， ，，孫舉

(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；2.武警水電三峽工程指揮部, 武漢 430050)

1 研究背景

國內(nèi)大型地下水封洞庫通常采用鉆爆法開挖。地下水封洞庫工程的建設(shè)在我國剛剛起步，關(guān)于其爆破方案及施工技術(shù)的相關(guān)研究還比較少。而目前水利水電、交通等工程的大型地下洞庫系統(tǒng)及隧道開挖的爆破技術(shù)的研究成果較多[1-3]可供之借鑒。這些大型地下洞室采用分層開挖，對(duì)頂拱層的開挖，通常采用小孔徑水平淺孔爆破的方式；而對(duì)頂拱層以下各層的開挖，為了加快施工進(jìn)度，一般采用深孔臺(tái)階爆破和光面爆破或預(yù)裂爆破相結(jié)合的方式[4]。

與其他行業(yè)大型地下洞室相比，大型地下水封洞庫工程具有不襯砌、洞室密度大、對(duì)圍巖完整性要求高等特點(diǎn)[5]。其主體工程的施工都在水幕系統(tǒng)注水環(huán)境下進(jìn)行。因此，地下水封洞庫爆破施工的輪廓面成形效果要求非常高，爆破振動(dòng)控制也非常嚴(yán)格，除了需要控制爆破對(duì)本洞、鄰洞的動(dòng)力穩(wěn)定性影響外，還需要控制爆破對(duì)洞室水封性的影響。因此需要根據(jù)地下水封洞庫這些獨(dú)有的特性及其工程地質(zhì)條件并結(jié)合爆破試驗(yàn)確定合適的開挖程序和爆破方式。

本研究，以某大型地下水封洞庫工程為背景，采用現(xiàn)場試驗(yàn)的方法，結(jié)合爆破振動(dòng)測試、爆破前后聲波測試等手段，比較不同爆破方案下地下水封洞庫的爆破振動(dòng)響應(yīng)特性及爆破破壞特征，對(duì)水封環(huán)境下地下洞室開挖爆破方式進(jìn)行優(yōu)化。

2 工程概況

某地下水封洞庫工程主要由主洞室群、豎井、水幕系統(tǒng)及施工巷道等組成。主洞室群分成3組罐體，每組罐體3個(gè)洞室，共9個(gè)洞室，每組洞室之間由施工巷道連通。洞室為直立邊墻圓拱洞，跨度為20 m，高度30 m，長度在484～717 m之間。兩個(gè)相鄰主洞室之間設(shè)計(jì)凈間距為30 m，主洞室壁與相鄰施工巷道壁之間設(shè)計(jì)凈間距為25.25 m。洞室群頂部設(shè)水幕系統(tǒng)，由注水巷道和水幕孔組成，覆蓋整個(gè)洞庫上方，注水巷道底板寬5.0 m，高4.5 m。洞室區(qū)以相對(duì)較完整的花崗片麻巖為主，主要為Ⅱ、Ⅲ類巖體。

主洞室根據(jù)不同的爆破方案分4層或5層開挖。頂拱層高8.5 m，采用中導(dǎo)洞先進(jìn)，兩側(cè)擴(kuò)挖跟進(jìn)的方式開挖。根據(jù)該工程的特點(diǎn)及其他工程的經(jīng)驗(yàn)，頂拱層以下各層(除底板保護(hù)層)的爆破開挖方式主要有2種：一種為兩側(cè)直墻輪廓面預(yù)裂爆破，中間深孔臺(tái)階爆破的開挖方式(簡稱深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案)；另一種是小孔徑水平造孔中部抽槽先行，兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層水平光面爆破跟進(jìn)的開挖方式(簡稱水平淺孔爆破+光面爆破方案)。地下水封洞庫對(duì)爆破開挖成形、爆破振動(dòng)及損傷的要求比較高。且雖然預(yù)裂爆破形成的預(yù)裂縫可以屏蔽主爆破對(duì)保留巖體的損傷，但是其本身對(duì)巖體的損傷比光面爆破大[6]。因此，需要通過爆破試驗(yàn)驗(yàn)證深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案的可行性，并比較其與水平淺孔爆破+光面爆破方案的優(yōu)劣。

3 現(xiàn)場爆破試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

將試驗(yàn)段的基本地質(zhì)條件列入表1中。

表1 爆破試驗(yàn)段基本地質(zhì)條件

3.2 試驗(yàn)參數(shù)

