楊玉銀,張艷如,張 榮,韓 靜,張健鵬
(1.中國(guó)水利水電第五工程局有限公司,成都610066;2.四川大學(xué)錦城學(xué)院,成都611731)
對(duì)于國(guó)內(nèi)圍堰的拆除爆破施工,已經(jīng)有了非常成熟的爆破施工經(jīng)驗(yàn),并且我國(guó)的爆破器材種類、規(guī)格充足;鉆孔機(jī)具品類繁多,均能滿足各類爆破施工要求。但在非洲等不發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行圍堰拆除爆破施工中,受周圍爆破環(huán)境,爆破器材種類、規(guī)格、性能以及鉆孔機(jī)具種類、性能的限制,在一定程度上增加了爆破施工難度,加大了爆破施工成本。因此,必須針對(duì)具體施工情況,采取合理有效的施工措施,才能確保圍堰拆除爆破順利完成。
卡魯瑪水電站尾水隧洞工程位于烏干達(dá)境內(nèi)的卡爾揚(yáng)東哥地區(qū)卡魯瑪村,距離烏干達(dá)首都坎帕拉270 km。尾水隧洞共2條:1#尾水隧洞長(zhǎng)8 705.505 m,2#尾水隧洞長(zhǎng)8 609.625 m,開挖斷面呈平底馬蹄形,寬13.60~15.20 m,高13.45~15.05 m。圍堰距尾水隧洞出口112.5 m,堰頂長(zhǎng)132.8 m,寬11.4 m,主要作用是防止白尼羅河河水流入尾水出口基坑和尾水隧洞,為尾水出口施工創(chuàng)造干地施工條件,同時(shí)保障尾水隧洞內(nèi)施工安全。圍堰是在原河岸邊利用洞渣填筑,其防滲結(jié)構(gòu)為粘土心墻。圍堰按照25年一遇洪水設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)水位高程為963.6 m,考慮安全加高,尾水出口圍堰頂高程為964.1 m。
圍堰設(shè)計(jì)拆除范圍高程953.5~964.1 m,拆除期間河水位高程961.0 m。上部土石圍堰采用反鏟挖裝自卸汽車,下部基巖開挖采用控制爆破拆除。下部基巖為強(qiáng)風(fēng)化~弱風(fēng)化花崗片麻巖,屬IV~V類圍巖,巖性較軟。截止2019年6月5日,尾水出口檢修閘門已安裝,并充水調(diào)試完畢,具備圍堰拆除條件。圍堰典型斷面如圖1所示。
圖1 尾水隧洞出口圍堰Fig.1 Tailrace tunnel outfall cofferdam
圍堰左端距左側(cè)貼坡混凝土1.5~1.8 m;右端距右側(cè)貼坡混凝土2.0~2.5 m;上游側(cè)距尾水出口底板齒墻混凝土33.5 m,距尾水出口1#、2#閘門混凝土112.5 m;下游側(cè)緊臨白尼羅河(見圖2)。
圖2 圍堰周圍環(huán)境平面Fig.2 Surrounding environment of cofferdam
尾水出口圍堰拆除爆破主要針對(duì)圍堰底部基巖,對(duì)應(yīng)于953.5~958.8 m高程段,其上部土石圍堰開挖采用反鏟直接挖除。拆除爆破工作存在以下難點(diǎn):
