長甸水電站全排孔水下巖塞爆破施工技術淺析

焦忠帥

(中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 沈陽 110179)

1 引 言

在引水工程進水口開挖施工過程中，水下巖塞爆破施工技術在國內外已被廣泛應用。水下巖塞爆破是一種干擾較小、適用性強、比較經濟的施工技術。在國外，水下巖塞爆破施工技術比較早地應用于小洞徑和爆破規模較小的工程[1]。與國外相比，我國的水下巖塞爆破施工技術發展較晚，直至20世紀70年代，我國的水下巖塞爆破施工技術才逐步發展起來[2]。雖然我國水下巖塞爆破施工技術起步較晚，但經過近幾十年來不斷的鉆研與工程實踐，在爆通進水口成型、設計方法、藥室布置、爆破藥量及爆后巖渣處理措施等方面都有所創新，并取得了令人滿意的效果，積累了大量的施工經驗[3]。

2 工程概況

長甸水電站改建工程位于遼寧省丹東市，主要由進水口、發電廠房、引水隧洞、尾水系統、閘門井、壓力管道等組成，總裝機容量200MW。引水式水電站進水口位于水下約60m，采用巖塞爆破形成進水口，與水平夾角為43°，巖塞體呈圓臺形，巖塞體直徑10～14.6m，擴散角10°，巖塞體厚12.5m，厚徑比為1.25。巖塞體下方是一個半徑6.5m、長7.0m的圓形斷面、襯砌混凝土厚度60cm的連接段。氣墊式斜坡集渣坑長73.0m、寬11.0m、高13.0～31.94m[4]。進水口巖塞體布置情況見圖1。

圖1 進水口巖塞體示意 (單位:cm)

3 施工要點

3.1 施工關鍵點

a.沿進水口中軸線方向開挖形成中導洞，中導洞直徑3.5m，深6.0m。

b.在已開挖的中導洞末端，距巖塞體迎水側形成一個小巖塞，小巖塞直徑3.5m，厚6.5m。

c.嚴格控制起爆網路的起爆時間，先采用密孔裝藥爆破貫通小巖塞，再逐層依次由內向外順序爆破大巖塞。

d.采用光面爆破法起爆周邊孔，并根據開挖輪廓面情況，及時調整起爆順序和線裝藥量等。

3.2 施工重點

a.進水口開挖工期較短，且巖塞體爆破位置水深、水頭高，有效控制工期是施工重點之一。

b.巖塞體爆破在一個比較狹小的場地內施工，同時存在較多的空間交叉作業和高空作業，施工過程中安全管控是施工重點之一。

c.進水口中軸線與水平方向成43°夾角，導致巖塞鉆孔向上的傾角較大，施工精度要求也較高，如鉆孔方向、鉆孔深度等。爆破裝藥及炮孔堵塞也存在一定的難度，確保施工質量是施工重點之一。

3.3 施工難點

a.巖塞體厚12.5m，巖塞直徑10.0～14.6m，屬于大直徑、超厚巖塞。直徑3.5m，深6.0m的中導洞施工作業空間太小，如何保證巖塞貫通是施工的難點之一。

b.作業面距迎水面的水庫較近，施工時多存在滲水、淋水、潮濕、空氣污濁等現象，確保施工作業環境滿足施工作業要求是施工的難點之一。

c.閘門井作為施工通道，大部分施工材料和設備需要人工搬運，工作效率較低，如何降低勞動強度、保證工作效率是施工的難點之一。

4 施工方法比選及施工參數介紹

4.1 巖塞爆破方式比選

水下巖塞爆破施工方式主要有3種：洞室爆破法、全排孔爆破法及前兩者相結合的爆破方法[5]。其中，洞室爆破法是將炸藥安放在開挖巖塞體形成的洞室內進行爆破的施工方法，這種爆破方法具有拋擲能力強、起爆網路簡單、裝藥較集中等優點，但爆破洞室距離迎水面較近，爆后孔口形狀不易控制，爆破振動影響范圍較大，施工安全條件較差。全排孔爆破法是一種類似全斷面鉆孔爆破的施工技術，具有施工安全、爆破振動影響范圍小、破裂邊線易控制、爆后巖塊均勻、機械操作方便等特點。洞室、排孔相結合的爆破方式充分利用洞室爆破法和排孔爆破法各自的特點，并將兩種爆破方法相結合，這種方法已成功地應用于橫錦水庫、汾河水庫等工程施工過程中，積累了一定的經驗[6]。

