特大斷面地下洞室光面爆破技術研究

曾 鳴， 古 小 夢， 李 航

(中國水利水電第五工程局有限公司三分局，四川 成都 610016)

1 概 況

巴塘水電站是金沙江上游河段十三級開發中的第九級電站，總裝機容量為750 MW。電站導流洞為有壓隧洞，最大開挖斷面面積268 m2，屬于特大型隧洞，隧洞全長808.98 m。導流洞斷面形式為城門洞型，襯砌成型斷面尺寸為12 m×14 m；進口25 m漸變段，樁號范圍是導0-010.00 m～導0+015.00 m，漸變段開挖斷面尺寸由20.20 m×19.05 m漸變至16.20 m×18.05 m，均為Ⅴ類圍巖。

巴塘水電站導流洞位于金沙江上游河段左岸象鼻子山的“鼻尖”左側，山體三面臨空，整體呈現出渾圓狀，巖石大面積裸露。導流洞工程地質及水文地質資料表明，隧洞圍巖巖性為黑云母石英片巖，巖層產狀NE15°SE(NW)∠ 85°，巖體風化、卸荷劇烈，其中強風化帶厚20～32 m，弱風化帶厚30～35 m，卸荷帶厚度基本與強風化帶一致,且有F50斷層破碎及F11為雄松-蘇洼龍斷裂的分支斷層，推測在左岸壩頂一帶通過，陡傾岸外發育。

導流洞地質條件差，工程中有兩大斷層經過，斷層與層間層內錯動帶等緩傾角結構面結合，易形成不穩定塊體，對隧洞頂拱及邊墻局部的圍巖穩定影響大，開挖過程中容易超挖，增加后期噴射混凝土及襯砌混凝土工程量，加大施工成本，延緩施工進度。鑒于這種情況，控制好超挖，對控制施工成本極為關鍵。筆者詳細介紹了導流洞光面爆破技術并取得顯著成效，有效控制隧洞超挖問題，節約了施工成本，加快了施工進度。

2 光面爆破原理[1]

隧道光面爆破是支撐新奧法原理的重要技術之一。是指通過正確選擇爆破參數和合理的施工方法，分區分段微差爆破，達到爆破后輪廓線符合設計要求，使臨空面平整規則的一種控制爆破技術。光面爆破的破巖機理是一個十分復雜的問題，目前仍在探索之中。盡管在理論上還不甚成熟，但在定性分析方面已有共識。一般認為，炸藥起爆時，對巖體產生三種效應：一是應力波反射拉伸破壞所起的作用；二是爆炸氣體膨脹做功所起的作用；三是二者共同作用所起的破壞。通過近幾十年的研究、實驗和生產實踐表明，第三種效應比較符合工程實際。光面爆破是周邊孔同時起爆，各炮孔的沖擊波向其四周作徑向傳播，相鄰炮孔的沖擊相遇，則產生應力波的疊加，并產生切向拉力，拉力的最大值發生在相鄰炮孔中心連線的中點，當巖體的極限抗拉強度小于此拉力時，巖體便被拉裂，在炮孔中心連線上形成裂縫，隨后，爆炸產物的膨脹作用使裂縫進一步擴展，形成平整的爆裂面。

3 爆破設計[2]

3.1 試驗區域

本工程光面爆破試驗選在導流洞Ⅲ類圍巖洞段進行，根據監理工程師批復的導流洞開挖支護方案，導流洞采用左右側先導洞法施工，分三層開挖(圖1)。爆破試驗選在第一層進行，第一層高8.6 m，全斷面寬14.6 m。

圖1 導流洞分層開挖示意圖

3.2 炮孔直徑

炮孔直徑(d)一般根據工程自身特點及機械設備情況進行選擇，對于淺孔光面爆破，炮孔直徑宜為40～50 mm。巴塘水電站導流洞光面爆破鉆孔采用YT-28手風鉆，炮孔直徑取42 mm。

3.3 炮孔深度

因光面爆破炮孔深度(L)受開挖掌子面大小的影響，若炮孔過深，受周邊巖石的夾制作用較大，故炮孔深度不宜過大，一般最大炮孔深度取開挖掌子面寬度(或高度)的0.3～0.5倍。本工程爆破設計炮孔深度取開挖掌子面寬度的0.5倍，導流洞Ⅲ類圍巖開挖掌子面高度H=7.3 m。

L=0.5H=0.5×7.3m=3.65 m

(1)

