B輕型風動潛孔鉆鉆設(shè)豎直孔裝藥爆破。為了保證設(shè)計開挖面的光整度，及減小爆破對洞室圍巖的擾動，首先在中層兩側(cè)邊墻設(shè)計邊線處進行預裂爆破，然后再進行中間梯段爆破。中層開挖施工以10m為一段，循環(huán)進行，后序循環(huán)爆破利用前一循環(huán)形成的臨空面，進行水平方向拋擲爆破。

（1）爆破設(shè)計

尾水洞中層開挖，在兩側(cè)墻設(shè)計邊線處布置預裂孔，孔距0.8m，孔徑為φ90mm，裝藥采用RJ2號巖石高威力乳化炸藥，中間用φ32mm藥卷間隔裝藥，底部用2～3支φ32藥卷綁到一起2～3倍加強間隔裝藥，各個炮孔之間采用導爆索串聯(lián)成整體，連接到主爆破網(wǎng)絡(luò)上。

梯段爆破每次起爆長度為10m，炮孔按矩型或是梅花形布孔，排距2.0m，每排兩側(cè)炮孔至設(shè)計邊線距離不小于1.2m，中間等間距布置6～7個炮孔，炮孔間距在2.4m左右，鉆孔直徑為φ90mm。炮孔裝藥采用RJ2號巖石高威力乳化炸藥，φ60藥卷柱狀裝藥，爆破采用塑料導爆管串并聯(lián)形成爆破網(wǎng)絡(luò)，然后與兩側(cè)墻預裂爆破網(wǎng)絡(luò)連接，采用導火索引爆火雷管后傳爆，控制最大單響藥量在100kg以內(nèi)。

（2）爆破設(shè)計參數(shù)

特大斷面洞室中層各類炮孔爆破設(shè)計參數(shù)如表2，表3所示。

表2 裂爆破鉆爆設(shè)計參數(shù)表

表3 梯段爆破設(shè)計參數(shù)表