①圍堰的主要爆破巖體均處于河道水位以下,鉆孔爆破難度比普通露天爆破技術(shù)難度大;②圍堰距離尾水出口左、右兩側(cè)墻貼坡混凝土過近,爆破振動(dòng)控制難度大;③圍堰上、下游水位高差大,下游側(cè)河道水位高程961.0 m,上游側(cè)尾水出口底板高程953.5 m,高差7.5 m,爆破后會(huì)有大量渣體在水頭差作用下涌入圍堰上游尾水出口內(nèi),涌入渣體難于清理;④基巖水下鉆孔在浮渣上進(jìn)行,成孔難度大,易發(fā)生堵孔現(xiàn)象,造成廢孔或裝藥困難;⑤飛石控制要求高,基巖爆破時(shí)產(chǎn)生的飛石,既不能進(jìn)入下游河道內(nèi),也不能進(jìn)入上游尾水出口;⑥水下基巖爆破,要求一次爆破到設(shè)計(jì)開挖高程,避免底板高程不夠進(jìn)行二次爆破;⑦國(guó)外施工,爆破器材受限,主爆孔內(nèi)非電毫秒雷管的腳線長(zhǎng)度最長(zhǎng)僅有10.0 m,而主爆孔深度在9.5 m以上,腳線長(zhǎng)度無法滿足聯(lián)炮要求。
針對(duì)以上圍堰拆除爆破施工技術(shù)難點(diǎn),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)勘查,對(duì)逐個(gè)問題進(jìn)行了分析研究,最后決定在拆除爆破施工中采取以下措施:
1)水下基巖拆除爆破采用水上鉆孔爆破作業(yè)。上部土石圍堰開挖到河水位以上0.5 m,即開挖到961.5 m后,停止水上土石圍堰拆除,將961.5 m平面作為水下基巖開挖鉆孔、裝藥作業(yè)平臺(tái)。
2)以液壓破碎錘為主預(yù)拆除左右兩側(cè)墻貼坡混凝土附近的圍堰體。鑒于下部基巖為強(qiáng)~弱風(fēng)化巖,巖性較軟,為了減輕爆破對(duì)尾水出口左右兩側(cè)墻貼坡混凝土的爆破振動(dòng),決定采用液壓破碎錘結(jié)合反鏟,開挖左、右兩側(cè)墻貼坡混凝土一定范圍內(nèi)的基巖,必要時(shí)局部輔以手風(fēng)鉆鉆孔、小藥量爆破。
3)上游側(cè)尾水出口內(nèi)充水。在主體圍堰開始拆除以前,尾水出口1#、2#檢修井閘門已經(jīng)安裝并充水調(diào)試完畢,具備擋水條件。為了避免下部基巖拆除爆破時(shí),渣體涌入上游尾水出口,在下部基巖開挖鉆孔作業(yè)前,上游側(cè)尾水出口內(nèi)先充水至961.0 m,保持圍堰上下游水壓平衡。
4)圍堰下部基巖開挖鉆孔作業(yè)采用下套管的方法。在下部基巖開挖鉆孔作業(yè)時(shí),從鉆孔作業(yè)平臺(tái)961.5 m到下部基巖面,至少有2.7 m以上土石渣體覆蓋,成孔難度較大,為了確保成孔質(zhì)量,在爆破作業(yè)鉆孔時(shí),采用跟管技術(shù)在孔內(nèi)下直徑φ90 mm的PVC套管,以確保鉆孔、裝藥作業(yè)順利完成。
5)選擇合理的爆破方向并增加孔口填塞長(zhǎng)度。為了控制孔口飛石,首先將爆破方向選在沿圍堰軸線方向,并加大孔口填塞長(zhǎng)度。對(duì)于下部基巖開挖爆破,除了下部基巖段填塞長(zhǎng)度外,上部還有2.7 m以上的土石渣體覆蓋層,因此孔口填塞長(zhǎng)度可達(dá)5.0 m以上,可有效控制垂直方向爆破飛石。
6)每茬炮爆破時(shí)前部覆蓋渣體。為了提高爆破破碎效果并防止水平方向飛石,每茬炮爆破時(shí),前部(臨空面方向、爆破飛石方向)預(yù)留上茬炮渣體覆蓋,以防止爆破后水平方向飛石。
7)設(shè)置孔底超深。根據(jù)文獻(xiàn)[1],為了確保底板開挖高程一次到位,基巖開挖鉆孔可設(shè)置較大的超深。
8)采用低段位雷管孔內(nèi)接長(zhǎng)保證聯(lián)炮長(zhǎng)度。為了保證孔內(nèi)非電毫秒雷管腳線長(zhǎng)度滿足聯(lián)炮需要,主爆孔孔底采用MS16段雷管,并在其腳線末端采用MS1段雷管在孔內(nèi)接長(zhǎng)后延伸到孔外。
3.1.1 預(yù)拆除
1)上游側(cè)圍堰預(yù)拆除。在圍堰主體開挖爆破前,首先要采用液壓破碎錘結(jié)合反鏟挖除上游圍堰前的堆渣體和下部基巖(見圖3)。
