建基面保護層開挖爆破技術新進展

劉 亮，蔡聯(lián)鳴，張玉柱，胡浩然，劉 磊，余 偉

(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，武漢 430070；2.長江勘測規(guī)劃設計研究院，武漢 430010)

在我國水利水電工程建設中，大壩壩基、高陡邊坡、導流隧洞、地下廠房、溢洪道及渠道開挖等均離不開爆破施工技術[1]。鉆爆法施工具有施工靈活、安全高效、作業(yè)簡單等優(yōu)點，已成為當前水利水電工程領域巖石開挖中最為常用的施工手段。傳統(tǒng)的鉆爆法施工具有開挖效率高、開采量大、施工方便等優(yōu)點，但同時也存在著諸多問題，比如施工管理水平不高、鉆孔作業(yè)精度偏低、爆破作業(yè)質量差等，這會引發(fā)諸如爆破超欠挖嚴重、爆破安全事故頻發(fā)、施工質量不合格等不利后果，甚至會增加工程投資、拖延施工工期。

隨著爆破理論和爆破技術的飛速發(fā)展，爆破開挖正在由傳統(tǒng)的粗放型作業(yè)向現(xiàn)代化、精細化作業(yè)方向發(fā)展，炸藥能量的精細控制成為可能。精細爆破技術在我國工程爆破行業(yè)已經(jīng)被逐步推廣應用，在基坑開挖、廠房開挖、礦山開采、高陡邊坡開挖等方面已取得不錯的工程效果。張冬[2]結合精細爆破技術在水利水電工程巖石邊坡爆破開挖中的應用，重點研究了保留巖體的精細爆破參數(shù)的設計方法，在工程中取得了良好的施工效果。周祥洋等[3]在烏東德水電站高陡邊坡開挖中應用精細爆破技術，通過差異化的爆破參數(shù)設計、個性化的裝藥結構及可靠的網(wǎng)路優(yōu)化，實現(xiàn)了邊坡一次性爆破成型，確保了整個大壩的開挖進度與安全。劉美山等[4]在溪洛渡水電站拱肩槽建基面開挖中，對爆區(qū)進行合理分塊，對爆破技術和設備進行改進，邊坡開挖效果達到了精細爆破的技術要求。丁銀貴等[5]針對大規(guī)模巖土爆破施工，采用等邊三角形布孔斜線起爆網(wǎng)路、徑向耦合-不耦合裝藥軸向孔底空氣間隔定向卸壓爆破裝藥技術、預留孔底保護層緩沖爆破等施工關鍵技術，提高了巖石破碎效果，有效地保護了邊坡和建基面巖體。

對于大型水利水電工程，高庫大壩的建基面是壩體和基巖銜接的關鍵部位，一旦出現(xiàn)問題將會造成難以估量的損失。對于建基面保護層的開挖，一方面要注意對巖體的損傷控制，盡可能降低對建基面巖體的損傷擾動，另一方面又要提高爆破作業(yè)效率，節(jié)約施工成本。隨著精細爆破理論研究的不斷深入，巖石基礎開挖精細爆破施工技術得到了極大的發(fā)展，并在工程中逐步進行推廣。針對建基面保護層開挖爆破技術的發(fā)展現(xiàn)狀，筆者將系統(tǒng)介紹幾種常用的巖石基礎開挖爆破成型技術，具體包括傳統(tǒng)的分層爆破開挖技術、預裂爆破和光面爆破相結合的輪廓爆破開挖技術、以及墊層爆破開挖技術，并詳細介紹一種最新的聚-消能復合墊層爆破技術。

1 傳統(tǒng)爆破開挖技術

1.1 建基面開挖步驟

在水利水電工程中，對于巖石建基面的開挖通常包含如下幾個步驟(見圖1)：①清除表層風化巖體；②采用常規(guī)爆破開挖保護層以上部位巖體；③巖石建基面保護層開挖；④建基面的清理和保護。在以上步驟中，保護層巖體的開挖是整個施工方法中的重中之重。根據(jù)爆破施工規(guī)范，保護層的厚度應通過現(xiàn)場試驗損傷監(jiān)測成果確定，如果現(xiàn)場不具備爆破試驗監(jiān)測的條件，建議根據(jù)保護層以上開挖時的藥卷直徑大小來確定[6]，具體的確定方法如表1所示。而根據(jù)已有的工程經(jīng)驗，建基面保護層厚度通常為3～6 m[7]，具體的保護層厚度應根據(jù)保護層頂面爆破的損傷深度來確定，爆破損傷區(qū)越大預留的保護層厚度越大，國內部分大型水利水電工程的壩基保護層厚度取值如表2所示。在傳統(tǒng)的爆破作業(yè)中，對建基面的開挖通常采用“預留基巖保護層，淺孔爆破分層開挖”的方法。

