天池抽水蓄能電站地下洞室群爆破方案比選

黃建全 董平 楊盛喆 肖林斌

摘要：河南省天池抽水蓄能電站地下洞室群光面爆破中頻繁出現(xiàn)炸藥能量利用率低、爆破后輪廓面平整度差、圍巖損傷及超欠挖現(xiàn)象嚴重等問題，為了提高洞室群光面爆破效果，優(yōu)化光面爆破方案及爆破參數(shù)設計。針對天池抽水蓄能電站尾水洞的爆破開挖，采取施工現(xiàn)場試驗手段，分別監(jiān)測常規(guī)光面爆破、水壓光面爆破和聚能水壓光面爆破產(chǎn)生的爆破振動，并對各爆破方式現(xiàn)場爆破效果進行觀測，分析不同爆破工藝的參數(shù)對現(xiàn)場爆破效果的影響，對方案進行比選、優(yōu)化。研究結(jié)果表明：與常規(guī)光面爆破相比，水壓光面爆破和聚能水壓光面爆破效果更佳，且采用聚能水壓光面爆破產(chǎn)生的半孔率最高，其也能進一步提高隧道輪廓平整度、解決炸藥能量無法充分利用而導致原材料浪費降低對周邊圍巖的損傷等問題。研究成果可為類似水利水電工程地下廠房洞室群爆破的設計與優(yōu)選提供借鑒。

關鍵詞：爆破振動;地下洞室群;聚能水壓光面爆破;輪廓平整度;天池抽水蓄能電站;河南省

中圖法分類號：TV743文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.04.006

文章編號：1006 - 0081（2021）04 - 0035 - 07

1 研究背景

目前在建的天池抽水蓄能電站位于河南省南陽市南召縣馬市坪鄉(xiāng)境內(nèi)，主要由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫及地面開關站等建筑物組成。該電站地下廠房洞室群爆破開挖過程中，出現(xiàn)了炸藥能量利用率較低、爆破后輪廓面極不平順、圍巖受擾動破壞及超欠挖現(xiàn)象嚴重等問題。這些問題亟待解決，采用常規(guī)爆破手段難以克服。

地下廠房洞室群開挖是抽水蓄能電站工程中的重中之重，其開挖質(zhì)量的好壞直接影響周邊環(huán)境質(zhì)量、施工人員的身體健康以及地下構(gòu)筑物的質(zhì)量。因此，爆破開挖方案的優(yōu)選與制定在水利水電工程等領域尤其重要[1]。地下洞室施工采取光面爆破開挖可對洞室的超欠挖、輪廓線完整度、周圍圍壓的損傷等進行控制，確保隧道施工安全[2]。近年來，許多學者針對光面爆破機理以及光面爆破參數(shù)的選取開展了大量研究[3]。水壓光面爆破技術(shù)相對于常規(guī)爆破有降低爆破振速和提高炸藥利用率等優(yōu)勢[4-5]，目前國內(nèi)外隧道工程中采用的水壓爆破技術(shù)，主要分為炮眼灌水加炮泥封堵[6]和水袋加炮泥封堵[7]兩種技術(shù)。聚能水壓光面爆破技術(shù)就是將聚能爆破技術(shù)、水壓爆破技術(shù)與光面爆破技術(shù)3者優(yōu)勢組合而成的一種全新的爆破技術(shù)[8-9]，這項爆破技術(shù)在地下洞室開挖中逐漸得到推廣。

本文采取施工現(xiàn)場試驗手段，分別監(jiān)測常規(guī)光面爆破、水壓光面爆破和聚能水壓光面爆破產(chǎn)生的爆破振動，并對各爆破方式現(xiàn)場爆破效果進行觀測，分析不同爆破工藝的參數(shù)對現(xiàn)場爆破效果的影響，對方案進行比選、優(yōu)化。

2 工程概況

河南省天池抽水蓄能電站的地下廠房系統(tǒng)建筑物主要由主廠房、主變洞、母線洞、排風洞、500 kV 電纜出線平洞、500 kV 電纜出線豎井、進廠交通洞、主變運輸洞、通風兼安全洞、排煙豎井、電纜交通洞、排水廊道、自流排水洞等洞室組成。地下廠房開發(fā)方式系尾部式開發(fā)，主廠房軸線方向為 N69°W，機組縱軸線距上庫進出水口水平距離約 3 000 m，距下庫進出水口水平距離約 450 m。地下廠房三維立體圖如圖1所示。