為克服及減少巖石的夾制作用，結合工程情況導流洞光爆掏槽孔及底孔深度取3.5 m，其余孔深度均取3.0 m。

3.4 光面爆破不耦合系數

為了控制隧洞開挖的超欠挖問題,多采用光面爆破技術來控制開挖輪廓線。合理的炮孔參數、裝藥量等很多因素都會影響光面爆破的效果。其中周邊孔的不耦合系數(D)至關重要，合適的不偶合系數可以消減爆破作用力峰值，延長作用于圍巖切割面的爆破力時間。理論與實踐證明，當不偶合系數在1.5～2.0范圍時，緩沖作用最佳，光爆效果最好。本工程爆破設計周邊孔采用直徑25 mm乳化炸藥。

D=dk/di

(2)

式中D為不耦合系數；Dk為炮孔直徑，mm；Di為裝藥直徑，mm。

由式(2)可得周邊的不耦合系數為1.68，符合D=1.5～2.0的要求。

3.5 最小抵抗線

隧洞光面爆破中，如果選取最小抵抗線(W)過小,爆破時沖擊波對隧洞圍巖作用大，容易造成超挖，增加施工成本；反之，如果最小抵抗線過大,圍巖爆破不充分，會發生欠挖現象，增加后期處理難度。因此，確定合理的最小抵抗線，對提高施工時光面爆破效果有特別重要的作用，根據土石方工程爆破技術,最小抵抗線可根據經驗公式(3)計算。

W=Kd

(3)

式中W為最小抵抗線，mm；K為計算系數，一般取K=15～25，取K=20；d炮孔直徑，mm。

由式(3)可得最小抵抗線為840 mm，結合工程經驗，光爆孔最小抵抗線一般取700～900 mm，本工程取最小抵抗線取800 mm。

3.6 光爆孔間距[3]

隧洞光面爆破中周邊孔的間距是決定爆破效果好壞的另一重要因素,合理的周邊孔的間距直接與光爆效果相關。光爆孔的間距與圍巖硬度及破碎程度等有關，光爆孔間距(ag)過大，難以爆出平整的光面，孔距過小，會增加造孔費用。目前,周邊孔間距計算沒有統一計算公式，目前主采用豪柔公式、斷裂力學等理論分析方法對周邊孔間距進行計算,也可根據爆破施工的經驗進行估測。本工程爆破設計光爆孔間距根據經驗公式(4)計算：

ag=m·W

(4)

式中ag為炮孔間距，mm；m為炮孔密集系數，一般取m=0.5～0.8，取m=0.7。

由式(4)可得最小抵抗線為560 mm，結合工程經驗，本工程炮孔間距定為500 mm。

3.7 爆破孔數量計算

(1)周邊孔數目N1

N1=p1/b=13.265/0.5=26.53

(5)

式中p1為開挖斷面結構線長，m；b光面爆破周邊孔平均間距，m。

由式(5)可得導流洞光面爆破周邊孔數為27.28，取N1=27個。

(2)掏槽孔、輔助孔和底孔數目N2

N2=(Q-N1×L×q1)/Q0

(6)

式中q為單位炸藥消耗量，取q=1.2 kg/m3；

Q為每個循環總裝藥量，kg；按照爆破孔平均深度的85%計算，即Q=0.85 LqS；

Q=0.85×3×1.2×54.08=165.485 m3

式中L炮孔平均深度，m；Q0除周邊孔外，每個孔內的平均裝藥量，kg；Q0=LKP/m=3.0×0.7×0.175/0.2=1.838 kg；

Q1為周邊孔每米裝藥量0.15 kg/m；

K裝藥系數，直孔掏槽時，K取0.7～0.8，斜孔掏槽時，K取0.6～0.7；

P為每個藥卷重量，32 mm炸藥重0.2 kg，25 mm炸藥重0.15 kg，取平均值0.175 kg；

m每個藥卷長度，32 mm炸藥長0.2 m,25 mm炸藥長0.2 m，取0.2 m；

S開挖斷面面積m2，計算得S=54.082。

由式(5)計算得N2=(Q-N1×L×q1)/Q0=(165.485-27×3.0×0.15)/1.838≈84個

由上可知，導流洞光面爆破掏槽孔6個，底孔11個，輔助孔67個。

3.8 炮孔的裝藥量計算

隧洞光面爆破裝藥量與裝藥線密度相關，根據隧洞圍巖及工程經驗，本工程周邊孔線裝藥密度按0.15 kg/m計算，其余孔裝藥線密度可根據式(7)計算。

Qx=qEW(kg/m)

(7)

