特大斷面地下洞室光面爆破技術研究

曾 鳴， 古 小 夢， 李 航

(中國水利水電第五工程局有限公司三分局，四川 成都 610016)

1 概 況

巴塘水電站是金沙江上游河段十三級開發(fā)中的第九級電站，總裝機容量為750 MW。電站導流洞為有壓隧洞，最大開挖斷面面積268 m2，屬于特大型隧洞，隧洞全長808.98 m。導流洞斷面形式為城門洞型，襯砌成型斷面尺寸為12 m×14 m；進口25 m漸變段，樁號范圍是導0-010.00 m～導0+015.00 m，漸變段開挖斷面尺寸由20.20 m×19.05 m漸變至16.20 m×18.05 m，均為Ⅴ類圍巖。

巴塘水電站導流洞位于金沙江上游河段左岸象鼻子山的“鼻尖”左側，山體三面臨空，整體呈現(xiàn)出渾圓狀，巖石大面積裸露。導流洞工程地質及水文地質資料表明，隧洞圍巖巖性為黑云母石英片巖，巖層產(chǎn)狀NE15°SE(NW)∠ 85°，巖體風化、卸荷劇烈，其中強風化帶厚20～32 m，弱風化帶厚30～35 m，卸荷帶厚度基本與強風化帶一致,且有F50斷層破碎及F11為雄松-蘇洼龍斷裂的分支斷層，推測在左岸壩頂一帶通過，陡傾岸外發(fā)育。

導流洞地質條件差，工程中有兩大斷層經(jīng)過，斷層與層間層內錯動帶等緩傾角結構面結合，易形成不穩(wěn)定塊體，對隧洞頂拱及邊墻局部的圍巖穩(wěn)定影響大，開挖過程中容易超挖，增加后期噴射混凝土及襯砌混凝土工程量，加大施工成本，延緩施工進度。鑒于這種情況，控制好超挖，對控制施工成本極為關鍵。筆者詳細介紹了導流洞光面爆破技術并取得顯著成效，有效控制隧洞超挖問題，節(jié)約了施工成本，加快了施工進度。

2 光面爆破原理[1]

隧道光面爆破是支撐新奧法原理的重要技術之一。是指通過正確選擇爆破參數(shù)和合理的施工方法，分區(qū)分段微差爆破，達到爆破后輪廓線符合設計要求，使臨空面平整規(guī)則的一種控制爆破技術。光面爆破的破巖機理是一個十分復雜的問題，目前仍在探索之中。盡管在理論上還不甚成熟，但在定性分析方面已有共識。一般認為，炸藥起爆時，對巖體產(chǎn)生三種效應：一是應力波反射拉伸破壞所起的作用；二是爆炸氣體膨脹做功所起的作用；三是二者共同作用所起的破壞。通過近幾十年的研究、實驗和生產(chǎn)實踐表明，第三種效應比較符合工程實際。光面爆破是周邊孔同時起爆，各炮孔的沖擊波向其四周作徑向傳播，相鄰炮孔的沖擊相遇，則產(chǎn)生應力波的疊加，并產(chǎn)生切向拉力，拉力的最大值發(fā)生在相鄰炮孔中心連線的中點，當巖體的極限抗拉強度小于此拉力時，巖體便被拉裂，在炮孔中心連線上形成裂縫，隨后，爆炸產(chǎn)物的膨脹作用使裂縫進一步擴展，形成平整的爆裂面。

3 爆破設計[2]

3.1 試驗區(qū)域

本工程光面爆破試驗選在導流洞Ⅲ類圍巖洞段進行，根據(jù)監(jiān)理工程師批復的導流洞開挖支護方案，導流洞采用左右側先導洞法施工，分三層開挖(圖1)。爆破試驗選在第一層進行，第一層高8.6 m，全斷面寬14.6 m。

圖1 導流洞分層開挖示意圖

3.2 炮孔直徑

炮孔直徑(d)一般根據(jù)工程自身特點及機械設備情況進行選擇，對于淺孔光面爆破，炮孔直徑宜為40～50 mm。巴塘水電站導流洞光面爆破鉆孔采用YT-28手風鉆，炮孔直徑取42 mm。

3.3 炮孔深度

因光面爆破炮孔深度(L)受開挖掌子面大小的影響，若炮孔過深，受周邊巖石的夾制作用較大，故炮孔深度不宜過大，一般最大炮孔深度取開挖掌子面寬度(或高度)的0.3～0.5倍。本工程爆破設計炮孔深度取開挖掌子面寬度的0.5倍，導流洞Ⅲ類圍巖開挖掌子面高度H=7.3 m。

L=0.5H=0.5×7.3m=3.65 m

(1)

為克服及減少巖石的夾制作用，結合工程情況導流洞光爆掏槽孔及底孔深度取3.5 m，其余孔深度均取3.0 m。

3.4 光面爆破不耦合系數(shù)

