輝長(zhǎng)巖基坑開(kāi)挖復(fù)合消能爆破技術(shù)

趙銀超

(中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

水利水電工程大壩壩基具有開(kāi)挖工程量大、質(zhì)量要求高的特點(diǎn)。經(jīng)國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期工程實(shí)踐后，目前常用的建基面開(kāi)挖方法為保護(hù)層分層爆破開(kāi)挖、水平預(yù)裂爆破開(kāi)挖、水平光面爆破開(kāi)挖、垂直孔柔性墊層微差爆破開(kāi)挖[1-3]。但這些開(kāi)挖方法均存在工序復(fù)雜、速度慢、效率低、成本高、管理協(xié)調(diào)難度大的缺點(diǎn)，如何在保證建基面開(kāi)挖質(zhì)量的前提下盡可能提高施工速度和效率成為了目前水利水電工程建設(shè)中亟需破解的難題。白鶴灘水電站壩基開(kāi)挖過(guò)程中，盧文波[4-5]、嚴(yán)鵬[6-7]等學(xué)者研發(fā)了用于豎直炮孔的聚-消能復(fù)合墊層并進(jìn)行了首次應(yīng)用研究，后該技術(shù)成功推廣應(yīng)用于舟山綠色石化基地、深圳赤灣地鐵項(xiàng)目、南公1水電站等工程。工程應(yīng)用中相關(guān)研究人員對(duì)復(fù)合消能結(jié)構(gòu)以及爆破參數(shù)的組合進(jìn)行了多種嘗試，并取得了相關(guān)研究成果。但由于不同工程的壩基地質(zhì)條件不同，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有在輝長(zhǎng)巖建基面開(kāi)挖中的研究案例。論文結(jié)合TB水電站工程壩基輝長(zhǎng)巖地質(zhì)特性，決定采用復(fù)合消能爆破技術(shù)。復(fù)合消能爆破是安裝一種特殊的復(fù)合消能結(jié)構(gòu)，通過(guò)特定型式的消能結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)爆炸沖擊波能量往裝藥段巖體聚集，實(shí)現(xiàn)相鄰孔間巖體的充分破碎，從而達(dá)到節(jié)省爆破成本和提高工作效率的目的。在國(guó)內(nèi)已有研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)合消能爆破技術(shù)開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及進(jìn)一步的應(yīng)用研究。

1 工程概況

云南TB水電站位于云南省迪慶州維西縣中路鄉(xiāng)境內(nèi)，擋水建筑物采用碾壓混凝土重力壩，壩頂高程1 740.00 m，壩頂長(zhǎng)477.00 m，最大壩高158.00 m。

TB水電站大壩河床壩段壩基高程分別為1 582、1 590 m，其中9～10號(hào)壩段壩基高程為1 590 m，11～15號(hào)壩段壩基高程為1 582 m，壩基全長(zhǎng)134.60 m，總寬133.6 m。

壩址區(qū)出露地層為第四系(Q)覆蓋層和印支期基性侵入體吉岔輝長(zhǎng)巖(V51)及二疊系上統(tǒng)下段(P2a)，以吉岔輝長(zhǎng)巖(V51)的分布范圍較廣。吉岔輝長(zhǎng)巖(V51)呈灰綠、暗綠色，局部呈灰白色，細(xì)粒-中粒狀，碎裂、碎粒、粒狀它形-半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。區(qū)內(nèi)輝長(zhǎng)巖沿瀾滄江出露寬度約為3.0 km，西側(cè)與二疊系上統(tǒng)下段(P2a)呈侵入接觸，邊界多呈波狀；東側(cè)與侏羅系中統(tǒng)(J2h2)地層呈斷層接觸。分布于壩址兩岸及河床地帶。壩址基巖巖性單一，均為輝長(zhǎng)巖，其弱風(fēng)化巖石飽和抗壓強(qiáng)度平均值為69.7 MPa，微風(fēng)化至新鮮巖石飽和抗壓強(qiáng)度平均值為71.4 MPa，屬堅(jiān)硬巖。第四系(Q)按成因類(lèi)型分為殘坡積物、崩坡積物、地滑堆積物、崩積物、沖洪積物。區(qū)內(nèi)崩坡積物分布較廣，由塊石、碎石及粉質(zhì)粘土組成，厚度一般為5～25 m，主要分布在壩址兩岸的緩坡地帶。

