長甸水電站全排孔水下巖塞爆破施工技術(shù)淺析

焦忠?guī)?/p>

(中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 沈陽 110179)

1 引 言

在引水工程進(jìn)水口開挖施工過程中，水下巖塞爆破施工技術(shù)在國內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用。水下巖塞爆破是一種干擾較小、適用性強(qiáng)、比較經(jīng)濟(jì)的施工技術(shù)。在國外，水下巖塞爆破施工技術(shù)比較早地應(yīng)用于小洞徑和爆破規(guī)模較小的工程[1]。與國外相比，我國的水下巖塞爆破施工技術(shù)發(fā)展較晚，直至20世紀(jì)70年代，我國的水下巖塞爆破施工技術(shù)才逐步發(fā)展起來[2]。雖然我國水下巖塞爆破施工技術(shù)起步較晚，但經(jīng)過近幾十年來不斷的鉆研與工程實(shí)踐，在爆通進(jìn)水口成型、設(shè)計(jì)方法、藥室布置、爆破藥量及爆后巖渣處理措施等方面都有所創(chuàng)新，并取得了令人滿意的效果，積累了大量的施工經(jīng)驗(yàn)[3]。

2 工程概況

長甸水電站改建工程位于遼寧省丹東市，主要由進(jìn)水口、發(fā)電廠房、引水隧洞、尾水系統(tǒng)、閘門井、壓力管道等組成，總裝機(jī)容量200MW。引水式水電站進(jìn)水口位于水下約60m，采用巖塞爆破形成進(jìn)水口，與水平夾角為43°，巖塞體呈圓臺(tái)形，巖塞體直徑10～14.6m，擴(kuò)散角10°，巖塞體厚12.5m，厚徑比為1.25。巖塞體下方是一個(gè)半徑6.5m、長7.0m的圓形斷面、襯砌混凝土厚度60cm的連接段。氣墊式斜坡集渣坑長73.0m、寬11.0m、高13.0～31.94m[4]。進(jìn)水口巖塞體布置情況見圖1。

圖1 進(jìn)水口巖塞體示意 (單位:cm)

3 施工要點(diǎn)

3.1 施工關(guān)鍵點(diǎn)

a.沿進(jìn)水口中軸線方向開挖形成中導(dǎo)洞，中導(dǎo)洞直徑3.5m，深6.0m。

b.在已開挖的中導(dǎo)洞末端，距巖塞體迎水側(cè)形成一個(gè)小巖塞，小巖塞直徑3.5m，厚6.5m。

c.嚴(yán)格控制起爆網(wǎng)路的起爆時(shí)間，先采用密孔裝藥爆破貫通小巖塞，再逐層依次由內(nèi)向外順序爆破大巖塞。

d.采用光面爆破法起爆周邊孔，并根據(jù)開挖輪廓面情況，及時(shí)調(diào)整起爆順序和線裝藥量等。

3.2 施工重點(diǎn)

a.進(jìn)水口開挖工期較短，且?guī)r塞體爆破位置水深、水頭高，有效控制工期是施工重點(diǎn)之一。

b.巖塞體爆破在一個(gè)比較狹小的場地內(nèi)施工，同時(shí)存在較多的空間交叉作業(yè)和高空作業(yè)，施工過程中安全管控是施工重點(diǎn)之一。

c.進(jìn)水口中軸線與水平方向成43°夾角，導(dǎo)致巖塞鉆孔向上的傾角較大，施工精度要求也較高，如鉆孔方向、鉆孔深度等。爆破裝藥及炮孔堵塞也存在一定的難度，確保施工質(zhì)量是施工重點(diǎn)之一。

