精益光面爆破在大華橋水電站中的應(yīng)用

張恩通，程占海

(中國水利水電第一工程局有限公司，吉林 長春 130033)

0 引 言

目前，光面爆破幾乎成為地下隧道爆破工程的標(biāo)準(zhǔn)工藝，是20世紀(jì)50年代后期在瑞典興起的，隨后傳入美國、英國、芬蘭和日本等許多國家。60年代中期至70年代初，我國許多專業(yè)、部門以及部隊開始全面推廣使用，在保證安全的同時，也取得了巨大的經(jīng)濟效益和其他綜合效益，備受有關(guān)專業(yè)科技專家的重視和青睞。大華橋水電站地下洞室開挖中采用精益光面爆破施工技術(shù)，對鉆孔和爆破工藝進(jìn)行全面細(xì)化，并在開挖施工過程中不斷改進(jìn)控制手段和方法，優(yōu)化爆破參數(shù)，取得了很好的爆破成型效果。

1 精益光面技術(shù)創(chuàng)新亮點

(1)通過細(xì)致分析影響鉆孔控制精度的因素，對測量放樣、鉆孔方向和角度控制方法加以精細(xì)化和規(guī)范化，保持相鄰2排炮保留的半孔首尾準(zhǔn)確平順相接，從而實現(xiàn)“一孔到底”的效果，有效降低光面爆破超挖值，提高開挖面平整度和觀感質(zhì)量。

(2)通過對光面爆破炮孔布置、線裝藥密度、裝藥結(jié)構(gòu)等工藝參數(shù)的合理調(diào)整，有效組織爆破能量對巖體的作用形式，使爆破成型表面平整圓順，半孔清晰完整。

(3)合理應(yīng)用統(tǒng)計過程控制方法，將每排炮超挖值檢測數(shù)據(jù)以圖形化顯示，可更加直觀、全面地掌握質(zhì)量指標(biāo)的過程波動水平，及時發(fā)現(xiàn)異常的質(zhì)量波動，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，為原因分析和改進(jìn)管理決策提供科學(xué)可靠的技術(shù)信息。

2 精益光面爆破實施要點

開挖施工質(zhì)量主要取決于測量放樣的精度、周邊孔鉆孔精度、裝藥量及裝藥結(jié)構(gòu)適應(yīng)性等技術(shù)指標(biāo)控制水平。

2.1 測量放樣

測量放樣是開挖施工的第1道工序，放樣的精度是做好總體質(zhì)量控制的基礎(chǔ)。因此，開挖過程中的測量放樣工作相當(dāng)重要。

(1)測量放樣工序。測量放樣精度不僅與設(shè)備精度、操作人員的技術(shù)水平和認(rèn)真程度有關(guān)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮鞒绦蚣胺椒ㄒ彩潜匾那疤?。為提高精度，采用架站點和放樣點二次復(fù)核的方法，以避免放樣過程中產(chǎn)生過大的偏差。在進(jìn)行后視點交會法確定架站點坐標(biāo)后，通過復(fù)測第3個已知坐標(biāo)的復(fù)核點，檢查架站點誤差合格后方可進(jìn)行下一步放樣操作。在對掌子面開孔點正式放樣前，通過復(fù)測上排炮中軸線留下的放樣標(biāo)記，核對與前次放樣的誤差，避免放樣誤差過大或錯誤。將每排炮標(biāo)注的中線點連續(xù)延伸，鉆孔人員對軸線方向進(jìn)行復(fù)核，讓作業(yè)人員對鉆孔方向做到心中有數(shù)。

(2)孔位布置。掌子面開孔點全部由測量人員根據(jù)爆破設(shè)計由洞軸線向兩側(cè)，按50 cm間距逐孔放點，每個孔位在輪廓線上的位置事先計算確定好，以準(zhǔn)確控制每一循環(huán)開孔點的放樣位置一致。后視點一般距掌子面2.0～2.5 m，采用隔孔放點方式，用油漆作為標(biāo)志，以避免混淆錯誤引用。后視點除測設(shè)輪廓線的位置外，還必須標(biāo)注該點的超挖值，以便鉆孔時作業(yè)人員參照該超挖值，控制鉆桿尾端與設(shè)計邊線的相對位置，即控制鉆孔的外插角度。

