硬梁包水電站地下廠房頂拱開(kāi)挖光面爆破試驗(yàn)

楊玉銀，郝利軍，楊仕杰，李俊峰，白軍平

(1.中國(guó)電建市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，天津 300384；2.中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，成都 610066)

地下廠房是地下引水式發(fā)電系統(tǒng)最重要的建筑物之一，具有工程規(guī)模大、開(kāi)挖跨度大、邊墻支護(hù)高、建造難度高等特點(diǎn)。在主廠房的第一層開(kāi)挖中，為了盡可能減少爆破對(duì)頂拱圍巖的擾動(dòng)，主要采用光面爆破技術(shù)。對(duì)于不同巖性、不同硬度、不同類(lèi)別的圍巖，周邊孔間距、周邊孔抵抗線(xiàn)、線(xiàn)裝藥密度等光面爆破參數(shù)也是不同的，合理的光面爆破參數(shù)必須通過(guò)爆破試驗(yàn)來(lái)確定。因此，在硬梁包水電站主廠房中導(dǎo)洞頂拱保護(hù)層擴(kuò)挖的開(kāi)始階段，為了改進(jìn)提高不盡人意的光爆效果，進(jìn)行了一系列光面爆破試驗(yàn)。

1 工程概況

硬梁包水電站地下廠房位于四川省瀘定縣加郡鄉(xiāng)桃子坪村，距瀘定縣城35 km。主副廠房及安裝間長(zhǎng)196.9 m，最大高度67.15 m，巖壁吊車(chē)梁以上開(kāi)挖寬度為27.2 m，以下寬度為24.4 m。地下廠房最小垂直埋深約360 m，最小水平埋深約630 m，區(qū)域巖性為元古代晉寧-澄江期閃長(zhǎng)巖，巖體蝕變不發(fā)育，較完整，地下水不豐富，圍巖以Ⅲ類(lèi)為主，經(jīng)檢測(cè)堅(jiān)固系數(shù)f=5.6～6.3，以中硬巖為主。

主廠房第一層開(kāi)挖高度10.5 m，開(kāi)挖次序如圖1所示。采用寬8.0 m、高7.0 m的城門(mén)洞形中導(dǎo)洞(Ⅰ部)先行貫通，頂部預(yù)留3.5 m厚頂拱保護(hù)層(Ⅱ部)；待中導(dǎo)洞貫通后，采用光面爆破開(kāi)挖Ⅱ部，隨后兩側(cè)跟進(jìn)開(kāi)挖Ⅲ1、Ⅲ2部至設(shè)計(jì)開(kāi)挖斷面，兩側(cè)寬度分別為9.6 m。

圖1 主廠房第一層開(kāi)挖次序Fig.1 Excavation sequence of the first layer of the main powerhouse

2 存在問(wèn)題及改進(jìn)思路

本文研究對(duì)象為頂拱預(yù)留3.5 m厚保護(hù)層(Ⅱ部)的開(kāi)挖。截止2020年7月1日，中導(dǎo)洞(Ⅰ部)開(kāi)挖已經(jīng)結(jié)束；保護(hù)層(Ⅱ部)擴(kuò)挖累計(jì)進(jìn)尺22.3 m，開(kāi)挖樁號(hào)：(廠橫)0-054.90～(廠橫)0-032.60。

2.1 方案及施工情況

從原爆破方案、現(xiàn)場(chǎng)鉆孔、裝藥、聯(lián)炮及爆后效果等方面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)。

1)爆破方案。周邊光爆孔孔深2.8 m、孔距45 cm、周邊孔抵抗線(xiàn)35～40 cm、線(xiàn)裝藥密度80.36 g/m。

2)鉆孔。從現(xiàn)場(chǎng)鉆孔及爆后效果看，鉆孔比較均勻，平均孔距45 cm左右，并且鉆孔平行度較好，相鄰兩茬炮之間的臺(tái)階小于20 cm，能達(dá)到規(guī)范[1]要求。

3)裝藥。孔內(nèi)采用竹片、導(dǎo)爆索綁扎光爆藥串。孔底采用半只φ25 mm乳化炸藥(75 g)，正常裝藥段采用1/3只φ25 mm乳化炸藥(50 g)。

4)聯(lián)炮方面。每個(gè)孔內(nèi)光爆藥串均采用MS10非電毫秒雷管起爆。

2.2 存在問(wèn)題

從已經(jīng)擴(kuò)挖成形的22.3 m頂拱保護(hù)層(Ⅱ部)及隨后的兩茬炮來(lái)看，存在以下問(wèn)題。

1)半孔率低。頂拱開(kāi)挖半孔率僅50%～55%，低于規(guī)范[1]要求的較完整和完整性差的巖石半孔率不小于60%。

2)兩孔間平整度差。相鄰兩孔間巖面平整度很差，多存在明顯突起的欠挖，多處出現(xiàn)凸起較大部位，高出設(shè)計(jì)開(kāi)挖線(xiàn)18～20 cm(見(jiàn)圖2)。

