巴勒水電站壓力鋼管段輪廓爆破成型技術(shù)研究

阮國府

(中國葛洲壩集團易普力股份有限公司,重慶 401121)

0 引言

隨著溫室氣體對全球氣候影響加劇,開發(fā)利用清潔能源,特別是水能資源被很多國家作為實現(xiàn)清潔能源規(guī)劃發(fā)展的重要組成部分,水利工程開發(fā)涉及大量基礎(chǔ)輪廓成型開挖,輪廓爆破成型是影響施工質(zhì)量、施工進度、施工安全的關(guān)鍵技術(shù)之一。在長期的工程實踐中,預(yù)裂爆破技術(shù)作為一種經(jīng)濟高效的邊坡成型控制技術(shù),已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到邊坡輪廓成型開挖中[1-3]。保護層控制開挖方法,如傳統(tǒng)的保護層分層開挖、水平預(yù)裂開挖等[4-5],也在工程實踐中大量應(yīng)用,但是傳統(tǒng)分層開挖施工工序間干擾大、進度慢且施工工序繁瑣,難以滿足施工進度與施工質(zhì)量的客觀矛盾。吳新霞等[6]提出的大孔徑復(fù)合墊層開挖保護層的方法可以減少爆破對孔底的影響,但是,此方法僅能減少孔底爆破損傷情況,對于基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角等處輪廓成型不利;朱亮、張翔宇、盧文波、劉濤等[7-11]提出的聚-消復(fù)合墊層爆破方法、節(jié)理裂隙發(fā)育對輪廓成型模擬分析等為輪廓成型提供了相關(guān)理論及技術(shù)依據(jù)。

巴勒水電站涉及高緩邊坡輪廓成型工程量大、混凝土基礎(chǔ)輪廓爆破成型類型多等難題,常規(guī)控制爆破技術(shù)在進行邊坡輪廓爆破成型開挖后,爆破有害效應(yīng)擾動保留巖體完整性,特別是原生節(jié)理裂隙發(fā)育、巖性交錯發(fā)育等地質(zhì)條件下,導致后續(xù)基礎(chǔ)輪廓開挖后出現(xiàn)邊坡輪廓成型不平整度、半孔率等超標?；诖?輪廓爆破成型施工技術(shù)成為制約壓力鋼管段施工進度、施工質(zhì)量、施工成本的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 工程背景

1.1 工程概況

巴勒水電站位于馬來西亞人口稀薄的沙撈越西南區(qū)域熱帶雨林中,壩型為混凝土面板堆石壩,壩高188.0 m,填筑體積為2 525萬m3,裝機容量為1 285 MW,是馬來西亞沙撈越州2030清潔能源計劃中的重點工程項目之一。壓力鋼管段需開挖土石方238.5萬m3,計劃14個月完成,時間安排為：2021年5月1日-2022年6月30日,月平均強度17.0萬m3。輪廓爆破成型工程量詳見表1。

表1 輪廓爆破成型工程量

1.2 工程難點

(1)輪廓爆破成型工程量大,開挖強度高。土石方開挖月均強度為17.0萬m3,各類型輪廓爆破成型面積達4.04萬m2,開挖工期只有14個月,涉及大量土石方開挖、支護施工,實際輪廓爆破開挖施工時間較短,需制定詳實施工工序銜接計劃,確保各工序施工按計劃推進。

(2)輪廓爆破成型質(zhì)量要求高。壓力鋼管段開挖質(zhì)量關(guān)系著后期壓力鋼管安全運行,特別是對于爆破破碎圈影響范圍控制,因此,必須確保輪廓爆破成型質(zhì)量。因基礎(chǔ)作業(yè)面狹窄,人工及機械二次處理效率低下,無法滿足施工進度要求,輪廓爆破成型應(yīng)盡量減少機械二次處理工程量。

(3)各工序交叉施工,施工銜接、協(xié)調(diào)難度大。

2 輪廓成型爆破方案

2.1 緩傾斜邊坡輪廓快速成型爆破技術(shù)

