淺析地質條件對預裂爆破的影響

陳 迎 賓

(中電投云南國際密松建設分公司，云南 昆明 650228)

1 工程概況

四川寶興河水電站位于四川省雅安市寶興縣境內東河上，主要由攔河閘壩首部樞紐、引水系統和地下廠房樞紐三部分組成。地下廠房系統由主副廠房及安裝間、主變室(兼尾閘室)、母線洞、尾水系統、交通洞、通風洞、出線洞(兼排風洞)、排水洞等組成。主副廠房及安裝間開挖尺寸72×17.60×36.62 m(長×寬×高，下同)，布置有巖壁吊車梁；主變室開挖尺寸為68.0×14.6×6.7 m(長×寬×高)；

本區地下洞室群的巖石為非均質，軟硬不均，砂巖最大飽和抗壓強度為130 MPa，泥板巖的最小飽和抗壓強度為40 MPa。節理密集，平均節理線密度為1～2條/m，裂隙、隱性裂隙發育，本區地下洞室群的節理、層理、裂隙、斷層傾角一般為≥60°，為高傾角；走向與預裂面交角一般為30°～40°呈小銳角。

2 預裂爆破的主要特點及成縫機理

在寶興地下廠房直立面進行深孔臺階拉槽開挖時，為保證開挖質量，減少大面爆破對巖體的影響，首先在拉槽主爆區之前沿設計輪廓線先爆出一條具有一定寬度的貫穿裂縫，以緩沖、反射開挖爆破的振動波，以減少爆破其對洞室預留高邊墻巖體的破壞影響，避免超挖。采用預裂爆破同時對降低工程造價，保證施工安全，縮短施工工期也有較大的好處。

預裂縫面的形成是應力波和爆炸氣體壓力共同作用結果的理論。一般認為應力波的主要作用是在炮孔周圍產生一些初始的徑向裂縫，繼之，在爆炸高壓氣體準靜態應力的作用下，使徑向裂縫進一步擴展，當相鄰的兩個炮孔爆炸時，不論是同時起爆，或是存在著不同程度的時差，由于應力集中的緣故，沿炮孔的連心線方向首先出現裂縫，并且發展也最快。在爆炸氣體的壓力作用下，由于最長的徑向裂隙擴展所需的能量最小，所以該處的裂縫將首先得到擴展。因此，連心線方向也就成為裂縫繼續擴展的最優方向，而其它方向的裂縫發展甚微。從而保證了裂縫沿著連心線將巖體裂開。預裂爆破的主要技術要點為：(1)沿設計開挖輪廓線打一排較密的孔；(2)選用低猛度、低爆速，低密度、傳爆性能好，藥卷直徑小的炸藥；(3)采用不偶合裝藥結構；(4)周邊預裂孔同時起爆。

3 預裂爆破的設計和施工

3.1 預裂爆破設計參數確定

預裂爆破主要參數的影響因素復雜，很難從理論上得出一個完整無缺的解，有不少爆破工作者根據各自積累的經驗，針對幾個最主要的影響因素，歸納了一些經驗計算式，在這些計算式中，主要考慮線裝藥密度與巖石的抗壓強度，炮孔間距以及孔徑之間的關系，基本的形式是：

Q線=K[σ壓]α·[a]β·[d]γ

(1)

式中：Q線為炮孔的線裝藥密度，kg/m；σ壓巖石的極限抗壓強度，MPa；a為炮孔間距，m；d為炮孔直徑，m。K、α、β、γ均為系數。

這類計算公式，常見的有：

(1) 長委長江科學院提出的計算式

Q線=0.034[σ壓]0.63·[a]0.67

(2)

(2) 葛洲壩工程局提出的算式

Q線=0.367[σ壓]0.5·[d]0.86

(3)

(3) 武漢水利電力大學提出的計算式

Q線=1.27[σ壓]0.5·[a]0.84·[d/2]0.24

(4)

上述經驗公式，都受到在歸納整理這些公式所處條件的限制，只能在一定的范圍內使用，不能包羅萬象。在寶興水電站地下廠房直立面預裂爆破實施中采用了武水提出的計算公式，并實際試驗中進行了部分參數的修正，最后采取確定為：

Q線=1.22[σ壓]0.5·[a]0.70·[d/2]0.24

(5)

3.2 預裂爆破鉆孔的要求

鉆孔的機具根據炮孔的直徑和孔深來選用，一般情況下，直徑小于50毫米，深度在6米以內的孔，多采用手風鉆，孔徑在70 mm以上，孔深在6 m以上的深孔，則要采用潛孔鉆。在寶興電站廠房施工時采用孔徑70 cm，孔深10 m。在鉆孔時，進行嚴格的質量控制措施，允許的偏斜度控制在1度以內。由于巖面的不平整或鉆進的方向不是垂直，往往容易引起孔口的偏離，此時，可以采用人工撬鑿或用鉆機沖擊的方法，鑿出孔口位置，經檢測無誤后，才開始鉆進。

