王克生,李春鋒,杜金琴,楊清蓉

(中國水利水電第五工程局有限公司五分局,成都,610225)

1 概述

為了避免基礎(chǔ)巖石面出現(xiàn)爆破裂隙,或使原有構(gòu)造裂隙和建基面巖體的自然狀態(tài)產(chǎn)生不應(yīng)有的惡化,鄰近水平建基面應(yīng)預(yù)留巖體垂直保護層。按照規(guī)范規(guī)定,預(yù)留保護層采用小炮分層爆破的開挖方法,每次開挖的厚度為預(yù)留保護層總厚度的l/2～2/3。根據(jù)以往類似工程來看,這種“層層剝皮”式的開挖保護層的方法,工期長、造價高、質(zhì)量也不甚理想(每次鉆爆幾十厘米,由于巖面高低不平,鉆孔深度很難掌握,難免超鉆)。用這種方法開挖保護層,施工很難控制,鉆孔普遍達到設(shè)計開挖面后有不少超深,同時單耗藥量普遍達到1.0kg/m3以上,使得很多建基面上都有殘留炮孔(超深一般0.3m～0.5m)及爆破裂隙。

亭子口水利樞紐工程為大唐公司創(chuàng)建精品工程項目,對廠房工程基礎(chǔ)巖體的完整性要求高。但因截流時間滯后,廠房工程土石方開挖工期被壓縮,致使土石方開挖強度大幅度提高;為給廠區(qū)基礎(chǔ)保護層開挖提供合適的、可行的、較為經(jīng)濟的開挖方式,在廠區(qū)石方開挖爆破過程中進行了基礎(chǔ)保護分層爆破開挖試驗和一次爆破開挖試驗。通過對比這兩種基礎(chǔ)保護層的爆破效果,確定合理的裝藥參數(shù)、起爆網(wǎng)絡(luò)的合理性等,最后在廠房工程基礎(chǔ)保護層開挖過程中采用了一次爆破技術(shù)。

2 爆區(qū)底層巖性

廠房地面高程為370m～438m,平均地形坡角23°,地表堆積殘坡積、崩坡積粘土夾塊石,厚度小于5m,設(shè)計建基面最低高程343.80m。建基巖體為K 1c2-1層厚層巖屑砂巖,為微新巖體,飽和單軸抗壓強度35MPa～45MPa,變形模量20GPa,完整性較好,建基巖體質(zhì)量為BⅡ類。安裝場由安Ⅰ段和安Ⅱ段組成,安Ⅰ段設(shè)計建基面高程376m～382m,建基巖體為K 1c2-3層長石石英砂巖,飽和抗壓強度20M Pa～25M Pa,變形模量為8GPa,完整性較好,建基巖體質(zhì)量為CⅢ類;安Ⅱ段設(shè)計建基面高程334.3m～376.0m,最低開挖高程334.30m,建基巖體為K 1c2-1～K 1c2-3層的巖屑砂巖、長石石英砂巖及粘土巖,基巖體質(zhì)量為BⅡ～CⅣ類。

3 現(xiàn)場爆破試驗

為給建基面保護層一次爆破提供合理的爆破參數(shù),本次爆破試驗在保護層上部尾水渠段較為平整的場地上進行。在爆破試驗過程中,進行了爆破前后的聲波檢測。

3.1 孔底柔性墊層試驗

水平建基面保護層一次爆破技術(shù)的關(guān)鍵之一,是孔底鋪設(shè)柔性墊層,使藥包和孔底之間呈不耦合狀態(tài)。通過柔性墊層的緩沖作用,使孔底以下基巖所受的爆炸壓力明顯降低,從而使基巖的完整性得到保護。試驗過程中選用了鋸末作柔性墊層材料,柔性墊層的長度選定為15cm。

