大型地下水封石洞油庫(kù)工程洞室群中下層開(kāi)挖爆破方案試驗(yàn)研究

周 永 力， 趙 曉， 孫 海 江， 李 鵬

(1．中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)水電第七支隊(duì)，湖北武漢 430223;2．中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)水電第三總隊(duì)，四川成都 610036;3．長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北武漢 430010)

1 概述

某大型地下水封石洞油庫(kù)工程主要由主洞室群、豎井、水幕系統(tǒng)及施工巷道等組成，主洞室群洞室之間由連接巷道連通，其跨度為20m、高度為30m，為直邊墻圓拱洞，長(zhǎng)度在475～777m之間。洞室群頂部25m處設(shè)水幕系統(tǒng)，由注水巷道和水幕孔組成，覆蓋整個(gè)洞庫(kù)上方。該工程巖石以較完整的花崗片麻巖為主，巖體呈塊狀、層狀結(jié)構(gòu)，整體穩(wěn)定性較好，巖體等級(jí)以Ⅱ、Ⅲ類為主。

主洞室群中下層開(kāi)挖爆破具有施工環(huán)境十分復(fù)雜(多洞室平行施工及水幕注水條件施工等)、成型效果要求高、爆破振動(dòng)及損傷控制嚴(yán)格等特點(diǎn)。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，輪廓面若采用預(yù)裂爆破成型，可較好地控制主爆孔對(duì)保留巖體的損傷及爆破振動(dòng)影響，但其本身對(duì)洞室圍巖的損傷影響及預(yù)裂爆破在水封條件下成縫的難易程度等問(wèn)題都有待進(jìn)一步研究。輪廓面若采用光面爆破成型，則主爆孔爆破對(duì)保留巖體及高邊墻的振動(dòng)響應(yīng)和累積損傷較難控制。因此，在洞室群中下層爆破開(kāi)挖前期，主要進(jìn)行了“深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破”和“水平淺孔+光面爆破”試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合施工進(jìn)行了“深孔臺(tái)階+光面爆破”試驗(yàn)，以驗(yàn)證在主爆區(qū)采用深孔臺(tái)階爆破開(kāi)挖條件下兩種輪廓控制爆破方案對(duì)洞室群中下層開(kāi)挖的適用性。

2 中下層開(kāi)挖爆破方案試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)條件。

爆破開(kāi)挖試驗(yàn)段方案、部位及圍巖條件見(jiàn)表1。

表1 爆破試驗(yàn)段方案、部位及圍巖條件統(tǒng)計(jì)表

(2)試驗(yàn)參數(shù)。

對(duì)于深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破方案，主爆孔孔徑為90mm，孔距為2．5 ～3m;排距為2 ～2．5m，預(yù)裂孔孔徑76mm，孔距0．7m。爆破采用孔間微差起爆，高段雷管入孔、孔外低段雷管接力分段起爆。

對(duì)于水平淺孔+光面爆破方案，主爆孔孔徑為42mm，孔距為1 ～1．5m，排距為1．4 ～1．5m，光爆孔孔徑為42mm，孔距為0．5m。采用孔間微差起爆網(wǎng)路。

對(duì)于深孔臺(tái)階+光面爆破方案，爆破參數(shù)與預(yù)裂爆破相近，主要是起爆網(wǎng)絡(luò)有所差異。

(3)爆破成型效果。

圖1為不同爆破方案條件下爆破后輪廓面成型效果。

根據(jù)爆破后的觀察和測(cè)量得知，三種爆破方案的輪廓面成型效果較好，半孔率均大于80%，部分試驗(yàn)半孔率達(dá)90%以上，3m直尺檢查平整度小于15cm。相比之下，主洞室深孔臺(tái)階+光面爆破(或深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破)方案的半孔率、平整度優(yōu)于手風(fēng)鉆水平淺孔+光面爆破效果。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況得知，三種爆破方案的爆破成型效果均能滿足開(kāi)挖施工技術(shù)要求。

圖1 典型爆破試驗(yàn)輪廓面成型效果圖

3 不同爆破方案下洞室群開(kāi)挖爆破振動(dòng)特性分析

3．1 爆破振動(dòng)測(cè)試成果分析

爆破試驗(yàn)過(guò)程中典型爆破振動(dòng)波形圖及其頻譜圖見(jiàn)圖2～4。

圖2 深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破方案爆破試驗(yàn)典型振動(dòng)波形圖

圖3 水平淺孔+光面爆破方案爆破試驗(yàn)典型振動(dòng)波形圖

圖4 深孔臺(tái)階+光面爆破方案爆破試驗(yàn)典型振動(dòng)波形圖

由圖2～4可知，在近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)，三種爆破方案各段爆破振動(dòng)波形分離均較明顯;在相同爆心距條件下，水平淺孔+光面爆破方案的爆破振動(dòng)峰值要小于深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破及深孔臺(tái)階+光面爆破方案下的振動(dòng)峰值。