3.3 施工難點(diǎn)

a.巖塞體厚12.5m，巖塞直徑10.0～14.6m，屬于大直徑、超厚巖塞。直徑3.5m，深6.0m的中導(dǎo)洞施工作業(yè)空間太小，如何保證巖塞貫通是施工的難點(diǎn)之一。

b.作業(yè)面距迎水面的水庫較近，施工時(shí)多存在滲水、淋水、潮濕、空氣污濁等現(xiàn)象，確保施工作業(yè)環(huán)境滿足施工作業(yè)要求是施工的難點(diǎn)之一。

c.閘門井作為施工通道，大部分施工材料和設(shè)備需要人工搬運(yùn)，工作效率較低，如何降低勞動(dòng)強(qiáng)度、保證工作效率是施工的難點(diǎn)之一。

4 施工方法比選及施工參數(shù)介紹

4.1 巖塞爆破方式比選

水下巖塞爆破施工方式主要有3種：洞室爆破法、全排孔爆破法及前兩者相結(jié)合的爆破方法[5]。其中，洞室爆破法是將炸藥安放在開挖巖塞體形成的洞室內(nèi)進(jìn)行爆破的施工方法，這種爆破方法具有拋擲能力強(qiáng)、起爆網(wǎng)路簡單、裝藥較集中等優(yōu)點(diǎn)，但爆破洞室距離迎水面較近，爆后孔口形狀不易控制，爆破振動(dòng)影響范圍較大，施工安全條件較差。全排孔爆破法是一種類似全斷面鉆孔爆破的施工技術(shù)，具有施工安全、爆破振動(dòng)影響范圍小、破裂邊線易控制、爆后巖塊均勻、機(jī)械操作方便等特點(diǎn)。洞室、排孔相結(jié)合的爆破方式充分利用洞室爆破法和排孔爆破法各自的特點(diǎn)，并將兩種爆破方法相結(jié)合，這種方法已成功地應(yīng)用于橫錦水庫、汾河水庫等工程施工過程中，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)[6]。

通過對(duì)以上3種水下巖塞爆破施工方式的比較可知，洞室爆破法和全排孔爆破法都是可行的。鑒于全排孔爆破法比洞室爆破法爆后巖塞成型好、單響藥量小、對(duì)周邊建筑物爆破影響小、施工安全等優(yōu)點(diǎn)，因此，選用全排孔爆破方法進(jìn)行施工。迄今為止，長甸水電站改建工程巖塞爆破是國內(nèi)最大的全排孔水下巖塞爆破工程[7]。

4.2 巖塞爆破施工程序

水下巖塞爆破施工程序見圖2。

圖2 巖塞爆破施工程序

4.3 巖塞爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

4.3.1 鉆孔

采用YQ100B型潛孔鉆機(jī)施鉆爆破孔，成孔直徑為90mm，先鉆設(shè)周邊孔，再施鉆主爆孔。施工時(shí)，嚴(yán)格按照成孔直徑鉆設(shè)小巖塞的炮孔和周邊孔。為確保大巖塞體上大直徑深孔裝藥，可適當(dāng)?shù)卦龃筱@孔直徑。

4.3.1.1 孔向、孔深的控制

鉆機(jī)施鉆前，要?jiǎng)蛩倬徛M(jìn)行鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中不少于2次檢查方位角，若發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)糾正、調(diào)整鉆孔方向。結(jié)合鉆孔孔口樁號(hào)、探孔情況、探孔深度等因素確定鉆孔深度，并利用鉆桿長度控制鉆孔深度，鉆進(jìn)過程中要準(zhǔn)確記錄鉆桿根數(shù)，用卷尺量測最后一根鉆桿剩余長度并做好標(biāo)識(shí)。在距孔底約2m時(shí)，鉆機(jī)鉆進(jìn)速度要逐步放慢，隨時(shí)觀測施工作業(yè)面滲水量的變化和巖性的變化，若出現(xiàn)問題及時(shí)停止施鉆。鉆孔深度誤差應(yīng)小于10cm，孔底誤差應(yīng)小于10cm，炮孔的開口誤差應(yīng)小于5cm。