2.2 鉆孔工藝

由于最終開挖面是沿周邊孔中心連線破裂成型，所以在保證測量放樣精度前提下，周邊孔鉆孔方向和角度控制是決定最終開挖成型質(zhì)量的關(guān)鍵。

2.2.1鉆孔方向控制

沿洞室輪廓線的鉆孔方向應(yīng)與洞室軸線平行，并通過嚴(yán)格控制炮孔間距與方向，爆破后在巖壁上留下分布均勻整齊的半孔，每排炮半孔沿同一直線連續(xù)延伸，如一件精美的工藝品，展示出精雕細(xì)刻的工藝魅力。實際作業(yè)過程中，各種不利因素影響較多，要想控制準(zhǔn)確并不容易，需要作業(yè)人員具有認(rèn)真精細(xì)的工藝水平，還要有一定的手段。

(1)開孔精度控制。開孔位置巖面經(jīng)爆破作用往往都帶有傾斜角度，鉆頭在這種斜面推進(jìn)時會引導(dǎo)開孔方向，而且這種偏差鉆到孔底時會被放大2倍，難以與下排炮開孔位置很好對接。因此，在開孔時由多人配合，從各個方向約束鉆頭移位，盡量減小偏差。

(2)鉆孔方向控制。在開孔點位置準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，將鉆桿尾部對應(yīng)在后視點下部，以控制鉆孔方向；如為無后視點的孔位，則通過與相鄰帶后視點的孔保持平行來控制方向角度。

2.2.2鉆孔外插角控制

鉆孔的最佳目標(biāo)是使孔軸線盡可能符合設(shè)計輪廓線。但在實際操作過程中，因鉆機上部的消音罩需占用10 cm左右的空間，鉆桿尾端不可能處于設(shè)計邊線。而掌子面上必須按設(shè)計邊線位置開孔，這樣使鉆桿鉆進(jìn)時帶有一定外插角，形成部分超挖是不可避免的。但不能因為這種誤差不可避免就放任不管，而是要將影響程度控制在合理的范圍內(nèi)，這是現(xiàn)場鉆孔工藝控制的關(guān)鍵。

(1)工藝標(biāo)準(zhǔn)的確定。為滿足鉆機上部所需10 cm空間的條件，按每循環(huán)進(jìn)尺3.0 m的幾何關(guān)系，鉆孔時，鉆桿需向斷面外傾斜的角度應(yīng)為arcsin(0.1/3.0)=1.9°，考慮其他因素影響，將兩循環(huán)錯臺指標(biāo)合格標(biāo)準(zhǔn)定為15 cm。

(2)工藝控制方法。因1.9°或2°的角度僅憑目測難以準(zhǔn)確判斷，現(xiàn)場采用控制相對設(shè)計邊線距離的方法，在后視點超挖值基礎(chǔ)上，按3.3 cm/m比例(即1.9°)的上傾角度確定鉆桿與后視點的豎向距離。如后視點距開孔點1.6 m，所標(biāo)注超挖值為5 cm時，鉆桿與后視點垂直距離為5 cm+3 cm/m×1.6 m=9.8 cm。這樣，能使鉆機上部始終保持有10 cm左右的推進(jìn)空間，鉆桿在不受約束和阻礙的條件下順利推進(jìn)，避免了過大外插角造成的超挖。

2.2.3鉆孔操作注意事項

理論上，按照上述控制方法操作應(yīng)該能夠保證鉆孔質(zhì)量，并使孔底超挖控制在10～15 cm。但實際并非如此，在測量放樣后，檢查上排炮的終孔位置偏差偶爾會超過15 cm，有時甚至是超過20 cm以上?，F(xiàn)場仔細(xì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這種水平或豎直方向的偏差不是開孔階段控制問題，而是在鉆桿推進(jìn)一定深度后，一般認(rèn)為孔內(nèi)已經(jīng)對鉆桿形成約束，方向角度不會有太大偏差，往往疏于對鉆機位置的控制。假設(shè)此時鉆機控制的鉆桿尾端不能與孔內(nèi)鉆桿保持在同一直線，在孔口及孔底的約束作用下，會使鉆桿發(fā)生彎曲。