圖3 圍堰上游側(cè)預(yù)拆除Fig.3 Cofferdam pre-demolition on the upstream side
2)兩側(cè)墻貼坡混凝土附近圍堰預(yù)拆除。經(jīng)爆破安全距離驗(yàn)算,在距離左、右兩側(cè)墻貼坡混凝土14 m范圍內(nèi),不能采用爆破法進(jìn)行開挖,只能采用液壓破碎錘結(jié)合反鏟預(yù)先挖除。挖除后堰體剩余寬度10 m左右,為了保證圍堰拆除安全,開挖前需對(duì)下游河道側(cè)圍堰進(jìn)行加寬、加固。
3.1.2 爆破方案
圍堰開挖以961.5 m為界,分為上、下兩部分。上部開挖為水上開挖,采用1.2 m3反鏟直接挖裝25 t自卸汽車。下部開挖為水下開挖,主要針對(duì)958.8 m以下基巖,采用深孔爆破技術(shù),鉆孔作業(yè)在961.5 m工作平臺(tái)上進(jìn)行,鉆具穿過2.7~5.0 m的土石圍堰填筑體進(jìn)入下部基巖,為保證成孔質(zhì)量,鉆孔采用跟管技術(shù)[1],孔內(nèi)設(shè)φ90 mm的PVC套管。下部基巖爆破后,出渣采用長(zhǎng)臂反鏟挖裝25 t自卸汽車,渣料運(yùn)往棄渣場(chǎng)。
1)炸藥。主體圍堰拆除采用φ60 mm乳化炸藥,質(zhì)量1 000 g、長(zhǎng)30 cm。
2)導(dǎo)爆索。選用塑料導(dǎo)爆索[2],外觀紅色,直徑5.0 ~5.4 mm,藥芯主要為太安,裝藥量10 g/m,爆速不小于6 km/s。
3)非電毫秒雷管。孔內(nèi)及網(wǎng)路連接主要選用MS1~MS16段非電毫秒雷管,相鄰兩段雷管時(shí)差均為25 ms??變?nèi)裝藥采用MS1、MS16段,腳線長(zhǎng)10 m;其他孔外聯(lián)炮采用雷管MS2、MS3、MS4、MS5段,腳線長(zhǎng)6 m。非電毫秒雷管參數(shù)如表1所示。
表1 非電毫秒雷管延時(shí)參數(shù)
4)電雷管。主要用于起爆整個(gè)非電毫秒雷管爆破網(wǎng)路,主要選用8#普通工業(yè)電雷管。
1)鉆孔直徑。根據(jù)烏干達(dá)能租賃到的鉆機(jī)情況,實(shí)際鉆孔直徑100 mm。由于上部覆蓋層為土夾石,為了保證成孔、裝藥質(zhì)量,孔內(nèi)套入了外徑90 mm的PVC塑料管,管壁厚4.3 mm,計(jì)算鉆孔直徑取D=81.4 mm。
2)爆破基巖厚度。根據(jù)圍堰上游側(cè)基坑出露的基巖情況,基巖平均高程在958.8 m,設(shè)計(jì)開挖高程為953.5 m,則上游側(cè)拆除爆破基巖厚度H1=5.3 m;根據(jù)圍堰下游側(cè)鉆孔探測(cè)的情況,基巖平均高程957.3 m,則下游側(cè)拆除爆破基巖厚度H2=3.8 m。
3)鉆孔超深[1]。本次基巖拆除開挖屬于水下開挖,為了保證不留根坎,同時(shí)考慮水下爆破欠挖時(shí)補(bǔ)充爆破難度大、效率低,采用了較長(zhǎng)的超深值,取h=1.5 m。
4)主爆孔鉆孔傾角。為控制向上飛石,考慮到巖石硬度不高,所有鉆孔均與爆破方向垂直,即與圍堰軸線方向垂直。但同一排鉆孔橫斷面上,靠近河道側(cè)鉆孔按一定角度向河道側(cè)傾斜(見圖4)。
圖4 主爆孔橫斷面Fig.4 Cross section of main blasting hole
5)主爆孔孔深。以垂直孔為例,上游側(cè)L1=H1+h=6.8 m;下游側(cè)L2=H2+h=5.3 m,由于圍堰底部基巖不是平面,應(yīng)根據(jù)實(shí)際鉆孔過程中基巖出露情況測(cè)定孔深,并據(jù)此確定實(shí)際裝藥量。
