陳建軍,何錫明

(寧波市自來水總公司,浙江 寧波 315041)

從已建水庫(kù)引用優(yōu)質(zhì)淡水正日益成為一些城市改善供水水質(zhì)、提高城市競(jìng)爭(zhēng)力的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。對(duì)于優(yōu)質(zhì)淡水水庫(kù)在山區(qū)的引水工程,引水工程建筑物中的取水口采用巖塞爆破是一種比較經(jīng)濟(jì)、干擾較小的施工方式,具有普遍借鑒意義。

1 工程概述

寧波市周公宅 (皎口)水庫(kù)引水及城市供水環(huán)網(wǎng)工程是浙江省、寧波市重點(diǎn)工程,是世界銀行貸款項(xiàng)目之一。工程由9.6 km的取水隧洞、50萬m3/d的水廠以及近60 km輸水管網(wǎng)組成,于2005年2月開工,計(jì)劃2010年底完工,總投資13.6億元。

隧洞取水口布置在皎口水庫(kù)大壩左岸,離左壩頭約1000m,采用豎井式分層取水塔形式,分上下2層,上層取水口采用常規(guī)爆破施工,下層取水口采用水下巖塞爆破施工。巖塞底高程38.80 m,水庫(kù)正常蓄水位高程68.08 m。

2 下層取水口采用巖塞爆破的原因

下層取水口基巖以弱風(fēng)化為主,完整性較好,弱透水性,為Ⅲ類圍巖,f=3～4,k0=20～30 MPa/cm,覆蓋層厚度及風(fēng)化層厚度不大,地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,具備采用水下巖塞爆破的條件。同時(shí),下層取水口在正常蓄水位以下31.08 m處,如果采用常規(guī)開挖,需放空皎口水庫(kù)30多米庫(kù)水,經(jīng)濟(jì)損失巨大。因此,下層取水口采用巖塞爆破是一個(gè)理想的方案。

3 巖塞爆破設(shè)計(jì)要求

巖塞設(shè)計(jì)厚度為4.2 m,里端直徑D=2.8 m,外端直徑D≥2.8 m,巖塞爆破要滿足以下要求:

(1)爆破和巖渣處理同時(shí)完成,巖塞一次性爆通進(jìn)水,爆破后取水口不發(fā)生較大的坍塌,爆開的巖塞口要有良好的成型,滿足使用要求;

(2)洞內(nèi)混凝土襯砌不能發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞;

(3)積碴坑利用率不得小于90%。

4 巖塞實(shí)際厚度的確定

探明巖塞的實(shí)際厚度是巖塞爆破能否成功的關(guān)鍵。主要采取了2種方法:一是當(dāng)隧洞開挖到離巖塞還有25 m左右時(shí),開始采用地震勘探和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)對(duì)剩余隧洞厚度進(jìn)行超前探測(cè);二是在巖塞段隧洞掘進(jìn)時(shí),采用5 m鉆桿中心鉆孔進(jìn)行超前探孔,分析超前探孔滲水情況,判斷超前探孔是否已經(jīng)與水庫(kù)貫通。當(dāng)中心探孔有壓力泥漿水噴出時(shí),立即用松木樁堵孔,然后在巖塞不同位置補(bǔ)打了3只探孔,均發(fā)現(xiàn)有壓力泥漿水噴出,從而可以判斷探孔已經(jīng)與水庫(kù)貫通。通過探孔分析確定巖塞厚度平均在4.2 m左右。

5 爆破方案施工設(shè)計(jì)

5.1 爆破原理

巖塞爆破采用周邊孔預(yù)裂、5個(gè)大直徑孔掏槽、2圈小直徑孔擴(kuò)孔爆破、水力沖渣的爆破方式。在巖塞中心部位布置5個(gè)大直徑揭頂掏槽孔組合形成集中藥包 (其中中心掏槽孔不進(jìn)行裝藥,也叫中心導(dǎo)向空孔),其作用是起爆時(shí)打通巖塞形成上下爆破漏斗;巖塞周邊布置2排擴(kuò)大孔(即內(nèi)爆孔1環(huán),外爆孔2環(huán)),其作用是擴(kuò)大爆破成巖塞斷面;在巖塞設(shè)計(jì)的周邊布置1圈預(yù)裂防震孔,其作用是使之形成符合設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)斷面,并起減震作用,以穩(wěn)定洞臉。為了更好的成型,在巖塞斷面上部180°范圍內(nèi),預(yù)裂孔之間布置1個(gè)空孔總計(jì)12個(gè)(導(dǎo)向孔),其作用是加強(qiáng)預(yù)裂作用,使上半斷面形成規(guī)則的形狀,以支撐隧洞上部的巖體,形成穩(wěn)定的洞口。

