中心致裂掏槽巖塞爆破設計與實踐

黎衛超，趙 根，周先平，孫琪寧，杜少卿

(長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010)

為滿足防洪、排沙、擴機、供水等工程要求，需修建聯通水庫或天然湖泊的水工隧洞。水工隧洞進水口通常位于水下數十米，若選擇在深水中修筑圍堰貫通隧洞，不僅工程量大、防滲處理難、施工復雜，而且后期還面臨圍堰的爆破拆除等問題；若將水庫水位降低至進水口以下貫通隧洞，則勢必會對水庫的經濟、生態、環境、旅游等運營效益產生影響。在這種既無法修建圍堰又不能放空水庫或降低水位情況下，在隧洞進水口預留一定厚度的巖體(即巖塞)作為洞內施工臨時擋水結構，待隧洞內各項工作完成后，采用巖塞爆破技術即可爆除預留巖塞體，形成聯通水庫、湖泊的隧洞進水口。

1971年7月完工的遼寧清河熱電廠211供水隧洞進水口巖塞爆破是我國第一個水下巖塞爆破工程[1]，此后相關文獻記載并已成功實施的巖塞爆破工程有33個，其中采用鉆孔法爆破拆除的巖塞約占2/3[2-3]。除1979年實施的河南香山水庫水下巖塞爆破因巖塞直徑只有3.5 m被迫實施鉆孔法爆破外，上世紀70年代實施的巖塞爆破均以藥室法為主[4]。80年代實施的直徑6 m以下的巖塞爆破和90年代實施的直徑8 m以下的巖塞爆破均以鉆孔法為主。2000年后，除劉家峽洮河口排沙洞巖塞爆破[5]采用藥室法爆破外，不論巖塞直徑大小全部采用鉆孔法巖塞爆破技術，特別是2014年6月采用鉆孔法成功實施的長甸電站改造工程發電進水口巖塞爆破[6](巖塞直徑10 m)，標志著鉆孔法巖塞爆破技術已達到了一個新高度，進入了一個新的發展階段。

1 鉆孔法巖塞爆破及其特點

鉆孔法巖塞爆破是指在巖塞體內布置較為密集的炮孔，各裝藥炮孔按一定順序起爆，將巖塞體范圍內的巖石炸除，形成設計體型的隧洞進水口。設計時通常在巖塞中心布置掏槽孔，周圍布置擴大孔，巖塞周邊布置光面爆破孔或預裂孔。鉆孔法早期一般用于斷面較小的巖塞。例如，河南香山水庫、密云水庫等工程均采用這種爆破方式。隨著水下巖塞爆破技術的發展、鉆孔機械的改進，鉆孔法近年來逐漸應用于大直徑的水下巖塞爆破，如長甸水電站改造工程進水口巖塞爆破工程、遼寧某重點輸水工程進水口巖塞爆破工程。典型的鉆孔法巖塞爆破工程實例如表1所示。

表1 鉆孔法巖塞爆破工程典型案例

與藥室法巖塞爆破相比，鉆孔法巖塞爆破具有以下優點：施工安全性高，無大透水事故風險，現場施工人員心理壓力小；鉆孔過程中可進一步探明巖塞體尺寸及地質結構；藥量分散，爆破塊度均勻；輪廓面質量可控制、成型好；爆破單段藥量可調整，爆破振動受控，對周圍建筑物影響小，特別是對進水口輪廓面及邊坡穩定性影響小。當然，鉆孔法巖塞爆破也有一些不足之處。例如，對巖塞體水下地形、地質勘察工作精度要求高；鉆孔質量要求高、鉆孔數量多、鉆孔過程中有透水的風險；裝藥結構復雜，填塞質量要求高；爆破網路較復雜，起爆網路保護要求高。

隨著施工人員素質的提高，鉆孔設備性能的改進，水下地形探測精度的提升，新型爆破器材的應用，爆破施工工藝的優化，以及生態環境保護的要求、網箱養殖的限制，人們法律意識的增強，采用鉆孔法拆除巖塞已成為一種發展趨勢。

