壓縮空氣儲(chǔ)能人工硐室儲(chǔ)氣庫爆破開挖技術(shù)探討

紀(jì)文棟，許韌初，侯景崢, ，賀家新, ，程少振，石少華

(1.中能建數(shù)字科技集團(tuán)有限公司，北京 100044；2.湖北楚韻儲(chǔ)能科技有限責(zé)任公司，湖北 應(yīng)城 432418；3.北京交通大學(xué)，北京 100091 )

0 引言

壓縮空氣儲(chǔ)能的儲(chǔ)能量大、響應(yīng)迅速、使用壽命長，是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)“削峰填谷”和增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的有效方案[1-2]。目前，國內(nèi)壓縮空氣儲(chǔ)能電站項(xiàng)目的儲(chǔ)氣庫大多采用地下鹽穴，這對儲(chǔ)能電站的選址形成了較大制約[3-5]。目前，國內(nèi)外人工硐室儲(chǔ)氣庫的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)較為匱乏。為抵抗超高的儲(chǔ)氣庫內(nèi)壓，人工硐室儲(chǔ)氣庫一般選擇在質(zhì)量較好的硬質(zhì)巖層中，并采用鉆爆法開挖。在該情形下，鉆爆施工的爆破應(yīng)力往往會(huì)對儲(chǔ)氣庫圍巖造成一定的損傷，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懙絻?chǔ)氣庫運(yùn)行階段的安全性[6-8]。因此，如何降低爆破施工對硐室圍巖的損傷變得尤為關(guān)鍵。

本文以甘肅酒泉300 MW 級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能人工硐室儲(chǔ)氣庫建設(shè)工程作為實(shí)例。該工程主要包括2 條交通硐和4 個(gè)儲(chǔ)氣庫，儲(chǔ)氣庫開挖跨徑為16 m，埋深超過100 m。為降低該儲(chǔ)氣庫在超高內(nèi)壓下的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，對其爆破施工中爆破應(yīng)力的消減方法展開分析，主要包括掏槽孔區(qū)域位置設(shè)計(jì)、最大一段裝藥量設(shè)計(jì)和爆破臨空面布置設(shè)計(jì)三大方面，形成超大斷面人工硐室儲(chǔ)氣庫低損傷鉆爆開挖的施工技術(shù)，并在后續(xù)現(xiàn)場施工中得到了成功應(yīng)用。

1 掏槽孔區(qū)域位置設(shè)計(jì)

在硐室爆破施工過程中，掏槽孔區(qū)域位置會(huì)顯著影響爆破效果，并決定著爆破施工的成敗。在掏槽孔設(shè)計(jì)中，除了需要觀察硐室整體形狀、計(jì)算掌子面受爆面積、計(jì)算爆破體積量、根據(jù)圍巖特性確定炸藥單耗和炮堆的形成規(guī)則，更需要綜合考慮掏槽孔區(qū)域位置設(shè)計(jì)、掏槽孔長度與角度設(shè)計(jì)、炸藥用量和爆破施工分區(qū)模式設(shè)計(jì)。基于巖石爆破拋擲理論以及多個(gè)類似硐室的爆破實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，得到人工硐室儲(chǔ)氣庫先導(dǎo)洞掏槽孔區(qū)域位置的基本布置原則[9-10]，主要包括掏槽孔區(qū)域的長度和寬度、掏槽孔區(qū)域頂端至硐室水平中線的距離以及掏槽孔區(qū)域底端至硐室底線的距離。在既有掏槽孔區(qū)域位置基本布置原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，得到掏槽孔區(qū)域位置的設(shè)計(jì)方法，具體如下。

1)先導(dǎo)洞掏槽孔區(qū)域的長度

先導(dǎo)洞截面的掏槽孔區(qū)域位置如圖1 所示，掏槽孔區(qū)域沿豎向中心線兩側(cè)對稱布置，其長度設(shè)計(jì)符合黃金分割線規(guī)律，具體計(jì)算式如式(1)所示。

圖1 先導(dǎo)洞截面的掏槽孔區(qū)域位置

式中：a為掏槽孔布置區(qū)域長度；A為先導(dǎo)洞截面的開挖跨度；m為計(jì)算系數(shù)，當(dāng)先導(dǎo)洞開挖跨度小于10 m 時(shí)，m取0.618 ～0.638；開挖跨度小于3 m 時(shí)，m取0.638；開挖跨度接近10 m 時(shí)，m取0.618，中間采用線性插值；當(dāng)先導(dǎo)洞開挖跨度大于10 m 時(shí)，m取0.598 ～ 0.618；開挖跨度超過20 m 時(shí)，m取0.598，中間采用線性插值。

