硬梁包水電站地下廠房頂拱開挖光面爆破試驗

楊玉銀，郝利軍，楊仕杰，李俊峰，白軍平

(1.中國電建市政建設集團有限公司，天津 300384；2.中國水利水電第五工程局有限公司，成都 610066)

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、邊墻支護高、建造難度高等特點。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試驗來確定。因此，在硬梁包水電站主廠房中導洞頂拱保護層擴挖的開始階段，為了改進提高不盡人意的光爆效果，進行了一系列光面爆破試驗。

1 工程概況

硬梁包水電站地下廠房位于四川省瀘定縣加郡鄉桃子坪村，距瀘定縣城35 km。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，地下水不豐富，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，開挖次序如圖1所示。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，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Fig.1 Excavation sequence of the first layer of the main powerhouse

2 存在問題及改進思路

本文研究對象為頂拱預留3.5 m厚保護層(Ⅱ部)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)0-032.60。

2.1 方案及施工情況

從原爆破方案、現場鉆孔、裝藥、聯炮及爆后效果等方面進行了現場查驗。

1)爆破方案。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。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?？變炔捎弥衿П鹘壴獗幋??？椎撞捎冒胫沪?5 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。

2.2 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%，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18～20 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)。

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10～15 cm殘孔。

2.3 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35～40 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200～300 g/m；根據文獻[3]線裝藥密度應在120～200 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，延時時間是380±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也比較大，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，從而出現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1只長25 cm、質量150 g的藥卷手工切割成3節，每節長8.3 cm、質量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10～15 cm殘孔看，原方案孔底采用半只φ25 mm乳化炸藥(75 g)，加強裝藥偏小了。

2.4 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35～40 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就偏小了，初步可將周邊孔抵抗線增大到55～60 cm。

3)適當提高周邊光爆孔線裝藥密度?？蓪⒕€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質量。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、質量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。

3 光面爆破試驗

3.1 試驗目的

1)通過中導洞頂拱保護層開挖光面爆破試驗，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)通過爆破試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。

3.2 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φ32 mm藥卷、質量300 g、長33.34 cm；周邊光爆孔采用φ25 mm藥卷，質量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 ～5.4 mm，裝藥量12±1.5 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。

3.3 試驗條件

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。

3.4 試驗方案

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4個光面爆破試驗方案：具體試驗方案及參數如表1所示，各試驗方案裝藥結構如圖3所示，頂拱保護層擴挖炮孔布置如圖4所示。

表1 光面爆破試驗方案

圖3 光面爆破試驗裝藥結構 圖4 頂拱保護層擴挖炮孔布置Fig.3 Charging structures for the smooth blasting tests Fig.4 Blasthole arrangement for expanding excavation of the tunnel crown protection layer

3.5 試驗結果及分析

3.5.1 試驗結果

試驗階段主廠房頂拱保護層擴挖光爆效果情況如表2所示。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 光面爆破試驗結果

3.5.2 試驗結果分析及說明

在主廠房中導洞頂拱保護層擴挖過程中，共進行了21茬炮的光面爆破試驗(見圖5)。方案1、方案2各試驗了3茬炮，但光爆效果均不理想；于是開始了方案3的試驗，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的試驗，具體情況說明如下。

圖5 光面爆破試驗效果Fig.5 Smooth blasting testing effect

1)方案1：通過3茬炮的試驗，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10～15 cm殘孔；大部分半孔仍保留了圖2所示大半孔(見圖5a)。

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5b)。

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5c)。

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5d)。

3.6 方案選擇

根據以上試驗結果及分析，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。

4 結語

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)通過本次光面爆破試驗，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)通過本次試驗，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55～60 cm、線裝藥密度120～135 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。