大型地下水封洞庫開挖爆破方式優(yōu)選

， ，，孫舉

(1.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2.武警水電三峽工程指揮部, 武漢 430050)

1 研究背景

國內(nèi)大型地下水封洞庫通常采用鉆爆法開挖。地下水封洞庫工程的建設(shè)在我國剛剛起步，關(guān)于其爆破方案及施工技術(shù)的相關(guān)研究還比較少。而目前水利水電、交通等工程的大型地下洞庫系統(tǒng)及隧道開挖的爆破技術(shù)的研究成果較多[1-3]可供之借鑒。這些大型地下洞室采用分層開挖，對頂拱層的開挖，通常采用小孔徑水平淺孔爆破的方式；而對頂拱層以下各層的開挖，為了加快施工進度，一般采用深孔臺階爆破和光面爆破或預裂爆破相結(jié)合的方式[4]。

與其他行業(yè)大型地下洞室相比，大型地下水封洞庫工程具有不襯砌、洞室密度大、對圍巖完整性要求高等特點[5]。其主體工程的施工都在水幕系統(tǒng)注水環(huán)境下進行。因此，地下水封洞庫爆破施工的輪廓面成形效果要求非常高，爆破振動控制也非常嚴格，除了需要控制爆破對本洞、鄰洞的動力穩(wěn)定性影響外，還需要控制爆破對洞室水封性的影響。因此需要根據(jù)地下水封洞庫這些獨有的特性及其工程地質(zhì)條件并結(jié)合爆破試驗確定合適的開挖程序和爆破方式。

本研究，以某大型地下水封洞庫工程為背景，采用現(xiàn)場試驗的方法，結(jié)合爆破振動測試、爆破前后聲波測試等手段，比較不同爆破方案下地下水封洞庫的爆破振動響應特性及爆破破壞特征，對水封環(huán)境下地下洞室開挖爆破方式進行優(yōu)化。

2 工程概況

某地下水封洞庫工程主要由主洞室群、豎井、水幕系統(tǒng)及施工巷道等組成。主洞室群分成3組罐體，每組罐體3個洞室，共9個洞室，每組洞室之間由施工巷道連通。洞室為直立邊墻圓拱洞，跨度為20 m，高度30 m，長度在484～717 m之間。兩個相鄰主洞室之間設(shè)計凈間距為30 m，主洞室壁與相鄰施工巷道壁之間設(shè)計凈間距為25.25 m。洞室群頂部設(shè)水幕系統(tǒng)，由注水巷道和水幕孔組成，覆蓋整個洞庫上方，注水巷道底板寬5.0 m，高4.5 m。洞室區(qū)以相對較完整的花崗片麻巖為主，主要為Ⅱ、Ⅲ類巖體。

主洞室根據(jù)不同的爆破方案分4層或5層開挖。頂拱層高8.5 m，采用中導洞先進，兩側(cè)擴挖跟進的方式開挖。根據(jù)該工程的特點及其他工程的經(jīng)驗，頂拱層以下各層(除底板保護層)的爆破開挖方式主要有2種：一種為兩側(cè)直墻輪廓面預裂爆破，中間深孔臺階爆破的開挖方式(簡稱深孔臺階爆破+預裂爆破方案)；另一種是小孔徑水平造孔中部抽槽先行，兩側(cè)預留保護層水平光面爆破跟進的開挖方式(簡稱水平淺孔爆破+光面爆破方案)。地下水封洞庫對爆破開挖成形、爆破振動及損傷的要求比較高。且雖然預裂爆破形成的預裂縫可以屏蔽主爆破對保留巖體的損傷，但是其本身對巖體的損傷比光面爆破大[6]。因此，需要通過爆破試驗驗證深孔臺階爆破+預裂爆破方案的可行性，并比較其與水平淺孔爆破+光面爆破方案的優(yōu)劣。

3 現(xiàn)場爆破試驗

3.1 試驗條件

將試驗段的基本地質(zhì)條件列入表1中。

表1 爆破試驗段基本地質(zhì)條件

3.2 試驗參數(shù)

深孔臺階爆破+預裂爆破方案的臺階開挖高度9.5 m，每個開挖循環(huán)進尺10 m。主爆孔孔徑為90 mm，孔距為2.5～3.0 m，排距2.0～2.5 m，預裂孔孔徑76 mm，孔距0.7 m。采用孔外接力起爆網(wǎng)路。典型的炮孔布置及起爆網(wǎng)路如圖1所示。