通過對以上3種水下巖塞爆破施工方式的比較可知，洞室爆破法和全排孔爆破法都是可行的。鑒于全排孔爆破法比洞室爆破法爆后巖塞成型好、單響藥量小、對周邊建筑物爆破影響小、施工安全等優點，因此，選用全排孔爆破方法進行施工。迄今為止，長甸水電站改建工程巖塞爆破是國內最大的全排孔水下巖塞爆破工程[7]。

4.2 巖塞爆破施工程序

水下巖塞爆破施工程序見圖2。

圖2 巖塞爆破施工程序

4.3 巖塞爆破參數設計

4.3.1 鉆孔

采用YQ100B型潛孔鉆機施鉆爆破孔，成孔直徑為90mm，先鉆設周邊孔，再施鉆主爆孔。施工時，嚴格按照成孔直徑鉆設小巖塞的炮孔和周邊孔。為確保大巖塞體上大直徑深孔裝藥，可適當地增大鉆孔直徑。

4.3.1.1 孔向、孔深的控制

鉆機施鉆前，要勻速緩慢進行鉆進，鉆進過程中不少于2次檢查方位角，若發現偏差及時糾正、調整鉆孔方向。結合鉆孔孔口樁號、探孔情況、探孔深度等因素確定鉆孔深度，并利用鉆桿長度控制鉆孔深度，鉆進過程中要準確記錄鉆桿根數，用卷尺量測最后一根鉆桿剩余長度并做好標識。在距孔底約2m時，鉆機鉆進速度要逐步放慢，隨時觀測施工作業面滲水量的變化和巖性的變化，若出現問題及時停止施鉆。鉆孔深度誤差應小于10cm，孔底誤差應小于10cm，炮孔的開口誤差應小于5cm。

4.3.1.2 主爆孔施工

根據施工作業面情況和巖石性質，將主爆孔按三環布置。其中，主爆孔的最外側一環鉆孔外傾角略小于周邊孔的外傾角、鉆孔方向與周邊孔基本保持平行；中間一環主爆孔外傾角略小于最外側孔的外傾角、鉆孔方向與最外側主爆孔基本平行；最內側一環主爆孔外傾角略小于中間一環主爆孔外傾角、鉆孔方向與中間一環主爆孔基本平行。

4.3.1.3 周邊孔施工

為便于控制輪廓線爆后成型，在每個周邊孔布設后視點，并利用后視樣架上后視點的投影來確定鉆孔方向。為滿足孔位要求，在鉆孔過程中要及時調整鉆機角度。除中導洞區域炮孔外，其余的巖塞體鉆孔調整鉆機角度時，均利用后視樣架做后視點進行調控。周邊孔采用光面爆破，孔底間距約0.91m，孔口間距約0.65m，線裝藥密度500～1000g/m。

4.3.2 火工材料

選用抗水乳化炸藥，在水深60m情況下，浸泡10天后φ32的成品卷裝乳化炸藥和φ60的成品卷裝乳化炸藥的爆破力不低于320mL、爆速不低于4500m/s、猛度達到16～18mm。

導爆索確保能安全起爆乳化炸藥，在水深60m情況下，浸泡10天后水下爆速不低于6000m/s。

雷管選用高精度導爆管雷管和數碼雷管，在水深60m情況下，浸泡10天后保證能夠安全傳爆、起爆炸藥。

4.3.3 孔底抵抗線

爆破孔底抵抗線按1.5m進行控制，施工過程中根據地質缺陷、滲漏水情況等增大孔底抵抗線，但應控制在1.5～2.0m。

4.3.4 水下單耗藥量

水下爆破單耗藥量與水深、覆蓋層厚度、水下炸藥爆破力降低系數、爆破臺階高度、正常爆破單耗藥量等有關。施工時受地質條件、滲漏水、鉆孔偏差等影響有可能導致孔底鉆孔困難或者裝藥不到位，必須增大單耗藥量以保證巖塞爆通。經計算并綜合考慮，水下爆破平均單耗藥量按2.04kg/m3確定。