6)基巖段最小填塞長(zhǎng)度[1]。l2=(20~30)D,取l2=20D=1.63 m,除了最小填塞長(zhǎng)度外,基巖上部還有2.7~5.0 m的圍堰土石渣體覆蓋層。
7)最大裝藥長(zhǎng)度。上游側(cè)l1=L1-l2=(6.8-1.63) m=5.17 m;下游側(cè)l1=L2-l2=(5.3-1.63) m=3.67 m。
8)炸藥單耗。水下爆破由于爆破介質(zhì)同時(shí)承受著上覆渣體和水體的壓力,同時(shí)爆破介質(zhì)的破碎亦須克服渣體和水體的阻力,因此水下爆破的炸藥單耗較陸地露天爆破為大,通常比陸地臺(tái)階爆破增加30%~50%[1]。爆破基巖為強(qiáng)~弱風(fēng)化花崗片麻巖,巖性較軟,露天爆破可取0.35~0.45 kg/m3,本工程結(jié)合文獻(xiàn)[1]國(guó)內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)資料,取炸藥單耗q單耗=0.65 kg/m3。
9)孔內(nèi)每米裝藥量。主爆孔炸藥選用乳化炸藥,孔內(nèi)每米裝藥量:q米=3.33 kg/m。
10)主爆孔單孔爆破控制的最大面積。按照下式[3-4]計(jì)算
(1)
式中:q米為孔內(nèi)每米裝藥量,q米=3.33 kg/m;l1為孔內(nèi)最大裝藥長(zhǎng)度,上游側(cè)取l1=5.17 m;q單耗為炸藥單耗,q單耗=0.65 kg/m3;H為基巖厚度,上游側(cè)基巖厚度取H1=5.3 m;則Smax=5.0 m2。
11)孔距、排距。水下炮孔布置,原則上越簡(jiǎn)單、越規(guī)則越好。根據(jù)以上計(jì)算及同類工程水下鉆孔布置參數(shù)[1,3]:①本工程主體爆破采用方形布孔,取孔距a=2.0 m,排距b=2.0 m??拙W(wǎng)面積S=a·b=4.0 m2<5.0 m2;②鑒于左、右兩側(cè)墻貼坡混凝土附近受單響藥量控制,在距離14 m時(shí),單響藥量應(yīng)控制在12.76 kg內(nèi),可取孔距a1=2.0 m,排距b1=1.5 m,并采用逐孔起爆技術(shù)。
12)裝藥結(jié)構(gòu)。①單孔藥量:主體上游側(cè)Q1=q單耗abH1=13.78 kg,實(shí)際施工可取Q1=14.0 kg;主體下游側(cè)Q2=q單耗abH2=9.88 kg,實(shí)際施工可取Q2=10.0 kg;兩側(cè)墻貼坡混凝土附近Q3=q單耗a1b1H1=10.33 kg,實(shí)際施工可取Q3=10.5 kg。②實(shí)際裝藥長(zhǎng)度:主體上游側(cè)l1-1=Q1/
q米=4.20 m;主體下游側(cè)l1-2=Q2/q米=3.0 m;兩側(cè)墻貼坡混凝土附近l1-3=Q3/q米=3.15 m。③實(shí)際填塞長(zhǎng)度:主體上游側(cè)l2-1=L1-l1-1=(6.8-4.2)m=2.6 m>1.63 m;主體下游側(cè)l2-2=L2-l1-2=(5.3-3.0)m=2.3 m>1.63 m;兩側(cè)墻貼坡混凝土附近l2-3=L1-l1-3=(6.8-3.15)m=3.65 m>1.63 m。以上炮孔除了基巖段填塞長(zhǎng)度外,還有上覆2.7~5.0 m的土石圍堰覆蓋層。④裝藥結(jié)構(gòu):圍堰拆除主爆孔均采用孔內(nèi)連續(xù)裝藥,孔底裝入MS16段非電毫秒雷管,在靠近孔口部位1.0 m左右采用MS1段非電毫秒雷管接長(zhǎng)并延伸到孔外,以圍堰主體上游側(cè)炮孔為例,裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 主爆孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.5 Explosive charging structure in main blasting hole