圖1 建基面保護層爆破開挖方法Fig.1 Blasting excavation method of foundation protective layer

表1 規(guī)范建議的保護層厚度和藥卷直徑的比值

表2 部分大型水利水電工程的壩基保護層厚度

1.2 分層爆破開挖

傳統(tǒng)的巖石建基面開挖中，保護層分層爆破開挖技術目前依然是最為穩(wěn)妥可靠的開挖方法。根據(jù)《水工建筑物巖石基礎開挖工程施工技術規(guī)范》[6]，一般將保護層分為3層進行開挖，并嚴格控制各層爆破參數(shù)，典型的分層爆破開挖方法如圖2所示。

圖2 保護層分層爆破開挖Fig.2 Layered blasting excavation of protective layer

第1層開挖采用淺孔臺階爆破，臺階高度、炮孔直徑、單孔藥量等參數(shù)都比常規(guī)爆破要低，臺階高度一般為3～4 m，藥卷直徑應不大于40 mm。第1層開挖后，剩余保護層厚度應不小于1.5 m。第2層開挖采用傾斜孔爆破，鉆孔傾角應不小于60°，裝藥直徑不大于32 mm。第2層爆破開挖之后剩余保護層厚度由巖性決定，當巖性較好時剩余厚度不小于0.5 m，巖性較差時不小于0.7 m。第3層開挖采用手風鉆鉆孔爆破，對于較為完整的巖體，鉆孔不能超過建基面；對于節(jié)理巖體以及裂隙較為發(fā)育的巖體，鉆孔底部距離建基面的距離不小于0.2 m，最后預留0.2 m的撬挖層。

淺孔分層爆破開挖法采用低臺階、小裝藥的爆破方法，能夠極大地減小爆破損傷區(qū)的范圍，保證建基面巖體的完整性。然而，這種分層開挖方法工序繁瑣、效率低下，大大降低了保護層開挖的施工速度，在大規(guī)模開挖中仍然存在著諸多問題。

2 輪廓爆破一次成型技術

輪廓爆破一次成型技術是當前建基面保護層開挖中應用最為廣泛的施工技術。該技術在進行建基面開挖時，采用光面爆破或者預裂爆破，通過嚴格控制徑向不耦合爆破裝藥參數(shù)、提高預裂或者光面孔的鉆孔精度等方法，對開挖輪廓面進行一次爆破成型，同時降低對基巖的損傷，提高工程施工效率。隨著我國水利水電事業(yè)的發(fā)展，眾多學者和工程師在工程應用中不斷改進輪廓爆破技術，逐步提出了水平預裂爆破、水平光面爆破、雙層水平光面爆破以及預裂、光面組合爆破技術。

2.1 輪廓爆破損傷機理

預裂爆破和光面爆破的成縫原理相似，均是利用不耦合裝藥爆破產(chǎn)生的氣仞效應，將小間距炮孔之間的巖體劈裂成縫，進而與基巖面分離，形成平整的開挖輪廓面，其不同之處主要是起爆順序(見圖3)。預裂爆破起爆順序為“輪廓(預裂)孔→主爆孔→緩沖孔”，光面爆破起爆順序為“主爆孔→緩沖孔→輪廓(光面)孔”。預裂爆破中，預裂孔率先起爆，在主爆孔和緩沖孔起爆之前先形成一個預裂面，從而很好地起到隔振效果；而光面爆破中，光面孔在主爆孔和緩沖孔起爆之后起爆，由于臨空面的存在，能夠形成更加平整的開挖面。由于起爆順序不同，其對基巖面的損傷破壞程度也不相同[8]。