壓力鋼管段緩傾斜邊坡的設(shè)計開挖坡比為1∶1.5,自上而下、分區(qū)分層進行爆破。結(jié)合現(xiàn)場施工條件,采用深孔預(yù)裂輪廓成型爆破技術(shù)結(jié)合微差爆破技術(shù),確保緩傾斜邊坡輪廓一次成型。綜合考慮施工工期、工序循環(huán)時間、支護開挖銜接等,垂直分層高度8.0 m,預(yù)裂鉆孔孔深15.5 m,緩沖孔平行于預(yù)裂孔,孔深15.5 m,梯段孔深2.0～8.0 m。水平方向單次預(yù)裂爆破單元長度30 m,單次鉆爆循環(huán)時間3 d。緩傾斜邊坡水平方向長117.0 m,每層共計四個鉆爆循環(huán),垂直方向共計約19個循環(huán),鉆爆作業(yè)循環(huán)時間228 d ,鉆爆作業(yè)實際工期小于計劃工期360 d,邊坡輪廓成型施工進度滿足總體施工進度要求。

2.1.1 爆破參數(shù)設(shè)計

(1)布孔設(shè)計

緩傾斜邊坡坡比為1∶1.5,預(yù)裂鉆孔鉆傾角為33.4°,綜合考慮到鉆孔深度、鉆孔傾角等,選用QYB100型潛孔鉆機鉆孔,孔徑90 mm,鉆孔傾角調(diào)整為34°～35°,巖石以砂巖為主時鉆孔傾角取34°,巖石以頁巖、泥巖為主時鉆孔傾角取35°。通常情況下,邊坡輪廓爆破成型,緩沖孔平行于預(yù)裂孔進行布置,但是本項目邊坡過緩,傾斜鉆孔施工效率低至5～7 m/h,無法滿足施工進度需要,因此,預(yù)裂爆區(qū)緩沖孔采用階梯式布孔方式,典型布孔見圖1。

圖1 典型預(yù)裂布孔斷面

(2)參數(shù)設(shè)計

預(yù)裂孔距根據(jù)經(jīng)驗公式確定為0.8～1.2 m,根據(jù)爆破巖體條件進行調(diào)整,節(jié)理裂隙發(fā)育處預(yù)裂孔距取小值,巖體完整部位取大值。預(yù)裂孔線裝藥密度根據(jù)經(jīng)驗公式進行理論計算,然后,對理論參數(shù)進行生產(chǎn)性爆破試驗,確定為0.25～0.38 kg/m,砂巖部位取0.38 kg/m,頁巖及泥巖部位取0.30 kg/m,節(jié)理裂隙發(fā)育部位取0.25 kg/m,預(yù)裂孔單段藥量控制在15 kg以下。

緩沖孔及主爆孔采用逐孔微差爆破技術(shù),緩沖孔單段藥量控制在15 kg以下,單耗按松動爆破進行控制,按0.25～0.30 kg/m3進行設(shè)計。主爆孔為防止后沖及為緩沖孔提供充足爆破膨脹空間,單耗按減弱拋擲爆破進行控制,按0.30～0.35 kg/m3進行設(shè)計,單段藥量控制在50 kg以下。

(3)裝藥結(jié)構(gòu)

預(yù)裂孔采用φ32 mm乳化藥卷不耦合間隔裝藥,底部加強段長度1.8 m,正常裝藥段長度10.7 m,減弱段長度1.0 m,堵塞長度2.0 m,典型預(yù)裂裝藥結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 典型預(yù)裂裝藥結(jié)構(gòu)示意

緩沖孔采用φ55 mm乳化藥卷不耦合連續(xù)裝藥,堵塞長度為孔深1/3～1/2。主爆孔采用φ80 mm藥卷連續(xù)裝藥,堵塞長度3.0～3.5 m。

(4)爆破網(wǎng)路

預(yù)裂爆破時起爆順序為預(yù)裂孔先于其他孔起爆,預(yù)裂孔超前100 ms起爆,每段之間間隔時間17 ms。緩沖孔和主爆孔孔間延期時間35～45 ms,排間延期時間55～70 ms,確保爆破震動不對邊坡產(chǎn)生破壞。典型爆破網(wǎng)路見圖3。