主廠房由主機間、安裝間和副廠房組成，呈“一”字形布置。安裝間和副廠房分別布置在主機間的左、右兩端，洞室斷面為城門洞型，主廠房洞室開挖尺寸為156.50 m×23.50 m×51.80 m（長×寬×高）。主廠房與主變洞之間由4條母線洞、1條電纜交通洞和1條主變運輸洞連接。

3 爆破試驗方案

本文對尾水洞施工分別進行常規(guī)光面爆破、水壓光面爆破及聚能水壓光面爆破現(xiàn)場試驗，試驗過程中須考慮新型布孔及裝藥結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的爆破振動影響，爆破孔位置可根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整。

3.1 常規(guī)光面爆破

常規(guī)光面爆破技術(shù)原理為：炮眼中的炸藥爆炸后，在巖石中傳播應力波產(chǎn)生徑向壓應力和切向拉應力，由于炮眼相鄰互為“空眼”，所以在炮眼連線兩側(cè)產(chǎn)生應力集中度很高的拉應力，超過巖石抗拉強度，炮眼之間的巖體形成的初始裂縫要比其他方向嚴重;除此之外，由于炸藥爆炸生成的高壓氣體膨脹，產(chǎn)生了靜力作用促使初始裂縫進一步延伸擴大。

3.1.1 炮眼布置

爆破試驗以尾水洞開挖段進行試驗，炮孔起爆網(wǎng)絡如圖2所示。為了進一步控制爆破振動造成的影響，具體炮眼及其引爆連線方式為：6發(fā)雷管用于孔外聯(lián)網(wǎng)，32發(fā)雷管用于孔內(nèi)聯(lián)網(wǎng)。

3.1.2 爆破參數(shù)

結(jié)合河南省天池抽水蓄能電站尾水洞開挖參數(shù)條件，鉆孔內(nèi)裝藥量計算公式為

式中：Q為線裝藥密度，kg/m;q為單位體積耗藥量，g/m3;a為周邊眼間距，m;B為光爆層厚度，m。通過現(xiàn)場試驗和施工經(jīng)驗數(shù)據(jù)，可確定Q=0.12～0.25 kg/m。單孔藥量依據(jù)線裝藥密度Q進行計算，最后計算出總藥量。擬定常規(guī)爆破試驗的爆破開挖參數(shù)如表1所示。

3.1.3 爆破結(jié)構(gòu)

常規(guī)隧道爆破采用不連續(xù)裝藥，炮眼間距炮眼中僅裝炸藥而無回填堵塞，其裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 水壓光面爆破

水壓光面爆破原理為：往炮眼中一定位置注入一定量的水，并用專用的炮泥回填堵塞炮眼，利用在水中傳播的沖擊波對水的不可壓縮性，使爆炸能量經(jīng)過水傳遞到圍巖中，幾乎不產(chǎn)生能量損失;同時，水在爆炸氣體膨脹作用下產(chǎn)生的“水楔”效應，有利于巖石破碎。水壓光面爆破技術(shù)布孔方式與常規(guī)光面爆破技術(shù)完全相同，不同之處在于炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)爆破開挖防塵降塵效果。

3.2.1 爆破參數(shù)

水壓光面爆破參數(shù)如表2所示。

3.2.2 爆破結(jié)構(gòu)

（1）輔助炮眼。首先往炮眼最底部裝填水袋，必須把水袋捅到底，隨后裝填藥卷，藥卷數(shù)量要比常規(guī)爆破少1卷，藥卷與最底部水袋靠緊，炮眼深度的1/2為裝填水袋的累計長度（圖4）。

（2）掏槽炮眼。裝藥順序與輔助眼裝藥順序一致，只是在裝藥卷的數(shù)量上比常規(guī)爆破少2卷（圖5）。

（3）周邊炮眼。先在炮眼底部裝入1條水袋，隨后裝入1卷藥卷，然后間隔60～70 cm裝入半節(jié)藥卷，距炮眼口80 cm停止裝藥，裝入2條水袋、2節(jié)炮泥封口（圖6）。