為了控制隧洞開挖的超欠挖問題,多采用光面爆破技術來控制開挖輪廓線。合理的炮孔參數(shù)、裝藥量等很多因素都會影響光面爆破的效果。其中周邊孔的不耦合系數(shù)(D)至關重要，合適的不偶合系數(shù)可以消減爆破作用力峰值，延長作用于圍巖切割面的爆破力時間。理論與實踐證明，當不偶合系數(shù)在1.5～2.0范圍時，緩沖作用最佳，光爆效果最好。本工程爆破設計周邊孔采用直徑25 mm乳化炸藥。

D=dk/di

(2)

式中D為不耦合系數(shù)；Dk為炮孔直徑，mm；Di為裝藥直徑，mm。

由式(2)可得周邊的不耦合系數(shù)為1.68，符合D=1.5～2.0的要求。

3.5 最小抵抗線

隧洞光面爆破中，如果選取最小抵抗線(W)過小,爆破時沖擊波對隧洞圍巖作用大，容易造成超挖，增加施工成本；反之，如果最小抵抗線過大,圍巖爆破不充分，會發(fā)生欠挖現(xiàn)象，增加后期處理難度。因此，確定合理的最小抵抗線，對提高施工時光面爆破效果有特別重要的作用，根據(jù)土石方工程爆破技術,最小抵抗線可根據(jù)經(jīng)驗公式(3)計算。

W=Kd

(3)

式中W為最小抵抗線，mm；K為計算系數(shù)，一般取K=15～25，取K=20；d炮孔直徑，mm。

由式(3)可得最小抵抗線為840 mm，結合工程經(jīng)驗，光爆孔最小抵抗線一般取700～900 mm，本工程取最小抵抗線取800 mm。

3.6 光爆孔間距[3]

隧洞光面爆破中周邊孔的間距是決定爆破效果好壞的另一重要因素,合理的周邊孔的間距直接與光爆效果相關。光爆孔的間距與圍巖硬度及破碎程度等有關，光爆孔間距(ag)過大，難以爆出平整的光面，孔距過小，會增加造孔費用。目前,周邊孔間距計算沒有統(tǒng)一計算公式，目前主采用豪柔公式、斷裂力學等理論分析方法對周邊孔間距進行計算,也可根據(jù)爆破施工的經(jīng)驗進行估測。本工程爆破設計光爆孔間距根據(jù)經(jīng)驗公式(4)計算：

ag=m·W

(4)

式中ag為炮孔間距，mm；m為炮孔密集系數(shù)，一般取m=0.5～0.8，取m=0.7。

由式(4)可得最小抵抗線為560 mm，結合工程經(jīng)驗，本工程炮孔間距定為500 mm。

3.7 爆破孔數(shù)量計算

(1)周邊孔數(shù)目N1

N1=p1/b=13.265/0.5=26.53

(5)

式中p1為開挖斷面結構線長，m；b光面爆破周邊孔平均間距，m。

由式(5)可得導流洞光面爆破周邊孔數(shù)為27.28，取N1=27個。

(2)掏槽孔、輔助孔和底孔數(shù)目N2

N2=(Q-N1×L×q1)/Q0

(6)

式中q為單位炸藥消耗量，取q=1.2 kg/m3；

Q為每個循環(huán)總裝藥量，kg；按照爆破孔平均深度的85%計算，即Q=0.85 LqS；

Q=0.85×3×1.2×54.08=165.485 m3

式中L炮孔平均深度，m；Q0除周邊孔外，每個孔內的平均裝藥量，kg；Q0=LKP/m=3.0×0.7×0.175/0.2=1.838 kg；

Q1為周邊孔每米裝藥量0.15 kg/m；

K裝藥系數(shù)，直孔掏槽時，K取0.7～0.8，斜孔掏槽時，K取0.6～0.7；

P為每個藥卷重量，32 mm炸藥重0.2 kg，25 mm炸藥重0.15 kg，取平均值0.175 kg；

m每個藥卷長度，32 mm炸藥長0.2 m,25 mm炸藥長0.2 m，取0.2 m；

S開挖斷面面積m2，計算得S=54.082。

由式(5)計算得N2=(Q-N1×L×q1)/Q0=(165.485-27×3.0×0.15)/1.838≈84個

由上可知，導流洞光面爆破掏槽孔6個，底孔11個，輔助孔67個。

3.8 炮孔的裝藥量計算

隧洞光面爆破裝藥量與裝藥線密度相關，根據(jù)隧洞圍巖及工程經(jīng)驗，本工程周邊孔線裝藥密度按0.15 kg/m計算，其余孔裝藥線密度可根據(jù)式(7)計算。

Qx=qEW(kg/m)

(7)