圖3 典型爆破網(wǎng)路示意

2.1.2 爆破參數(shù)驗證

對爆破設(shè)計參數(shù)在不同巖性部位進行生產(chǎn)性爆破試驗,試驗結(jié)果見表2。

表2 爆破參數(shù)驗證情況

在預(yù)裂爆破后方保留巖體,距離爆源預(yù)裂設(shè)計邊線5 m位置設(shè)置爆破震動監(jiān)測點,爆破震動速度監(jiān)測結(jié)果顯示,最大震動速度4.67 cm/s,小于控制標準5 cm/s,爆破參數(shù)設(shè)計滿足爆破震動控制要求。

2.1.3 爆破效果分析

爆破后,對邊坡進行分層開挖清理,邊坡預(yù)裂面輪廓成型質(zhì)量良好,經(jīng)檢測統(tǒng)計分析,殘孔率在98%以上,綜合半孔率達到92%,大于90%控制指標,剔除地質(zhì)因素影響,平均不平整度僅11.3 cm,小于設(shè)計要求的15 cm。單次鉆爆循環(huán)時間平均2.5 d,滿足施工進度要求。經(jīng)生產(chǎn)試驗證明,深孔預(yù)裂輪廓爆破成型技術(shù)結(jié)合微差爆破技術(shù)可以有效解決緩傾斜邊坡快速輪廓成型施工難題。

2.2 混凝土基礎(chǔ)輪廓快速成型爆破技術(shù)

壓力鋼管段混凝土基礎(chǔ)輪廓成型采用周邊孔預(yù)裂爆破、中間掏槽模式施工,出現(xiàn)轉(zhuǎn)角處超欠挖不可控,二次處理工程量大,不滿足施工進度要求。在巖性交錯發(fā)育、節(jié)理裂隙發(fā)育地帶超欠挖超標,導致后續(xù)工序施工成本增加?；诖?從預(yù)裂爆破成縫機理出發(fā),周邊孔采用間隔不耦合裝藥,緩沖孔采用PVC管軸向不耦合裝藥,主爆孔采用微差爆破技術(shù),孔底采用空氣間隔柔性爆破技術(shù),既控制爆破裂隙破壞范圍,又確?；炷粱A(chǔ)輪廓快速施工成型。

2.2.1 爆破參數(shù)設(shè)計

經(jīng)綜合考慮現(xiàn)場施工設(shè)備、爆破效果、施工進度等因素,預(yù)裂孔、緩沖孔和主爆孔采用cm351潛孔鉆機鉆孔,爆破參數(shù)見表3。

表3 混凝土基礎(chǔ)輪廓爆破成型參數(shù)

混凝土基礎(chǔ)輪廓成型周邊孔采用預(yù)裂爆破,預(yù)裂爆破采用φ32 mm乳化藥卷,緩沖孔采用φ55 mm巖石乳化炸藥,掏槽孔采用φ88 mm乳化炸藥,典型緩沖孔裝藥結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 緩沖孔裝藥結(jié)構(gòu)示意

預(yù)裂孔線裝藥密度設(shè)計為0.25～0.30 kg/m。緩沖孔用φ55 mm乳化藥卷進行連續(xù)不耦合裝藥,單耗按0.25 kg/m3進行控制。掏槽孔用φ80 mm乳化藥卷連續(xù)裝藥,單耗控制在0.40 kg/m3。

預(yù)裂孔采用導爆索進行串聯(lián),單段藥量不大于10 kg,每段延期時間17 ms,超前緩沖孔和掏槽孔100 ms激發(fā)。緩沖孔和掏槽孔孔內(nèi)下400 ms高精度導爆管雷管,孔外用25 ms和42 ms高精度導爆管雷管微差爆破網(wǎng)路。

