預(yù)留巖坎水下爆破技術(shù)在低涵進(jìn)口施工中的應(yīng)用

蔣厚良 張 環(huán) 謝 燦

(湖南宏禹工程集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

目前，我國(guó)大部分大中型水利病險(xiǎn)工程均需進(jìn)行除險(xiǎn)加固借鑒其他水庫(kù)深水下取水口巖坎成功的爆破經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合金陵水庫(kù)的地質(zhì)條件，要在庫(kù)水位無法降低至低涵隧洞底板高程的條件下進(jìn)行開挖，需預(yù)留巖坎代替臨時(shí)圍堰擋水。當(dāng)巖坎后段隧洞貫通后，再通過水下爆破技術(shù)將巖坎爆破拆除。文章以金陵水庫(kù)低涵進(jìn)口預(yù)留巖坎為例，全面介紹有水條件下的水下爆破技術(shù)。

1 工程概況

1.1 工程概況

金陵水庫(kù)總庫(kù)容4820萬m3，壩長(zhǎng)196m，壩頂高程367.00m，正常蓄水位359.15m，本次除險(xiǎn)加固工程在主壩左岸山體中新建低涵隧洞，隧洞總長(zhǎng)158.8m，0+042.15處布置啟閉機(jī)豎井，進(jìn)口底板開挖高程337.91m，頂部開挖高程為340.71m，襯砌厚度為0.4m，為矩形進(jìn)口隧洞；考慮城鎮(zhèn)供水需求，庫(kù)水位最低可降至342.00m，且保持時(shí)間最長(zhǎng)不得超過1個(gè)月，水位距底板有4.09m高差。

1.2 工程地質(zhì)

隧洞洞身地層為泥盆系中統(tǒng)跳馬澗組(D2t2)砂巖、石英砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖與頁(yè)巖互層，石英砂巖多鐵質(zhì)膠結(jié)，預(yù)留巖坎處巖石弱風(fēng)化。

洞身部位地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，未發(fā)現(xiàn)大的斷裂構(gòu)造和節(jié)理密集帶，巖層產(chǎn)狀變化較小，單斜，傾向下游偏右岸，產(chǎn)狀為115°～125°∠10°～35°。表部強(qiáng)風(fēng)化巖體厚4～8m，強(qiáng)風(fēng)化巖體內(nèi)裂隙較發(fā)育，穩(wěn)定條件較差，弱風(fēng)化及微風(fēng)化巖體完整性較好；弱—微風(fēng)化巖體為弱透水性，為相對(duì)隔水層，水頭低于10m時(shí)，庫(kù)水不會(huì)滲入巖坎后的隧洞內(nèi)，能確保隧洞的開挖安全。進(jìn)口邊坡為反向坡，邊坡穩(wěn)定。

2 工程設(shè)計(jì)

新建低涵輸水隧洞須滿足供水要求，底板設(shè)置低，按常規(guī)法施工，設(shè)置圍堰擋水，工程量很大，相應(yīng)投資很大，且城鎮(zhèn)供水問題也難以解決，不切合實(shí)際。本次設(shè)計(jì)采取新建低涵輸水隧洞從出口開始并利用豐水季節(jié)開工，即從每年的開工準(zhǔn)備期9月份開始，單向開挖，當(dāng)開挖至隧洞豎井交接處時(shí)停止開挖，進(jìn)行豎井下部閘室施工，待豎井閘室完成后，再往前開挖至集石坑，按逐漸上升坡度開挖至隧洞“進(jìn)口”，利用隧洞進(jìn)口處預(yù)留巖坎擋水，進(jìn)行低涵輸水隧洞鋼筋混凝土進(jìn)口部分襯砌，待新建低涵輸水隧洞接近庫(kù)內(nèi)邊坡時(shí)，由專門爆破公司對(duì)前部擋水巖坎進(jìn)行爆破開通。

本次施工總體方案基本按照設(shè)計(jì)方案，利用巖坎作為擋水圍堰，主要差異在于開挖至豎井時(shí)，完成襯砌及鋼襯，待水位下降后，再進(jìn)行進(jìn)口段施工。

3 隧洞掘進(jìn)

在庫(kù)水位為353.00m時(shí)，低涵隧洞從出口段向進(jìn)水口段掘進(jìn)，同時(shí)下掘低涵啟閉機(jī)豎井。開挖到0+042.15位置與豎井貫通，貫通后邊探水邊往進(jìn)水口方向施工，開挖至0+018位置后對(duì)隧洞已開挖段及豎井永久襯砌，同時(shí)完成壓力鋼管與水電站段銜接。

4 巖坎圍堰

當(dāng)庫(kù)水位在350.00m時(shí)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口位置有一寬10m平臺(tái)，隨著庫(kù)水位下降，同步修筑低涵進(jìn)口下庫(kù)道路，待庫(kù)水位為342.00m時(shí)，在低涵進(jìn)口修筑一個(gè)6m×8m施工平臺(tái)，平臺(tái)高程342.50m。施工平臺(tái)剖面見圖1。

圖1 施工平臺(tái)剖面圖 (單位：m)

