地下廠房頂拱開挖光面爆破試驗研究

楊仕杰，楊玉銀

（中國電建市政建設集團有限公司,天津 300384）

1 前言

地下廠房是地下引水式發電系統最重要的建筑物之一,具有工程規模大、開挖跨度大、邊墻高、建造技術難度高等特點。在主廠房的第一層開挖中,為了盡可能減少爆破對頂拱圍巖的擾動,主要采用光面爆破技術。對于不同巖性、不同硬度、不同類別的圍巖,周邊孔間距、周邊孔抵抗線、線裝藥密度等光面爆破參數也是不同的,合理的光面爆破參數必須通過爆破實驗來確定。因此,在某水電站主廠房中導洞頂拱保護層擴挖的開始階段,為改進提高不盡人意的光爆效果,進行一系列光面爆破試驗。

2 工程概況

某水電站地下廠房位于四川省瀘定縣境內。主副廠房及安裝間長196.9 m,最大高度67.15 m,巖壁吊車梁以上開挖寬度為27.2 m,以下寬度為24.4 m。地下廠房最小垂直埋深約360 m,最小水平埋深約630 m,區域巖性為元古代晉寧-澄江期閃長巖,巖體蝕變不發育,較完整,地下水不豐,圍巖以Ⅲ類為主,經檢測堅固系數f=5.6~6.3,以中硬巖為主。

主廠房第一層開挖高度10.5 m,開挖次序見圖1。采用寬8.0 m、高7.0 m的城門洞形中導洞（Ⅰ部）先行貫通,頂部預留3.5 m厚頂拱保護層（Ⅱ部）；待中導洞貫通后,采用光面爆破開挖Ⅱ部3.5 m厚頂拱保護層,隨后兩側跟進開挖Ⅲ1、Ⅲ2部至設計開挖斷面,兩側寬度分別為9.6 m。

圖1 主廠房第一層開挖次序圖 (尺寸單位：cm)

3 光面爆破施工中存在問題及改進思路

本文研究對象為Ⅱ部：頂拱預留3.5 m厚保護層的開挖。截止2020 年7 月1 日,中導洞（Ⅰ部）開挖已經結束；保護層（Ⅱ部）擴挖累計進尺22.3 m,開挖樁號：（廠橫）0-054.90~（廠橫）0-032.6。

3.1 光面爆破方案及施工情況

2020 年6 月27 日到7 月1 日,從原爆破方案、現場鉆孔、裝藥、聯炮及炮后效果等方面進行了現場察驗,具體情況如下：

1）爆破方案方面。周邊光爆孔孔深2.8 m、孔距45 cm、周邊孔抵抗線35~40 cm、線裝藥密度80.36 g/m。

2）鉆孔方面。從現場鉆孔及爆后效果看,鉆孔比較均勻,平均孔距45 cm左右,并且鉆孔平行度較好,相鄰兩茬炮之間的臺階小于20 cm,能達到規范[1]要求。

3）裝藥方面。孔內采用竹片、導爆索綁扎光爆藥串。孔底采用半只Φ25 mm乳化炸藥（75 g）,正常裝藥段采用1/3 只Φ25 mm乳化炸藥（50 g）。

4）聯炮方面。每個孔內光爆藥串均采用MS10 非電毫秒雷管起爆。

3.2 光面爆破施工中存在問題

從已經擴挖成形的22.3 m頂拱保護層（Ⅱ部）及隨后的兩茬炮來看,存在以下問題：

1）半孔率低。頂拱開挖半孔率僅50%~55%左右,低于規范[1]要求的較完整和完整性差的巖石半孔率不小于60%。

2）兩孔間平整度差。相鄰兩孔間巖面平整度很差,多存在明顯突起的欠挖,多處出現凸起較大部位,高出設計開挖線18 cm~20 cm,見圖2。

3）半孔保留范圍大。從保留下來的半孔看,存在很多大半孔,孔的保留范圍多在120°以上,見圖2。

圖2 局部欠挖及半孔保留情況示意圖

4）個別孔局部超挖。從孔壁情況看,局部半孔孔痕全無,存在明顯超挖現象。

5）孔底出現殘孔。從爆破效果看,每茬炮后多個周邊孔孔底留有10 cm~15 cm殘孔。

3.3 原因分析

從以上爆破方案、現場施工情況及爆后效果看,光爆效果差的原因主要有以下幾方面：

1）周邊孔抵抗線偏小。由于巖石硬度不是很高,完整性、均質性一般,抵抗線35 cm~40 cm偏小,將造成臨近的外圈崩落孔起爆后直接壓縮擠壓光爆層[2],壓縮破碎圈甚至于抵達設計開挖線,這將造成周邊孔的實際光爆層厚度過小,直接影響了周邊光爆孔起爆后的初始主作用力方向,即由初始的周邊孔間開裂變成直接沿抵抗線方向向洞內沖出。這既影響了半孔率,也影響了兩孔間平整度。

