深孔預裂爆破技術在塔貝拉項目取水口邊坡開挖中的應用

向 越，李 連 超

(中國水利水電第七工程局有限公司 國際工程公司，四川 成都 610081)

1 工程概述

塔貝拉水電站位于巴基斯坦印度河干流，其四期擴建工程的主要施工內容為引水發電系統的建設，其由取水口、引水發電隧洞、壓力鋼管群及主副廠房等組成。新建取水口位于大壩右岸壩肩山體上游側，最大開挖高度為113 m，設計馬道為15 m一層。具有高邊坡開挖、深孔預裂爆破等特點。取水口開挖集中于右岸山體。根據地質勘探結果可知：在開挖區域內，絕大部分巖石為輝綠巖，其極限抗壓強度σ壓=100～150 MPa，堅固性系數f為10～15級。

2 爆破施工方案

在該工程中，進行爆破施工方案設計時需要特別考慮以下幾個影響因素：

(1) 開挖施工區域位于大壩右岸壩肩，臨近現有兩條灌溉隧洞的閘門啟閉操作系統以及大壩監測設備的建筑設施，為了保證相關精密儀器設備不受損害，對爆破震動必須嚴格控制；

(2) 合同技術條款要求將開挖形成的邊坡不平整度必須控制在20 cm之內；

(3) 開工不久，項目部即與業主簽訂了趕工協議，工期縮短了近一年時間，需要提高施工進度。

出于對以上三個因素進行有效控制的目的，同時結合項目部現有可利用機械設備的情況，最終決定采用阿特拉斯T-35液壓鉆機造孔、一次預裂形成15 m高邊坡面的爆破施工方案。

3 爆破參數

3.1 預裂孔深度

預裂孔深度需根據現場實際高程確定。為了減少邊坡坡腳處欠挖的處理量，預裂孔亦需考慮超深。

預裂孔深度計算公式：

L=H/sinα+h

(1)

式中L為預裂孔深度；H為開孔處實際高程與下一級馬道設計高程的差值；α為設計坡面角，α=76°；h為預裂孔超深，m，取h為0.5 m。

3.2 預裂孔直徑

根據既定施工方案，鉆孔設備采用阿特拉斯T-35液壓鉆機，鉆頭直徑為78 mm，所得預裂孔直徑d=80 mm。

3.3 預裂孔間距

預裂孔間距的確定需要從爆破施工所在地的地質情況、使用的炸藥種類及其性能、裝藥的結構等各方面綜合考慮。該工程采用瑞典蘭格弗爾思(Larfuerth)給出的經驗公式進行計算：

a/d=7～12

(2)

式中a為預裂孔間距；d=80 mm；a/d一般在巖石較破碎、強度較低時取小值；在巖石完整性好、強度高時取大值。根據該工程實際地質情況，取a/d=10，可得a=800 mm。

3.4 預裂孔炸藥的選擇

由于取水口三面臨水，在開挖到庫區水位線以下之后(混凝土圍堰擋水)，豐富的地下水加上水庫蓄水帶來的靜水壓力，使預裂孔造孔過程中極有可能遇到裂隙滲水(實際開挖過程中確實普遍存在)，故在炸藥的選擇上需要考慮其抗水性能。最終采用了適宜于預裂爆破的小直徑、低爆速乳化炸藥，藥卷規格為φ32×500 mm×490 g。

3.5 不耦合系數m

不耦合系數在控制爆破中是一個很重要的參數。選擇適宜的不耦合系數，能夠起到保護爆破的完整度、防止龜裂、減少裂隙以及保持巖體穩定性的作用，在預裂孔或周邊眼內，一般取值范圍為2～4；在孔距較小的情況下一般取大值，在巖石抗壓強度較大時，一般取小值。

m=d/de

(3)

式中d=80 mm；de為預裂孔乳化炸藥藥卷直徑，de=32 mm；計算可得，不耦合系數m=2.5。

3.6 預裂孔線裝藥密度

線裝藥密度是單位長度炮孔的平均裝藥量，采用經驗公式：

Qx=0.188aσ0.5

(4)