式中Qx裝藥集中度，kg/m；q為單位用藥量，kg/m3；除周邊孔外其余孔q取1.0 kg/m3；E為孔間距，m；W為最小抵抗線，m。

則，單孔裝藥量，Q=QxL(kg)。

經(jīng)計算導流洞Ⅲ類圍巖光面爆破參數(shù)見表1。

表1 每循環(huán)炸藥用量計算結果

4 試驗過程

4.1 試驗分組

本工程導流洞光面爆破試驗共分兩次進行，第一次試驗嚴格按照爆破設計參數(shù)進行；第二次試驗在第一次試驗基礎上周邊孔裝藥線密度降至0.14 kg/m，其余參數(shù)不變，同時周邊孔裝藥采用竹片間隔裝藥。

4.2 測量放樣

測量人員根據(jù)監(jiān)理工程師批復的爆破設計中爆破孔參數(shù)進行測量放樣[4]，放樣采用全站儀來完成。首先對掌子面浮渣進行清理以確保安全，放樣時先在掌子面上測量出開挖輪廓線并作出明顯標記。然后在使用紅色油漆標出所有孔位點，放樣完成后經(jīng)專業(yè)質量管理人員進行數(shù)據(jù)檢測，全部正確后進行鉆孔。

4.3 試驗實施

本工程光面爆破鉆孔采用YT-28手風鉆，鉆完后由現(xiàn)場質檢人員進行驗收。驗收合格后裝藥，并嚴格按照已批復爆破設計參數(shù)采用反向裝藥、反向起爆原則進行，即起爆藥卷置于孔底(可墊1～2個藥卷)，雷管和藥卷的聚能穴都朝向孔口，炸藥由孔底向孔口傳爆。為克服巖石對孔底的夾制作用，孔底段應加大線裝藥密度到2～5 倍，周邊孔及底孔需采用不耦合裝藥和非電毫秒雷管起爆，周邊孔外邊沿到開挖輪廓線的距離為5 cm，藥卷用竹片固定，并緊貼爆破方向。裝藥完成，采用導爆管起爆器進行起爆，起爆順序為：掏槽孔、 輔助孔 、底孔、周邊孔。

炮響完15 min，待爆破煙塵消散后，由炮工對工作面進行檢查，檢查內容包括有無盲炮，爆堆是否穩(wěn)定，有無懸石、危石，若發(fā)現(xiàn)有盲炮或其它情況時先進行處理，確定安全后方可進入下道工序人員對工作面進行施工。

5 爆破試驗效果檢查[5]

5.1 第一次試驗

第一次試驗未產(chǎn)生較大震動，通過對現(xiàn)場的檢查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場炮痕清楚，相鄰兩孔間巖面平整，孔壁有明顯爆震裂隙，有效進尺2.55 m。各截面超挖和半孔率檢測數(shù)據(jù)見表2。由表2 可見，本次爆破無欠挖，最大超挖量19.0 cm，最小超挖量0.3 cm，平均半孔率達79.7 %，隧洞超欠挖狀況及半孔率較前期爆破有一定程度的改進。

5.2 第二次試驗

第二次試驗未產(chǎn)生較大震動，圍巖穩(wěn)定無剝落，通過對現(xiàn)場的檢查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場炮痕清楚，相鄰兩孔間巖面平整，孔壁無爆震裂隙，有效進尺2.67 m。各截面超挖和半孔率檢測數(shù)據(jù)見表3，由表3可見，本次爆破無欠挖，最大超挖量7.4 cm，最小超挖量0.0 cm，平均半孔率達90.3 %，爆破效果與第一次試驗比改善很大取得預期效果。

5.3 試驗成果

本次光面爆破試驗取得預期效果，隧洞斷面成形規(guī)整，斷面基本符合設計要求，避免了因超、欠挖所帶來的附加工作量，對圍巖的穩(wěn)定性破壞較小，確保后期施工安全，隧洞表面平整光滑，通風阻力小，為隧洞支護、提高錨桿噴漿、噴射混凝土支護質量創(chuàng)造良好條件。

表2 第一次光面爆破各斷面檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表3 第二次光面爆破各斷面檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖3 第二次試驗光面爆破效果

6 結 語

地下洞室開挖光面爆破選擇科學合理的施工參數(shù)，周邊孔裝藥采用竹片間隔裝藥方式,有效減小爆破對洞內圍巖的影響,避免裂隙擴大和產(chǎn)生新的裂縫，提高了隧洞圍巖的穩(wěn)定性，能基本清除落石傷人事故，為快速施工提供了有利條件。同時，爆破成型開挖面規(guī)整，極大地減少了超挖數(shù)量和出碴工作量，加快了開挖速度，節(jié)省襯砌材料，減少施工成本，且可操作性強。筆者針對特大斷面地下洞室光面爆破參數(shù)計算及實施提出了切實可行的方法并予以實施,獲得了成功,可供類似工程借鑒。