4.3.1.2 主爆孔施工

根據(jù)施工作業(yè)面情況和巖石性質(zhì)，將主爆孔按三環(huán)布置。其中，主爆孔的最外側(cè)一環(huán)鉆孔外傾角略小于周邊孔的外傾角、鉆孔方向與周邊孔基本保持平行；中間一環(huán)主爆孔外傾角略小于最外側(cè)孔的外傾角、鉆孔方向與最外側(cè)主爆孔基本平行；最內(nèi)側(cè)一環(huán)主爆孔外傾角略小于中間一環(huán)主爆孔外傾角、鉆孔方向與中間一環(huán)主爆孔基本平行。

4.3.1.3 周邊孔施工

為便于控制輪廓線爆后成型，在每個(gè)周邊孔布設(shè)后視點(diǎn)，并利用后視樣架上后視點(diǎn)的投影來確定鉆孔方向。為滿足孔位要求，在鉆孔過程中要及時(shí)調(diào)整鉆機(jī)角度。除中導(dǎo)洞區(qū)域炮孔外，其余的巖塞體鉆孔調(diào)整鉆機(jī)角度時(shí)，均利用后視樣架做后視點(diǎn)進(jìn)行調(diào)控。周邊孔采用光面爆破，孔底間距約0.91m，孔口間距約0.65m，線裝藥密度500～1000g/m。

4.3.2 火工材料

選用抗水乳化炸藥，在水深60m情況下，浸泡10天后φ32的成品卷裝乳化炸藥和φ60的成品卷裝乳化炸藥的爆破力不低于320mL、爆速不低于4500m/s、猛度達(dá)到16～18mm。

導(dǎo)爆索確保能安全起爆乳化炸藥，在水深60m情況下，浸泡10天后水下爆速不低于6000m/s。

雷管選用高精度導(dǎo)爆管雷管和數(shù)碼雷管，在水深60m情況下，浸泡10天后保證能夠安全傳爆、起爆炸藥。

4.3.3 孔底抵抗線

爆破孔底抵抗線按1.5m進(jìn)行控制，施工過程中根據(jù)地質(zhì)缺陷、滲漏水情況等增大孔底抵抗線，但應(yīng)控制在1.5～2.0m。

4.3.4 水下單耗藥量

水下爆破單耗藥量與水深、覆蓋層厚度、水下炸藥爆破力降低系數(shù)、爆破臺(tái)階高度、正常爆破單耗藥量等有關(guān)。施工時(shí)受地質(zhì)條件、滲漏水、鉆孔偏差等影響有可能導(dǎo)致孔底鉆孔困難或者裝藥不到位，必須增大單耗藥量以保證巖塞爆通。經(jīng)計(jì)算并綜合考慮，水下爆破平均單耗藥量按2.04kg/m3確定。

4.3.5 孔底距離迎水面距離

在保證施工安全、不漏水的情況下，孔底距離迎水面距離為1.5m，施工過程中可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，可控制在1.0～2.0m之間。

4.3.6 巖塞爆破炮孔布置

小巖塞爆破炮孔主要布置在E、G、H、J圈位上，共布置32個(gè)炮孔；空孔布置在F圈位上，共布置6個(gè)炮孔；大巖塞爆破炮孔主要布置在K、L、M圈位上，共布置65個(gè)炮孔；周邊孔布置在N圈位上，共布置48個(gè)炮孔；小巖塞和大巖塞爆破鉆孔直徑均為90mm，選用φ60乳化炸藥；周邊孔鉆孔直徑為90mm，選用φ32和φ60深水乳化炸藥。

爆破炮孔布置情況見表1，巖塞炮孔布置見圖3。

表1 爆破炮孔布置特性

4.4 裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選用φ32和φ60兩種規(guī)格的賽能系列抗水乳化炸藥。其中，φ32乳化炸藥長度為20cm、重量為0.2kg，φ60乳化炸藥長度為45cm、重量為1.5kg。

