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        精益光面爆破在大華橋水電站中的應(yīng)用

        2019-09-24 01:16:40張恩通程占海
        水力發(fā)電 2019年6期
        關(guān)鍵詞:藥卷孔位光面

        張恩通,程占海

        (中國水利水電第一工程局有限公司,吉林 長春 130033)

        0 引 言

        目前,光面爆破幾乎成為地下隧道爆破工程的標(biāo)準(zhǔn)工藝,是20世紀(jì)50年代后期在瑞典興起的,隨后傳入美國、英國、芬蘭和日本等許多國家。60年代中期至70年代初,我國許多專業(yè)、部門以及部隊(duì)開始全面推廣使用,在保證安全的同時(shí),也取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和其他綜合效益,備受有關(guān)專業(yè)科技專家的重視和青睞。大華橋水電站地下洞室開挖中采用精益光面爆破施工技術(shù),對(duì)鉆孔和爆破工藝進(jìn)行全面細(xì)化,并在開挖施工過程中不斷改進(jìn)控制手段和方法,優(yōu)化爆破參數(shù),取得了很好的爆破成型效果。

        1 精益光面技術(shù)創(chuàng)新亮點(diǎn)

        (1)通過細(xì)致分析影響鉆孔控制精度的因素,對(duì)測(cè)量放樣、鉆孔方向和角度控制方法加以精細(xì)化和規(guī)范化,保持相鄰2排炮保留的半孔首尾準(zhǔn)確平順相接,從而實(shí)現(xiàn)“一孔到底”的效果,有效降低光面爆破超挖值,提高開挖面平整度和觀感質(zhì)量。

        (2)通過對(duì)光面爆破炮孔布置、線裝藥密度、裝藥結(jié)構(gòu)等工藝參數(shù)的合理調(diào)整,有效組織爆破能量對(duì)巖體的作用形式,使爆破成型表面平整圓順,半孔清晰完整。

        (3)合理應(yīng)用統(tǒng)計(jì)過程控制方法,將每排炮超挖值檢測(cè)數(shù)據(jù)以圖形化顯示,可更加直觀、全面地掌握質(zhì)量指標(biāo)的過程波動(dòng)水平,及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常的質(zhì)量波動(dòng),以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),為原因分析和改進(jìn)管理決策提供科學(xué)可靠的技術(shù)信息。

        2 精益光面爆破實(shí)施要點(diǎn)

        開挖施工質(zhì)量主要取決于測(cè)量放樣的精度、周邊孔鉆孔精度、裝藥量及裝藥結(jié)構(gòu)適應(yīng)性等技術(shù)指標(biāo)控制水平。

        2.1 測(cè)量放樣

        測(cè)量放樣是開挖施工的第1道工序,放樣的精度是做好總體質(zhì)量控制的基礎(chǔ)。因此,開挖過程中的測(cè)量放樣工作相當(dāng)重要。

        (1)測(cè)量放樣工序。測(cè)量放樣精度不僅與設(shè)備精度、操作人員的技術(shù)水平和認(rèn)真程度有關(guān),嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮鞒绦蚣胺椒ㄒ彩潜匾那疤帷樘岣呔?,采用架站點(diǎn)和放樣點(diǎn)二次復(fù)核的方法,以避免放樣過程中產(chǎn)生過大的偏差。在進(jìn)行后視點(diǎn)交會(huì)法確定架站點(diǎn)坐標(biāo)后,通過復(fù)測(cè)第3個(gè)已知坐標(biāo)的復(fù)核點(diǎn),檢查架站點(diǎn)誤差合格后方可進(jìn)行下一步放樣操作。在對(duì)掌子面開孔點(diǎn)正式放樣前,通過復(fù)測(cè)上排炮中軸線留下的放樣標(biāo)記,核對(duì)與前次放樣的誤差,避免放樣誤差過大或錯(cuò)誤。將每排炮標(biāo)注的中線點(diǎn)連續(xù)延伸,鉆孔人員對(duì)軸線方向進(jìn)行復(fù)核,讓作業(yè)人員對(duì)鉆孔方向做到心中有數(shù)。

        (2)孔位布置。掌子面開孔點(diǎn)全部由測(cè)量人員根據(jù)爆破設(shè)計(jì)由洞軸線向兩側(cè),按50 cm間距逐孔放點(diǎn),每個(gè)孔位在輪廓線上的位置事先計(jì)算確定好,以準(zhǔn)確控制每一循環(huán)開孔點(diǎn)的放樣位置一致。后視點(diǎn)一般距掌子面2.0~2.5 m,采用隔孔放點(diǎn)方式,用油漆作為標(biāo)志,以避免混淆錯(cuò)誤引用。后視點(diǎn)除測(cè)設(shè)輪廓線的位置外,還必須標(biāo)注該點(diǎn)的超挖值,以便鉆孔時(shí)作業(yè)人員參照該超挖值,控制鉆桿尾端與設(shè)計(jì)邊線的相對(duì)位置,即控制鉆孔的外插角度。