2)先導(dǎo)洞掏槽孔區(qū)域的寬度

掏槽孔區(qū)域的寬度也符合黃金分割線規(guī)律，采用式(2)計(jì)算掏槽孔區(qū)域的寬度。

式中：b為掏槽孔布置區(qū)域?qū)挾取?/p>

3)先導(dǎo)洞掏槽孔區(qū)域頂端至硐室水平中線的距離

掏槽孔區(qū)域頂端至先導(dǎo)洞水平中線距離的計(jì)算表達(dá)式如式(3)所示。

式中：c為掏槽孔區(qū)域頂端至先導(dǎo)洞水平中線的距離；n為計(jì)算系數(shù)，當(dāng)硐室為瘦長型時(shí)，n=2；當(dāng)硐室為矮胖型時(shí)，n=4；當(dāng)硐室為標(biāo)準(zhǔn)型時(shí)，n=3。

4)先導(dǎo)洞掏槽孔區(qū)域底端至硐室底線的距離

掏槽孔區(qū)域底端至先導(dǎo)洞底線的距離取0.5 ～ 1.0 m，其中：瘦長型硐室取大值1 m；矮胖型硐室取0.5 m，標(biāo)準(zhǔn)型硐室取0.75 m。

5)儲(chǔ)氣庫掏槽孔布置區(qū)域設(shè)計(jì)

對于儲(chǔ)氣庫硐室而言，可將已經(jīng)形成的先導(dǎo)洞視為該儲(chǔ)氣庫硐室本身的掏槽孔布置區(qū)域，且先導(dǎo)洞應(yīng)滿足掏槽孔區(qū)域的長度要求，即：

式中：R為圓形儲(chǔ)氣庫硐室的開挖半徑。儲(chǔ)氣庫為圓形，無需滿足式(2)～式(4)，儲(chǔ)氣庫截面的掏槽孔區(qū)域位置如圖2 所示。

圖2 儲(chǔ)氣庫截面的掏槽孔區(qū)域位置

2 最大一段裝藥量設(shè)計(jì)

一般而言，硐室爆破施工對洞壁的損傷程度與爆破裝藥量呈正相關(guān)關(guān)系。為降低爆破施工對洞壁圍巖的損傷，一般對大用量的炸藥進(jìn)行分段引爆，即：將硐室爆破的一次總裝藥量，分解成為若干段小裝藥量，在延時(shí)總時(shí)間范圍內(nèi)盡量增加分段數(shù)量，降低每段的炸藥用量。通過該處理方法，爆破施工過程中只需要控制最大一段的裝藥量，使其不會(huì)對圍巖造成較大損傷即可。

甘肅酒泉壓縮空氣儲(chǔ)能電站交通洞工程爆破施工的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1 所列。通過計(jì)算，該工程一次爆破的總裝藥量較大，達(dá)到了172.89 kg。因此，應(yīng)對一次總裝藥量進(jìn)行裝藥分段。理論而言，如果將129 個(gè)鉆孔的每個(gè)孔都形成一個(gè)段位，則每個(gè)段位的炸藥用量都較小，最大的掏槽孔也只有2.7 kg，此時(shí)爆破施工對硐室圍巖造成的損傷微乎其微。然而，由于爆破孔數(shù)較多，為了確保129 孔能夠在1 000 ms 內(nèi)完成爆破，即采用電雷管掃描儀掃管分段，量程只到1 000 ms 為止，如無節(jié)制地分成129 個(gè)段位，那么相鄰段位之間的間隔時(shí)間很小，無法滿足50 ～75 ms 的正常需求。因此，需要同時(shí)平衡爆破段位數(shù)量和段位間隔時(shí)間，即：在確定裝藥量時(shí)，應(yīng)控制爆破應(yīng)力對洞壁圍巖的損傷在可接受范圍內(nèi)，如水工隧道工程中將7 cm/s 的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為安全臨界值，同時(shí)還要確保雷管延時(shí)總時(shí)間在1 000 ms 之內(nèi)。

表1 電站交通洞工程爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

在甘肅酒泉壓縮空氣儲(chǔ)能電站工程中，巖體質(zhì)量較好，硐室地層主要為Ⅰ～Ⅱ類花崗巖。通過計(jì)算，Ⅰ～Ⅱ類巖體地層中，可接受的最大一段裝藥量為16 kg，即可確保爆破振動(dòng)速度在7 cm/s 以內(nèi)。隨著圍巖質(zhì)量的降低，可接受的最大一段裝藥量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。