2 復(fù)合消能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

復(fù)合消能爆破應(yīng)用前，需先選取巖性與建基面類(lèi)似的非結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)重要性較低的開(kāi)挖面開(kāi)展爆破試驗(yàn)，研究最有利于實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖快速成型并達(dá)到開(kāi)挖要求和效果的爆破參數(shù)。需要確定的主要參數(shù)為：復(fù)合消能爆破層梯段高度、炮孔間排距、炸藥單耗、超鉆深度、復(fù)合消能結(jié)構(gòu)等。

2.1 試驗(yàn)規(guī)劃

試驗(yàn)區(qū)選擇原則是根據(jù)臨空面的巖石出露情況，選擇無(wú)明顯薄弱夾層或破碎帶、巖體結(jié)構(gòu)較為完整、原生及次生構(gòu)造盡可能少的區(qū)域。TB水電站所在區(qū)域滿足上述條件，故試驗(yàn)選擇在TB水電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。

TB水電站河床壩段壩基高程為1 582、1 590 m，從設(shè)計(jì)單位提供的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)分析，右岸壩段壩基開(kāi)挖至1 600 m高程以下時(shí)，基巖基本已經(jīng)整體出露，且?guī)r性與建基面巖性較為接近，故決定在右岸1 600～1 596 m高程間設(shè)置1個(gè)爆破層，并將開(kāi)挖面分為4個(gè)區(qū)塊。各區(qū)塊分別按照1.5 m×2.0 m、2.0 m×2.0 m、2.5 m×2.5 m、3.0 m×3.0 m進(jìn)行布孔，調(diào)整單孔裝藥量，控制各試驗(yàn)塊爆破單耗基本一致(為前期總結(jié)的在本工程條件下較為適宜的爆破單耗值)，并通過(guò)分段聯(lián)網(wǎng)，保證爆破最大單響符合設(shè)計(jì)技術(shù)要求且數(shù)值接近。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，確定出最適宜的爆破參數(shù)。規(guī)劃試驗(yàn)區(qū)分區(qū)參數(shù)表如表1所示。

表1 規(guī)劃試驗(yàn)區(qū)分區(qū)參數(shù)表

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形、地質(zhì)情況和復(fù)合消能爆破試驗(yàn)的目的，對(duì)于不同的試驗(yàn)區(qū)，分別采取不同的鉆孔間排距和裝藥結(jié)構(gòu)(連續(xù)裝藥和間隔裝藥)，以控制爆破單耗基本位置一致。詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)孔爆破參數(shù)表

2.2 試驗(yàn)施工流程

爆破試驗(yàn)施工流程為：爆破設(shè)計(jì)→技術(shù)交底→測(cè)量放樣→鉆機(jī)就位→造孔→驗(yàn)孔檢查→鋪設(shè)柔性墊層→安裝復(fù)合消能結(jié)構(gòu)→裝藥聯(lián)網(wǎng)→爆破(振動(dòng)數(shù)據(jù)采集)→場(chǎng)地清理→爆效檢查(平整度檢測(cè)、爆破振動(dòng)測(cè)試、爆破損傷程度檢測(cè))。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)平整度檢測(cè)、爆破振動(dòng)測(cè)試、爆破損傷程度檢測(cè)的數(shù)據(jù)分析，得出如下成果：

1)平整度上，試驗(yàn)Ⅰ區(qū)(3.0 m×3.0 m)在平整度不佳，超欠挖較嚴(yán)重，試驗(yàn)區(qū)2、3、4的在平整度檢查時(shí)效果佳，在建基面的允許超欠挖量?jī)?nèi)且數(shù)值相近；

2)爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度測(cè)試中，試驗(yàn)區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的測(cè)量值均滿足設(shè)計(jì)要求(<10 cm/s)；

3)爆破損傷程度檢測(cè)中，試驗(yàn)區(qū)Ⅰ爆破損傷衰減率6.28%≤10%，損傷最低，試驗(yàn)Ⅱ區(qū)(2.5 m×2.5 m)爆破損傷衰減率6.4%≤10%，試驗(yàn)Ⅲ區(qū)(2.0 m×2.0 m)爆破損傷衰減率7.19%≤10%，試驗(yàn)Ⅳ區(qū)(1.5 m×2.0 m)爆破損傷衰減率8.98%≤10%，各試驗(yàn)區(qū)爆破損傷衰減率均滿足設(shè)計(jì)要求但試驗(yàn)區(qū)Ⅳ區(qū)(1.5 m×2.0 m)爆破損傷衰減率接近臨界值，難以控制，因此不予選取。

根據(jù)以上成果數(shù)據(jù)分析，結(jié)合爆后效果、爆破損傷、施工進(jìn)度、成本等因素，試驗(yàn)區(qū)Ⅱ、Ⅲ的爆破參數(shù)都滿足要求。因此建議在基坑建基面大面積開(kāi)挖時(shí)，爆破參數(shù)按表3選用。