圖3 預裂爆破和光面爆破起爆順序Fig.3 The steps of pre-split blasting and smooth blasting

為了研究預裂爆破和光面爆破2種輪廓爆破技術對基巖面的損傷情況，并分析其對不同巖石條件下的適用性，胡英國等[9]基于ANSYS有限元動力分析軟件進行巖石爆破累計損傷效應的二次開發(fā)，通過自定義巖石爆破拉壓損傷模型，對光面爆破和預裂爆破2種不同爆破方式下的開挖損傷全過程進行數(shù)值仿真，重點分析2種爆破開挖方式對圍巖的損傷機制，研究結果表明：預裂爆破孔先于主爆孔和緩沖孔起爆，能夠預先形成一條預裂縫，很好地起到隔振效果，進而降低主爆孔和緩沖孔對圍巖的損傷，但是預裂爆破孔由于沒有臨空面，炸藥能量完全作用在基巖上，爆破本身會形成一定范圍的的高度損傷區(qū)；而光面爆破孔由于最后起爆，主爆孔和緩沖孔爆破時會對保留巖體造成明顯的累計損傷，從而形成大片的輕度損傷區(qū)，主爆孔累計損傷最嚴重，同時光爆孔在起爆時已經(jīng)形成了爆破臨空面，抵抗線小，其本身對基巖造成的損傷反而較小。通過對預裂和光面爆破的損傷機理分析，可以根據(jù)巖石的特性及對基巖面的要求，在不同的工程條件下組合選擇合適的輪廓爆破方法。

2.2 水平預裂爆破法

水平預裂爆破開挖方法是一種在建基面高程布置水平預裂孔的施工方法，保護層通過淺孔臺階爆破配合水平預裂爆破一次開挖成型[10]。水平預裂爆破法的典型結構如圖4所示，包括水平預裂孔和垂直主爆孔。水平預裂爆破可以在建基面預先形成一條預裂縫，降低主爆孔對基巖面的損傷，起到保護基巖的作用。水平預裂爆破方法自首次應用于東江水電站壩基開挖以來，在三峽引水隧洞、巖灘水電站等水電工程中得到了廣泛的應用。

圖4 水平預裂爆破施工方法Fig.4 The method of horizontal pre-split blasting

水平預裂爆破法適用于巖石結構完整性較好的基巖面，通過預先形成的預裂縫進行隔振，同時獲得較為平整的地基表面。但是，水平預裂爆破法在施工時要安裝水平預壓孔鉆機鉆設水平孔，必須要有完整的臨空面。因此，要事先開挖先鋒槽，在進行下一次爆破時，也要清理出完整的臨空面。

2.3 水平光面爆破法

水平光面爆破開挖方法是保護層開挖的另一種輪廓爆破一次成型技術，典型施工方法如圖5所示。水平光面爆破法包括3種水平鉆孔，即主爆孔、緩沖孔和光爆孔。與預裂爆破法不同，光面爆破法的起始順序是“主爆孔→緩沖孔→光爆孔”。

圖5 水平光面爆破施工方法Fig.5 The method of horizontal smooth blasting

水平光面爆破方法已被證明能夠控制爆破引起的破壞，并獲得平坦的地基表面。然而，工程實踐表明，水平孔的鉆進效率要比垂直孔低得多，如果控制不好，水平孔的鉆桿很容易漂移。有些項目也采用與預裂爆破相似的鉆孔工藝，將主爆孔采用豎直鉆孔的方法。水平光面爆破法在施工時同樣需要開挖先鋒槽。

2.4 雙層水平光面爆破法

已有的研究表明，預裂爆破依然會對基巖面產(chǎn)生一定程度的損傷，而光面爆破由于不具有隔振效果，主爆孔會對基巖造成累計損傷。這種損傷對于完整性較好的基巖面可以忽略，而對于裂隙較為發(fā)育的巖體，這種損傷依然不容忽視。對此，已有學者提出改進方法——雙層光面爆破法，并在溪洛渡水電站工程中進行了應用[11]。該方法針對壩基底板建基面薄層角礫熔巖，提出預留5.5 m保護層，并分為2層開挖，上層3.5 m首先采用淺孔臺階爆破開挖，之后下層2 m保護層采用垂直孔配合雙層光面爆破孔開挖。第一層光面孔位于底板建基面，第二層光爆孔距離建基面0.5 m，垂直孔距離第二排光爆孔0.8 m。該方法在溪洛渡水電站河床壩基底板保護層開挖中得到了成功的運用，薄殼狀角礫熔巖基本完整地保留下來，建基面巖體完整性較好。

2.5 預裂-光面組合爆破法

為做到保護層一次開挖成型，針對裂隙較為發(fā)育的建基面，有學者提出預裂-光面組合爆破開挖方法[12]，該方法采用在建基面布置1層水平光面爆破孔，第2層為水平預裂孔，距離光面爆破孔0.5 m，上部為淺孔臺階爆破層。該方法首先起爆預裂孔，由于預裂孔距離建基面仍有一定的深度，可以減小對基巖面的損傷。之后起爆主爆孔，由于預裂孔預先形成一條預裂縫，可以阻斷爆破振動向基巖面?zhèn)鞑ィ瑴p小主爆孔的累計損傷。最后起爆光爆孔，形成平整的基巖面。該方法在白鶴灘水電站壩基開挖中得到成功的應用，有效地解決了柱狀節(jié)理玄武巖的開挖問題。