基于上述計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)各類爆破孔的分段情況，具體如下。

1)掏槽孔共16 個(gè)孔位，合計(jì)43.2 kg 炸藥：按5 ms、10 ms、15 ms 和20 ms 合計(jì)4 段位控制，平均每段裝藥10.8 kg，間隔50 ms 后安排崩落孔起爆。

2)崩落孔共57 個(gè)孔位，合計(jì)89.94 kg 炸藥：按75 ms、150 ms、225 ms、300 ms、375 ms、450 ms、525 ms、600 ms 和675 ms 合計(jì)9 段位控制，平均每段的裝藥量為9.99 kg。

3)底孔共9 個(gè)孔位，合計(jì)12.96 kg 炸藥：因底孔較少，又靠近下部崩落孔，故將9 個(gè)底孔分成4 組，第1 組為3 個(gè)底孔，其余3 組均為2 個(gè)底孔，并將4 組底孔分別串聯(lián)接入75 ms、225 ms、375 ms 和525 ms 這4 個(gè)崩落孔段位中去。此時(shí)，75 ms、225 ms、375 ms 和525 ms 這4 個(gè)段位的裝藥量合計(jì)為52.92 kg。其中，最大一段裝藥量為14.31 kg，即部分崩落孔+3 個(gè)底孔，安排在靠近中間的75 ms 段內(nèi)，其余3 段的裝藥量均為12.87 kg，即部分崩落孔+2 個(gè)底孔，間隔75 ms 后安排周邊孔起爆。

4)周邊孔共47 個(gè)孔位，合計(jì)26.79 kg 炸藥：分750 ms 和825 ms 合計(jì)2 段控制，平均每段的裝藥量為13.40 kg。

上述分段裝藥模式下，最大一段裝藥量為14.31 kg，產(chǎn)生在“部分崩落孔+3 個(gè)底孔”段位。確定最大一段裝藥量后，對藥量較少的段位，可以適當(dāng)增加其裝藥量，但應(yīng)控制其裝藥量小于最大一段裝藥量，保證爆破振動(dòng)速度不超過安全臨界值7 cm/s。

3 爆破臨空面布置設(shè)計(jì)

根據(jù)爆破力學(xué)理論，爆破臨空面的作用可以較好地釋放爆破能量，為爆破壓力提供良好的應(yīng)力釋放路徑，這種應(yīng)力釋放路徑越多、越廣，儲(chǔ)氣庫洞壁圍巖受到的爆破應(yīng)力越小。因此，爆破施工時(shí)應(yīng)盡可能制造較多的爆破臨空面。在硐室施工工序復(fù)雜、最大一段爆破裝藥量限制以及施工設(shè)施異型等因素的影響下，尋找、創(chuàng)造爆破臨空面工作顯得尤為關(guān)鍵。為此，基于類似工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合甘肅酒泉人工硐室儲(chǔ)氣庫的工程特點(diǎn)和地質(zhì)條件，提出了“一變二、二轉(zhuǎn)四；二四同進(jìn)、直至洞底”爆破開挖思路。

1)“一變二”施工

“一變二”施工是指1 個(gè)掌子面變?yōu)? 個(gè)掌子面，具體如圖3 所示，通過對下部先導(dǎo)洞進(jìn)行開挖，使1 個(gè)掌子面變了上、下2 個(gè)錯(cuò)位的掌子面。

注：圖中Ⅰ-Ⅰ為一個(gè)1號(hào)施工掌子面，Ⅱ-Ⅱ?yàn)閮蓚€(gè)2號(hào)施工掌子面。圖3 “一變二”施工示意圖

2)“二轉(zhuǎn)四”施工

“二轉(zhuǎn)四”施工如圖4 所示。通過“二轉(zhuǎn)四”施工，即對先導(dǎo)洞截面進(jìn)行局部掏槽，2 個(gè)錯(cuò)位的掌子面產(chǎn)生了4 個(gè)爆破臨空面。4 個(gè)臨空面的具體位置、朝向如下。

注：圖中①、②、③、④均為臨空面編號(hào)。圖4 “二轉(zhuǎn)四”施工示意圖

①號(hào)臨空面是由先導(dǎo)洞掏槽孔創(chuàng)造產(chǎn)生的爆破臨空面，朝向楔形體內(nèi)部。

②號(hào)臨空面是由先導(dǎo)洞爆破開挖后產(chǎn)生，臨空面朝向逆開挖掘進(jìn)方向。

③號(hào)臨空面也是由先導(dǎo)洞爆破開挖后產(chǎn)生，為待爆破硐室在先導(dǎo)洞外圈部位的臨空面，上半部是弧形，下半部是直線型，朝向已完成先導(dǎo)洞的形心方向。