4.3.5 孔底距離迎水面距離

在保證施工安全、不漏水的情況下，孔底距離迎水面距離為1.5m，施工過程中可根據實際情況進行調整，可控制在1.0～2.0m之間。

4.3.6 巖塞爆破炮孔布置

小巖塞爆破炮孔主要布置在E、G、H、J圈位上，共布置32個炮孔；空孔布置在F圈位上，共布置6個炮孔；大巖塞爆破炮孔主要布置在K、L、M圈位上，共布置65個炮孔；周邊孔布置在N圈位上，共布置48個炮孔；小巖塞和大巖塞爆破鉆孔直徑均為90mm，選用φ60乳化炸藥；周邊孔鉆孔直徑為90mm，選用φ32和φ60深水乳化炸藥。

爆破炮孔布置情況見表1，巖塞炮孔布置見圖3。

表1 爆破炮孔布置特性

4.4 裝藥結構設計

選用φ32和φ60兩種規格的賽能系列抗水乳化炸藥。其中，φ32乳化炸藥長度為20cm、重量為0.2kg，φ60乳化炸藥長度為45cm、重量為1.5kg。

4.4.1 周邊孔爆破裝藥

周邊孔分奇數孔和偶數孔進行裝藥，選用φ32和φ60的乳化炸藥。其中，奇數孔在孔底連續裝1.4m的φ60乳化炸藥后，改用φ32乳化炸藥間隔一節裝藥、裝藥長度為8.0m，剩余孔段為堵塞段，奇數孔單孔藥量10.0kg；偶數孔在孔底連續裝1.0m的雙節φ32乳化炸藥后，改用φ32乳化炸藥間隔裝藥、裝藥長度為7.6m，剩余孔段為堵塞段，偶數孔單孔藥量6.0kg。周邊孔爆破總裝藥量為384kg。

4.4.2 小巖塞爆破裝藥

小巖塞鉆孔長度為5.0m，其中連續裝藥長度為3.15m、堵塞長度為1.85m，采用φ60乳化炸藥，單孔裝藥量10.5kg，總裝藥量為336kg。

4.4.3 大巖塞爆破裝藥

大巖塞炮孔布置在K、L、M圈上，鉆孔長度為11.0m，其中K圈連續裝藥長度為8.1m、堵塞長度為2.9m，L、M圈連續裝藥長度為9.0m、堵塞長度為2.0m。均采用φ60乳化炸藥，K圈單孔藥量27kg、總裝藥量為405kg，L、M圈單孔藥量30kg、總裝藥量為1500kg。

4.4.4 雷管位置

在炮孔孔口處、孔底處均布置1發高精度導爆管雷管和1發電子雷管，其中孔口處采用正向起爆，孔底處采用反向起爆。

4.5 起爆網路設計

巖塞爆破成敗的關鍵在于起爆網路設計，在施工時起爆順序、起爆時間要規范化和標準化，確保起爆網路安全起爆。起爆順序為：先起爆小巖塞形成中間貫通，進而利用形成的臨空面起爆大巖塞，最后起爆周邊孔形成巖塞體輪廓形狀。

巖塞爆破起爆網路布置情況見表2，高精度非電復式起爆網路見圖3，數碼雷管復式起爆網路見圖4。

巖塞爆破起爆網路系統起爆時差設計如下：

a.小巖塞掏槽孔起爆時差設計。小巖塞第E圈：1025ms；小巖塞第G圈：1142ms、1159ms、1176ms、1193ms；小巖塞第H圈: 1242ms、1259ms、1276ms、1293ms；小巖塞第J圈: 1342ms、1359ms、1376ms、1393ms。