2 中心致裂掏槽巖塞爆破設計

根據國內鉆孔法巖塞爆破的成功經驗，常用的中心掏槽法包括中心空孔掏槽法和中心集束掏槽法兩類。

1)中心空孔掏槽法。該方法與常規的隧洞開挖掏槽爆破類似，是在巖塞中心部位布置一個孔徑較大的空孔，圍繞空孔布置1圈或2圈間排距較小的掏槽孔。北京密云水庫(1)[7]、云南會澤水槽子電站[8]、北京密云水庫(2)[9]、貴州印江巖口[10]、貴陽花溪水庫[11]和貴州塘寨電廠[12]的巖塞爆破均采用中心空孔掏槽法(見表1)。

2)中心集束掏槽法。有關文獻中也稱此方法為揭頂掏槽法，是指在巖塞中心及直徑0.5 m圓周上共布置若干個直徑較大的炮孔(通常孔徑為100 mm)，在炮孔內集中裝藥爆通巖塞，形成上下爆破漏斗。例如，河南新縣香山水庫、浙江臺州長潭水庫[13]、溫州龍灣電廠[14]、溫州發電廠2/3期[15-16]、寧波皎口水庫[17]、浙江溫嶺湖漫水庫[18]巖塞爆破均采用中心集束掏槽法。

而中心大空孔出現透水時較難進行處理，對于厚巖塞很難保證孔底集中裝藥的質量，從而增加了施工難度及風險。隨著鉆孔設備性能的改進，爆破施工工藝的優化，新型爆破器材的應用等，在對長甸、桓集隧道、蘭州水源地等工程巖塞爆破設計、施工成果總結中，提出了一套“中心掏槽、圓周擴展、輪廓成型”的鉆孔法水下巖塞爆破設計方法。

2.1 爆破參數設計

2.1.1 中心致裂掏槽爆破參數

中心致裂掏槽法是一種在巖塞中心及直徑(4～5)D、(8～10)D的圓周上分別布置1個、4～6個、6～8個炮孔(通常孔徑為90～100 mm)，中心孔裝藥，圍繞中心孔的第1圈孔為空孔，第2圈孔則為主掏槽孔，中心孔首先起爆，將中心孔與第1圈空孔之間的巖石炸裂、破碎，第二圈主掏槽孔再起爆，將2圈間的巖石炸碎，并將掏槽區的巖石向巖塞兩端拋擲，最終巖塞掏槽區實現貫通的方法。

該方法目前已經在長甸電站改造工程[19]、桓集隧道工程[20]及蘭州水源地工程的巖塞爆破中取得了成功應用。

2.1.2 炸藥單耗

在炮孔布置合理的情況下，巖塞爆破效果主要取決于炸藥單耗，可參照水下爆破炸藥單耗修正公式[21]：

(1)

式中：q水為水下鉆孔爆破的炸藥單耗；q陸為相同介質的陸地爆破炸藥單耗；H水為覆蓋層以上的水深；H覆為覆蓋層厚度；H梯為鉆孔爆破的梯段高度；kD為水下炸藥爆速降低系數，為實測炸藥水下爆速與陸地炸藥爆速之比。

由爆破各種巖石的單位炸藥消耗量表統計分析表明，陸地松動爆破炸藥單耗與巖石堅固性系數有很好的線性關系，計算經驗公式如下：

q陸=0.312+0.023f

(2)

式中：f為巖石堅固系數(普氏系數)，適用范圍f=2～25，回歸擬合優度R2=0.95。

2.1.3 輪廓孔爆破參數

巖塞進水口在巖塞爆破后一般不再進行襯砌施工，故進行巖塞爆破時要求進水口成型好、壁面上半孔率高。在此過程中，輪廓開挖需采用預裂或光面爆破的方法。

陸地爆破時，預裂爆破和光面爆破的線裝藥密度計算的經驗公式公式分別為

q預=0.04[σ]0.5a0.6

(3)

q光=0.02[σ]0.6a

(4)

式中：q預、q光分別為預裂爆破、光面爆破的線裝藥密度；[σ]為巖石抗壓強度；a為預裂爆破或光面爆破的炮孔間距。適用范圍[σ]=20～250 MPa，回歸擬合優度R2=0.81。

在巖塞周邊輪廓孔爆破設計中，按上述經驗公式計算預裂爆破、光面爆破線裝藥密度時，還需考慮水下炸藥爆速降低系數，其余爆破參數可按常規設計方法計算。

2.1.4 圓周擴展孔

圓周擴展孔為掏槽孔與周邊輪廓孔之間的炮孔。設計時，根據巖塞直徑大小布置若干圈炮孔，先按巖塞體積與炸藥單耗計算總裝藥量，除以平均每孔裝藥量，得到需布置炮孔數M1；再按常規隧洞開挖布置圓周擴展孔的孔距、圈距(排距)，得到需布置炮孔數M2；最終通過適當調整孔距、圈距，使M2與M1兩者基本一致。