④號(hào)臨空面為初始臨空面，與②號(hào)臨空面的朝向相同，即朝向逆開挖掘進(jìn)方向。

3)“二四同進(jìn)、直至洞底”施工

“二四同進(jìn)、直至洞底”施工是指上下2 個(gè)施工掌子面按照“錯(cuò)位同號(hào)”同時(shí)爆破。如圖5 ～圖6 所示，錯(cuò)位掌子面2 ～2、3 ～3、...、99 ～99 均同時(shí)爆破，往儲(chǔ)氣庫硐底爆破掘進(jìn)；同時(shí)，4 個(gè)爆破臨空面在爆破掘進(jìn)過程中，充分釋放爆破能量，最大程度地削弱爆破應(yīng)力對儲(chǔ)氣庫圍巖造成的損傷。

圖5 儲(chǔ)氣庫下導(dǎo)洞法開挖示意圖

圖6 儲(chǔ)氣庫中導(dǎo)洞法開挖示意圖

考慮到爆破臨空面的重要性，以及爆破安全、爆破質(zhì)量、施工方便和工期等方面的要求，對甘肅酒泉壓縮空氣儲(chǔ)能電站300 m 長度的儲(chǔ)氣庫1 和儲(chǔ)氣庫2 分別提出下導(dǎo)洞法和中導(dǎo)洞法2 種施工方法，分別如圖5 ～圖6 所示。采用下導(dǎo)洞法施工時(shí)，首先從硐口開始按1∶10 坡降向下開挖50 m；接著從截面Ⅱ-Ⅱ開始水平開挖，直至開挖完成250 m，兩施工階段均采取“錯(cuò)位同號(hào)”同時(shí)爆破的方式進(jìn)行掘進(jìn)；最后回轉(zhuǎn)到硐口50 m 處反挖降坡段預(yù)留的弧形三角體。采用中導(dǎo)洞法施工時(shí)，直接從儲(chǔ)氣庫進(jìn)口處開始水平開挖至硐底，該階段同樣采取“錯(cuò)位同號(hào)”同時(shí)爆破的掘進(jìn)方式，循序漸進(jìn)，直至開挖完成300 m 全長；隨后從硐口按10%降坡明挖圖6 中陰影部分的巖體，50 m 之后進(jìn)入平底開挖，并完成250 m 長的明挖段；最后回轉(zhuǎn)到洞口50 m 處，反挖降坡段的50 m 預(yù)留的弧形三角體。雖然2 種工序的導(dǎo)洞位置不同，但爆破臨空面都是相同的4 個(gè)臨空面。后續(xù)將對比2 種工序的優(yōu)劣和施工效果。

4 爆破應(yīng)力消減效果分析

掏槽孔區(qū)域位置設(shè)計(jì)、最大一段裝藥量設(shè)計(jì)和爆破臨空面布置設(shè)計(jì)3 種方法均可在一定程度上降低爆破施工產(chǎn)生的爆破應(yīng)力，從而減輕爆破施工對圍巖的損傷。為最大限度降低爆破應(yīng)力，甘肅酒泉壓縮空氣儲(chǔ)能人工硐室交通硐爆破掘進(jìn)時(shí)聯(lián)合應(yīng)用了上述3 種爆破應(yīng)力消減方法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)爆破施工后交通硐硐壁圍巖整體較為平滑，因爆破施工產(chǎn)生的新裂縫很少。此外，爆破開挖后硐壁圍巖的彈性模量略有降低，但在可接受范圍內(nèi)，表明同時(shí)采用上述3 種方法可以較好地控制爆破施工對圍巖的損傷。

5 結(jié)語

該文對300 MW 級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能人工硐室儲(chǔ)氣庫建設(shè)工程爆破施工中的爆破應(yīng)力消減方法展開分析，主要包括掏槽孔區(qū)域位置設(shè)計(jì)、最大一段裝藥量設(shè)計(jì)和爆破臨空面布置設(shè)計(jì)3 種方法，得到人工硐室儲(chǔ)氣庫先導(dǎo)洞掏槽孔區(qū)域位置的基本布置原則，闡述了多段位爆破裝藥量設(shè)計(jì)和延時(shí)設(shè)計(jì)的平衡原則，提出了“一變二、二轉(zhuǎn)四；二四同進(jìn)、直至洞底”爆破開挖思路。通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)聯(lián)合應(yīng)用上述3 種爆破應(yīng)力消減方法可以較好地控制爆破施工對圍巖的損傷。