為驗證這種鉆桿彎曲對孔底偏移的影響程度，采用CAD作圖法模擬鉆桿在孔內(nèi)彎曲的狀態(tài)。假設(shè)在鉆進(jìn)1.5 m時出現(xiàn)鉆桿彎曲，鉆到3.5 m深孔底時的孔位偏差將達(dá)到16 cm，充分說明鉆桿彎曲，即飄孔危害的嚴(yán)重性。

在對飄孔現(xiàn)象進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，提出了以下工藝改進(jìn)與預(yù)防措施：在開孔和鉆進(jìn)過程中，鉆機要調(diào)整好架鉆氣腿的橫向位置和高度，即鉆機、氣腿與開孔點要與后視點在同一直線上，以保持鉆桿在孔軸線的位置鉆進(jìn)。同時，還要注意控制推進(jìn)壓力不要太大，避免鉆桿出現(xiàn)向下或側(cè)向的彎曲。

2.3 周邊孔裝藥工藝

2.3.1裝藥參數(shù)控制與調(diào)整

在周邊孔中，采取藥卷直徑小于炮孔直徑的不耦合裝藥方式，為爆轟沖擊波提供一定的緩沖空間，一定程度上衰減了作用到孔壁上的爆轟波，降低爆轟時孔壁上的峰值壓力，從而在炮孔內(nèi)形成準(zhǔn)靜壓狀態(tài)，這是實現(xiàn)光面爆破的必要條件。通常采用的不耦合系數(shù)(孔徑/藥卷直徑)為1.1～3.0，以1.5～3.0居多。

大華橋水電站地下廠房光面爆破孔按要求采用直徑為φ25的光爆藥卷，鉆孔直徑為42 mm，則不耦合系數(shù)為42/25=1.68。若沒有光爆藥卷，則將φ32的藥卷分4段后縱向剖開，這時的不耦合系數(shù)可以達(dá)到1.86，相對增大了不耦合系數(shù)。

2.3.2周邊孔裝藥量及裝藥結(jié)構(gòu)

周邊孔光面爆破裝藥參數(shù)主要是控制線密裝藥度，大華橋地下廠房開挖實際選用的線裝藥密度為110～130 g/m。但線裝藥密度只是裝藥量與裝藥長度的比值，相同的線裝藥密度在不同裝藥結(jié)構(gòu)下，其爆破效果是不同的。如果孔內(nèi)單個藥包藥量過大，爆轟能量過于集中，則會對孔壁圍巖造成有害的拉伸裂隙；而單個藥包的藥量過小，勢必增加加工難度，費工費時，這就要求選擇一個較為合理的裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)。

通過現(xiàn)場反復(fù)調(diào)整改進(jìn)，最終選定裝藥結(jié)構(gòu)：孔底加強藥卷為1/2卷，每根光爆藥卷分為4節(jié)，從中部剖切成2瓣(1/8卷，每節(jié)25 g)，根據(jù)圍巖條件間隔20～25 cm，與導(dǎo)爆索均勻固定在竹片上，以保證藥卷在孔內(nèi)的位置均勻準(zhǔn)確，竹片靠近巖體一側(cè)放置，以增加對孔壁的保護。

3 精益光面爆破的效果

3.1 質(zhì)量控制

(1)洞室開挖的周邊孔應(yīng)在斷面輪廓線上開孔，沿輪廓線的調(diào)整范圍的孔位偏差值應(yīng)≤2 cm，其他炮孔孔位的偏差不應(yīng)大于10 cm。DL/T 5099—2011《水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》中要求周邊孔孔位偏差不大于5 cm，但在實際操作中，如開孔就有5 cm偏差，按測定的后視點控制方向鉆到孔底位置將會與下排炮開孔位置產(chǎn)生10 cm的孔位偏差，前后排炮孔不能連續(xù)銜接；按2 cm控制開孔偏差，鉆到孔底偏差在4 cm左右，即不超過一個鉆頭直徑，孔位基本可以對接。

(2)每一單元內(nèi)，除因地質(zhì)原因造成的超挖外，其他平均超挖≤10 cm，不允許欠挖。DL/T 5099—2011中明確，對于平洞，平均徑向超挖不大于20 cm。而現(xiàn)場實際操作要求外插角按孔底超挖10 cm來控制，按理論計算平均超挖值應(yīng)為5 cm，考慮局部節(jié)理受爆破松動掉塊(但不考慮不良地質(zhì)缺陷)，一般是可以達(dá)到的。