式中Qx為預裂孔線裝藥密度；a=800 mm；σ為巖石極限抗壓強度，根據實際情況取σ=1 200 kgf /cm2； 將所取值代入上述經驗公式可得：Qx=521 g/m。

3.7 預裂孔孔底加強藥量

在該工程中，預裂孔屬于深孔，孔底的挾制力大，為了保證預裂孔之間的貫穿撕裂效果，考慮將孔底一定范圍內的線裝藥密度進行加強，結合類似預裂孔爆破工程的實踐經驗，取底部加強藥量的孔深為1.5 m ,加強藥量為該孔常規線裝藥量的2倍。

3.8 預裂孔封堵長度

預裂孔堵塞長度一般取L1=(12～20)d，如果封堵段過短，容易導致孔口被爆破產生的高壓氣流掀抬，形成爆破漏斗；如果封堵段過長，則可能無法形成預裂縫，根據實踐經驗、同時綜合以上因素考慮，取L1=15d=1 200 mm。

4 預裂爆破施工

4.1 測量放樣

在實際進行的預裂爆破施工過程中，鉆機工作平臺凹凸不平，導致開孔的高程不盡相同，故通過測量放樣確定開孔線位置以及鉆孔深度是一項重要的基礎工作。進行測量放樣前，需要將工作面清理干凈，每一個放樣點用紅油漆(或者其他不容易損毀的標記方式)工整地標示在基巖表面，同時，在旁邊標明鉆孔深度，最后用編織袋或水泥袋將標記點覆蓋保護，進行鉆孔施工時再逐個掀開。

4.2 鉆孔深度及角度的控制

鉆孔角度的控制好壞與預裂面是否能達到設計要求直接掛鉤，既使是僅有1°之差，經過15 m左右的孔深放大之后給坡面帶來的欠挖或超挖能達到近30 cm，因此，為了避免鉆孔過程中出現角度偏差，需要多次對角度進行校正。在該工程鉆孔施工過程中的校正標準為：鉆頭入巖10 cm左右時進行第一次校正，鉆頭入巖100 cm左右時進行第二次校正，鉆頭入巖150 cm左右時進行第三次校正，往后選擇每鉆進200 cm進行一次角度校正，直至成孔。成孔后，需要檢查孔深是否與測量放樣的要求深度一致，確認孔深達到要求后用編制袋或軟紙板妥善封堵孔口，以免出現塌孔、殘孔、廢孔等影響爆破效果的現象。

4.3 裝藥和堵塞

裝藥即是將炸藥按設計的線裝藥密度均勻地分布在炮孔中，在該項目中的具體操作方法可簡述如下：為了減小爆破對設計坡面的影響，同時，為了將炸藥按設計要求進行布置，該項目使用竹片做為輔助工具。首先將導爆索用膠布綁定在竹片內側，然后將炸藥按設計線裝藥密度均勻地綁定在竹片同側(在此過程中，需要確保導爆索與炸藥緊密貼合)，綁炸藥時需要注意以下兩點：(1)在孔底1.5 m范圍內采用連續裝藥結構以滿足加強裝藥的要求，其它位置采用分散裝藥結構，均勻分布即可；(2)乳化炸藥呈膠凝狀，需要在藥卷兩端分別用膠布綁定以防其滑落。炸藥綁扎完畢、將竹片內側(綁有炸藥的一側)朝向邊坡的正對立面方向緩緩地插入預裂孔中，并使竹片外側貼住孔壁，即完成裝藥。

