深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在澤城水電站溢洪道邊坡開挖中的應(yīng)用

張俊峰

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

1 溢洪道簡介

1.1 工程概況

山西省澤城西安水電站工程位于晉中市左權(quán)縣境內(nèi)的清漳河干流上，電站樞紐工程距左權(quán)縣縣城約35 km。溢洪道布置于大壩右岸，距壩軸線約200 m，軸線方向?yàn)?8.71°，由引渠段、閘室控制段、泄槽段、挑流消能段組成。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙溢洪道進(jìn)口最大開挖深度102 m。開挖長為307 m，寬60.0～71.5 m，馬道高度約為20 m一層，即預(yù)裂孔深度為20 m以上，總計(jì)石方開挖量約149萬m3。具有高邊坡開挖、深孔預(yù)裂爆破、控制爆破等特點(diǎn)。

1.2 工程地質(zhì)

溢洪道底板以上出露地層為常州溝組第三至第五巖組長石石英砂巖、石英巖狀砂巖和含鐵質(zhì)長石石英砂巖，厚20.0～70.0 m。溢洪道進(jìn)口平距140.0～300.0 m段為第五巖組（Chc-5）白色或紫、肉紅色長石石英砂石，硅質(zhì)膠結(jié)；中部夾薄層細(xì)粒粉砂巖，巖性較軟，厚30.0 m。其上為第六、七巖組含鐵質(zhì)長石石英砂巖和長石石英砂巖，厚45.0～70.0 m。出口段（300.0～475.0 m）為第四、第三巖組石英巖狀砂巖和條帶狀石英砂巖，二者硅質(zhì)膠結(jié)，塊狀構(gòu)造，巖性堅(jiān)硬。巖石極限抗壓強(qiáng)度σ壓=80～120 MPa，堅(jiān)固系數(shù)等級(jí) f約為 8～12 級(jí)。

為了最大限度地減少開挖時(shí)對(duì)邊坡的破壞，施工后形成的邊坡巖體穩(wěn)定、平整、美觀，邊坡采用深孔預(yù)裂爆破施工方法。

2 預(yù)裂爆破成縫機(jī)理

預(yù)裂爆破是指在開挖斷面區(qū)未爆破時(shí)，或在開挖斷面區(qū)其他炮孔起爆以前，沿設(shè)計(jì)輪廓線鉆周邊孔并先于主炮孔起爆。采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，周邊炮眼起爆后，形成有一定寬度的貫穿裂縫（稱為預(yù)裂面），將開挖主爆區(qū)與保留區(qū)巖體分開，使后來進(jìn)行的主爆區(qū)爆破時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波，在預(yù)裂面發(fā)生反射或折射，從而使邊坡巖體在主爆區(qū)爆破時(shí)受到的震動(dòng)或破壞大為減輕；加之孔與孔間彼此的聚能作用，使孔間連線產(chǎn)生應(yīng)力集中，孔壁連線上的初始裂紋進(jìn)一步發(fā)展，而滯后的高壓氣體的準(zhǔn)靜態(tài)作用，使沿縫產(chǎn)生氣刃劈裂作用，使周邊孔間連線上的裂紋全部貫通成縫，結(jié)果使保留區(qū)的巖石沿預(yù)定的輪廓留下光滑平整的巖壁。

3 預(yù)裂爆破技術(shù)參數(shù)的確定

預(yù)裂爆破參數(shù)指鉆孔孔徑、孔距、炸藥卷直徑、堵塞長度、線裝藥密度、不耦合系數(shù)等。其中主要參數(shù)線裝藥密度和鉆孔孔距改變時(shí)，預(yù)裂效果會(huì)受到相應(yīng)的改變。

3.1 炮孔深度

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙開挖層垂直高差為20 m，設(shè)計(jì)坡比為1∶0.5，炮孔深度為：