裝藥作業(yè)需注意以下6個要點：水袋要飽滿挺拔、炮泥要軟硬適中、底部水袋要到底、炮泥要封到孔口、炮泥搗固用炮棍、3種材料要緊貼。

3.2.3 水袋及炮泥制作

炮泥采用PNJ-A型炮泥機加工而成，制作炮泥可就地取材，節(jié)約成本，按照土∶砂∶水=0.75∶0.10∶0.15的比例制作。根據(jù)線裝藥密度、堵塞長度、藥卷直徑等參數(shù)選定合適的水袋規(guī)格。

3.3 聚能水壓光面爆破

聚能水壓爆炮是集水壓爆破和聚能爆破為一體的爆破方式，其原理是通過聚能管產(chǎn)生的高溫高壓“氣刃”作用，水袋在爆破作用下形成“水楔”效應。炸藥的爆生氣體與氣液多相介質(zhì)有機結(jié)合、相互作用且共同作用于裂縫，促進巖石破裂和裂縫貫通。同時，水滲入掌子面巖體中，防止巖爆發(fā)生。聚能光面爆破技術(shù)布孔方式與常規(guī)光面爆破技術(shù)相同，不同之處在于周邊眼的間距。聚能光面爆破需嚴格控制爆破參數(shù)，以實現(xiàn)在不同地質(zhì)條件下精確控制開挖范圍。聚能水壓光面爆破技術(shù)與水壓光面爆破技術(shù)的裝藥結(jié)構(gòu)完全相同，不同之處在于聚能水壓光面爆破技術(shù)增加了聚能管裝置。

3.3.1 爆破參數(shù)

水壓光面爆破參數(shù)如表3所示。

3.3.2 聚能管裝置

聚能管裝置由聚能管、炸藥、傳爆線和起爆雷管4部分組成。聚能管是定型PVC管，委托工廠生產(chǎn)，長度可根據(jù)需要調(diào)整。聚能管由特制的PVC管加工制作，是具有抗靜電阻燃的一種特種塑料，結(jié)構(gòu)形式主要有雙M型，D型等，如圖7所示。根據(jù)不同圍巖類型選擇相應斷面尺寸。

D型聚能管一般為瓦斯礦井專用，河南省天池抽水蓄能電站所處巖層地質(zhì)條件較好，故選用雙M型聚能管。雙M型聚能管由兩個相似的半壁管組成，管壁厚2 mm，聚能管的長度根據(jù)炮眼深度決定，半壁管中央的凹槽為“聚能槽”。聚能管尺寸：聚能槽頂角70°，聚能槽頂部距離17.27 mm，半壁管寬度24.18 mm，兩半壁管相扣成的聚能管寬度為28.35 mm。為使聚能槽對準開挖輪廓面，兩半壁管可調(diào)聚能方向8°～10°。

4 爆破效果分析

4.1 爆破振動監(jiān)測

4.1.1 測點布置及現(xiàn)場監(jiān)測

爆破振動監(jiān)測測點布置于尾水洞開挖掌子面后方一定距離邊墻位置處，每間隔10 m布置一個測點，共布置2個測點（圖8～9）。在爆破試驗時布置振動安全測點進行爆破振動監(jiān)測，對比離掌子面相同距離下的質(zhì)點三向振動速度大小，分析水壓及聚能對爆破振動的影響規(guī)律。

4.1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本文進行3組爆破試驗，每組試驗均含常規(guī)光面爆破、水壓光面爆破和聚能水壓光面爆破3種方式，爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程實施手冊》中相關規(guī)定[10]，同時考慮圍巖參數(shù)和周邊建筑物與隧道的相對位置關系，發(fā)現(xiàn)已開挖的地下洞室洞壁質(zhì)點振動速度小于10 cm/s。結(jié)合表4實測數(shù)據(jù)可知，3種爆破方案爆破振動產(chǎn)生的質(zhì)點振動速度均控制在10 cm/s以內(nèi)，監(jiān)測區(qū)測點振動速度滿足有關安全爆破控制標準。常規(guī)光面爆破產(chǎn)生的爆破振動主頻率明顯高于水壓光面爆破及聚能水壓光面爆破，且爆破振動引起質(zhì)點垂直方向的振動更加明顯。