3．2 爆破振動(dòng)衰減規(guī)律分析

工程中通常采用以炸藥量和爆心距為主要影響因素的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)質(zhì)點(diǎn)峰值振速的衰減特性進(jìn)行描述，其表達(dá)式為:式中 ρ為比例藥量;K為與巖石性質(zhì)、爆破參數(shù)等有關(guān)的因子;α為振動(dòng)衰減系數(shù)。

將深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破、水平淺孔+光面爆破、深孔臺(tái)階+光面爆破三種爆破方案條件下主爆段爆破振動(dòng)衰減規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式列入表2中，并作峰值振速與1/ρ的關(guān)系曲線如圖5、6所示。

表2 三種爆破方案條件下爆破振動(dòng)衰減規(guī)律表

圖5 不同方向的爆破峰值振速與1/ρ的關(guān)系曲線圖

圖6 不同爆破方案條件下峰值振速與1/ρ的關(guān)系曲線圖

由圖5、6及表2知，水平淺孔+光面爆破方案的K值和α值最小，三種爆破方案中，水平淺孔+光面爆破方案的振速最小，但衰減最慢。由于單響藥量Q一定時(shí)，1/ρ與爆心距R正相關(guān)，在近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)，深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破、水平淺孔+光面爆破方案均為水平垂直洞軸線方向振速最大，深孔臺(tái)階+光面爆破方案為豎直向最大。從圖6中可以明顯看出，深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破和深孔臺(tái)階+光面爆破方案在近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)的峰值振速明顯大于水平淺孔+光面爆破方案。深孔臺(tái)階爆破兩種方案的水平垂直洞軸線方向的峰值振速衰減規(guī)律相差不大。而對(duì)于水平平行洞軸線方向及豎直向的峰值振動(dòng)，在單響藥量Q相同的情況下，深孔臺(tái)階+光面爆破方案在近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)峰值振速和衰減速度明顯要大于深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破方案。因此深孔臺(tái)階+光面爆破方案在近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)引起的爆破振動(dòng)最大，深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破方案次之，水平淺孔+光面爆破方案最小。

4 不同爆破方案下洞室群圍巖爆破影響深度分析

4．1 聲波檢測(cè)成果

(1)爆破試驗(yàn)之爆破前后聲波的檢測(cè)。

為比較深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破和水平淺孔+光面爆破方案對(duì)圍巖的松動(dòng)影響，在爆破試驗(yàn)過(guò)程中 進(jìn)行了多次聲波測(cè)試，分別見(jiàn)表3和表4。

表3 深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破方案爆破試驗(yàn)聲波測(cè)試成果表

表4 水平淺孔+光面爆破方案下爆破試驗(yàn)聲波測(cè)試成果表

(2)生產(chǎn)性開(kāi)挖爆后聲波檢測(cè)。

為了比較深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破和深孔臺(tái)階+光面爆破方案爆破對(duì)圍巖的松動(dòng)影響，在圍巖較好(均在Ⅱ類圍巖)的區(qū)域進(jìn)行了爆后聲波測(cè)試，分別見(jiàn)表5和表6。

4．2 聲波檢測(cè)的洞室群開(kāi)挖爆破擾動(dòng)評(píng)價(jià)

根據(jù)聲波測(cè)試結(jié)果，爆破試驗(yàn)區(qū)域聲波速度VP值在2800～6000m/s之間，大部分測(cè)線平均波速集中在4000～5000m/s之間，爆破前后試驗(yàn)區(qū)域邊墻巖體的聲波曲線均變化不大，松動(dòng)深度大都沒(méi)有加深。部分測(cè)孔的松動(dòng)圈范圍內(nèi)波速在爆破后有所降低，而松動(dòng)圈范圍外巖體波速基本無(wú)變化，這表明爆破對(duì)邊墻的影響主要表現(xiàn)在松動(dòng)圈范圍內(nèi)的巖石波速進(jìn)一步降低，對(duì)松動(dòng)深度范圍外的巖體沒(méi)有明顯影響。

4．3 不同爆破方案條件下洞室群爆破影響深度

比較

(1)深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破與水平淺孔+光面爆破方案比較。

兩種爆破方案對(duì)邊墻的影響主要表現(xiàn)在原有松動(dòng)圈范圍內(nèi)巖石波速進(jìn)一步降低。深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破方案邊墻巖體原有松動(dòng)圈內(nèi)平均波速下降最大為14．4%;而水平淺孔+光面爆破方案邊墻巖體原有松動(dòng)圈內(nèi)平均波速下降最大為12．5%。兩種爆破方案下爆破后松動(dòng)圈范圍內(nèi)聲波波速降低比例均未超過(guò)15%，表明爆破未造成邊墻圍巖破壞。但相比之下，水平淺孔+光面爆破爆破方案下爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響略小，且更容易控制。