2.2.2 爆破效果分析

通過對不同地質(zhì)條件下混凝土基礎(chǔ)輪廓爆破成型采用差異化爆破參數(shù),按地質(zhì)條件變化進行參數(shù)優(yōu)化,爆破開挖后,對混凝土基礎(chǔ)輪廓成型效果進行檢測發(fā)現(xiàn),除一個混凝土基礎(chǔ)因地質(zhì)條件原因發(fā)現(xiàn)順向滑坡,導致邊坡垮塌外,其余混凝土基礎(chǔ)周邊半孔率在85%以上。底板超欠挖平均16.5 cm,滿足底板超欠挖20 cm要求,僅有兩個基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角處存在少量欠挖處理,其余基礎(chǔ)經(jīng)清理后,可直接進行混凝土澆筑工序。經(jīng)生產(chǎn)性爆破試驗驗證,周邊孔采用預(yù)裂輪廓成型,緩沖孔采用PVC管軸向不耦合裝藥,孔底采用空氣柔性間隔,可以有效確?；炷粱A(chǔ)輪廓爆破開挖成型,降低爆破震動對保留巖體損傷同時大幅降低二次處理時間。

2.3 多輪廓成型控制爆破技術(shù)

水平馬道與鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)位于緩傾斜邊坡下方,先完成緩傾斜高邊坡輪廓成型,緩傾斜邊坡開挖完成后,進行水平馬道及鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)輪廓成型開挖。水平馬道與鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)輪廓成型工程量大、輪廓成型較為復(fù)雜、受緩傾斜邊坡爆破震動影響大,導致水平馬道“溜角”、寬度不足等問題,嚴重影響后續(xù)施工進度、施工安全、施工形象。緩傾斜邊坡開挖完成后,水平馬道及鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)輪廓爆破成型采取同時施工、一次爆破多輪廓成型控制爆破技術(shù),確保施工進度、施工質(zhì)量等滿足要求。

2.3.1 爆破參數(shù)設(shè)計

水平馬道采用大孔徑小梯段預(yù)裂爆破技術(shù),鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)采用了孔底柔性空氣間隔聯(lián)合預(yù)裂及梯段微差控制爆破技術(shù),取消原計劃的預(yù)留0.2～0.3 m保護層,采取機械配合人工方式進行基礎(chǔ)清底,大幅提升了施工效率。水平馬道鉆孔作業(yè)應(yīng)隨工作面下降而進行鉆孔作業(yè),待鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)完成鉆孔作業(yè)后,完成爆破施工作業(yè)。水平馬道輪廓爆破設(shè)置預(yù)裂孔、輔助爆破孔,預(yù)裂孔采用φ90 mm孔徑,φ32 mm乳化炸藥不耦合間隔裝藥結(jié)構(gòu),線裝藥密度為0.25 kg/m;輔助爆破孔采用φ50 mm乳化炸藥不耦合裝藥結(jié)構(gòu),單耗控制0.2 kg/m3,預(yù)裂單段藥量控制在10 kg以下,輔助爆破孔單段藥量10 kg以下,預(yù)裂孔超前于主爆孔100 ms起爆,分段延時大于50 ms。鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)預(yù)裂孔采用φ90 mm孔徑,φ32 mm乳化炸藥不耦合間隔裝藥結(jié)構(gòu),線裝藥密度為0.30 kg/m;緩沖孔采用φ50 mm乳化炸藥不耦合裝藥結(jié)構(gòu);主爆孔采用φ80 mm乳化炸藥連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu);緩沖孔和主爆孔孔底填塞0.2～0.3 m巖屑,控制孔底破碎圈范圍。預(yù)裂單段藥量控制10 kg以下,緩沖孔和主爆孔單段藥量控制在15 kg以下,預(yù)裂孔超前于主爆孔起爆,不少于100 ms,緩沖孔和主爆孔孔間延時不少于40～50 ms,排間延時不少于60～70 ms。

2.3.2 爆破效果分析

爆破完成后,對水平馬道及鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)進行清渣并取點進行測量之后,鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)除少量轉(zhuǎn)角部分需進行機械處理外,大部分輪廓成型質(zhì)量滿足施工要求。水平馬道剔除地質(zhì)條件導致整體滑移外,基本未出現(xiàn)垮塌或溜角現(xiàn)象,可以滿足后續(xù)施工要求。

3 輪廓成型施工過程控制

3.1 鉆孔質(zhì)量控制

(1)工作面清理。工作面清理應(yīng)選用大小合適的挖機,不宜大于2.0 m3,清理至基巖為止。必要時利用高壓風或高壓水對工作面進行清理,并確保預(yù)裂工作面大于1.0 m。