3)半孔保留范圍大。從保留下來(lái)的半孔看，存在很多大半孔，孔的保留范圍多在120°以上(見(jiàn)圖2)。

4)個(gè)別孔局部超挖。從孔壁情況看，局部半孔孔痕全無(wú)，存在明顯超挖現(xiàn)象。

5)孔底出現(xiàn)殘孔。從爆破效果看，每茬炮后多個(gè)周邊孔孔底留有10～15 cm殘孔。

2.3 原因分析

從以上爆破方案、現(xiàn)場(chǎng)施工情況及爆后效果看，光爆效果差的原因主要有以下幾方面。

1)周邊孔抵抗線(xiàn)偏小。由于巖石硬度不是很高，完整性、均質(zhì)性一般，抵抗線(xiàn)35～40 cm偏小，將造成臨近的外圈崩落孔起爆后直接壓縮擠壓光爆層[2]，壓縮破碎圈甚至于抵達(dá)設(shè)計(jì)開(kāi)挖線(xiàn)，這將造成周邊孔的實(shí)際光爆層厚度過(guò)小，直接影響了周邊光爆孔起爆后的初始主作用力方向，即由初始的周邊孔間開(kāi)裂變成直接沿抵抗線(xiàn)方向向洞內(nèi)沖出。這既影響了半孔率，也影響了兩孔間平整度。

2)周邊孔線(xiàn)裝藥密度偏低。主廠房圍巖屬中硬巖，根據(jù)規(guī)范[1]線(xiàn)裝藥密度應(yīng)在200～300 g/m；根據(jù)文獻(xiàn)[3]線(xiàn)裝藥密度應(yīng)在120～200 g/m。而原方案線(xiàn)裝藥密度僅80.36 g/m，明顯偏低，過(guò)小的線(xiàn)裝藥密度導(dǎo)致周邊光爆孔爆炸后，炸藥起爆能量無(wú)法順利擊穿兩孔間巖體，可能沿偏小的抵抗線(xiàn)方向沖出，這就造成了兩孔間的欠挖和很差的平整度；同時(shí)也造成了光爆孔保留半孔的范圍比較大，達(dá)120°以上。

3)周邊光爆孔存在起爆時(shí)差。原方案中雖然周邊光爆孔內(nèi)采用了光爆藥串，但每個(gè)孔起爆均采用了MS10非電毫秒雷管，延時(shí)時(shí)間是380±35 ms，從嚴(yán)格意義上講，周邊光爆孔并未實(shí)現(xiàn)同時(shí)起爆，兩個(gè)孔間的最大起爆時(shí)差可能達(dá)到70 ms，這對(duì)光爆效果的影響也比較大，是造成光爆效果不好的一個(gè)重要原因。

4)光爆藥串綁扎不規(guī)范。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，在綁扎光爆藥串時(shí)，每節(jié)炸藥僅綁扎一圈膠布，很不牢固，這可能造成在向孔內(nèi)推進(jìn)過(guò)程中炸藥松脫滑動(dòng)，出現(xiàn)孔內(nèi)有些該有炸藥的部位沒(méi)有炸藥，有些部位炸藥過(guò)于集中，從而出現(xiàn)個(gè)別孔局部超挖嚴(yán)重的現(xiàn)象。

5)藥卷過(guò)短且綁扎工藝不細(xì)致。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，正常裝藥段綁扎光爆藥串的藥卷由1只長(zhǎng)25 cm、質(zhì)量150 g的藥卷手工切割成3節(jié)，每節(jié)長(zhǎng)8.3 cm、質(zhì)量50 g，在手工切割、綁扎過(guò)程中多擠壓變形，可能對(duì)炸藥的爆炸威力、能量造成一定損失，從而進(jìn)一步降低線(xiàn)裝藥密度。

6)孔底加強(qiáng)裝藥偏小。從偶爾出現(xiàn)的孔底10～15 cm殘孔看，原方案孔底采用半只φ25 mm乳化炸藥(75 g)，加強(qiáng)裝藥偏小了。

2.4 改進(jìn)思路

1)對(duì)鉆爆工人進(jìn)行培訓(xùn)教育。讓鉆爆工人了解光面爆破的設(shè)計(jì)方案，鉆孔、裝藥、聯(lián)炮要求及過(guò)程中應(yīng)注意的要點(diǎn)。