圖1 深孔臺階爆破+預裂爆破方案炮孔布置及起爆網(wǎng)路圖

水平淺孔爆破+光面爆破方案的中間抽槽寬度14 m，兩邊各留3 m保護層，開挖臺階高度6 m，中部抽槽每循環(huán)進尺4.2 m，兩側(cè)保護層循環(huán)進尺4.2 m。主爆孔孔徑42 mm，孔距為1.5～2.5 m，排距1.4～1.5 m，周邊光爆孔孔徑42 mm，孔距0.5 m。采用孔間微差起爆網(wǎng)路。典型炮孔布置及起爆網(wǎng)路如圖2所示。

圖2 水平淺孔爆破+光面爆破方案炮孔布置及起爆網(wǎng)路圖

4 輪廓面成形效果比較

圖3為2種不同爆破方案條件下爆破后輪廓面成形效果照片。

圖3 2種爆破方案下爆破輪廓面成形效果

根據(jù)爆后觀察和測量可知：2種爆破方案下輪廓面成形效果較好，半孔率>80%，部分試驗的半孔率達到90%以上，3 m直尺檢查平整度<15 cm。由圖3可知，相比之下，深孔臺階爆破+預裂爆破方案的半孔率、平整度優(yōu)于手風鉆水平淺孔爆破+光面爆破效果。根據(jù)施工現(xiàn)場試驗情況，2種爆破方案的爆破成形效果均能滿足開挖施工技術(shù)要求。

5 圍巖爆破振動特性比較

5.1 不同爆破方案下爆破振動波形及頻譜比較

深孔臺階爆破+預裂爆破方案下典型爆破振動波形圖及其頻譜圖如圖4、圖5所示；水平淺孔爆破+光面爆破方案下典型振動波形及頻譜如圖6、圖7所示。

圖4 深孔臺階爆破+預裂爆破方案下典型振動波形(爆心距30 m)

圖5 深孔臺階爆破+預裂爆破方案下頻譜(爆心距30 m)

圖6 水平淺孔爆破+光面爆破方案下典型振動波形(爆心距30m)

圖7 水平淺孔爆破+光面爆破方案下頻譜(爆心距30m)

由圖4至圖7可知，2種方案的各段爆破振動波形分離均較為明顯；在相同爆心距條件下，水平淺孔爆破+光面爆破方案的爆破振動峰值要小于深孔臺階爆破+預裂爆破方案下的振動峰值，其爆破振動主頻要大于深孔臺階爆破+預裂爆破方案；而2種方案低頻成分均較少，不會對洞室群結(jié)構(gòu)響應造成影響。

5.2 不同爆破方案下地下洞室群開挖爆破振動衰減規(guī)律

工程中通常采用以炸藥量和爆心距為主要影響因素的薩道夫斯基經(jīng)驗公式對質(zhì)點峰值振速的衰減特性進行描述，其表達式為[7]

V=Kρα。

(1)

式中：V為質(zhì)點峰值振動速度(cm/s)；K為與巖石性質(zhì)、爆破參數(shù)等有關(guān)的因子；α為振動衰減系數(shù)；ρ為比例藥量ρ=Q1/3/R；Q為最大單響藥量(kg)；R為爆心距(m)。

分別提取2種爆破方案下實測振動數(shù)據(jù)中預裂段(光爆段)、主爆段爆破振動峰值及對應的段藥量和爆心距，采用式(1)對這些振動數(shù)據(jù)進行回歸分析，分別得到不同方案下預裂爆破、光面爆破及主爆孔爆破振動衰減規(guī)律經(jīng)驗公式，列入表2中。

表2 2種爆破方案條件下爆破振動衰減規(guī)律

由表2可知，預裂爆破的K值和α值均大于光面爆破的，由此可見，在一定爆心距范圍內(nèi)，比例距離相同的情況下，預裂爆破誘發(fā)的爆破振動峰值要大于光面爆破，其峰值衰減速度要大于光面爆破。比較2種方案下主爆孔段的爆破振動衰減規(guī)律可知：預裂爆破方案下主爆段的K值和α值均大于光面爆破方案的。同理，在一定爆心距范圍內(nèi)，深孔臺階爆破+預裂爆破方案主爆段的爆破振動峰值及其衰減速度均要大于水平淺孔爆破+光面爆破方案。

6 爆破影響深度比較

為了比較深孔臺階爆破+預裂爆破方案和水平淺孔爆破+光面爆破方案的爆破影響深度，在爆破試驗過程中進行了多次爆前爆后聲波測試。

在深孔臺階爆破+預裂爆破方案的爆破試驗中，共布置6組聲波孔，每組3個孔，編號為QS1-QS24。由于現(xiàn)場條件的限制，聲波孔布置在距離上層地板0.6 m處的邊墻上，每組聲波孔呈直線布置，孔間距1.2 m，入巖深度7 m，傾角為45°，做兩孔之間的對穿試驗。聲波孔布置如圖8所示。