3.3 預裂爆破藥包加工的要求

用于預裂爆破的藥包，要能在鉆孔內均勻地連續分布。在實際施工中，大多須在現場加工制備，通常采用兩種方法：一是將炸藥裝填于一定直徑的硬質塑料管內連續裝藥，為了順利地引爆和傳爆，在整個管內貫穿一根導爆索。另一種是采用間隔裝藥，即按照設計的裝藥量和各段的藥量分配，將藥卷綁扎在導爆索上，形成一個斷續的炸藥串。由于每個孔的深度不一致，裝藥量也不同，因此，對于每一個孔應當分別準備各自的藥串，編上該孔的孔號，不能混淆，然后包扎好待用。經過現場試驗寶興電站地下廠房預裂爆破采用間隔裝藥的方式。

3.4 預裂爆破裝藥、堵塞和起爆的要求

為使炸藥爆炸時能夠獲得良好的不偶合效應，藥柱(或藥卷串)應置于炮孔的中心。為達此目的，可采用一種塑料制的膨脹聯結套將藥柱固定在炮孔中央。在我國的預裂爆破中，多半將藥卷串綁在竹片上，再插入孔中。對于垂直孔， 竹片應置于保留區的一側，對于傾斜的孔，竹片應置于孔的下側面。炸藥裝填好以后，堵塞之前先要用紙團等松軟的物質蓋在炸藥柱上，堵塞過程中，應注意使藥卷串保持在孔中央的位置上，不要因堵塞而將藥卷串推向孔邊。堵塞應密實，以防止爆炸氣體沖出，影響預裂效果。在預裂爆破中，采用導爆索起爆，效果較好。為減輕預裂爆破過程中的振動影響，采用了分段起爆的方式。

1—堵塞段；2—頂部減弱裝藥段；3—正常裝藥段；4—底部增強裝藥段圖1 裝藥示意圖

3.5 質量評定

在進行廠房直立面預裂爆破后對爆破參數的進行評價，主要是看預裂爆破的質量如何，是否形成了所要求的裂縫，對周圍的巖體有無損壞。在爆破區完全開挖清碴后，預裂面全部顯露出來，實際的開挖輪廓與設計開挖輪廓的差值為12厘米。預裂面上的半孔率(鉆孔的痕跡)可保留65%以上。預裂面上的巖體基本完整，沒有出現明顯的爆破裂隙。

4 地質條件對預裂爆破的影響

預裂爆破作為保護設計介質的一項控制爆破技術，在我國已得到廣泛的應用，在預裂爆破設計和機理研究方面取得了許多成果，但是地質條件對欲裂爆破的影響研究較少。本文研究主要針對不同的地質條件對預裂爆破影響進行了有限的分析和探索。

通過在爆破前對地質條件的鉆探和研究，以及爆破試驗對爆破參數不斷修正，對不同的地質條件采用不同的爆破參數，地下廠房直立面的預裂爆破取得了基本成功。通過分析，地質條件對預裂爆破影響有以下幾個特點：

(1)巖石愈完整愈均勻則愈有利于預裂爆破，非均質、破碎和多裂隙的巖層則不利于預裂爆破，特別是巖石的層理產狀、裂隙發育程度、裂隙的主要方向對預裂爆破效果的影響較大；本區地下洞室群的巖石為非均質，軟硬不均，砂巖最大飽和抗壓強度為130 MPa，泥板巖的最小飽和抗壓強度為40 MPa，開挖后，預裂縫能形成，并貫穿到孔底，但一出碴，反鏟一鉤，預裂面坍塌，不穩巖塊沿滑移面滑移，預裂面凹凸不平。

(2)巖石孔隙率、裂隙率大，將會使開挖巖面不平整度增加，造成超挖；巖石裂隙率大于5%時，很難形成預想得裂縫，開挖邊緣的巖石遭到強烈破壞，形成超挖。當裂隙率在5%～1.5%時，采用小孔距預裂爆破可以收到較好的效果。本區裂隙率在3%～7%，從主廠房預裂開挖看，裂隙率大的地方預裂效果較差，裂隙率小的地方預裂效果較好.

(3)高傾角裂隙的預裂壁面不平整度比中等傾角(45°～60°)的裂隙小的多。走向平行于預裂縫得裂隙比橫穿過預裂縫的裂隙對預裂爆破得影響要小。與預裂線平面交叉成銳角的裂隙，最有可能促使壁面不平整和超挖；本區地下洞室群的節理、層理、裂隙、斷層傾角一般為≥60°，為高傾角；走向與預裂面交角一般為30°～40°呈小銳角，通過對對預裂面觀察看，凹凸不平，壁面不平整，存有超挖，預裂爆破效果較差。

5 結 語

寶興水電站地下廠房雖然規模不大，主廠房高邊墻只有36 m高，但是部分區域地質條件較差，高邊墻開挖還是有一定的難度。為減少大面拉槽爆破對洞室預留高邊墻巖體的破壞影響，避免超挖，同時保證施工安全，在開挖實施過程中不斷優化調整爆破參數，控制鉆孔及裝藥質量，通過對不同的地質條件采用不同的爆破參數，基本上取得了預想的效果。事實表明，巖石愈完整預裂爆破效果愈好；裂隙率越小預裂爆破效果越好；高傾角裂隙的預裂壁面不平整度要小；走向與預裂線平面交叉成銳角的裂隙，預裂爆破后壁面不平整度高，容易形成超挖。通過本次地質條件對預裂效果的影響進行的有限分析和探索，為以后類似工程實施提供一些參考和借鑒。