(2)深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破與深孔臺(tái)階+光面爆破方案比較。

兩種方案聲波測(cè)試均在巖性較好(Ⅱ類圍巖)區(qū)域進(jìn)行，巖石聲波波速一般在4500～6000m/s之間。受爆破開(kāi)挖及卸荷影響，深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破方案爆破后邊墻巖體松動(dòng)深度最大為0．8m(投影到邊墻法線為0．79m);深孔臺(tái)階+光面爆破方案爆破后巖體松動(dòng)深度最大為0．6m(投影到邊墻法線為0．42m)。可見(jiàn)，深孔臺(tái)階+光面爆破方案下爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響略小，但總體而言，兩種方案下爆破影響深度均在可控范圍內(nèi)。5

表5 深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破方案爆破后聲波測(cè)試成果表

表6 深孔臺(tái)階+光面爆破方案爆破后聲波測(cè)試成果表

地下水封洞室群開(kāi)挖爆破方案的優(yōu)選

綜合爆破試驗(yàn)的開(kāi)挖效果、爆破振動(dòng)特性及爆破對(duì)圍巖深度影響分析，推薦在某大型地下水封石洞油庫(kù)洞室群中下層開(kāi)挖施工中采用深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破和水平淺孔+光面爆破方案相結(jié)合的方式進(jìn)行開(kāi)挖。具體推薦的爆破方案及孔網(wǎng)參數(shù)如下:

(1)深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破方案。

推薦采用全幅開(kāi)挖的方式，主爆孔2～3孔一響，控制最大單響起爆藥量不大于89kg，采用孔外接力起爆網(wǎng)路。炮孔布置及爆破網(wǎng)路見(jiàn)圖7，爆破參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破推薦方案爆破參數(shù)表

(2)水平淺孔+光面爆破方案。

根據(jù)爆破試驗(yàn)的效果，所采用的水平淺孔+光面爆破推薦方案的炮孔布置及起爆網(wǎng)絡(luò)如圖8所示，爆破參數(shù)如表8所示。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)采用上述三種爆破方案，輪廓面成型效果均較好，能夠滿足開(kāi)挖施工技術(shù)要求。相比之下，深孔臺(tái)階爆破的兩種方案中的半孔率、平整度優(yōu)于手風(fēng)鉆水平淺孔+光面爆破的效果。

(2)深孔臺(tái)階+光面爆破方案在近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)引起的爆破振動(dòng)最大，深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破方案次之，水平淺孔+光面爆破方案最小。

(3)“深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破”和“水平淺孔+光面爆破”方案對(duì)邊墻的影響主要表現(xiàn)在原有松動(dòng)圈范圍內(nèi)的巖石波速進(jìn)一步降低。兩種爆破方案下爆破后松動(dòng)圈范圍內(nèi)的聲波波速降低比例均未超過(guò)15%，表明爆破未造成邊墻圍巖的破壞。相比之下，水平淺孔+光面爆破方案下爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響略小且容易控制。比較深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破與深孔臺(tái)階+光面爆破方案下爆后的聲波測(cè)試結(jié)果可知:深孔臺(tái)階+光面爆破方案下爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響略小，但總體上兩種方案爆破影響深度均在可控范圍內(nèi)。

表8 水平淺孔+光面爆破推薦方案爆破參數(shù)表

圖7 深孔臺(tái)階+預(yù)裂爆破推薦方案炮孔布置、起爆網(wǎng)路及裝藥結(jié)構(gòu)圖

圖8 水平淺孔+光面爆破推薦方案炮孔布置及起爆網(wǎng)路圖

(4)深孔臺(tái)階爆破可用于某大型地下水封石洞油庫(kù)洞室群中下層開(kāi)挖，但輪廓面應(yīng)采用預(yù)裂或光面爆破并嚴(yán)格控制鉆孔精度、單段起爆藥量、藥包直徑及裝藥結(jié)構(gòu);水平小孔徑光面爆破產(chǎn)生的振動(dòng)較小，對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響較小，適合在巖體性質(zhì)較差或爆破振動(dòng)控制相對(duì)較嚴(yán)格的開(kāi)挖區(qū)域中采用;光面爆破時(shí)主爆破孔產(chǎn)生的振動(dòng)大于采用預(yù)裂爆破時(shí)主爆破孔的振動(dòng)，在地質(zhì)條件較好部位宜優(yōu)先采用預(yù)裂爆破方案。

［1］ 張正宇、張文煊，等，現(xiàn)代水利水電工程爆破［M］．北京:水利水電出版社，2003．