由于文章篇幅限制，只列出爆破試驗三的典型監(jiān)測波形圖（圖10～11）。結(jié)合兩圖可知，距爆源中心距離越大，質(zhì)點振動速率明顯越低。對比圖10～11中由3種不同爆破方式測得的波形圖可知，水壓光面爆破和聚能水壓光面爆破產(chǎn)生的爆破振動明顯弱于常規(guī)光面爆破。

從經(jīng)濟指標分析角度來看，聚能水壓光面爆破單孔藥量、炮眼數(shù)量及總藥量等爆破參數(shù)均低于常規(guī)光面爆破和水壓光面爆破。

4.2 爆后效果觀測

由圖12～14可看出：相對于常規(guī)光面爆破，采取水壓光面爆破和聚能水壓光面爆破進行爆破開挖后，隧洞輪廓面更加平整，而聚能水壓光面爆破更有利于提高“半孔率”。因此，從技術(shù)指標、經(jīng)濟指標及爆破效果等角度考慮，建議工程中后續(xù)洞室爆破方案選取為聚能水壓光面爆破。

5 結(jié) 語

針對天池抽水蓄能電站尾水洞的爆破開挖，采取施工現(xiàn)場試驗手段，分別監(jiān)測常規(guī)光面爆破、水壓光面爆破和聚能水壓光面爆破產(chǎn)生的爆破振動，并對各爆破方式現(xiàn)場爆破效果進行觀測，分析不同爆破工藝的參數(shù)對現(xiàn)場爆破效果的影響，對方案進行比選、優(yōu)化。試驗結(jié)果表明：聚能水壓光面爆破技術(shù)可以很好地解決隧洞爆破炸藥能量利用率低、隧道輪廓平整度差、對圍巖損傷嚴重、爆破振動影響大等難題。本文結(jié)合實際工程案例試驗，驗證聚能水壓光面爆破技術(shù)在地下洞室群的良好效果，在實際工程中有廣闊的發(fā)展空間。聚能水壓爆破是傳統(tǒng)爆破技術(shù)的升級與創(chuàng)新，還有很多環(huán)節(jié)需要通過現(xiàn)場實踐檢驗，以進一步完善并推廣應用該技術(shù)。

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（編輯：江 文）

Comparison and selection of blasting schemes for underground cavern group of Tianchi Pumped Storage Power Station

HUANG Jianquan1，DONG Ping2，YANG Shengzhe1，XIAO Linbin2

（1. China Gezhouba Group First Engineering Co. Ltd.， Yichang 443002， China; 2. School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China）

Abstract：? In smooth blasting for underground cavern group of Tianchi Pumped Storage Power Station，the problems such as low explosive energy utilization rate， poor contour surface flatness after blasting， serious damage to surrounding rocks， and serious over or under excavation occurred frequently. In order to improve blasting effect，? smooth blasting schemes and blasting parameters should be optimized. Aiming at blasting excavation of the tailrace tunnel of Tianchi Pumped Storage Power Station， construction field test was conducted. In the test， blasting vibrations generated by conventional smooth blasting， hydraulic smooth blasting and energy-concentrated hydraulic smooth blasting were monitored and according to blasting effect of the blasting methods， the influence of different blasting parameters on the blasting effect was analyzed and the schemes were compared and optimized. The results showed that： compared with conventional smooth blasting， hydraulic smooth blasting and energy-concentrated hydraulic smooth blasting had better effects， and the half-hole rate generated by energy-concentrated hydraulic smooth blasting was the highest，which also could solve the problems such as raw material waste caused by insufficient utilization of explosive energy， improve tunnel contour flatness， and reduce the damage to surrounding rock. The research results can provide reference for design and optimization of blasting of underground powerhouse cavern group in similar water conservancy and hydropower projects.

Key words： blasting vibration;underground caverns; energy-concentrated hydraulic smooth blasting;flatness of contour;Tianchi Pumped Storage Power Station;Henan Province