因本低涵隧洞進(jìn)口山體基本趨于垂直，考慮安全性，巖坎頂部寬度3.0m，按1∶1向出口方向放坡，以斜井方式進(jìn)洞。巖坎剖面見圖2。

圖2 巖坎剖面圖 (單位：m)

5 平洞洞挖及襯砌

待斜井進(jìn)洞后，采用控制爆破方式對(duì)進(jìn)口18m進(jìn)行爆破開挖，并在巖坎后修筑深1.5m集石坎，利用爬渣機(jī)配合反鏟進(jìn)行出渣，最后按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鋼筋混凝土襯砌。

6 巖坎水下爆破

6.1 巖坎剝離

先進(jìn)行巖坎背水坡爆破剝離，減少預(yù)留巖坎的厚度至2m，并將1∶1后坡削成1∶0.3，再進(jìn)行剩余的水下拆除爆破施工。巖坎剝離剖面見圖3。

圖3 巖坎剝離剖面圖 (單位：m)

6.2 爆破方式選擇

為確保一次性爆破拆除成功，采取下列爆破技術(shù)措施：

a.爆破應(yīng)在進(jìn)口攔污柵安裝完成具備工作條件下進(jìn)行。

b.通過控制鉆孔方向和裝藥量，采取高單耗，進(jìn)行高強(qiáng)度、定向拋擲的爆破方法，將石渣拋向庫(kù)區(qū)內(nèi)，以減少石渣進(jìn)入隧洞。

c.通過控制鉆孔間距和單位裝藥量，結(jié)合隧洞爆破經(jīng)驗(yàn)，爆破后控制最大粒徑在30cm以下，以方便水下石渣清理。

d.利用豎井工作閘門，下閘后將巖坎后沖滿水與庫(kù)水位齊平，確保爆破后基本處于靜水狀態(tài)，盡量減少爆渣隨水流進(jìn)入隧洞。

e.巖坎兩端與山體連接及底部采用光面爆破。

6.3 火工材料單耗的確定

水下基巖爆破的炸藥單耗，對(duì)堅(jiān)硬的巖石需取1.0～1.4kg/m3。通常水下巖塞鉆孔爆破的炸藥單耗可取1.0～1.8kg/m3，而按公式q=0.45+(0.05～0.15)H[3]計(jì)算(q為炸藥單耗，H為巖坎基巖水下深度)，巖坎基巖水下深度在3～4m時(shí)，q宜取0.8～1.0kg/m3。參考低涵隧洞開挖經(jīng)驗(yàn)，為使巖坎基巖爆渣粒徑控制在30cm以下，以及爆渣向上游斜上方拋擲的需要，對(duì)巖坎爆破炸藥單耗取1.2kg/m3。

6.4 鉆孔參數(shù)的選擇

6.4.1 鉆孔方向的確定

由于巖坎垂直高度僅4.19m，斜長(zhǎng)為4.38m，高度相對(duì)較小，考慮石渣需拋向庫(kù)區(qū)，在巖坎背水坡上采用手風(fēng)鉆鉆孔，方向垂直1∶0.3背水坡，孔徑42mm。

6.4.2 鉆孔排間距的確定

結(jié)合低涵隧洞開挖情況，考慮爆破效果，確定鉆孔排間距如下：

a.巖坎圍堰高度為4.19m，考慮分四排布置鉆孔，排距采用1.0m。

b.巖坎寬度為6.0m，上部三排孔間距采用1.0m，最下一排孔間距0.5m。

c.兩側(cè)與山體交接處，孔間距加密為0.5m。

7 巖坎石渣清理

爆破后大部分石渣拋向庫(kù)區(qū)內(nèi)，為防止石渣未拋出，對(duì)低涵進(jìn)口采用反鏟挖出，運(yùn)輸至棄渣場(chǎng)，小石渣進(jìn)入巖坎后方集石坑內(nèi)。

8 結(jié) 論

由于預(yù)留巖坎巖石呈弱風(fēng)化，地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，未發(fā)現(xiàn)大的斷裂構(gòu)造和節(jié)理密集帶，透水性弱，且?guī)r坎前基本呈陡坎狀；在巖坎爆破后，大部分石渣拋向庫(kù)內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)較大粒徑狀，經(jīng)量測(cè)，底板達(dá)到了設(shè)計(jì)高程，且兩側(cè)邊坡平順而穩(wěn)定，通水狀況達(dá)到預(yù)期效果；對(duì)比圍堰施工，節(jié)約了資金，縮短了工期，同時(shí)開挖量小，對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較小。

本項(xiàng)目利用現(xiàn)有山體，預(yù)留巖坎作為臨時(shí)圍堰，在隧洞完工后，通過水下爆破方式對(duì)巖坎圍堰進(jìn)行爆破拆除，克服了庫(kù)水位無法降低至低涵隧洞底板高程進(jìn)行開挖的難題，解決了供水與降低庫(kù)水位之間的矛盾，即保障了供水的民生要求，又使工程順利完成，對(duì)類似工程有很好的借鑒作用。