(2)預(yù)裂點放樣。利用RTK沿設(shè)計邊線按要求對預(yù)裂孔點位、方位角進行放點,當工作面存在起伏時,應(yīng)對預(yù)裂點位進行調(diào)整。放樣完畢,用紅漆在點位標記,標記點不大于1 cm,并用石塊或其他材料對點位進行保護。

(3)預(yù)裂鉆孔施工。預(yù)裂鉆孔施工前對鉆孔施工設(shè)備檢查,是否存在鉆桿彎曲,穩(wěn)定器是否磨損嚴重等。鉆孔過程中在0 m、0.5 m、1 m、2 m處對傾角和方位角進行校正,發(fā)現(xiàn)問題及時進行糾偏,并做好鉆孔記錄。

3.2 爆破質(zhì)量控制

(1)爆破人員培訓。施工前,對參與爆破施工的作業(yè)人員進行培訓,對施工過程中的技術(shù)要點、操作要點進行培訓,培訓完成后對參與人員進行考核,考核合格方可從事作業(yè)。

(2)爆破施工過程嚴格按照設(shè)計參數(shù)進行施工,若現(xiàn)場條件發(fā)生變化,應(yīng)經(jīng)爆破技術(shù)人員同意后,方可調(diào)整裝藥量。

3.3 邊坡開挖控制

邊坡開挖應(yīng)選擇大小適宜的挖機,一般不應(yīng)大于1.5 m3,操作人員操作技能應(yīng)嫻熟。先按設(shè)計邊線0.5～1.0 m范圍以外對大方量巖土進行挖裝;然后沿預(yù)裂縫順層開挖,嚴禁對邊坡進行硬挖,導致邊坡超挖。開挖過程中應(yīng)有專人監(jiān)控。

4 結(jié)論

在巴勒水電站壓力鋼管段輪廓爆破開挖成型過程中,針對不同類型輪廓成型開挖要求,結(jié)合現(xiàn)場實際條件,分別采用了不同的控制爆破開挖技術(shù),經(jīng)過精細化施工組織和現(xiàn)場生產(chǎn)性爆破試驗,壓力鋼管段高緩傾斜邊坡、壓力鋼管混凝土基礎(chǔ)、水平馬道及鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)等輪廓成型質(zhì)量在滿足施工進度要求下,施工效率大幅提升,取得了顯著經(jīng)濟效益和社會效益,結(jié)論如下：

(1)深孔預(yù)裂輪廓爆破成型技術(shù)結(jié)合微差爆破技術(shù)在緩傾斜高邊坡爆破開挖中取得了良好的輪廓成型效果,尤其是施工過程緩傾斜邊坡預(yù)裂鉆孔質(zhì)量控制,防止出現(xiàn)鉆孔方向偏移。經(jīng)過統(tǒng)計分析,預(yù)裂孔半孔率達到85%以上,不平整度控制在15 cm以內(nèi),后續(xù)施工的水平馬道及鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)開挖過程中未發(fā)現(xiàn)爆破次生裂隙延伸,滿足設(shè)計施工要求。

(2)通過對不同地質(zhì)條件下混凝土基礎(chǔ)輪廓爆破成型采用差異化爆破參數(shù),按地質(zhì)條件變化進行參數(shù)優(yōu)化,周邊孔采用預(yù)裂輪廓成型,緩沖孔采用PVC管軸向不耦合裝藥,孔底采用空氣柔性間隔,混凝土基礎(chǔ)周邊半孔率在85%以上,底板超欠挖平均16.5 cm,可以有效確?；炷粱A(chǔ)輪廓爆破開挖成型,降低爆破震動對保留巖體損傷同時降低二次處理時間,提升施工效率。

(3)針對多輪廓成型施工,采用大孔徑小梯段預(yù)裂爆破技術(shù),鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)采用孔底空氣柔性間隔聯(lián)合預(yù)裂及梯段微差控制爆破技術(shù),可以有效解決小斷面爆破開挖輪廓成型控制難題。