式中：L1為超鉆深度，L1=0.5 m。

3.2 炮孔直徑d

本工程地處山區(qū)，地形復(fù)雜，鉆孔設(shè)備采用QY-100B型潛孔鉆，鉆頭直徑為φ90 mm，炮孔直徑d=100 mm

3.3 炮孔間距a

預(yù)裂爆破炮孔間距的確定，應(yīng)考慮巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，炸藥爆炸性能和裝藥結(jié)構(gòu)及其參數(shù)等。預(yù)裂爆破孔間距的確定方法較多，本工程主要參照瑞典蘭格弗爾斯給出的公式確定。

式中，a為炮孔間距；d為炮孔直徑；對(duì)軟石或結(jié)構(gòu)破碎的巖石，取小值，對(duì)硬巖或完整性好的巖石取大值。該工程巖石較硬取預(yù)裂孔間距為100 cm。

3.4 炸藥的選擇

在同樣的巖石性質(zhì)和爆破參數(shù)條件下，低爆速炸藥爆破斷裂面光滑平整，殘孔率與用乳化炸藥的爆區(qū)相比明顯提高，而且孔壁完整、裂紋少。為提高溢洪道邊坡的預(yù)裂爆破質(zhì)量，采用低猛度、低爆速、低密度和傳爆性能良好的2號(hào)巖石炸藥（直徑32 mm，密度 0.95 g/cm3，爆速 3 050 m/s，猛度 12 mm）。

3.5 不耦合系數(shù)

工程實(shí)踐表明，預(yù)裂爆破炮孔直徑d=60～200 mm情況下，不耦合系數(shù)m取2～4為宜。

式中，de為預(yù)裂孔裝藥直徑，炮孔直徑d=100 mm，預(yù)裂孔裝藥采用φ32 mm卷狀巖石炸藥，所以其不耦合系數(shù)為m=3.125。

3.6 平均線裝藥量

炮孔內(nèi)裝藥部分單位長度裝藥量叫線裝藥密度。預(yù)裂爆破只要求形成貫通預(yù)裂縫，而不是大量崩落巖石，也不能損傷圍巖，因此不宜采用過大的裝藥量，適合巖體性質(zhì)的線裝藥密度使炮孔周圍產(chǎn)生壓縮破壞，對(duì)周圍巖體破壞程度越小，留下的孔痕完整度越高。采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

式中，q線為預(yù)裂炮孔每米裝藥量，kg/m；σ壓為巖石極限抗壓強(qiáng)度，MPa，根據(jù)資料，次堅(jiān)石取 σ壓=80～120MPa，堅(jiān)石 σ壓>120 MPa；a為預(yù)裂孔間距，a=1.0 m。那么q線=0.376～0.460 kg/m。在以上計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并考慮布藥方便，將預(yù)裂孔平均線裝藥量確定為：次堅(jiān)硬巖體q線=400 g/m；堅(jiān)硬巖體q線=500 g/m 。

3.7 孔底加強(qiáng)藥量

根據(jù)眾多預(yù)裂爆破實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，要使預(yù)裂縫貫穿質(zhì)量好，阻震效果佳，在預(yù)裂炮孔底部一定范圍內(nèi)應(yīng)加大用藥量，本工程由于預(yù)裂炮孔深度較大，底部夾制力大，所以將孔底2 m范圍內(nèi)的線裝藥量增大3倍，即q線=1 200～1 500 g/m。

3.8 封堵長度

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取L2=1.2 m。

封堵段過短，容易形成漏斗，過長則不能出現(xiàn)裂縫。

4 預(yù)裂爆破施工

4.1 預(yù)裂爆破施工的工序

預(yù)裂爆破施工的工序包括測(cè)量放樣、鉆孔角度控制、裝藥、堵塞和起爆。嚴(yán)格控制各工序施工環(huán)節(jié)是確保質(zhì)量的關(guān)鍵。