3 墊層爆破開挖技術

輪廓爆破在用于巖石基礎開挖一次成型時，往往需要開挖先鋒槽創(chuàng)造工作面，同時由于預裂孔或者光爆孔的數(shù)量多，鉆孔精度要求高，鉆設水平孔操作復雜，施工的成本和效率仍難以令人滿意。對于巖石基礎開挖，往往采用臺階爆破，柱狀藥包起爆時產(chǎn)生的沖擊波在到達孔底時會產(chǎn)生應力波的透射和反射，增大對炮孔近區(qū)巖石的破碎作用；在炮孔遠區(qū)，爆炸應力波迅速衰減，由于孔底夾制作用較大，往往容易產(chǎn)生爆破根底。對于巖石鉆孔爆破，通過調整柱狀藥包炮孔底部的裝藥結構，增加保護措施，能夠有效地提高炸藥能量利用率，改善孔底巖體的破碎效果。隨著柱狀藥包軸向不耦合技術的發(fā)展，眾多爆破工程師逐步提出了空氣墊層爆破、水墊層爆破、柔性(軟弱)墊層爆破、以及一種最新的聚-消能爆破技術，用以改善爆破效果，提高對巖石基礎開挖面的保護。

3.1 空氣墊層爆破

對于深孔臺階爆破，為了克服孔底巖石的夾制作用，往往要進行鉆孔超深，裝藥藥柱重心往往偏向于炮孔下部，容易造成炸藥能量分布不均。林德余等[13]認為，通過調整裝藥結構能夠有效地改善炸藥能量的分布，進而提高巖石爆破效果，并提出了炮孔底部空氣墊層裝藥結構，通過空氣間隔器將柱狀藥包與孔底巖石隔離開(見圖6)，孔底墊層的高度一般等于鉆孔超深。根據(jù)爆轟波理論，柱狀藥包起爆時，爆炸沖擊波不會直接作用在孔底巖石上，而是會先劇烈壓縮孔內空氣柱，從而降低爆破峰值壓力，同時波陣面在通過空氣段到達孔底巖石面時會發(fā)生反射形成反射沖擊波，波陣面顯著增強，增強的壓力對孔底巖石產(chǎn)生劇烈的壓縮作用，從而破壞巖石。由于空氣柱的存在，爆轟壓力更加均勻地作用在炮孔壁上，爆破作用時間也會增加，從而提高炸藥能量的利用率，降低大塊率，改善巖石破碎效果。該技術在赤峰平莊礦山進行了工程應用，取得不錯的爆破效果[14]。

圖6 空氣墊層裝藥結構Fig.6 The charge structure with air cushion

3.2 水墊層爆破

深孔臺階爆破在遇到地下水或雨季時，往往在炮孔內會存有積水，從而形成水耦合爆破。針對這一情況，宗琦、林德余等[15-16]認為炮孔內水的存在會對爆破沖擊波起到緩沖作用，同時由于水的可壓縮性遠小于空氣，水中沖擊波壓力要高于空氣，同時作用時間也長于空氣。根據(jù)這一原理，林德余等[16]提出一種水墊層爆破裝藥結構，該結構與空氣墊層裝藥結構類似，將其中空氣墊層換成水墊層，深孔臺階爆破水墊層的高度一般為1.0～1.5 m。在工程應用中，對于不透水炮孔，可在孔底放置間隔器，并注水至設計深度；對于有裂隙的透水炮孔，一般采用中通的竹筒代替間隔器并在竹筒中裝滿水或者采用密封的水袋子。

3.3 柔性(軟弱)墊層爆破

柔性墊層爆破是近些年根據(jù)炸藥與巖石的波阻抗理論而提出的一種新型爆破裝藥結構(也有學者稱之為軟弱墊層)，相比于空氣墊層和水墊層，該方法在工程應用中的可操作性更強。根據(jù)波阻抗理論，一般認為炸藥與巖石的波阻抗相匹配時，炸藥在巖石界面上沖擊波的入射和反射效應更強，能量利用率最高。而柔性墊層爆破的基本原理就是在炮孔底部填充波阻抗小于炸藥爆轟產(chǎn)物的材料作為緩沖墊層，以降低孔底的爆炸峰值壓力，同時利用爆炸應力波在墊層與巖石之間的透射和反射，增強反射波的壓力，改善孔底巖石的破碎效果[17]。王學兵等[18]在防城港核電項目的核島爆破開挖中，采用預留保護層孔底設柔性墊層爆破技術，淺孔臺階一次爆破成型，建基面未產(chǎn)生裂隙，巖體質量完好，取得了良好的爆破效果。根據(jù)工程經(jīng)驗，常用的墊層緩沖材料有泡沫、鋸末、竹筒、巖屑等，軟弱墊層的厚度、布置位置和材料選擇要根據(jù)保護層厚度、巖石強度以及炸藥特性等多方面因素共同確定。