表3 建基面復(fù)合消能爆破參數(shù)

3 TB水電站建基面開(kāi)挖復(fù)合消能爆破

3.1 復(fù)合消能爆破參數(shù)

TB水電站河床壩段壩基高程為1 582、1 590 m，其中右岸9～10號(hào)壩段建基面高程1 590 m，左岸11～15號(hào)壩段建基面高程1 582 m，10號(hào)壩段與11號(hào)壩段之間存在一道坡比1∶1，根據(jù)復(fù)合消能爆破試驗(yàn)成果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)挖情況，并咨詢(xún)了白鶴灘水電站復(fù)合消能爆破專(zhuān)家意見(jiàn)，綜合考慮后，確定左岸11～15號(hào)壩段預(yù)留保護(hù)層厚度5 m，即開(kāi)挖高程1 587～1 582 m，右岸9～10號(hào)壩段預(yù)留保護(hù)層厚度6 m，即開(kāi)挖高程1 596～1 590 m。采用復(fù)合消能爆破，分塊一次性開(kāi)挖完成。11～15號(hào)壩段保護(hù)層因無(wú)臨空面，故在13～14號(hào)壩段之間先開(kāi)挖一道先鋒槽，槽深4.8 m，槽底高程1 582.20 m，底寬8 m，頂寬10 m。最終確定的建基面復(fù)合消能爆破保護(hù)層開(kāi)挖分塊圖如圖1所示。考慮右岸9～10號(hào)壩段保護(hù)層厚度更厚，選用2 m×2 m間排距布孔，左岸11～15號(hào)壩段選用2.5 m×2.5 m間排距布孔，其余爆破參數(shù)、消能結(jié)構(gòu)均與爆破試驗(yàn)參數(shù)一致。

圖1 建基面復(fù)合消能爆破保護(hù)層開(kāi)挖分塊圖

3.2 復(fù)合消能爆破質(zhì)量控制要點(diǎn)

1)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔。在鉆孔前，由測(cè)量隊(duì)利用施工測(cè)量控制網(wǎng)，按照爆破設(shè)計(jì)圖進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放樣，并根據(jù)實(shí)際開(kāi)孔面高程確定鉆孔孔深，控制孔位的間排距誤差滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。鉆孔前將放樣點(diǎn)周?chē)謇砀蓛簦阢@機(jī)就位后，嚴(yán)格按照放樣的參數(shù)(孔徑、間距、孔深、角度)進(jìn)行鉆孔，爆破鉆孔直徑為φ115 mm。在造孔過(guò)程中，重點(diǎn)控制鉆桿角度，必須垂直鉆孔，采用吊錘線或測(cè)量角度儀進(jìn)行測(cè)量校正，以保證孔深便于測(cè)量精度。鉆孔時(shí)開(kāi)孔點(diǎn)與孔位標(biāo)識(shí)誤差不大于5 cm?？咨畈辉试S欠鉆，超深不大于0.15 m。當(dāng)孔深達(dá)到設(shè)計(jì)孔深后，應(yīng)盡可能進(jìn)行多次沖洗，確?？妆跓o(wú)泥渣，以便在放置消能鋼球時(shí)不受阻。已完成的鉆孔，孔位的巖粉和積水予以清除，孔口應(yīng)加以保護(hù)；因堵塞無(wú)法裝藥的鉆孔，予以掃孔或重新鉆孔。

2)鋪設(shè)柔性墊層。根據(jù)記錄的放樣數(shù)據(jù)和驗(yàn)孔數(shù)據(jù)，確定復(fù)合消能結(jié)構(gòu)的安裝高程(確保在同一高程面)，并相應(yīng)計(jì)算各個(gè)爆破孔實(shí)際需要鋪設(shè)的緩沖層厚度。緩沖層材料可以使用人工砂、河砂或鉆孔巖屑，采用與孔徑相同的容器盛放緩沖層材料倒入孔內(nèi)以便于厚度控制。

3)安裝復(fù)合消能鋼球。本工程爆破鉆孔直徑為φ115 mm，選用的消能鋼球?yàn)棣?00 mm，消能鋼球要求在柔性墊層上放置，同時(shí)需要保證復(fù)合消能結(jié)構(gòu)的中心在建基面高程。

4)裝藥聯(lián)網(wǎng)和起爆。各造孔驗(yàn)收合格和安裝復(fù)合消能結(jié)構(gòu)完成后，按照爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行裝藥和聯(lián)網(wǎng)，爆破網(wǎng)路采用毫秒微差起爆系統(tǒng)，網(wǎng)路總起爆采用電子雷管。聯(lián)網(wǎng)時(shí)采用根據(jù)最大單響要求控制聯(lián)網(wǎng)分段(見(jiàn)圖2)，本工程按照設(shè)計(jì)技術(shù)要求，控制最大單響藥量不超過(guò)50 kg。