深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案的臺(tái)階開挖高度9.5 m，每個(gè)開挖循環(huán)進(jìn)尺10 m。主爆孔孔徑為90 mm，孔距為2.5～3.0 m，排距2.0～2.5 m，預(yù)裂孔孔徑76 mm，孔距0.7 m。采用孔外接力起爆網(wǎng)路。典型的炮孔布置及起爆網(wǎng)路如圖1所示。

圖1 深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案炮孔布置及起爆網(wǎng)路圖

水平淺孔爆破+光面爆破方案的中間抽槽寬度14 m，兩邊各留3 m保護(hù)層，開挖臺(tái)階高度6 m，中部抽槽每循環(huán)進(jìn)尺4.2 m，兩側(cè)保護(hù)層循環(huán)進(jìn)尺4.2 m。主爆孔孔徑42 mm，孔距為1.5～2.5 m，排距1.4～1.5 m，周邊光爆孔孔徑42 mm，孔距0.5 m。采用孔間微差起爆網(wǎng)路。典型炮孔布置及起爆網(wǎng)路如圖2所示。

圖2 水平淺孔爆破+光面爆破方案炮孔布置及起爆網(wǎng)路圖

4 輪廓面成形效果比較

圖3為2種不同爆破方案條件下爆破后輪廓面成形效果照片。

圖3 2種爆破方案下爆破輪廓面成形效果

根據(jù)爆后觀察和測量可知：2種爆破方案下輪廓面成形效果較好，半孔率>80%，部分試驗(yàn)的半孔率達(dá)到90%以上，3 m直尺檢查平整度<15 cm。由圖3可知，相比之下，深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案的半孔率、平整度優(yōu)于手風(fēng)鉆水平淺孔爆破+光面爆破效果。根據(jù)施工現(xiàn)場試驗(yàn)情況，2種爆破方案的爆破成形效果均能滿足開挖施工技術(shù)要求。

5 圍巖爆破振動(dòng)特性比較

5.1 不同爆破方案下爆破振動(dòng)波形及頻譜比較

深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案下典型爆破振動(dòng)波形圖及其頻譜圖如圖4、圖5所示；水平淺孔爆破+光面爆破方案下典型振動(dòng)波形及頻譜如圖6、圖7所示。

圖4 深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案下典型振動(dòng)波形(爆心距30 m)

圖5 深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案下頻譜(爆心距30 m)

圖6 水平淺孔爆破+光面爆破方案下典型振動(dòng)波形(爆心距30m)

圖7 水平淺孔爆破+光面爆破方案下頻譜(爆心距30m)

由圖4至圖7可知，2種方案的各段爆破振動(dòng)波形分離均較為明顯；在相同爆心距條件下，水平淺孔爆破+光面爆破方案的爆破振動(dòng)峰值要小于深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案下的振動(dòng)峰值，其爆破振動(dòng)主頻要大于深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案；而2種方案低頻成分均較少，不會(huì)對(duì)洞室群結(jié)構(gòu)響應(yīng)造成影響。

5.2 不同爆破方案下地下洞室群開挖爆破振動(dòng)衰減規(guī)律

工程中通常采用以炸藥量和爆心距為主要影響因素的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)質(zhì)點(diǎn)峰值振速的衰減特性進(jìn)行描述，其表達(dá)式為[7]

V=Kρα。

(1)

式中：V為質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度(cm/s)；K為與巖石性質(zhì)、爆破參數(shù)等有關(guān)的因子；α為振動(dòng)衰減系數(shù)；ρ為比例藥量ρ=Q1/3/R；Q為最大單響藥量(kg)；R為爆心距(m)。

分別提取2種爆破方案下實(shí)測振動(dòng)數(shù)據(jù)中預(yù)裂段(光爆段)、主爆段爆破振動(dòng)峰值及對(duì)應(yīng)的段藥量和爆心距，采用式(1)對(duì)這些振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，分別得到不同方案下預(yù)裂爆破、光面爆破及主爆孔爆破振動(dòng)衰減規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式，列入表2中。