3.4 聚-消能復合墊層爆破

傳統(tǒng)的空氣墊層、水墊層以及柔性墊層爆破方法，能夠通過應力波的透射和反射增強孔底巖石面反射應力波的壓力，有效地改善孔底巖石的破碎效果，但是對保留基巖的保護僅僅通過墊層的緩沖作用來實現(xiàn)，保留基巖仍然會受到有較大的損傷。盧文波、胡浩然等[19-20]在深入研究壩基開挖方法的基礎上，提出一種在豎直炮孔中設置聚-消能復合墊層的裝藥結構，形成一套基于損傷控制理論的聚-消能爆破開挖一次成型技術。

根據(jù)應力波理論和波阻抗匹配理論，在爆轟作用面上2種介質的波阻抗對透射波與反射波的強弱起著重要作用，胡浩然等[19]由此提出一種在豎直炮孔中設置聚-消能復合墊層的裝藥結構(見圖7)。該結構由以鑄鐵或高波阻抗混凝土為材料的圓錐形聚-消能裝置和以松砂為材料的柔性墊層組合而成。當爆轟作用發(fā)生時，爆炸沖擊波首先會在高波阻抗材料的錐形界面發(fā)生一次反射和透射，反射波將會呈水平向，從而加強對孔底水平向巖體的破碎作用，有利于形成平整的開挖面；透射波穿過錐形高波阻抗材料后到達低波阻抗的柔性墊層界面時，將會發(fā)生強烈的二次反射，僅有少量能量透射入墊層。爆炸沖擊波的能量經(jīng)過多次透射和反射，大部分被高波阻抗材料、孔底松砂墊層以及水平向巖石吸收，從而改善孔底巖石的破碎效果。該技術能夠充分利用爆炸沖擊波在高波阻抗材料界面之間的反射，將爆炸應力波能力導向水平向，并利用松砂墊層吸收透射的沖擊波，從而實現(xiàn)對巖石基礎的快速開挖以及對基巖面的保護。

圖7 聚-消能復合墊層結構應力波透、反射Fig.7 Transmission and reflection of stress wave in the energy shaped and dissipation composite cushion

為驗證聚-消能復合墊層爆破技術的可行性，該技術在白鶴灘水電站壩基開挖中得到了大規(guī)模推廣應用[20]。經(jīng)過對開挖過程的跟蹤監(jiān)測、開挖后的巖石損傷聲波監(jiān)測以及建基面平整度測量、超欠挖測量，結果顯示，各個壩段的平均爆破損傷深度、平整度及超欠挖情況均滿足設計要求。利用該技術進行白鶴灘水電站建基面的開挖，加快了施工進度，直接和間接經(jīng)濟效益明顯。

4 結語

精細爆破在水利水電工程巖石基礎開挖中應用越來越廣泛。預留保護層開挖是保護建基面最有效的方法。傳統(tǒng)的保護層開挖方法將保護層分為3層，采用淺鉆孔、小裝藥的施工方法，這種方法存在著工序繁瑣、效率低下等諸多問題。工程中最為常用的是輪廓爆破一次成型技術，該方法采用預裂爆破、光面爆破以及二者的組合使用，充分利用預裂縫的隔振作用以及光面爆破成型平整的優(yōu)點，高效快速地完成基礎面的開挖。對于垂直孔爆破開挖，通常采用墊層爆破開挖技術，該方法包括空氣墊層、水墊層柔性墊層爆破技術，以及最新的聚-消能復合墊層爆破技術。聚-消能復合墊層爆破技術利用應力波在不同介質面的透射和反射原理，在炮孔底部安裝聚-消能座和柔性墊層，充分利用爆炸沖擊波在高波阻抗材料界面之間的反射，將爆炸沖擊波能量導向水平向，從而實現(xiàn)對巖石基礎的快速開挖以及對基巖面的保護。隨著爆破損傷控制理論和爆破施工技術的發(fā)展，有關巖石基礎開挖的精細爆破施工技術會越來越多地應用到工程實踐中去。