2）周邊孔線裝藥密度偏低。主廠房圍巖屬中硬巖,根據規范[1]線裝藥密度應在200 g/m~300 g/m；根據文獻[3]線裝藥密度應在120 g/m~200 g/m。而原方案線裝藥密度僅80.36 g/m,明顯偏低,過小的線裝藥密度導致周邊光爆孔爆炸后,炸藥起爆能量無法順利擊穿兩孔間巖體,可能沿偏小的抵抗線方向沖出,這就造成了兩孔間的欠挖和很差的平整度；同時也造成了光爆孔保留半孔的范圍比較大,達120°以上。

3）周邊光爆孔存在起爆時差。原方案中雖然周邊光爆孔內采用了光爆藥串,但每個孔起爆均采用了MS10 非電毫秒雷管,延期時間是380 ms±35 ms,從嚴格意義上講,周邊光爆孔并未實現同時起爆,兩個孔間的最大起爆時差可能達到70 ms,這對光爆效果的影響應該也是比較大的,同樣是造成光爆效果不好的一個重要原因。

4）光爆藥串綁扎不規范。通過現場觀察發現,在綁扎光爆藥串時,每節炸藥僅綁扎一圈膠布,很不牢固,這可能造成在向孔內推進過程中炸藥松脫滑動,出現孔內有些該有炸藥的部位沒有炸藥,有些部位炸藥過于集中,于是出現了個別孔局部超挖嚴重的現象。

5）藥卷過短且綁扎工藝不細致。通過現場觀察發現,正常裝藥段綁扎光爆藥串的藥卷由一只長25 cm、重150 g的藥卷手工切割成三節,每節長8.3 cm、重50 g,在手工切割、綁扎過程中多擠壓變形,可能對炸藥的爆炸威力、能量造成一定損失,從而進一步降低線裝藥密度。

6）孔底加強裝藥偏小。從偶爾出現的孔底10 cm~15 cm殘孔看,原方案孔底采用半只Φ25 mm乳化炸藥（75 g）,孔底加強裝藥偏小了。

3.4 改進思路

1）對鉆爆工人進行培訓教育。讓鉆爆工人了解光面爆破的設計方案,鉆孔、裝藥、聯炮要求及過程中應注意的要點。

2）適當提高周邊孔抵抗線。對于中硬巖,周邊孔間距45 cm是比較合理的；周邊孔抵抗線35 cm~40 cm對于完整性較好的堅硬巖也是可以的[4-6],但對于較完整的中硬巖,抵抗線35 cm~40 cm就偏小了,初步可將周邊孔抵抗線增大到55 cm~60 cm。

3）適當提高周邊光爆孔線裝藥密度。可將線裝藥密度提高到100 g/m以上,具體應根據爆破試驗[1]確定。

4）改變周邊光爆孔聯炮方式。不在孔內采用MS10非電毫秒雷管起爆光爆藥串導爆索,在孔外統一采用導爆索聯炮起爆孔內光爆藥串導爆索,以實現周邊光爆孔同時起爆。

5）規范光爆藥串綁扎。教會鉆爆工人按設計要求細致綁扎光爆藥串,將竹片、導爆索、炸藥用膠布綁扎牢固,防止向孔內裝藥過程中發生炸藥松脫、移位現象。

6）增大正常裝藥段單節炸藥重量。將正常裝藥段單節裝藥量由1/3 只Φ25 mm乳化炸藥調整為半只,每節炸藥長12.5 cm、重75 g,并細致切割炸藥、認真規范綁扎藥串,防止藥串綁扎過程中炸藥嚴重變形。

7）適當增大孔底加強裝藥。初步可將孔底加強裝藥由原方案的半只Φ25 mm乳化炸藥（75 g）,增大到一只Φ25 mm乳化炸藥（150 g）,以保證孔底光爆層順利脫落。

4 光面爆破實驗

4.1 實驗目的

1）通過中導洞頂拱保護層開挖光面爆破實驗,解決當前光面爆破半孔率低、平整度差、個別孔超挖嚴重、孔底出現殘孔的問題。

2）通過爆破實驗找到與地下廠房圍巖相匹配的光面爆破參數,為后續的整個廠房開挖提供可供參考的光爆參數。

4.2 爆破器材

1）炸藥：主要選用四川省南部永生化工有限公司生產的2號巖石乳化炸藥：崩落孔采用Ф32 mm藥圈、重300 g、長33.34 cm；周邊光爆孔采用Ф25 mm藥圈,重150 g、長25 cm。