圍堰主體拆除爆破方向沿堰體軸線方向,為了給主爆孔創(chuàng)造臨空面,必須在圍堰合適位置設(shè)置掏槽孔。為了加快拆除進(jìn)度,采用從堰體中部向兩側(cè)雙向開挖的施工順序,因此,掏槽孔設(shè)置在圍堰中部。掏槽采用深孔楔形掏槽(見圖6),由內(nèi)掏槽孔、主掏槽孔、4級(jí)輔助掏槽孔組成。鉆孔直徑同主爆孔,計(jì)算鉆孔直徑取D=81.4 mm;孔距2.0 m、排距1.44~1.5 m;鉆孔傾角60°~85°,由內(nèi)向外逐排擴(kuò)大;掏槽孔裝藥采用φ60 mm乳化炸藥,裝藥長(zhǎng)度選取孔深的60%~70%,但須確保基巖段填塞長(zhǎng)度不小于1.63 m。
圖6 圍堰掏槽結(jié)構(gòu)Fig. 6 Cofferdam cutting structure
圍堰拆除工作從堰體中部向兩側(cè)退行雙向爆破開挖。掏槽孔布置于圍堰的中部,然后向兩側(cè)布置主爆孔。具體炮孔布置如圖7所示。
圖7 炮孔布置Fig.7 Layout of blasting hole
圍堰主體開挖起爆網(wǎng)路采用孔外單排分組,組間延時(shí)結(jié)合排間延時(shí)的起爆技術(shù)。同一排爆破孔,靠近上游側(cè)垂直孔每3孔為1組;靠近河道側(cè)傾斜孔,每4孔為1組??變?nèi)起爆均采用MS16段非電毫秒雷管,組間采用MS2段非電毫秒雷管聯(lián)炮,排間采用MS5段非電毫秒雷管聯(lián)炮,整個(gè)孔外網(wǎng)路采用普通電雷管起爆??拷?、右兩側(cè)墻貼坡混凝土部位,采用逐孔起爆技術(shù)。主爆孔典型起爆網(wǎng)路如圖8所示。
圖8 圍堰主體起爆網(wǎng)路Fig.8 Detonating network of cofferdam main body
1)最大單響藥量計(jì)算。圍堰拆除爆破時(shí),為了保證對(duì)尾水出口左、右兩側(cè)墻貼坡混凝土及尾水出口底板齒墻混凝土的爆破振動(dòng)在允許范圍內(nèi),必須嚴(yán)格控制最大單響藥量。最大單響藥量可按下式計(jì)算[1,5]。
(2)
式中:R為爆破點(diǎn)與被保護(hù)對(duì)象間的距離,m;v為被保護(hù)對(duì)象能承受的安全允許振速,cm/s;K、α為爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間與地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。
尾水出口左、右兩側(cè)墻貼坡混凝土及尾水出口底板齒墻混凝土的齡期均超過28 d。根據(jù)爆破安全規(guī)程[5],安全允許振速取10 cm/s;圍堰爆破基巖屬軟巖,取K=300,α=1.9。經(jīng)過預(yù)拆除,爆破點(diǎn)距離尾水出口左、右兩側(cè)墻貼坡混凝土最近14.0 m;距離尾水出口底板齒墻混凝土最近33.5 m。
根據(jù)式(2),靠近尾水出口左、右兩側(cè)墻貼坡混凝土的控制最大單響藥量Qmax=12.76 kg;靠近尾水出口底板齒墻混凝土的控制最大單響藥量Qmax=174.92 kg。