2)適當(dāng)提高周邊孔抵抗線(xiàn)。對(duì)于中硬巖，周邊孔間距45 cm是比較合理的；周邊孔抵抗線(xiàn)35～40 cm對(duì)于完整性較好的堅(jiān)硬巖也是可以的[4-6]，但對(duì)于較完整的中硬巖就偏小了，初步可將周邊孔抵抗線(xiàn)增大到55～60 cm。

3)適當(dāng)提高周邊光爆孔線(xiàn)裝藥密度?？蓪⒕€(xiàn)裝藥密度提高到100 g/m以上，具體應(yīng)根據(jù)爆破試驗(yàn)[1]確定。

4)改變周邊光爆孔聯(lián)炮方式。不在孔內(nèi)采用MS10非電毫秒雷管起爆光爆藥串導(dǎo)爆索，在孔外統(tǒng)一采用導(dǎo)爆索聯(lián)炮起爆孔內(nèi)光爆藥串導(dǎo)爆索，以實(shí)現(xiàn)周邊光爆孔同時(shí)起爆。

5)規(guī)范光爆藥串綁扎。教會(huì)鉆爆工人按設(shè)計(jì)要求細(xì)致綁扎光爆藥串，將竹片、導(dǎo)爆索、炸藥用膠布綁扎牢固，防止向孔內(nèi)裝藥過(guò)程中發(fā)生炸藥松脫、移位現(xiàn)象。

6)增大正常裝藥段單節(jié)炸藥質(zhì)量。將正常裝藥段單節(jié)裝藥量由1/3只φ25 mm乳化炸藥調(diào)整為半只，每節(jié)炸藥長(zhǎng)12.5 cm、質(zhì)量75 g，并細(xì)致切割炸藥、認(rèn)真規(guī)范綁扎藥串，防止藥串綁扎過(guò)程中炸藥嚴(yán)重變形。

7)適當(dāng)增大孔底加強(qiáng)裝藥。初步可將孔底加強(qiáng)裝藥由原方案的半只φ25 mm乳化炸藥(75 g)，增大到一只φ25 mm乳化炸藥(150 g)，以保證孔底光爆層順利脫落。

3 光面爆破試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1)通過(guò)中導(dǎo)洞頂拱保護(hù)層開(kāi)挖光面爆破試驗(yàn)，解決當(dāng)前光面爆破半孔率低、平整度差、個(gè)別孔超挖嚴(yán)重、孔底出現(xiàn)殘孔的問(wèn)題。

2)通過(guò)爆破試驗(yàn)找到與地下廠房圍巖相匹配的光面爆破參數(shù)，為后續(xù)的整個(gè)廠房開(kāi)挖提供可供參考的光爆參數(shù)。

3.2 爆破器材

1)炸藥：主要選用四川省南部永生化工有限公司生產(chǎn)的2號(hào)巖石乳化炸藥：崩落孔采用φ32 mm藥卷、質(zhì)量300 g、長(zhǎng)33.34 cm；周邊光爆孔采用φ25 mm藥卷，質(zhì)量150 g、長(zhǎng)25 cm。

2)導(dǎo)爆索：主要選用雅化集團(tuán)綿陽(yáng)實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的中能工業(yè)導(dǎo)爆索(普通導(dǎo)爆索)[7]，外觀橙色，直徑5.0 ～5.4 mm，裝藥量12±1.5 g/m，爆速不小于6×103m/s。

3)雷管：崩落孔內(nèi)及孔外網(wǎng)路聯(lián)接主要選用MS1～MS9非電毫秒雷管；周邊光爆孔內(nèi)及孔外網(wǎng)路聯(lián)接均采用導(dǎo)爆索，MS10非電毫秒雷管起爆；整個(gè)起爆網(wǎng)路采用8號(hào)普通工業(yè)電雷管。

3.3 試驗(yàn)條件

1)鉆孔工具：選用最常用的YT28型手風(fēng)鉆鉆孔，鉆孔直徑42 mm。

2)鉆孔要求：頂拱周邊光爆孔鉆孔時(shí)，要求鉆機(jī)排氣口頂部緊貼頂部巖面向前推進(jìn)，以減少平均徑向超挖值。

3)鉆孔質(zhì)量：要求盡可能減小鉆孔外偏角，提高鉆孔平行度。

3.4 試驗(yàn)方案

根據(jù)對(duì)原爆破方案、鉆爆施工過(guò)程、爆破效果等存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，以及確定的改進(jìn)思路，對(duì)中導(dǎo)洞頂部的3.5 m厚頂拱保護(hù)層開(kāi)挖，初步擬定了4個(gè)光面爆破試驗(yàn)方案：具體試驗(yàn)方案及參數(shù)如表1所示，各試驗(yàn)方案裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示，頂拱保護(hù)層擴(kuò)挖炮孔布置如圖4所示。