4.4.1 周邊孔爆破裝藥

周邊孔分奇數(shù)孔和偶數(shù)孔進(jìn)行裝藥，選用φ32和φ60的乳化炸藥。其中，奇數(shù)孔在孔底連續(xù)裝1.4m的φ60乳化炸藥后，改用φ32乳化炸藥間隔一節(jié)裝藥、裝藥長度為8.0m，剩余孔段為堵塞段，奇數(shù)孔單孔藥量10.0kg；偶數(shù)孔在孔底連續(xù)裝1.0m的雙節(jié)φ32乳化炸藥后，改用φ32乳化炸藥間隔裝藥、裝藥長度為7.6m，剩余孔段為堵塞段，偶數(shù)孔單孔藥量6.0kg。周邊孔爆破總裝藥量為384kg。

4.4.2 小巖塞爆破裝藥

小巖塞鉆孔長度為5.0m，其中連續(xù)裝藥長度為3.15m、堵塞長度為1.85m，采用φ60乳化炸藥，單孔裝藥量10.5kg，總裝藥量為336kg。

4.4.3 大巖塞爆破裝藥

大巖塞炮孔布置在K、L、M圈上，鉆孔長度為11.0m，其中K圈連續(xù)裝藥長度為8.1m、堵塞長度為2.9m，L、M圈連續(xù)裝藥長度為9.0m、堵塞長度為2.0m。均采用φ60乳化炸藥，K圈單孔藥量27kg、總裝藥量為405kg，L、M圈單孔藥量30kg、總裝藥量為1500kg。

4.4.4 雷管位置

在炮孔孔口處、孔底處均布置1發(fā)高精度導(dǎo)爆管雷管和1發(fā)電子雷管，其中孔口處采用正向起爆，孔底處采用反向起爆。

4.5 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

巖塞爆破成敗的關(guān)鍵在于起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)，在施工時(shí)起爆順序、起爆時(shí)間要規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，確保起爆網(wǎng)路安全起爆。起爆順序?yàn)椋合绕鸨r塞形成中間貫通，進(jìn)而利用形成的臨空面起爆大巖塞，最后起爆周邊孔形成巖塞體輪廓形狀。

巖塞爆破起爆網(wǎng)路布置情況見表2，高精度非電復(fù)式起爆網(wǎng)路見圖3，數(shù)碼雷管復(fù)式起爆網(wǎng)路見圖4。

巖塞爆破起爆網(wǎng)路系統(tǒng)起爆時(shí)差設(shè)計(jì)如下：

a.小巖塞掏槽孔起爆時(shí)差設(shè)計(jì)。小巖塞第E圈：1025ms；小巖塞第G圈：1142ms、1159ms、1176ms、1193ms；小巖塞第H圈: 1242ms、1259ms、1276ms、1293ms；小巖塞第J圈: 1342ms、1359ms、1376ms、1393ms。

表2 起爆網(wǎng)路布置特性

b.大巖塞爆破孔起爆時(shí)差設(shè)計(jì)。大巖塞第K圈：1434ms、1451ms、1468ms和1142ms、1459ms、1476ms、1493ms；大巖塞第L圈：1534ms、1551ms、1568ms、1585ms、1602ms和1542ms、1559ms、1576ms、1593ms、1610ms；大巖塞第M圈：1634ms、1651ms、1668ms、1685ms、1702ms、1719ms、1736ms和1642ms、1659ms、1676ms、1693ms、1710ms、1727ms、1744ms。

c.周邊光面孔起爆時(shí)差設(shè)計(jì)。周邊光面孔第N圈：孔共48孔，4孔一段，共分12段，起爆時(shí)間分別為1734ms、1751ms、1768ms、1785ms、1802ms、1819ms和1742ms、1759ms、1776ms、1793ms、1810ms、1827ms。