圖8 聲波孔布置示意圖

水平淺孔爆破+光面爆破方案的爆破試驗中，共布置4組聲波孔，每組3個孔，編號為S1-S12。聲波孔布置同深孔臺階爆破+預裂爆破方案，進行單孔聲波測試。

根據(jù)聲波波速(VP)-孔深(L)關(guān)系曲線特征，可以對檢測部位的巖體受到施工開挖擾動程度進行定性評價。2種爆破方案下爆破前后聲波測試成果見表3和表4。

表3 深孔臺階爆破+預裂爆破方案下聲波測試成果

表4 水平淺孔爆破+光面爆破方案下聲波測試成果

由于0.85 m孔深范圍內(nèi)的聲波孔均在上層高程范圍內(nèi)，測試時上層已經(jīng)開挖，在上層開挖爆破和卸荷的共同作用下，形成了一定厚度的松動圈。由表3、表4可知：而2種方案下，中層爆破前后試驗區(qū)域巖體的聲波曲線均變化不大，中層爆破并使這部分松動圈深度加深。而部分測孔的松動圈范圍內(nèi)波速在爆破后有所降低，而松動圈范圍外巖體波速基本無變化，表明中層爆破對測試區(qū)域邊墻的影響主要表現(xiàn)在松動圈范圍內(nèi)巖石波速進一步降低。

在深孔臺階爆破+預裂爆破開挖方案下，邊墻巖體原有松動圈內(nèi)平均波速下降最大為14.4%；而在水平淺孔爆破+光面爆破方案下，邊墻巖體原有松動圈內(nèi)平均波速下降最大為12.5%。相比之下，水平淺孔爆破+光面爆破爆破方案下爆破對圍巖的擾動影響略小，且更容易控制。

7 爆破方式優(yōu)選

綜合以上分析，對于深孔臺階爆破+預裂爆破方案，在巖體條件較好且選擇合理的爆破參數(shù)及起爆網(wǎng)絡(luò)的情況下，也能滿足振動及損傷控制和開挖成形的需要，故可以應用于大型地下水封洞庫的爆破開挖。該方案在施工質(zhì)量控制方面較優(yōu)，在施工組織方面工序控制及協(xié)調(diào)難度小，利于機械化施工，適用于在巖體條件較好的情況下的高強度大規(guī)模施工。而對于水平淺孔爆破+光面爆破方案下爆破產(chǎn)生的振動及對圍巖的擾動相對較小，更利于爆破安全控制。但該方案施工效率低，開挖層數(shù)多，不利于大規(guī)模施工，適合在巖體性質(zhì)較差或爆破振動控制相對較嚴格的開挖區(qū)域中采用。

8 結(jié) 論

通過對某地下水封洞庫工程2種爆破方案下主洞室爆破成形效果、爆破振動效應及爆破損傷影響等進行比較，可以得到如下結(jié)論：

(1) 2種爆破方案下，輪廓面成形效果均較好，能滿足開挖施工技術(shù)要求。相比之下，深孔臺階爆破+預裂爆破方案下半孔率、平整度優(yōu)于手風鉆水平淺孔爆破+光面爆破方案。

(2) 深孔臺階爆破+預裂爆破方案在近區(qū)和中遠區(qū)引起的爆破振動較大，水平淺孔爆破+光面爆破方案較?。磺罢叩谋普駝铀p速度大于后者。

(3) 在聲波測試區(qū)域，爆破對圍巖的影響主要表現(xiàn)在松動圈范圍內(nèi)巖石波速進一步降低。在深孔臺階爆破+預裂爆破開挖方案下，邊墻巖體原有松動圈內(nèi)平均波速下降最大為14.4%；而在水平淺孔爆破+光面爆破方案下，平均波速下降最大為12.5%。相比之下，水平淺孔爆破+光面爆破方案下爆破對圍巖的擾動影響略小。

(4) 深孔臺階爆破+預裂爆破方案可用于大型地下水封洞庫開挖，但需要嚴格控制鉆孔精度、單段起爆藥量、藥包直徑以及裝藥結(jié)構(gòu)；水平淺孔爆破+光面爆破方案適合在巖體性質(zhì)較差或爆破振動控制相對較嚴格的開挖區(qū)域中采用。

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