2）導爆索：主要選用雅化集團綿陽實業有限公司生產的中能工業導爆索（普通導爆索）[7],外觀橙色,直徑5.0 mm ~5.4 mm,裝藥量12 g/m1.5 g/m,爆速不小于6×103m/s。

3）雷管：崩落孔內及孔外網路聯接主要選用MS1~MS9非電毫秒雷管；周邊光爆孔內及孔外網路聯接均采用導爆索,MS10非電毫秒雷管起爆；整個起爆網路采用8 號普通工業電雷管。

4.3 實驗條件

1）鉆孔工具：選用最常用的YT28 型手風鉆鉆孔,鉆孔直徑42 mm。

2）鉆孔要求：頂拱周邊光爆孔鉆孔時,要求鉆機排氣口頂部緊貼頂部巖面向前推進,以減少平均徑向超挖值。

3）鉆孔質量：要求盡可能減小鉆孔外偏角,提高鉆孔平行度。

4.4 實驗方案

根據對原爆破方案、鉆爆施工過程、爆破效果等存在的問題進行分析,以及確定的改進思路,對中導洞頂部的3.5 m厚頂拱保護層開挖,初步擬定了四個光面爆破實驗方案：具體實驗方案及參數見表1,各實驗方案裝藥結構見圖3,頂拱保護層擴挖炮孔布置見圖4。

表1 光面爆破實驗方案

圖3 光面爆破實驗裝藥結構圖 (尺寸單位：cm)

圖4 頂拱保護層擴挖炮孔布置圖 (尺寸單位：cm)

4.5 實驗結果及分析

4.5.1 實驗結果

實驗階段主廠房頂拱保護層擴挖光爆效果情況,見表2。表中光面爆破的半孔率是炮孔殘留半孔數與周邊孔數之比的百分數[1]。

表2 光面爆破實驗光爆效果統計表

4.5.2 實驗結果分析及說明

在主廠房中導洞頂拱保護層擴挖過程中,共進行了21 茬炮的光面爆破實驗。方案1、方案2 各實驗了3 茬炮,但光爆效果均不理想；于是開始了方案3 的實驗,方案3 光爆效果比較理想,但循環進尺較短；接下來進行了方案4 的實驗,具體情況說明如下：

1）方案1：通過三茬炮的實驗,發現光爆效果與原方案相比改進不大：兩孔間平整度差,多處局部明顯凸起；少量孔底仍有10 cm~15 cm殘孔；大部分半孔仍保留了圖2 所示大半孔,見圖5（a）。

2）方案2：在方案1的基礎上,增大了線裝藥密度,由107.14 g/m直接提高到160.71 g/m,這一改變有效提高了巖面平整度,孔底不再有殘孔,但半孔率明顯降低,見圖5（b）。

3）方案3：在方案2 的基礎上,適當降低了線裝藥密度,由160.71 g/m降到133.93 g/m,這一變化取得了比較理想的光爆效果：半孔情況保留良好,半孔率提高到95.1%；相鄰兩孔間巖面平整度良好,孔底不再有殘孔,見圖5（c）。

4）方案4：在方案3 基礎上,增大了單循環進尺,將單循環進尺由2.8 m提高到3.7 m,適當降低了線裝藥密度,由133.93 g/m降到121.62 g/m,這一變化仍然取得了良好的光爆效果,半孔率達95.4%,相鄰兩孔間巖面平整度良好,相鄰兩茬炮之間的臺階小于15 cm,滿足規范[1]要求,見圖5（d）。

圖5 光面爆破實驗效果照片

4.6 方案選擇

根據以上實驗結果及分析,方案3、方案4均為較合理的光面爆破參數,可作為后續廠房開挖光面爆破施工的主要參數。

5 結論

1）要想取得良好的光面爆破效果,首先要加強對鉆爆工人的培訓,使之了解光面爆破方案,同時對鉆爆工人嚴格管理,保證鉆孔、裝藥、聯炮等作業工序嚴格按照爆破設計要求進行。

2）在光爆效果不理想時,應根據圍巖硬度、完整性初步調整周邊孔間距、周邊孔抵抗線、線裝藥密度,并分析每茬炮光爆效果,及時調整參數。

3）通過本次光面爆破實驗,有效提高了主廠房頂拱開挖的光面爆破半孔率,使廠房頂拱更加平整、規則,有效減小了爆破對頂拱圍巖的擾動、破壞。

4）通過本次實驗,初步確定了與主廠房圍巖相適應的光面爆破參數：周邊孔間距45 cm、周邊孔抵抗線55 cm~60 cm、線裝藥密度120 g/m~135 g/m。

5）通過爆破試驗,為后續采用光面爆破施工的主廠房頂拱開挖、側墻開挖以及巖錨梁開挖等初步奠定了基礎。