2.2 起爆網路設計

巖塞爆破一般應設計采用雙復式起爆網路，在電雷管不再使用的情況下，目前使用最多的是高精度導爆管雷管和電子雷管，可設計采用雙復式導爆管雷管起爆網路、雙復式電子雷管起爆網路、復式導爆管雷管起爆網路+復式電子雷管起爆網路等。起爆網路的延時時間間隔可根據爆破振動控制要求進行選擇。

起爆網路連接后，首先要經受腳手架拆除過程中鋼管可能掛壞起爆網路的考驗；其次，巖塞掌子面倒懸且滲漏水嚴重，要經受滲漏水流對起爆網路的沖擊影響；最后，當巖塞采用洞內充水、充氣爆破方案時，還有經受充水、補氣過程中產生的空氣紊流對起爆網路的擾動影響。因此，在起爆網路設計時，除應考慮起爆段間時差外，還應充分考慮起爆網路的安全防護措施。

3 工程應用實例

3.1 長甸電站改造工程進水口巖塞爆破

3.1.1 工程概況

長甸水電站改造工程進水口巖塞位于水庫正常蓄水位以下63.3 m，巖塞中心軸線與水平夾角43°，巖塞厚度12.5 m，巖塞外口直徑14.6 m，巖塞內口直徑10.0 m，擴散角10°，巖塞厚徑比為1.25，巖塞體設計方量1 419 m3。集渣坑長73.0 m，寬11.0 m，高13.0～31.9 m，體型規整。爆破時不下閘門，在閘門后側引水洞內澆筑臨時混凝土堵頭進行擋水，進水口布置如圖1所示。

圖1 長甸水電站改造工程巖塞進水口布置

3.1.2 爆破方案及參數

長甸水電站改造工程進水口巖塞采用“氣墊式”、集渣、“中心掏槽、圓周擴展、光面成型”的鉆孔法爆破方案。

作為首個采用鉆孔法爆破的大直徑巖塞工程，為解決巖塞厚度大的問題，借鑒隧洞開挖中的“中導洞”爆破方法，將巖塞分為中導洞區、擴大區、輪廓區3個區域，采用中心致裂掏槽爆破方式。設計時共布置9圈炮孔，其中：中導洞區布置5圈炮孔，計6個空孔和32個爆破(掏槽、輔助掏槽)孔；擴大區布置3圈炮孔，計69個爆破孔；輪廓區布置1圈炮孔，計48個光爆孔，炮孔布置如圖2所示。

圖2 長甸水電站改造工程巖塞爆破炮孔布置

炮孔鉆孔直徑均為90 mm，孔底抵抗線按1.5 m控制。中導洞區和擴大區的爆破孔采用φ60 mm的乳化炸藥連續裝藥，輪廓區的光爆孔采用直徑φ32 mm的乳化炸藥裝藥，采用φ70 mm PE管預先加工藥包(筒)、單孔一次性安裝到位的工藝，總裝藥量2 839.8 kg。

3.1.3 起爆網路

本工程采用高精度導爆管雷管和電子數碼雷管復式起爆網路，高精度導爆管雷管起爆網路的段(孔)間延時時間17 ms，排(圈)間延時時間100 ms，電子數碼雷管延時時間與高精度導爆管雷管起爆網路延時時間一致，爆破孔2～3孔一段，光爆孔4孔一段，最大單段藥量為76.5 kg，高精度起爆網路如圖3所示。

圖3 長甸水電站改造工程巖塞爆破高精度起爆網路

3.1.4 充水補氣

集渣坑充水自2014年6月11日19∶40開始，至6月16日5∶47結束，此時集渣坑水位高程46.95 m，閘門井水位高程56.69 m。巖塞掌子面“氣墊層”增壓補氣自16日5∶50開始，10∶00停止，此時集渣坑水位高程45.4 m，閘門井水位高程68.77 m。