表2 2種爆破方案條件下爆破振動(dòng)衰減規(guī)律

由表2可知，預(yù)裂爆破的K值和α值均大于光面爆破的，由此可見，在一定爆心距范圍內(nèi)，比例距離相同的情況下，預(yù)裂爆破誘發(fā)的爆破振動(dòng)峰值要大于光面爆破，其峰值衰減速度要大于光面爆破。比較2種方案下主爆孔段的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律可知：預(yù)裂爆破方案下主爆段的K值和α值均大于光面爆破方案的。同理，在一定爆心距范圍內(nèi)，深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案主爆段的爆破振動(dòng)峰值及其衰減速度均要大于水平淺孔爆破+光面爆破方案。

6 爆破影響深度比較

為了比較深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案和水平淺孔爆破+光面爆破方案的爆破影響深度，在爆破試驗(yàn)過程中進(jìn)行了多次爆前爆后聲波測試。

在深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案的爆破試驗(yàn)中，共布置6組聲波孔，每組3個(gè)孔，編號(hào)為QS1-QS24。由于現(xiàn)場條件的限制，聲波孔布置在距離上層地板0.6 m處的邊墻上，每組聲波孔呈直線布置，孔間距1.2 m，入巖深度7 m，傾角為45°，做兩孔之間的對(duì)穿試驗(yàn)。聲波孔布置如圖8所示。

圖8 聲波孔布置示意圖

水平淺孔爆破+光面爆破方案的爆破試驗(yàn)中，共布置4組聲波孔，每組3個(gè)孔，編號(hào)為S1-S12。聲波孔布置同深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案，進(jìn)行單孔聲波測試。

根據(jù)聲波波速(VP)-孔深(L)關(guān)系曲線特征，可以對(duì)檢測部位的巖體受到施工開挖擾動(dòng)程度進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。2種爆破方案下爆破前后聲波測試成果見表3和表4。

表3 深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案下聲波測試成果

表4 水平淺孔爆破+光面爆破方案下聲波測試成果

由于0.85 m孔深范圍內(nèi)的聲波孔均在上層高程范圍內(nèi)，測試時(shí)上層已經(jīng)開挖，在上層開挖爆破和卸荷的共同作用下，形成了一定厚度的松動(dòng)圈。由表3、表4可知：而2種方案下，中層爆破前后試驗(yàn)區(qū)域巖體的聲波曲線均變化不大，中層爆破并使這部分松動(dòng)圈深度加深。而部分測孔的松動(dòng)圈范圍內(nèi)波速在爆破后有所降低，而松動(dòng)圈范圍外巖體波速基本無變化，表明中層爆破對(duì)測試區(qū)域邊墻的影響主要表現(xiàn)在松動(dòng)圈范圍內(nèi)巖石波速進(jìn)一步降低。

在深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破開挖方案下，邊墻巖體原有松動(dòng)圈內(nèi)平均波速下降最大為14.4%；而在水平淺孔爆破+光面爆破方案下，邊墻巖體原有松動(dòng)圈內(nèi)平均波速下降最大為12.5%。相比之下，水平淺孔爆破+光面爆破爆破方案下爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響略小，且更容易控制。

7 爆破方式優(yōu)選

綜合以上分析，對(duì)于深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案，在巖體條件較好且選擇合理的爆破參數(shù)及起爆網(wǎng)絡(luò)的情況下，也能滿足振動(dòng)及損傷控制和開挖成形的需要，故可以應(yīng)用于大型地下水封洞庫的爆破開挖。該方案在施工質(zhì)量控制方面較優(yōu)，在施工組織方面工序控制及協(xié)調(diào)難度小，利于機(jī)械化施工，適用于在巖體條件較好的情況下的高強(qiáng)度大規(guī)模施工。而對(duì)于水平淺孔爆破+光面爆破方案下爆破產(chǎn)生的振動(dòng)及對(duì)圍巖的擾動(dòng)相對(duì)較小，更利于爆破安全控制。但該方案施工效率低，開挖層數(shù)多，不利于大規(guī)模施工，適合在巖體性質(zhì)較差或爆破振動(dòng)控制相對(duì)較嚴(yán)格的開挖區(qū)域中采用。

8 結(jié) 論

通過對(duì)某地下水封洞庫工程2種爆破方案下主洞室爆破成形效果、爆破振動(dòng)效應(yīng)及爆破損傷影響等進(jìn)行比較，可以得到如下結(jié)論：