圖2 爆破網(wǎng)路聯(lián)網(wǎng)分段圖

3.3 復(fù)合消能爆破效果

爆破基礎(chǔ)面清理后，按壩段進(jìn)行了爆破建基面平整度以及預(yù)留巖體爆破損傷深度(聲波衰減)的爆破效果檢測(cè)。

1)平整度檢測(cè)。由表4的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，建基開(kāi)挖面起伏差較小，能滿足設(shè)計(jì)不大于15 cm的要求。

表4 9～15號(hào)壩段平整度檢測(cè)成果表

2)爆破損傷程度檢測(cè)。大壩建基面以Ⅲ1類(lèi)及以上巖體為主，Ⅲ1類(lèi)巖體孔深1.0～15.0 m聲波平均波速不小于4 400 m/s、孔深0～1.0 m聲波平均波速不小于3 900 m/s。通過(guò)對(duì)爆前、爆后波速變化率及變化率的范圍大小，判斷分析爆破對(duì)預(yù)裂坡面保留巖石的影響深度和影響程度。檢測(cè)成果如表5所示。結(jié)果表明，平均波速滿足設(shè)計(jì)要求，建基面聲波衰減率滿足設(shè)計(jì)要求(≤10%)。

表5 建基面巖體爆破影響聲波測(cè)試成果表

TB水電站建基面的開(kāi)挖總開(kāi)挖量約17.61萬(wàn)m3，主爆孔總鉆孔量約34 580 m，實(shí)際累計(jì)耗時(shí)16 d(含先鋒槽開(kāi)挖)，相比水平預(yù)裂爆破節(jié)約工期19 d。綜合分析可得：復(fù)合消能爆破開(kāi)挖速度為水平預(yù)裂爆破的2倍以上，具有明顯的施工進(jìn)度優(yōu)勢(shì)，能極大縮短基坑開(kāi)挖的施工工期，為實(shí)現(xiàn)大壩基礎(chǔ)墊層混凝土如期澆筑提供有利條件。

3.4 輝長(zhǎng)巖復(fù)合消能爆破分析

由表2分析可知輝長(zhǎng)巖的爆破中，試驗(yàn)孔的孔距和排距等參數(shù)對(duì)爆后效果的影響極大，其中孔距和排距在2.0～2.5 m之間，單耗在0.72～0.75 kg/m3之間效果最好。

分析表5中的數(shù)據(jù)，在建基面0.00～1.00 m以?xún)?nèi)，輝長(zhǎng)巖的爆前波速在4 260～4 940 m/s內(nèi)變化，而爆后波速在4 020～4 452 m/s內(nèi)變化。在聲波速度>4 100 m/s下，巖體呈塊狀或次塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面輕微發(fā)育-中等發(fā)育，延展性差，多閉合，巖體呈微風(fēng)化-新鮮狀態(tài)。巖體力學(xué)特性各方向的差異不顯著[8]?？芍x長(zhǎng)巖在復(fù)合消能爆破后波速變化范圍小，且平均波速滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)輝長(zhǎng)巖硬度比一般巖石更硬、強(qiáng)度更高，鉆孔過(guò)程中對(duì)鉆頭磨損更大；且輝長(zhǎng)巖較脆，爆破質(zhì)量更難控制。

2)復(fù)合消能爆破技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于垂直炮孔底部布置的復(fù)合消能結(jié)構(gòu)，其由球形消能墊塊和柔性墊層組成。通過(guò)球形消能墊塊上、下表面反射應(yīng)力波、柔性墊層變形緩沖以及球形消能墊塊自身的變形破壞過(guò)程，消耗爆轟能量，減小爆破對(duì)垂直孔孔底的影響。

3)采用復(fù)合消能爆破技術(shù)，能有效控制孔底損傷即基巖內(nèi)部的振動(dòng)，有利于保護(hù)建基面巖體，且可獲得與水平光爆或水平預(yù)裂爆破相當(dāng)?shù)慕ɑ骈_(kāi)挖成型效果。

4)采用垂直孔復(fù)合消能爆破技術(shù)進(jìn)行TB水電站建基面的開(kāi)挖，開(kāi)挖速度為水平預(yù)裂爆破的2倍以上。復(fù)合消能爆破技術(shù)加快了開(kāi)挖施工進(jìn)度，直接和間接經(jīng)濟(jì)效益明顯。