5.2 單位耗藥量的確定

巖石為熔結(jié)凝灰?guī)r,新鮮巖石堅(jiān)硬、致密、完整性一般。參照引水隧洞開挖K值和其它工程經(jīng)驗(yàn),該工程單位耗藥量暫按K=2.0 kg/m3選擇。

5.3 炸藥選用

由于該項(xiàng)目炸藥用量很小,采購(gòu)特種炸藥難度較大,結(jié)合浙江省長(zhǎng)潭、牛頭山、溫州等巖塞爆破中2#巖石炸藥的使用情況,決定采用生產(chǎn)使用均比較方便的2#巖石炸藥。

5.4 孔網(wǎng)參數(shù)的確定

根據(jù)鉆孔的不同部位和所起的不同作用,選用不同的鉆孔直徑,鉆孔方向都與巖塞軸線方向一致,以水平夾角30°角向上抬升,參照國(guó)內(nèi)外部分巖塞爆破的經(jīng)驗(yàn),結(jié)合該工程的地質(zhì)情況,孔底距巖面的距離按設(shè)計(jì)爆破漏斗確定,約為0.4～0.6 m。該工程鉆孔布置見圖1、2,爆破參數(shù)見表1、2,裝藥結(jié)構(gòu)見圖3、4。

圖1 巖塞鉆孔縱剖面圖

圖2 鉆孔布置剖面圖

表1 鉆孔布置表

表2 爆破參數(shù)表

圖3 預(yù)裂孔裝藥(間隔不耦合)結(jié)構(gòu)圖

圖4 掏槽眼、主爆孔裝藥(連續(xù))結(jié)構(gòu)圖

5.5 巖渣處理及影響分析

按照該工程的巖性、節(jié)理及單位裝藥量分析,爆破巖渣直徑為15～50 cm,百分率約為85%;5～15 cm碎石約為10%;5 cm以下的小石約為 5%。設(shè)計(jì)積渣坑容積約為75 m3,下層引水隧洞中還有約27 m3的集石坑,按80%利用率計(jì)算合計(jì)可容納82 m3。巖塞的理論計(jì)算爆破方量為26 m3,考慮不可預(yù)料因素,乘1.5系數(shù),并按1.7的松散系數(shù)計(jì)算巖塞的爆破方量為67 m3。因此積渣坑和集石坑可以容納爆破后的全部石渣,爆破石渣不會(huì)對(duì)門葉啟閉造成影響,可保證門葉正常關(guān)閉。

6 爆破安全校核

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)及文獻(xiàn)研究資料結(jié)果,結(jié)合該工程的實(shí)際,巖塞爆破位于水下約30 m處,受水體阻隔幾乎不發(fā)生飛石和水柱。需要注意的是爆破振動(dòng)和水下沖擊波危害。

6.1 爆破振動(dòng)對(duì)周圍建筑物的安全校核

使用鮑氏公式:

對(duì)于上層取水隧洞,R=21 m,算得v=5.98 cm/s,小于水工隧洞的安全振速7 cm/s;爆破振動(dòng)不會(huì)對(duì)上層取水隧洞造成危害;對(duì)于豎井及啟閉機(jī)室,R=42 m,算得 V=2.11 cm/s,小于安全振速3.5 cm/s,所以該巖塞爆破振動(dòng)也不會(huì)對(duì)豎井結(jié)構(gòu)造成危害。

通過上述計(jì)算表明,該爆破設(shè)計(jì)的爆破振動(dòng)對(duì)周圍建筑物是安全的。

6.2 爆破沖擊波對(duì)周圍建筑物的影響

(1)水下沖擊波對(duì)水庫(kù)水域的影響。皎口水庫(kù)沒有通航及潛水作業(yè)要求,爆破對(duì)水域影響較小。

(2)水中沖擊波對(duì)水工閘門的影響。水中沖擊波根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式:P=80.27ρ1.42,ρ=Q1/3/R(密云水庫(kù)水下巖塞爆破水沖擊波經(jīng)驗(yàn)公式)進(jìn)行校核,其中Q=33.1 kg。