式中Qx裝藥集中度，kg/m；q為單位用藥量，kg/m3；除周邊孔外其余孔q取1.0 kg/m3；E為孔間距，m；W為最小抵抗線，m。

則，單孔裝藥量，Q=QxL(kg)。

經計算導流洞Ⅲ類圍巖光面爆破參數見表1。

表1 每循環炸藥用量計算結果

4 試驗過程

4.1 試驗分組

本工程導流洞光面爆破試驗共分兩次進行，第一次試驗嚴格按照爆破設計參數進行；第二次試驗在第一次試驗基礎上周邊孔裝藥線密度降至0.14 kg/m，其余參數不變，同時周邊孔裝藥采用竹片間隔裝藥。

4.2 測量放樣

測量人員根據監理工程師批復的爆破設計中爆破孔參數進行測量放樣[4]，放樣采用全站儀來完成。首先對掌子面浮渣進行清理以確保安全，放樣時先在掌子面上測量出開挖輪廓線并作出明顯標記。然后在使用紅色油漆標出所有孔位點，放樣完成后經專業質量管理人員進行數據檢測，全部正確后進行鉆孔。

4.3 試驗實施

本工程光面爆破鉆孔采用YT-28手風鉆，鉆完后由現場質檢人員進行驗收。驗收合格后裝藥，并嚴格按照已批復爆破設計參數采用反向裝藥、反向起爆原則進行，即起爆藥卷置于孔底(可墊1～2個藥卷)，雷管和藥卷的聚能穴都朝向孔口，炸藥由孔底向孔口傳爆。為克服巖石對孔底的夾制作用，孔底段應加大線裝藥密度到2～5 倍，周邊孔及底孔需采用不耦合裝藥和非電毫秒雷管起爆，周邊孔外邊沿到開挖輪廓線的距離為5 cm，藥卷用竹片固定，并緊貼爆破方向。裝藥完成，采用導爆管起爆器進行起爆，起爆順序為：掏槽孔、 輔助孔 、底孔、周邊孔。

炮響完15 min，待爆破煙塵消散后，由炮工對工作面進行檢查，檢查內容包括有無盲炮，爆堆是否穩定，有無懸石、危石，若發現有盲炮或其它情況時先進行處理，確定安全后方可進入下道工序人員對工作面進行施工。

5 爆破試驗效果檢查[5]

5.1 第一次試驗

第一次試驗未產生較大震動，通過對現場的檢查發現，現場炮痕清楚，相鄰兩孔間巖面平整，孔壁有明顯爆震裂隙，有效進尺2.55 m。各截面超挖和半孔率檢測數據見表2。由表2 可見，本次爆破無欠挖，最大超挖量19.0 cm，最小超挖量0.3 cm，平均半孔率達79.7 %，隧洞超欠挖狀況及半孔率較前期爆破有一定程度的改進。

5.2 第二次試驗

第二次試驗未產生較大震動，圍巖穩定無剝落，通過對現場的檢查發現，現場炮痕清楚，相鄰兩孔間巖面平整，孔壁無爆震裂隙，有效進尺2.67 m。各截面超挖和半孔率檢測數據見表3，由表3可見，本次爆破無欠挖，最大超挖量7.4 cm，最小超挖量0.0 cm，平均半孔率達90.3 %，爆破效果與第一次試驗比改善很大取得預期效果。

5.3 試驗成果

本次光面爆破試驗取得預期效果，隧洞斷面成形規整，斷面基本符合設計要求，避免了因超、欠挖所帶來的附加工作量，對圍巖的穩定性破壞較小，確保后期施工安全，隧洞表面平整光滑，通風阻力小，為隧洞支護、提高錨桿噴漿、噴射混凝土支護質量創造良好條件。

表2 第一次光面爆破各斷面檢測數據統計表

表3 第二次光面爆破各斷面檢測數據統計表

圖3 第二次試驗光面爆破效果

6 結 語

地下洞室開挖光面爆破選擇科學合理的施工參數，周邊孔裝藥采用竹片間隔裝藥方式,有效減小爆破對洞內圍巖的影響,避免裂隙擴大和產生新的裂縫，提高了隧洞圍巖的穩定性，能基本清除落石傷人事故，為快速施工提供了有利條件。同時，爆破成型開挖面規整，極大地減少了超挖數量和出碴工作量，加快了開挖速度，節省襯砌材料，減少施工成本，且可操作性強。筆者針對特大斷面地下洞室光面爆破參數計算及實施提出了切實可行的方法并予以實施,獲得了成功,可供類似工程借鑒。