2)安全分析。①尾水出口左、右兩側(cè)墻貼坡混凝土。采用逐孔起爆技術(shù),單孔藥量Q3=10.5 kg 3)圍堰中部掏槽爆破??刂票普駝?dòng)對(duì)尾水出口底板齒墻混凝土的影響。根據(jù)圖7,最大單響藥量應(yīng)出現(xiàn)在主掏槽孔,即圖8(a)中左側(cè)第二排靠上游側(cè)3孔和右側(cè)第二排靠上游側(cè)3孔,共6個(gè)主掏槽孔同時(shí)起爆。經(jīng)計(jì)算,主掏槽孔上游側(cè)基巖段厚6.8 m,根據(jù)圖6可計(jì)算出主掏槽孔基巖段孔長(zhǎng)7.68 m,主掏槽孔裝藥長(zhǎng)度按照70%計(jì)算[4],單孔裝藥量:Q主掏=7.68×0.7×3.33=17.90 kg,則同時(shí)起爆的6個(gè)主掏槽孔裝藥量為6Q主掏=107.4 kg 4)主爆孔3孔一組同時(shí)起爆與左、右兩側(cè)墻貼坡混凝土最小允許安全距離??砂聪率接?jì)算[1,5]。 (3) 5)主爆孔2孔一組同時(shí)起爆與左、右兩側(cè)墻貼坡混凝土最小允許安全距離確定。根據(jù)式(3): 通過以上安全驗(yàn)算分析,該爆破設(shè)計(jì)滿足安全要求,當(dāng)圍堰主爆孔與左、右兩側(cè)墻貼坡混凝土的距離R主<18.19 m時(shí),必須采用逐孔起爆技術(shù);當(dāng)18.9 m≤R主<20.82 m時(shí),可采用2孔一組同時(shí)起爆;當(dāng)R主≥20.82 m時(shí),可采用3孔一組同時(shí)起爆。 截止2019年9月13日,卡魯瑪水電站尾水隧洞出口圍堰拆除爆破工作全部結(jié)束,并通過了監(jiān)理驗(yàn)收。圍堰拆除爆破期間,每茬炮爆破時(shí),前部均覆蓋有上茬炮爆破渣體,水平方向由于較厚渣體覆蓋,基本沒有飛石;孔口飛石高度基本控制在3.0 m以內(nèi)。左右兩側(cè)墻貼坡混凝土表面未發(fā)現(xiàn)爆破振動(dòng)裂隙,未發(fā)生個(gè)別飛石砸壞貼坡混凝土表面需要修復(fù)現(xiàn)象,爆破振動(dòng)對(duì)左右兩側(cè)墻貼坡混凝土的影響控制在了允許范圍內(nèi)。尾水出口圍堰的順利拆除爆破,為卡魯瑪水電站首臺(tái)機(jī)組發(fā)電奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。圍堰拆除后的尾水出口如圖9所示。 圖9 圍堰拆除后的尾水出口Fig.9 Tailrace tunnel outfall after the demolition of cofferdam 在烏干達(dá)卡魯瑪水電站尾水隧洞出口圍堰拆除爆破施工中,通過采用孔內(nèi)接長(zhǎng)雷管解決了雷管腳線不夠長(zhǎng)的問題;通過左、右兩側(cè)墻貼坡混凝土附近一定范圍內(nèi)巖體及圍堰上游側(cè)巖體預(yù)拆除,解決了爆破振動(dòng)對(duì)混凝土的影響問題;通過每茬炮前部預(yù)留上茬炮渣體覆蓋,解決了水平方向爆破飛石問題;通過圍堰上游側(cè)的尾水出口內(nèi)充水,解決了爆破后石渣涌入尾水出口的問題;孔內(nèi)下套管,解決了上覆渣體內(nèi)鉆孔成型及裝藥困難問題;加大孔底超深,解決了圍堰底部欠挖問題。實(shí)踐證明:在境外爆破施工中,通過分析爆破施工中存在的問題,綜合利用現(xiàn)有的爆破技術(shù)和當(dāng)?shù)刭Y源條件,最終能夠順利完成爆破施工任務(wù)。4 爆破效果
5 結(jié)語