爆破前后,分別在兩組觀測孔內(nèi)跨孔檢測巖體聲波速度。兩組孔底巖石不同深度爆破前后波速變化見表1。

表1 孔底有無柔性墊層對比試驗

對比試驗表明,鋸末柔性墊層對孔底以下基巖有明顯的保護作用。在有15cm墊層的孔底基巖,其聲波速度僅比爆前降低了7.5%～8.5%,大體相當于無墊層時孔底以下0.6m～0.7m處巖石的破壞情況。而無墊層時,孔底巖石爆破后波速下降達13%～15%。

3.2 爆破參數(shù)試驗

本次一次爆破開挖試驗,爆區(qū)選定在尾水渠段較為平整的場地進行。在采用孔底設(shè)柔性墊層減震的同時,還采用小抵抗線、寬孔距、小梯段爆破技術(shù),充分利用先爆孔形成的良好臨空面,使爆破能量主要沿臨空面方向破碎巖體,拋擲巖塊,相應(yīng)減少底部爆破荷載。用短時差等間隔毫秒微差雷管起爆,以克服后排巖體夾制作用,獲得較平整的建基面。

根據(jù)嘉陵江青居電站廠區(qū)樞紐保護層開挖爆破經(jīng)驗,2.1m的保護層用一次性鉆孔爆破是可行的,且爆破質(zhì)量優(yōu)良。用手風鉆造孔,孔徑d=45mm,采用梅花形布孔,共布置炮孔150個。其中,布置4個物探孔,孔深5.6m～5.8m,其余鉆孔深為2.1m～2.4m,炮孔間排距為1.2m×0.8m。藥卷直徑采用φ32mm,裝藥量取Q=1kg,單耗q=0.60kg/m3。為了便于控制鉆孔孔底距基礎(chǔ)面的距離,采用垂直孔。爆破方法采用寬孔距小抵抗線梯段爆破,起爆網(wǎng)絡(luò)采用梯段排間起爆。

3.2.1 爆前爆后檢測。包括測定爆前全部孔口高程、孔深以及物探孔的聲波檢測,具體見表2～表4、插圖1～插圖3。

表2 電站廠房及尾水渠保護層一次開挖爆破試驗爆前炮孔孔頂高程

表3 電站廠房及尾水渠保護層一次開挖爆破試驗爆后炮孔孔頂高程

表4 尾水渠基礎(chǔ)保護層爆前爆后單孔聲波縱波速度值統(tǒng)計

圖1 W 1、W 2號孔爆前爆后聲波單孔聲波曲線對比

圖2 W 3、W 4號孔爆前爆后聲波單孔聲波曲線對比

3.2.2 爆前爆后單孔聲波成果。建基面巖體在開挖爆破中,受爆破作用的影響,巖體表層將會產(chǎn)生爆破松弛帶,其波速相對于原位巖體有一定的降低。因此,通過爆破前后聲波對比觀測,可確定爆破影響深度及爆破對巖體的影響程度。尾水渠基礎(chǔ)保護層單孔爆破松弛影響深度統(tǒng)計結(jié)果見表5。

表5 尾水渠基礎(chǔ)保護層單孔爆破松弛影響深度統(tǒng)計

3.2.3 爆破試驗結(jié)論

(1)根據(jù)尾水渠基礎(chǔ)保護層爆前爆后單孔聲波檢測Vp曲線對比圖及統(tǒng)計對比表(見圖1、圖2及表5),爆前單孔聲波縱波速度最大值4348m/s,最小值2941m/s,平均值3595m/s;爆后最大值4082m/s,最小值2941m/s,平均值3499m/s。

(2)本次檢測爆前爆后單孔聲波測試孔各4個,以爆破后孔深為基準,較強烈爆破松弛影響,影響深度0.8m～0.9m,爆后聲波Vp的平均降低幅度為9.63%(具體見表5)。

(3)從爆后聲波檢測結(jié)果看,爆后對建基面基本沒有損傷;爆破后,經(jīng)過人工清渣沖洗,未見爆破裂隙。從表2、表3爆破前后孔頂高程及爆破后效果來看,爆破后建基面較為平整。因此,采用一次爆除的方式是可行的,爆破參數(shù)比較合理。