(3)在開挖輪廓面上，殘留炮孔痕跡應(yīng)均勻分布，炮孔首尾銜接，且基本在同一直線上，偏差值≤5 cm。炮孔在輪廓面上基本在斷面同一位置，沿洞室軸線方向呈一條直線連續(xù)延伸，總體實現(xiàn)一孔到底。偏差值≤5 cm時，炮孔接茬處邊緣基本能夠?qū)?，偏差不是很明顯。

(4)除地質(zhì)缺陷部位外，殘留炮孔痕跡保存率完整巖石應(yīng)大于85%，弱風(fēng)化巖石應(yīng)達(dá)到60%以上，強風(fēng)化巖石應(yīng)達(dá)到20%以上。DL/T 5099—2011中要求，對于完整巖石半孔率大于85%，只要合理調(diào)整裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)等技術(shù)參數(shù)，基本可達(dá)到90%以上。

(5)相鄰兩茬炮之間的臺階不得大于15 cm。DL/T 5099—2011中要求，相鄰兩茬炮之間的臺階或鉆孔最大偏斜值應(yīng)小于20 cm。在實際操作中，要求鉆孔孔底向斷面外偏斜10 cm，再考慮5 cm的操作偏差，一般15 cm應(yīng)該可以做到。

(6)光面爆破應(yīng)無明顯爆破裂隙，孔壁的完整程度高。孔壁的完整程度主要取決于裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)的不耦合系數(shù)，在保證成型質(zhì)量的情況下，盡量采用大不耦合系數(shù)和多點小藥量的裝藥結(jié)構(gòu)，以利于對爆轟沖擊波峰值的衰減，使孔壁受力均勻，減少對孔壁和保留巖體的擾動。

3.2 質(zhì)量效果

開挖后由專業(yè)測量人員對開挖斷面超挖情況進(jìn)行檢測。檢測成果見表1。從表1可知，通過對開挖工序進(jìn)行精細(xì)化的工藝質(zhì)量控制，2個作業(yè)面的平均超挖值僅6.2 cm，超挖值小于15 cm的測點占總檢測點數(shù)的97%，小于10 cm的測點比例也達(dá)到80%以上，而以往的開挖質(zhì)量控制水平一般都在20 cm左右。地下廠房、尾水調(diào)壓室和主變室一層頂拱開挖平均超挖值均控制在6～8 cm，大幅優(yōu)于施工規(guī)范推薦的“地下平洞開挖不宜大于20 cm”的技術(shù)要求?？梢钥闯?，推行精益光面爆破對開挖質(zhì)量提升效果十分明顯，顯著提高了開挖成型質(zhì)量。

4 結(jié) 語

采用普通的爆破方法開挖隧道，超挖量可達(dá)到10%～15%；一般的光面爆破施工方法超挖量可降低到4%～7%。而精益光面爆破施工方法則可降低到2%～3%。按中型水電站工程100萬m3的石方暗挖工程量計算，可減少超挖量2萬m3以上，按360元/m3的混凝土成本價，減少的超填混凝土費用可達(dá)720萬元，在大幅降低工程投資的同時，也有利于環(huán)境保護。

表1 主體地下洞室頂拱平均超挖值檢測成果統(tǒng)計

經(jīng)過優(yōu)化爆破參數(shù)，提高了巖面成型平整度，降低了對圍巖的擾動范圍，減少了爆破后附著的松動巖塊，不僅對施工安全十分有利，而且減少了超噴混凝土量，既降低了成本，又提高了支護工作效率。按大華橋水電站地下廠房發(fā)電機層以上部位噴鋼纖維混凝土量計算，每減少1 cm超噴混凝土厚度，就可節(jié)省近15萬元。

開挖質(zhì)量不僅體現(xiàn)作業(yè)人員工藝質(zhì)量控制水平，也反映出企業(yè)質(zhì)量管理的精細(xì)化程度。精益光面爆破技術(shù)的推廣應(yīng)用，必然會促進(jìn)各類地下巖石洞室開挖工藝水平的提升，也可為施工企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。