烏都河洞口水電站新建廠房開挖控制爆破施工效果分析

(貴州中水建設(shè)管理股份有限公司，貴州 貴陽 550000)

1 工程地質(zhì)概況

烏都河洞口水電站工程位于貴州省西南部六盤水市盤縣與普安縣交界處，為北盤江流域規(guī)劃烏都河六級(jí)開發(fā)方案中的第四級(jí)，主要利用烏都河一期水電站壩址的棄水及區(qū)間集水進(jìn)行引水發(fā)電。引水隧洞長(zhǎng)452.2m，總裝機(jī)5000kW，地面式廠房，水頭34.14m，設(shè)計(jì)壩高45.4m。水電站新建廠房與原廠房的水平距離為4m，開挖前高程958.00m，開挖后高程為939.80m，最大開挖深度為18.2m。廠房開挖場(chǎng)地狹窄、施工條件受限，多為泥夾石，設(shè)計(jì)坡比為1∶0.2。根據(jù)開挖暴露地質(zhì)情況，廠址位置及前沿河漫灘覆蓋層厚8～10m，成分為塊石、碎石夾黏土，結(jié)構(gòu)松散至稍密實(shí)。下伏基巖為石炭系上統(tǒng)與二疊系下統(tǒng)過渡層第五段薄層至厚層灰?guī)r夾泥巖。新建廠房開挖前，需在預(yù)開挖邊坡處采取固結(jié)灌漿進(jìn)行超前處理，并采用控制爆破等適應(yīng)性措施，以確保原廠房等已有建筑和邊坡的運(yùn)行安全[1]。

2 固結(jié)灌漿施工

預(yù)開挖邊坡處固結(jié)灌漿施工工藝及具體工作流程為：布孔→鉆孔→洗孔及壓水試驗(yàn)→灌漿→封孔(見圖1)。

圖1 預(yù)開挖邊坡固結(jié)灌漿施工工藝

2.1 布孔及鉆孔

根據(jù)地質(zhì)勘探成果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行布孔，預(yù)固結(jié)灌漿孔間排距2m×1.5m，錨筋樁孔間排距4m×1.5m。采用LY-200地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，孔徑110mm或91mm配套預(yù)埋設(shè)φ108或φ89無縫管做孔口管，入巖埋深不小于1.0m。鉆孔先施工Ⅰ序孔，待Ⅰ序孔灌漿結(jié)束后進(jìn)行Ⅱ序孔鉆孔灌漿施工[2]。

2.2 洗孔及壓水試驗(yàn)

根據(jù)鉆孔鉆機(jī)不同，采取不同洗孔方式，若采取風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)則先用風(fēng)吹凈孔內(nèi)粉渣后，采用壓力水進(jìn)行孔內(nèi)沖洗，至回水清凈為止；若采取地質(zhì)鉆機(jī)則直接采用鉆桿進(jìn)行沖洗，至回水清凈為止[3]。鑒于工程區(qū)地質(zhì)以泥夾塊石為主，巖體整體破碎度大、節(jié)理裂隙發(fā)育，遇水軟化狀，壓水試驗(yàn)意義不大，在鉆孔固結(jié)灌漿前做簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)即可。

2.3 孔(段)灌漿

根據(jù)孔(段)泥夾塊石為主的地質(zhì)條件，采取“孔口封閉、純壓式灌漿”方式，其中：一序孔采取自上而下分段灌漿；二序孔則根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況合理選擇自下而上、自上而下或綜合法灌漿?？卓诙味伍L(zhǎng)為5～7m，灌漿段最大段長(zhǎng)不大于10m。一序孔灌漿壓力為0.2～0.25MPa；二序孔灌漿壓力為0.25～0.5MPa。漿液水灰比為5∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1(或0.5∶1)四個(gè)比級(jí)。漿液水灰比為1∶1、0.8∶1、0.6∶1(或0.5∶1)三個(gè)比級(jí)。當(dāng)灌漿壓力保持不變而注入率持續(xù)減少時(shí)或當(dāng)注入率不變而壓力持續(xù)升高時(shí)，不得改變水灰比；當(dāng)某一比級(jí)漿液的注入量已達(dá)到300L以上或灌漿時(shí)間已達(dá)到1h而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不明顯時(shí)可以加濃一級(jí)。固結(jié)灌漿在規(guī)定壓力下，當(dāng)注入率不大于1L/min繼續(xù)灌注30min，灌漿即可結(jié)束。

3 廠房開挖爆破施工設(shè)計(jì)

3.1 廠房開挖程序

熟悉圖紙→測(cè)量放樣→覆蓋層清除→開挖輪廓線放樣→炮孔定位→鉆孔→洗孔→裝藥→堵塞→起爆→安全檢查→出渣。

3.2 開挖爆破

采用“自上而下，先坡后河床”的開挖方式。采用以深孔梯段爆破為主，輔以光面爆破和預(yù)裂爆破等進(jìn)行廠房基礎(chǔ)爆破開挖。

3.2.1 深孔梯段爆破

深孔梯段爆破鉆孔直徑為75mm，垂直鉆孔，炮孔孔距3m，排距2m，梅花形布置；梯段高度按3～8m考慮，采用松動(dòng)爆破，排間微差起爆，排間起爆時(shí)差50ms；單位炸藥耗藥量經(jīng)爆破試驗(yàn)確定，烏都河洞口水電站為0.25～0.35kg/m3。梯段鉆孔爆破裝藥結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)見圖2和表1。