4.6 巖塞充水與補(bǔ)氣

根據(jù)爆破原理要求，在巖塞爆破前需進(jìn)行巖塞充水與補(bǔ)氣。巖塞充水與補(bǔ)氣前，需待起爆網(wǎng)路和巖塞體裝藥完成且檢查無誤后方可進(jìn)行。利用水泵泵送水源經(jīng)已鋪設(shè)的鋼管至閘門井頂部后自流到集渣坑內(nèi)，為縮短充水時(shí)間向水庫方向鉆設(shè)進(jìn)水孔，使水庫水自流進(jìn)入集渣坑內(nèi)。同時(shí)，為確保巖塞起爆網(wǎng)路不被水淹沒且水位達(dá)到設(shè)計(jì)要求，必須進(jìn)行補(bǔ)氣加壓工作。補(bǔ)氣時(shí)利用空壓機(jī)通過風(fēng)管供給壓縮空氣。實(shí)施時(shí)要隨時(shí)跟蹤監(jiān)測充水和補(bǔ)氣的情況，當(dāng)水位和氣壓達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，即可停止。

圖4 數(shù)碼雷管復(fù)式起爆網(wǎng)路示意

4.7 爆破安全復(fù)核

4.7.1 閘門井爆破安全復(fù)核

根據(jù)爆破引起地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)公式復(fù)核閘門井巖塞爆破時(shí)是否安全，公式為:

v=k(R/Q1/3)-a

(1)

式中v——爆破振動(dòng)速度，cm/s；

k——介質(zhì)系數(shù)；

R——與爆破中心的距離，m；

Q——爆破單響藥量，kg；

a——爆破振動(dòng)衰減指數(shù)。

根據(jù)爆破振動(dòng)效應(yīng)傳播規(guī)律和前期試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得，水平平行洞軸線方向時(shí)，a=1.04、k=33；水平垂直洞軸線方向時(shí)，a=1.04、k=25；鉛垂方向時(shí)，a=1.20、k=36。巖塞體爆破中心距離閘門井距離R=200m，最大爆破單響藥量Q=90kg。

經(jīng)計(jì)算得，爆破振動(dòng)速度最大值v=0.64cm/s，小于規(guī)定要求的最大允許值7～15cm/s。因此，水下巖塞全排孔爆破時(shí)對(duì)閘門井不會(huì)造成危害。

4.7.2 大壩爆破安全復(fù)核

巖塞體爆破中心距離大壩距離R=650m，最大爆破單響藥量Q=90kg，a=1.04，k=33，經(jīng)計(jì)算得，爆破振動(dòng)速度最大值v=0.19cm/s，遠(yuǎn)小于爆破模擬試驗(yàn)時(shí)爆破振動(dòng)測點(diǎn)實(shí)測最大值0.05cm/s，符合安全控制標(biāo)準(zhǔn)。因此，水下巖塞全排孔爆破時(shí)對(duì)大壩不會(huì)造成危害。

4.8 安全警戒與爆破

為防止巖塞爆破后產(chǎn)生的高壓水、氣影響，施工現(xiàn)場附近均不得有機(jī)械設(shè)備和作業(yè)人員。在水面上，巖塞上游10km以內(nèi)和下游20km以內(nèi)都要轍至水面線以上2m處。施工洞口、井口以外50m作為警戒線。

2014年6月16日10∶30，經(jīng)爆破指揮部確認(rèn)巖塞爆通，巖塞爆破成功。

5 結(jié) 語

a.經(jīng)巖塞爆破方式比選，與洞室爆破法相比，全排孔爆破法具有爆后巖塞成型好、單響藥量小、對(duì)周邊建筑物爆破影響小、施工安全等優(yōu)點(diǎn)。

b.巖塞爆破成敗與巖塞爆破施工程序、爆破參數(shù)設(shè)計(jì)、裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)等息息相關(guān)，施工過程中要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求實(shí)施并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整、修正。

c.長甸水電站改建工程進(jìn)水口巖塞順利爆通，表明全排孔水下巖塞爆破施工技術(shù)得到了成功的應(yīng)用，可為類似工程提供參考。