4 寬孔距小抵抗線梯段爆破

寬孔距爆破是將炮孔孔距拉大,抵抗線縮小,使孔距與抵抗線的比值大于2。寬孔距爆破技術(shù)能降低炸藥單耗,改善破碎效果,提高條形藥包延米爆破量。主要原因是:隨著孔距增大,排距減小,實際爆破抵抗線小于標準爆破漏斗的抵抗線;第一排炮孔爆破后,給第二排炮孔增加了一個臨空面,以后每排炮孔爆破后,都使其后面一排的藥包增加一個臨空面,臨空面越多,巖石的夾制力越小,反射波的能量越大,爆破的破碎效果越好。臨空面增加,巖石的運動方向增加,巖石發(fā)生相互碰撞的概率就大大增加,造成附加破碎的效果更加明顯,使炸藥的能量盡可能用來破碎巖石,減輕對基巖的破壞作用。這種方法在目前的水電施工中應(yīng)用較廣,網(wǎng)絡(luò)布置簡潔,施工快捷。

5 裝藥結(jié)構(gòu)

采用柔性墊層使炮孔底部形成不耦合裝藥結(jié)構(gòu),即在炮孔底部設(shè)置一種排水型體積可變的柔性墊層。亭子口廠房工程采用φ35mm高15cm的鋸末卷墊層(為防潮,外層包裹一層塑料薄膜),使藥卷不與炮孔底部直接接觸或減少水介質(zhì)傳遞爆炸的沖擊作用。在基礎(chǔ)保護層一次爆破實踐中證明,加柔性墊層確實可以起到保護下層巖體的作用,使爆炸能量的傳遞受到明顯消減。上部裝藥結(jié)構(gòu)未采用其它工程用的全段不耦合裝藥,而是吸取了深孔爆破裝藥結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗,采用了空氣層裝藥結(jié)構(gòu)。即炸藥全部采用φ32mm藥卷,孔口填塞根據(jù)孔深不同,長為0.3m～0.5m;填塞段與藥卷之間留一段空氣柱。實踐證明,這種裝藥結(jié)構(gòu)簡便易行,可減少爆巖塊度,降低爆震,爆破效果較好。裝藥結(jié)構(gòu)形式見圖3。

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)示意

6 經(jīng)濟效益評價

在廠房工程基礎(chǔ)保護層開挖后,將一次爆破技術(shù)與分層爆破的各項指標進行對比,前者在爆破次數(shù)、清面次數(shù)、鉆孔和出渣的指標上均優(yōu)于后者,且可以節(jié)約時間45%以上;爆后的挖裝工作,前者可以節(jié)省大量的資源,單位耗藥量、雷管消耗等方面,前者單價僅為后者的60%。保護層一次爆破和分層爆破的經(jīng)濟效益比較見表6。

表6 基礎(chǔ)保護層開挖經(jīng)濟效益比較

7 結(jié)語

7.1 從亭子口廠房工程基礎(chǔ)保護層一次爆破的作用機理和效果來看,采用保護層一次爆破技術(shù)能有效地降低對巖石破壞,加快施工進度。

7.2 基礎(chǔ)保護層一次爆破技術(shù)與常規(guī)方法相比,具有更好的經(jīng)濟效益,極大地降低了施工成本。

7.3 基礎(chǔ)保護層一次爆破技術(shù)作為一項新的爆破技術(shù),已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工程實踐,但它仍有待進一步的發(fā)展和完善,以充分發(fā)揮其開挖工期短、確保開挖質(zhì)量、減少資源投入等方面的作用。由于受到施工現(xiàn)場各方面的因素影響,在應(yīng)用保護層一次爆破技術(shù)時,一定要結(jié)合工程實際情況,綜合考慮工區(qū)地質(zhì)、工期以及經(jīng)濟性等方面因素進行現(xiàn)場的爆破試驗,確定合理的爆破參數(shù)和技術(shù)措施。