圖2 梯段鉆孔爆破裝藥結(jié)構(gòu)

表1 梯段鉆孔爆破特性指標(biāo)

爆破類型孔徑/mm梯段高度/m排距/m間距/m孔深/m超鉆/m堵塞長(zhǎng)度/m裝藥直徑/mm耗藥量/(kg/m3)主爆孔緩沖孔75～1008～122～3.51.5～2.52.5～6.01.5～2.58.5～130.5～1.02～31～270～8032～700.35～0.80.3～0.7

梯段爆破主爆孔采用復(fù)式裝藥結(jié)構(gòu)，即下部裝藥60%，上部裝藥40%，既可降低大塊率，又可避免在梯段底部留下巖??；當(dāng)堵塞段長(zhǎng)度較小時(shí)，應(yīng)保證堵塞質(zhì)量，確保堵塞段密實(shí)[4]。

3.2.2 光面爆破

光面爆破炮孔裝藥采用間斷裝藥，將藥卷間隔捆綁在竹木上固定，藥卷用導(dǎo)爆索連接[5]，孔口預(yù)留0.5m左右不裝藥(見圖3)。

圖3 光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)

光面爆破技術(shù)參數(shù)為：孔徑75mm，孔距0.8～1.2m，孔深3.5～5.5m，堵塞長(zhǎng)度0.3～0.5m，藥卷直徑32mm，不耦合系數(shù)為2.34，線裝藥密度0.3kg/m，底部裝藥密度0.9kg/m。采用預(yù)留光爆層的光面爆破作業(yè)中,周邊炮孔直徑應(yīng)在50mm以下,炮孔間距為10～16倍炮孔直徑,最小抵抗線長(zhǎng)度由巖石特點(diǎn)、炮孔間距等確定，一般為炮孔間距的1.2～1.4倍。當(dāng)孔深在2m左右時(shí)，用2號(hào)巖石乳化炸藥，線裝藥密度為150～200g/m，宜用直徑為25mm的小直徑藥卷。

3.2.3 預(yù)裂爆破

邊坡臺(tái)階高度為8m和10m，邊坡預(yù)裂一次完成。爆破技術(shù)參數(shù)為：孔徑75mm，孔距0.8m，孔深8～11m，堵塞長(zhǎng)度1.6～2m，藥卷直徑32mm，不耦合系數(shù)為2.34，上部裝藥線密度0.3kg/m，底部2.2m裝藥密度加強(qiáng)為1kg/m。在預(yù)裂孔與主爆孔之間設(shè)置一排緩沖孔，緩沖孔裝藥量為主爆孔裝藥量一半，并采用間斷裝藥，以減少主爆區(qū)爆破對(duì)預(yù)留邊坡的震動(dòng)影響，確保原廠房等建筑物和邊坡不受到破壞，保持整齊的輪廓面[6]。起爆時(shí)，優(yōu)先起爆預(yù)裂孔，而后依次起爆主爆孔，最后起爆緩沖孔。烏都河洞口新建廠房預(yù)裂開挖爆破炮孔布置及起爆順序見圖4。

圖4 新建廠房開挖爆破炮孔布置及起爆順序

4 廠房開挖爆破施工實(shí)踐

4.1 基礎(chǔ)開挖爆破技術(shù)參數(shù)

建基面上1.5m以內(nèi)爆破技術(shù)參數(shù)為：孔徑45mm，孔距1.5m，排拒1.5m，孔深2m，藥卷直徑32mm，不耦合系數(shù)為1.4，堵塞長(zhǎng)度1m，炸藥單耗0.30kg/m3；建基面1.5m以上的層爆破技術(shù)參數(shù)為：手風(fēng)鉆鉆孔，按毫秒分段起爆，起爆藥量控制為不大于5kg。

4.2 開挖爆破施工程序

按設(shè)計(jì)在地面上定出兩壩肩開挖線，“自上而下”進(jìn)行開挖爆破。分區(qū)、分期爆破開挖，即954m高程以上為一區(qū)，946～954m高程為二區(qū)，946m高程以下為三區(qū)；廠房尾水閘墩以內(nèi)為第一期，閘墩以外尾水地板為第二期。新建廠房分區(qū)、分期開挖爆破程序見圖5。

圖5 新建廠房開挖爆破程序

4.3 開挖出渣

邊坡排險(xiǎn)和開挖出渣直接由挖掘機(jī)及自卸汽車配合進(jìn)行。每一排炮響完后，由挖掘機(jī)進(jìn)行邊坡排險(xiǎn)和出渣，再進(jìn)行下道孔序的施工。廠房渣拉至導(dǎo)流洞出口回填一條沿河向原鄉(xiāng)村公路修建的臨時(shí)公路。