預裂孔堵塞一般選用編織袋和細砂配合使用，先將編織袋用炮棍塞入孔中，隨即將細砂倒入并用炮棍搗實以增大堵塞材料與孔壁的摩擦力，避免出現沖孔等現象。

根據爆破參數設計，預裂孔裝藥結構見圖1。

4.4 起爆網絡的設計

在該工程中，采用導爆索、非電塑料導爆管雷管、8#工業火雷管組成非電微差起爆網絡。起爆順序為：預裂孔→主爆孔→緩沖孔。其起爆網絡見圖2。

5 預裂爆破效果及影響因素分析

圖1 預裂孔裝藥結構簡圖

圖2 起爆網絡示意圖

爆破完成后，進行了現場檢查及測量，其結果如下：

(1)預裂面巖體整體平整度較好，實際呈現坡度與設計要求相符；

(2)預裂面平整度控制在20 cm以內，大面符合設計要求，但個別區域欠挖集中；

(3)預裂面半孔較為清晰，半孔數量為25個，預裂孔總數為30個，半孔率為83.3%，發現一處“剪刀孔”；

(4)整個預裂邊坡無裂縫，碎石掉落較少，受爆破影響小，其穩定性得到了保證。

從預裂爆破效果看，爆破設計中各項參數的設置比較合理，爆破施工整體達到了預期目的，但存在欠挖集中問題以及“剪刀孔”現象，應引起重視。經現場勘察得知：欠挖集中區域位于個別預裂孔底部，主要產生原因有兩點：第一是鉆孔深度不夠，導致預裂面底部欠挖；第二是成孔后保護措施不到位，導致泥沙和鉆孔時帶出的石渣回填入孔底，影響了爆破效果而造成欠挖。對于在預裂面發現的一處“剪刀孔”，經分析認為：“漂鉆”是其主要形成原因。“漂鉆”是鉆桿隨孔深加長而被壓彎或鉆頭遇到地質界面受力不均勻并隨巖面滑移后產生的一種現象。此外，如果鉆機滑架在鉆孔過程中位置移動也可能導致這種現象的發生。上述兩種問題在使用預裂爆破技術開挖時比較常見，一旦發生，即容易造成設備、人力資源的浪費，最重要的是影響施工進度，這一點對工期緊張的項目來說無疑是巨大的損失，所以，必須加強對施工過程的質量控制，避免此類問題的重復發生。

6 對預裂爆破施工的幾點建議

6.1 合理運用爆破設計

爆破設計一般是根據工程所在地的地質情況結合技術標準編制出來的，其雖然具有普遍性，但不是百分之百的適用。在遇到特殊地質條件時(一般通過實地勘察、鉆機鉆進速度的異常變化、查看被鉆機帶出的孔渣等方式方法可做出判斷)，應結合實際情況對設計進行適當的調整(例如：遇到軟巖、破碎巖、裂隙帶等低強度地質情況時，應降低裝藥量或調整裝藥結構，而對特別堅硬的巖石，應考慮適當加大藥量或減小孔間距)，把“死”的設計用“活”，才能使爆破達到預期的理想效果。

6.2 有效控制鉆孔質量

高質量的鉆孔施工不僅是實施一次成功爆破的必要條件，并且在提高預裂面的平整度、減少超欠挖、提高施工效率等方面也起著重要作用。可以將鉆孔施工的幾個關鍵點簡述如下：第一，做好鉆孔前的準備工作，清面徹底、放樣精準；第二，把控鉆孔過程，主要是對角度、深度的控制；第三，有效保護成孔。只有將以上三個關鍵因素一把抓，才能夠切實提高鉆孔合格率，為下一步爆破施工提供基礎保障。

6.3 提高鉆爆施工人員的專業素質

鉆爆施工的過程是一個連鎖反應的過程，任何一個步驟出現差錯都可能導致失敗的結果。在整個過程中，“人”的因素起著主導作用，所以，若要做好鉆爆施工的質量控制，就必須先從提高鉆爆施工相關人員專業素質入手。對于技術員以及質檢員，應該經常組織其進行相關的施工技術規范學習；對于現場施工人員、操作手，要多進行專業技能和實際操作培訓，并且對一切學習及培訓都應實行考核制度、制定獎懲措施，對實際操作技術好、專業素質過硬的人員進行獎勵，對考核不合格的人員應給予一定的懲罰或更換崗位，鼓勵相互競爭、相互學習、相互提高，通過建立員工憂患意識，提高員工整體的專業素質，最終達到控制鉆爆施工質量的目的。