(1) 2種爆破方案下，輪廓面成形效果均較好，能滿足開挖施工技術(shù)要求。相比之下，深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案下半孔率、平整度優(yōu)于手風(fēng)鉆水平淺孔爆破+光面爆破方案。

(2) 深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案在近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)引起的爆破振動(dòng)較大，水平淺孔爆破+光面爆破方案較小；前者的爆破振動(dòng)衰減速度大于后者。

(3) 在聲波測試區(qū)域，爆破對(duì)圍巖的影響主要表現(xiàn)在松動(dòng)圈范圍內(nèi)巖石波速進(jìn)一步降低。在深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破開挖方案下，邊墻巖體原有松動(dòng)圈內(nèi)平均波速下降最大為14.4%；而在水平淺孔爆破+光面爆破方案下，平均波速下降最大為12.5%。相比之下，水平淺孔爆破+光面爆破方案下爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響略小。

(4) 深孔臺(tái)階爆破+預(yù)裂爆破方案可用于大型地下水封洞庫開挖，但需要嚴(yán)格控制鉆孔精度、單段起爆藥量、藥包直徑以及裝藥結(jié)構(gòu)；水平淺孔爆破+光面爆破方案適合在巖體性質(zhì)較差或爆破振動(dòng)控制相對(duì)較嚴(yán)格的開挖區(qū)域中采用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣 健, 周 宇, 孫 文. 大型洞室群開挖爆破技術(shù)[J]. 工程爆破, 2003, 9(1):38-42.(JIANG Jian, ZHOU Yu, SUN Wen. Blasting Techniques for Excavation of Large-scale Underground Tunnels and Chambers [J]. Engineering Blasting, 2003, 9(1):38-42.(in Chinese))

[2] 李友華，黃應(yīng)軍，李景元. 溪洛渡水電站左岸地下廠房大跨度高邊墻開挖施工技術(shù)[J]. 水力發(fā)電, 2008, 34(9):9-12. (LI You-hua, HUANG Ying-jun, LI Jing-yuan. Excavation Techniques of Large-span and High Sidewall of Left-bank Underground Powerhouse of Xiluodu Hydropower Station[J]. Water Power, 2008, 34(9): 9-12. (in Chinese))

[3] 陳仁峰, 鄭 平, 張曉林. 瀑布溝水電站大型地下廠房快速開挖施工技術(shù)研究[J]. 四川水力發(fā)電, 2008, 27(12):35-39. (CHEN Ren-feng, ZHENG Ping, ZHANG Xiao-lin. Study for Rapid Excavation Construction Technique of Large-scale Underground Powerhouse about Pubugou Hydropower Station[J]. Sichuan Water Power, 2008, 27(12):35-39.(in Chinese))

[4] 盧文波, 耿 祥, 陳 明, 等. 深埋地下廠房開挖程序及輪廓爆破方式比選研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2011,30(8):1532-1539. (LU Wen-bo, GENG Xiang, CHEN Ming,etal. Study of Selection of Excavation Procedure and Contour Blasting Method for Deep Underground Powerhouse[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(8):1532-1539. (in Chinese))

[5] 王者超, 李術(shù)才, 呂曉慶, 等.地下水封石油洞庫施工期圍巖完整性參數(shù)敏感性分析[J].巖石力學(xué)，2011, 32(2):489-495. (WANG Zhe-chao, LI Shu-cai, LV Xiao-qing,etal. Parameter Sensitivity of Rock Mass Integrity for a Pilot Underground Crude Oil Storage Caverns During Construction Phase[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011,32(2):489-495. (in Chinese))

[6] 盧文波. 三峽工程臨時(shí)船閘與升船機(jī)開挖中的爆破方案優(yōu)化和爆破振動(dòng)控制[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 1999, 18(5):516-519.(LU Wen-bo. Optimization of Blasting Procedure and Vibration Control During Excavation of Temporary Ship Lock and Ship Lift in Three Gorges Project[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1999, 18(5):516-519.(in Chinese))

[7] 張正宇,張文煊,吳新霞,等. 現(xiàn)代水利水電工程爆破[M]. 北京：中國水利水電出版社, 2003.(ZHANG Zheng-yu, ZHANG Wen-xuan, WU Xin-xia,etal. Modern Blasting for Water Resources and Hydropower Engineering[M]. Beijing: China Water Power Press, 2003. (in Chinese))