對(duì)上層取水口閘門:R=63 m ρ=0.054 P=0.43(105Pa)。

對(duì)下層取水口閘門:R=42 m ρ=0.08 P=0.77(105Pa)。

由計(jì)算可知:沖擊波的峰值不大,閘門可以承受,爆破不會(huì)對(duì)閘門造成危害。

6.3 巖塞段地質(zhì)條件影響

巖塞范圍沒有較大斷層,地表覆蓋較薄,巖石單一,完整性好,滿足巖塞爆破作業(yè)要求。小斷面采用鉆孔爆破巖塞,爆破藥量小,巖塞內(nèi)炸藥量分布均勻,防震預(yù)裂孔成型好,爆破震動(dòng)影響小,爆破震動(dòng)上部巖石,滑動(dòng)下塌影響小,進(jìn)口洞臉邊坡穩(wěn)定。因此爆破對(duì)巖塞段地質(zhì)影響較小。

7 巖塞爆破施工實(shí)施

(1)提前與各有關(guān)部門聯(lián)系通告,在預(yù)定爆破時(shí)間發(fā)布起爆信號(hào),全線實(shí)行警戒。起爆作業(yè)嚴(yán)格遵守起爆程序。

(2)爆破結(jié)束后,按要求及時(shí)下放事故閘門,如事故門漏水較大時(shí),下放工作閘門進(jìn)行補(bǔ)救。

(3)爆后檢查:巖塞爆破完成后,在工作閘門及事故閘門均處于擋水工作狀態(tài)下,將閘門后洞內(nèi)水盡可能放光。工作人員進(jìn)洞檢查發(fā)現(xiàn),閘門后約30～100m范圍分布有部分石渣,但閘門后隧洞襯砌混凝土沒有發(fā)現(xiàn)爆石撞擊損傷現(xiàn)象,事故閘門滲流較小。

(4)水下探摸、攝像及人工清渣。水下探摸及攝像的目的有2個(gè):一是檢查巖塞爆破后孔口形狀、孔口周邊圍巖震動(dòng)影響、隧洞襯砌混凝土影響以及集渣坑充填情況;二是對(duì)閘門前面被高速水流帶來的碎石進(jìn)行人工清理,防止以后對(duì)閘門運(yùn)行造成不良影響。檢查結(jié)果表明,孔口成型較好,周邊巖石較完整,積渣坑未填滿,隧洞襯砌混凝土未發(fā)現(xiàn)明顯撞擊損傷。閘門前隧洞有少量石渣,采取人工水下清理。

8 結(jié) 語

巖塞爆破是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,不但要有較強(qiáng)的專業(yè)技術(shù),而且要有嚴(yán)密的施工組織措施,詳細(xì)的安全應(yīng)急預(yù)案,并且要嚴(yán)格按照方案組織現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

(1)水庫(kù)取水口采用巖塞爆破引水是一種比較經(jīng)濟(jì)的施工方式,可以避免水庫(kù)放空庫(kù)容,避免取水口頭部進(jìn)行大量土石方的開挖。

(2)隧洞掘進(jìn)時(shí)采用鉆孔超前探孔是一種簡(jiǎn)單有效的辦法,地震勘探和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的結(jié)果同實(shí)際情況可能會(huì)出現(xiàn)一定的偏差,建議僅作為施工參考。

(3)巖塞爆破瞬間隧洞內(nèi)及閘門前后水流形態(tài)圖像的拍攝有較大難度,該工程獨(dú)立布置的3個(gè)攝像頭未能取得有效成果。

(4)巖塞爆破完成后,發(fā)現(xiàn)在事故閘門下游約30～100 m范圍有部分石渣堆積,積渣坑的設(shè)計(jì)和利用效果還有待進(jìn)一步研究。

(5)巖塞爆破前隧洞予充水對(duì)爆破后石渣的堆積分布所產(chǎn)生的影響有待進(jìn)一步探討。

(6)靠近巖塞段隧洞施工時(shí),應(yīng)急措施必須到位,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員作好安全教育工作,施工時(shí)一定要有專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督和指導(dǎo),確保施工時(shí)巖塞穩(wěn)定安全。