表2 起爆網路布置特性

b.大巖塞爆破孔起爆時差設計。大巖塞第K圈：1434ms、1451ms、1468ms和1142ms、1459ms、1476ms、1493ms；大巖塞第L圈：1534ms、1551ms、1568ms、1585ms、1602ms和1542ms、1559ms、1576ms、1593ms、1610ms；大巖塞第M圈：1634ms、1651ms、1668ms、1685ms、1702ms、1719ms、1736ms和1642ms、1659ms、1676ms、1693ms、1710ms、1727ms、1744ms。

c.周邊光面孔起爆時差設計。周邊光面孔第N圈：孔共48孔，4孔一段，共分12段，起爆時間分別為1734ms、1751ms、1768ms、1785ms、1802ms、1819ms和1742ms、1759ms、1776ms、1793ms、1810ms、1827ms。

4.6 巖塞充水與補氣

根據爆破原理要求，在巖塞爆破前需進行巖塞充水與補氣。巖塞充水與補氣前，需待起爆網路和巖塞體裝藥完成且檢查無誤后方可進行。利用水泵泵送水源經已鋪設的鋼管至閘門井頂部后自流到集渣坑內，為縮短充水時間向水庫方向鉆設進水孔，使水庫水自流進入集渣坑內。同時，為確保巖塞起爆網路不被水淹沒且水位達到設計要求，必須進行補氣加壓工作。補氣時利用空壓機通過風管供給壓縮空氣。實施時要隨時跟蹤監測充水和補氣的情況，當水位和氣壓達到設計要求時，即可停止。

圖4 數碼雷管復式起爆網路示意

4.7 爆破安全復核

4.7.1 閘門井爆破安全復核

根據爆破引起地面質點振動公式復核閘門井巖塞爆破時是否安全，公式為:

v=k(R/Q1/3)-a

(1)

式中v——爆破振動速度，cm/s；

k——介質系數；

R——與爆破中心的距離，m；

Q——爆破單響藥量，kg；

a——爆破振動衰減指數。

根據爆破振動效應傳播規律和前期試驗實測數據統計分析得，水平平行洞軸線方向時，a=1.04、k=33；水平垂直洞軸線方向時，a=1.04、k=25；鉛垂方向時，a=1.20、k=36。巖塞體爆破中心距離閘門井距離R=200m，最大爆破單響藥量Q=90kg。

經計算得，爆破振動速度最大值v=0.64cm/s，小于規定要求的最大允許值7～15cm/s。因此，水下巖塞全排孔爆破時對閘門井不會造成危害。

4.7.2 大壩爆破安全復核

巖塞體爆破中心距離大壩距離R=650m，最大爆破單響藥量Q=90kg，a=1.04，k=33，經計算得，爆破振動速度最大值v=0.19cm/s，遠小于爆破模擬試驗時爆破振動測點實測最大值0.05cm/s，符合安全控制標準。因此，水下巖塞全排孔爆破時對大壩不會造成危害。

4.8 安全警戒與爆破

為防止巖塞爆破后產生的高壓水、氣影響，施工現場附近均不得有機械設備和作業人員。在水面上，巖塞上游10km以內和下游20km以內都要轍至水面線以上2m處。施工洞口、井口以外50m作為警戒線。

2014年6月16日10∶30，經爆破指揮部確認巖塞爆通，巖塞爆破成功。

5 結 語

a.經巖塞爆破方式比選，與洞室爆破法相比，全排孔爆破法具有爆后巖塞成型好、單響藥量小、對周邊建筑物爆破影響小、施工安全等優點。

b.巖塞爆破成敗與巖塞爆破施工程序、爆破參數設計、裝藥結構設計、起爆網路設計等息息相關，施工過程中要嚴格按照標準規范和設計要求實施并根據實際情況及時調整、修正。

c.長甸水電站改建工程進水口巖塞順利爆通，表明全排孔水下巖塞爆破施工技術得到了成功的應用，可為類似工程提供參考。