4.4 工程施工效果分析

在既要保護(hù)已有建筑的安全穩(wěn)定性，又要在開挖場(chǎng)地狹窄、施工條件受限，多為泥夾石、塊石、碎石夾黏土，結(jié)構(gòu)松散至稍密實(shí)，無大型地質(zhì)構(gòu)造通過的情況下實(shí)施開挖作業(yè)，采取“先固結(jié)、后爆破”相結(jié)合的開挖方案，即先對(duì)開挖(邊坡)區(qū)域進(jìn)行固結(jié)灌漿預(yù)處理，再進(jìn)行爆破作業(yè)，取得了良好的施工效果。

4.4.1 預(yù)固結(jié)灌漿處理成果分析和評(píng)價(jià)

通過灌漿效果分析、檢查孔壓水試驗(yàn)、物探檢測(cè)對(duì)固結(jié)灌漿施工效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

a.灌漿效果分析。固結(jié)灌漿累計(jì)完成8999.99m，水泥耗量1207.43t，最大單耗448.0kg/m，最小單耗18.7kg/m，平均單耗134.16kg/m。Ⅰ序孔灌漿進(jìn)尺5799.88m，水泥耗量952.98t，單位耗量164.31kg/m，Ⅱ序孔灌漿進(jìn)尺3200.11m，水泥耗量254.45t，單位耗量79.51kg/m。通過以上數(shù)據(jù)得出：Ⅱ序孔平均單耗為Ⅰ序孔平均單耗的48.39%，Ⅰ、Ⅱ序孔的平均單耗呈遞減趨勢(shì)，且減幅較大，說明灌漿分序得當(dāng)，灌漿效果明顯。

b.檢查孔壓水試驗(yàn)。灌漿后對(duì)46段預(yù)固結(jié)灌漿進(jìn)行質(zhì)量檢查，檢查孔采用單點(diǎn)壓水試驗(yàn)，最大值3.65Lu，最小值1.76Lu，平均值2.32Lu，全部滿足設(shè)計(jì)要求q<5Lu的技術(shù)指標(biāo)。

c.物探檢測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)聲波檢測(cè)及成果整理按照《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(SL 264—2001)進(jìn)行，采用單孔聲波測(cè)試法，測(cè)試儀器為PDS-SW型非金屬超聲波測(cè)試儀。測(cè)試換能器為一發(fā)雙收(YFS)測(cè)孔換能器，頻率為20～50kHz。物探檢測(cè)結(jié)果顯示：灌漿前波速主要集中在1.2～4.5km/s，平均為3.42km/s；灌漿后波速主要集中在2.5～4.5km/s，平均為3.57km/s，灌漿效果較好。

4.4.2 爆破開挖效果評(píng)價(jià)

a.施工安全。開挖區(qū)域巖土破碎、結(jié)構(gòu)松散，經(jīng)預(yù)固結(jié)灌漿處理后，確保了邊坡和已有建筑物爆破開挖施工期的安全。

b.加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了工程投資。工程區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，施工條件受限而不能放緩坡度開挖，若采取連續(xù)樁基圍護(hù)結(jié)構(gòu)等方案對(duì)基坑進(jìn)行加固處理，其工程量將大大增加，工程投資將增大，工期也將延長(zhǎng)。而采取“先固結(jié)、后爆破”相結(jié)合的開挖方案，工程實(shí)施效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，開挖邊坡安全穩(wěn)定，施工進(jìn)度和工程投資控制均較好。

5 結(jié) 論

烏都河洞口水電站新建廠房基礎(chǔ)開挖工程具有地質(zhì)條件復(fù)雜、爆破施工難度大、施工干擾大等特點(diǎn)，要防止爆破產(chǎn)生的震動(dòng)、水中沖擊波和飛石等對(duì)原廠房等建筑物和邊坡造成不利影響。通過運(yùn)用科學(xué)的施工組織設(shè)計(jì)及管理，開挖過程中對(duì)應(yīng)不同地質(zhì)條件采用預(yù)開挖邊坡固結(jié)灌漿、控制爆破等適應(yīng)性措施，主要取得如下結(jié)論：

a.新建廠房與原廠房間水平距離僅4m，且開挖深度較大為18.2m，開挖場(chǎng)地狹窄、施工干擾大，采用預(yù)固結(jié)灌漿對(duì)預(yù)開挖邊坡進(jìn)行加固處理，確保已有建筑物及邊坡施工安全。

b.按“自上而下、先坡后河床”的開挖方式，根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算確定分區(qū)、分期采用梯段爆破、光面爆破和預(yù)裂爆破等相結(jié)合的爆破技術(shù)，做到高標(biāo)準(zhǔn)要求地控制爆破施工。

c.工程實(shí)施過程中，需要根據(jù)開挖爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，對(duì)裝藥量、安全距離和沖擊波等特性指標(biāo)進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)證，確保電站現(xiàn)有構(gòu)(建)筑物和邊坡運(yùn)行安全，達(dá)到精細(xì)控制爆破開挖施工目的。