表1 光面爆破試驗(yàn)方案

圖3 光面爆破試驗(yàn)裝藥結(jié)構(gòu) 圖4 頂拱保護(hù)層擴(kuò)挖炮孔布置Fig.3 Charging structures for the smooth blasting tests Fig.4 Blasthole arrangement for expanding excavation of the tunnel crown protection layer

3.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.5.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)階段主廠房頂拱保護(hù)層擴(kuò)挖光爆效果情況如表2所示。表中光面爆破的半孔率是炮孔殘留半孔數(shù)與周邊孔數(shù)之比的百分?jǐn)?shù)[1]。

表2 光面爆破試驗(yàn)結(jié)果

3.5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析及說(shuō)明

在主廠房中導(dǎo)洞頂拱保護(hù)層擴(kuò)挖過(guò)程中，共進(jìn)行了21茬炮的光面爆破試驗(yàn)(見(jiàn)圖5)。方案1、方案2各試驗(yàn)了3茬炮，但光爆效果均不理想；于是開(kāi)始了方案3的試驗(yàn)，方案3光爆效果比較理想，但循環(huán)進(jìn)尺較短；接下來(lái)進(jìn)行了方案4的試驗(yàn)，具體情況說(shuō)明如下。

圖5 光面爆破試驗(yàn)效果Fig.5 Smooth blasting testing effect

1)方案1：通過(guò)3茬炮的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)光爆效果與原方案相比改進(jìn)不大：兩孔間平整度差，多處局部明顯凸起；少量孔底仍有10～15 cm殘孔；大部分半孔仍保留了圖2所示大半孔(見(jiàn)圖5a)。

2)方案2：在方案1的基礎(chǔ)上，增大了線(xiàn)裝藥密度，由107.14 g/m直接提高到160.71 g/m，這一改變有效提高了巖面平整度，孔底不再有殘孔，但半孔率明顯降低(見(jiàn)圖5b)。

3)方案3：在方案2的基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低了線(xiàn)裝藥密度，由160.71 g/m降到133.93 g/m，這一變化取得了比較理想的光爆效果：半孔情況保留良好，半孔率提高到95.1%；相鄰兩孔間巖面平整度良好，孔底不再有殘孔(見(jiàn)圖5c)。

4)方案4：在方案3基礎(chǔ)上，增大了單循環(huán)進(jìn)尺，將單循環(huán)進(jìn)尺由2.8 m提高到3.7 m，適當(dāng)降低了線(xiàn)裝藥密度，由133.93 g/m降到121.62 g/m，這一變化仍然取得了良好的光爆效果，半孔率達(dá)95.4%，相鄰兩孔間巖面平整度良好，相鄰兩茬炮之間的臺(tái)階小于15 cm，滿(mǎn)足規(guī)范[1]要求(見(jiàn)圖5d)。

3.6 方案選擇

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果及分析，方案3、方案4均為較合理的光面爆破參數(shù)，可作為后續(xù)廠房開(kāi)挖光面爆破施工的主要參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)要想取得良好的光面爆破效果，首先要加強(qiáng)對(duì)鉆爆工人的培訓(xùn)，使之了解光面爆破方案，同時(shí)對(duì)鉆爆工人嚴(yán)格管理，保證鉆孔、裝藥、聯(lián)炮等作業(yè)工序嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。

2)在光爆效果不理想時(shí)，應(yīng)根據(jù)圍巖硬度、完整性初步調(diào)整周邊孔間距、周邊孔抵抗線(xiàn)、線(xiàn)裝藥密度，并分析每茬炮光爆效果，及時(shí)調(diào)整參數(shù)。

3)通過(guò)本次光面爆破試驗(yàn)，有效提高了主廠房頂拱開(kāi)挖的光面爆破半孔率，使廠房頂拱更加平整、規(guī)則，有效減小了爆破對(duì)頂拱圍巖的擾動(dòng)、破壞。

4)通過(guò)本次試驗(yàn)，初步確定了與主廠房圍巖相適應(yīng)的光面爆破參數(shù)：周邊孔間距45 cm、周邊孔抵抗線(xiàn)55～60 cm、線(xiàn)裝藥密度120～135 g/m。

5)通過(guò)爆破試驗(yàn)，為后續(xù)采用光面爆破施工的主廠房頂拱開(kāi)挖、側(cè)墻開(kāi)挖以及巖錨梁開(kāi)挖等初步奠定了基礎(chǔ)。