4.2 炮孔的布置

實(shí)施預(yù)裂爆破時(shí)，其主爆破區(qū)、輔助炮孔和預(yù)裂炮孔可一次性打孔完成之后實(shí)施爆破作業(yè)。主爆區(qū)的炮孔布置要遵守不傷害邊坡的原則，預(yù)裂炮孔的布置一定要控制在測(cè)放的開口線上，鉆孔時(shí)控制炮孔的斜度與邊坡的坡率一致。鉆孔的準(zhǔn)確度對(duì)預(yù)裂爆破面的平整極為重要，因此潛孔鉆鉆孔時(shí)，必須經(jīng)常檢查樣架的鉆孔傾斜度是否符合標(biāo)準(zhǔn)，并及時(shí)調(diào)整。

4.3 裝藥和堵塞

裝藥時(shí)要保證線裝藥量符合設(shè)計(jì)要求，使炸藥按照設(shè)計(jì)要求分散在炮孔的各個(gè)部位，其具體方法為：按照設(shè)計(jì)的線裝藥量將炸藥放在竹片上，將導(dǎo)爆索從頭到尾也安放在竹片上，使其與炸藥密貼，再用細(xì)繩或膠布將炸藥、導(dǎo)爆索捆綁在竹片上，然后將綁扎好的炸藥緩緩地放入預(yù)裂孔內(nèi)，炸藥面向溢洪道中心，半圓竹片貼在坡面孔壁。若沒有毛竹也可以用其他不易受擠壓變形的材料代替，以達(dá)到使炸藥按照線裝藥分布在炮孔內(nèi)，保護(hù)邊坡不受太大傷害為目的。

預(yù)裂炮孔的堵塞長度符合設(shè)計(jì)要求，其方法為：用現(xiàn)場(chǎng)的炸藥袋或其他材料弄成比炮孔稍微大一點(diǎn)的圓球狀堵塞球，用炮棍將堵塞球緩緩送入炮孔的堵塞位置卡住，然后再用鉆孔巖粉填塞，由輕到重，靠近孔口位置用炮棍搗固密實(shí)。

4.4 起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

預(yù)裂孔采用導(dǎo)爆素連接，一定要注意導(dǎo)爆索傳爆的方向性，操作過程中不能有差錯(cuò)。為控制單響藥量，預(yù)裂孔可分段起爆，導(dǎo)爆索端部綁兩個(gè)同段非電毫秒雷管，各段非電毫秒雷管并聯(lián)在主導(dǎo)爆索上，時(shí)差不大于25～50 ms。主炮孔采用孔間微差串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，即在各排孔口裝上同一高段非電毫秒微差雷管，孔外采用低段非電毫秒微差雷管串聯(lián)，然后并聯(lián)在主導(dǎo)爆索上，用8號(hào)工業(yè)電雷管引爆。預(yù)裂孔爆破超前主爆破孔第一響75 ms。

4.5 爆破安全距離

預(yù)裂爆破與主爆區(qū)的深孔爆破進(jìn)行一次性爆破，其爆破安全距離按照深孔爆破設(shè)計(jì)計(jì)算，計(jì)算過程在此不贅述，根據(jù)爆破安全規(guī)程，露天巖土爆破飛石安全距離取300 m。

5 結(jié)語

經(jīng)過合理參數(shù)設(shè)計(jì)以及精心施工作業(yè)，邊坡總體上爆破效果良好，清理好的邊坡面上，較堅(jiān)硬的圍巖上的殘孔率達(dá)85.8%，邊坡面平整度小于20 cm，在軟巖或較破碎巖的層段上雖然沒有保留明顯的預(yù)裂殘留半孔，但坡面比較平順，巖石片落現(xiàn)象較少。溢洪道邊坡工程實(shí)踐證明，采用深孔預(yù)裂爆破施工技術(shù)比普通的爆破法施工，大大降低爆破對(duì)保留巖體的震動(dòng)，邊坡穩(wěn)定及美觀方面的質(zhì)量都有明顯的提高，同時(shí)加快施工進(jìn)度，降低施工成本，取得了良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。