3.1.5 爆破效果

2014年6月16日10∶26起爆，水面出現漂亮的鼓包(見圖4)，表明巖塞已順利貫通。隧洞、廠房、大壩等關鍵部位爆破振動峰值均控制在安全允許范圍之內，壩前及養殖區爆破水擊波峰值均低于安全允許值，達到了預期的爆通、控振及環保效果。經水下檢查，進水口形狀、尺寸與設計基本相符，進水口洞外邊坡未發現垮塌，集渣坑內爆渣體形符合設計預期。

圖4 水庫水面“鼓包”現象

3.2 桓集隧道工程取水口巖塞爆破

3.2.1 工程概況

桓集隧道工程取水口巖塞位于水庫正常蓄水位以下45 m處，巖塞軸線傾角55°，巖塞外口直徑為14.02 m，內口直徑為7.55 m，發散角15°，厚度11.8 m，巖塞厚度與直徑比為1.56，巖塞體方量1 163 m3。集渣坑底邊長度為44.0 m，寬度為7.3 m，最大高度19.6 m，襯砌厚度0.8 m，為圓拱直墻型，直墻部分成洞高度為15.04～15.91 m，集渣坑容量約為3 800 m3。在集渣坑上方設置直徑為1.2 m，深度為53.1 m的通風豎井。爆破時下閘門，在閘門后側引水洞內澆筑臨時混凝土堵頭進行擋水，進水口布置如圖5所示。

圖5 桓集隧道工程巖塞取水口結構布置

3.2.2 爆破方案及參數

桓集隧道工程取水口巖塞采用水墊層、集渣、“中心掏槽、圓周擴展、光面成型”的鉆孔法爆破方案，共布置8圈炮孔，鉆孔直徑均為90 mm。其中，中心致裂掏槽爆破布置6個空孔、9個掏槽孔、10個輔助掏槽孔；49個主爆孔以及40個光爆孔，共計114個炮孔，炮孔布置如圖6所示。

圖6 桓集隧道工程巖塞爆破炮孔布置

3.2.3 裝藥、聯網與充水補氣

2018年9月22日開始裝藥，爆破孔、光爆孔分別采用φ60 mm、φ32 mm乳化炸藥，9月25日完成裝藥，總裝藥量2 112.2 kg。隨后進行起爆網路連接，設計采用數碼電子雷管與高精度導爆管雷管復復式延時起爆網路，圈間延時100 ms，段間延時17 ms，9月26日完成起爆網路連接，開始進行施工平臺的拆除。9月27日晚上開始進行洞內充水，9月30日11∶00洞內充水水位達到設計要求(266.0 m高程)，此時水庫水位高程為318.0 m。

3.2.4 爆破效果

2018年9月30日11:28起爆，起爆后水庫水面無明顯反應，半個小時后通風豎井出現涌水。爆破振動速度、水擊波壓力監測值均小于安全控制標準值。爆破后，采用多波束聲吶儀對巖塞中心線兩側40 m以內(總寬度80 m)，高程右岸邊坡水位以下至250 m高程(總高差約100 m)范圍內的水下地形進行測量，利用數據后處理軟件將現場測量數據、聲速深度梯度變化曲線、水位變化情況等整合得到待測區域的平面坐標、河床底標高等數據，剔除不符合水深的跳點后，繪制檢測區域水下三維地形圖，如圖7所示，進水口洞口呈規則的圓形，直徑為16.0 m，與設計基本一致。通過ROV潛水器經單波束聲納檢測，集渣坑堆積物的形態分布圖與設計預期一致(見圖8)。

圖7 巖塞爆破后進水口形態

圖8 集渣坑堆積物的形態分布

4 結語

鉆孔法巖塞爆破技術以其突出的優勢，越來越多的應用于巖塞式進/出水口工程。本文在綜合分析鉆孔法巖塞爆破工程實踐的基礎上，提出了一套“中心掏槽、圓周擴展、輪廓成型”的新方法——中心致裂掏槽鉆孔巖塞爆破法，并給出了炸藥單耗、預裂與光面爆破線裝藥密度等關鍵爆破參數的計算公式。將該方法應用與長甸改造工程進水口、桓集隧道工程取水口的兩個巖塞爆破工程實踐。根據爆破環境條件，既可進行觀賞性極佳的水面“鼓包”式的巖塞爆破；也可通過消能結構的設計，進行水面波瀾不驚的“無感”巖塞爆破。研究成果對今后大直徑巖塞爆破設計與施工具有指導意義。