        2.2 鉆孔工藝

        由于最終開挖面是沿周邊孔中心連線破裂成型,所以在保證測(cè)量放樣精度前提下,周邊孔鉆孔方向和角度控制是決定最終開挖成型質(zhì)量的關(guān)鍵。

        2.2.1鉆孔方向控制

        沿洞室輪廓線的鉆孔方向應(yīng)與洞室軸線平行,并通過嚴(yán)格控制炮孔間距與方向,爆破后在巖壁上留下分布均勻整齊的半孔,每排炮半孔沿同一直線連續(xù)延伸,如一件精美的工藝品,展示出精雕細(xì)刻的工藝魅力。實(shí)際作業(yè)過程中,各種不利因素影響較多,要想控制準(zhǔn)確并不容易,需要作業(yè)人員具有認(rèn)真精細(xì)的工藝水平,還要有一定的手段。

        (1)開孔精度控制。開孔位置巖面經(jīng)爆破作用往往都帶有傾斜角度,鉆頭在這種斜面推進(jìn)時(shí)會(huì)引導(dǎo)開孔方向,而且這種偏差鉆到孔底時(shí)會(huì)被放大2倍,難以與下排炮開孔位置很好對(duì)接。因此,在開孔時(shí)由多人配合,從各個(gè)方向約束鉆頭移位,盡量減小偏差。

        (2)鉆孔方向控制。在開孔點(diǎn)位置準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上,將鉆桿尾部對(duì)應(yīng)在后視點(diǎn)下部,以控制鉆孔方向;如為無后視點(diǎn)的孔位,則通過與相鄰帶后視點(diǎn)的孔保持平行來控制方向角度。

        2.2.2鉆孔外插角控制

        鉆孔的最佳目標(biāo)是使孔軸線盡可能符合設(shè)計(jì)輪廓線。但在實(shí)際操作過程中,因鉆機(jī)上部的消音罩需占用10 cm左右的空間,鉆桿尾端不可能處于設(shè)計(jì)邊線。而掌子面上必須按設(shè)計(jì)邊線位置開孔,這樣使鉆桿鉆進(jìn)時(shí)帶有一定外插角,形成部分超挖是不可避免的。但不能因?yàn)檫@種誤差不可避免就放任不管,而是要將影響程度控制在合理的范圍內(nèi),這是現(xiàn)場(chǎng)鉆孔工藝控制的關(guān)鍵。

        (1)工藝標(biāo)準(zhǔn)的確定。為滿足鉆機(jī)上部所需10 cm空間的條件,按每循環(huán)進(jìn)尺3.0 m的幾何關(guān)系,鉆孔時(shí),鉆桿需向斷面外傾斜的角度應(yīng)為arcsin(0.1/3.0)=1.9°,考慮其他因素影響,將兩循環(huán)錯(cuò)臺(tái)指標(biāo)合格標(biāo)準(zhǔn)定為15 cm。

        (2)工藝控制方法。因1.9°或2°的角度僅憑目測(cè)難以準(zhǔn)確判斷,現(xiàn)場(chǎng)采用控制相對(duì)設(shè)計(jì)邊線距離的方法,在后視點(diǎn)超挖值基礎(chǔ)上,按3.3 cm/m比例(即1.9°)的上傾角度確定鉆桿與后視點(diǎn)的豎向距離。如后視點(diǎn)距開孔點(diǎn)1.6 m,所標(biāo)注超挖值為5 cm時(shí),鉆桿與后視點(diǎn)垂直距離為5 cm+3 cm/m×1.6 m=9.8 cm。這樣,能使鉆機(jī)上部始終保持有10 cm左右的推進(jìn)空間,鉆桿在不受約束和阻礙的條件下順利推進(jìn),避免了過大外插角造成的超挖。

        2.2.3鉆孔操作注意事項(xiàng)

        理論上,按照上述控制方法操作應(yīng)該能夠保證鉆孔質(zhì)量,并使孔底超挖控制在10~15 cm。但實(shí)際并非如此,在測(cè)量放樣后,檢查上排炮的終孔位置偏差偶爾會(huì)超過15 cm,有時(shí)甚至是超過20 cm以上?,F(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)調(diào)查發(fā)現(xiàn),這種水平或豎直方向的偏差不是開孔階段控制問題,而是在鉆桿推進(jìn)一定深度后,一般認(rèn)為孔內(nèi)已經(jīng)對(duì)鉆桿形成約束,方向角度不會(huì)有太大偏差,往往疏于對(duì)鉆機(jī)位置的控制。假設(shè)此時(shí)鉆機(jī)控制的鉆桿尾端不能與孔內(nèi)鉆桿保持在同一直線,在孔口及孔底的約束作用下,會(huì)使鉆桿發(fā)生彎曲。

        為驗(yàn)證這種鉆桿彎曲對(duì)孔底偏移的影響程度,采用CAD作圖法模擬鉆桿在孔內(nèi)彎曲的狀態(tài)。假設(shè)在鉆進(jìn)1.5 m時(shí)出現(xiàn)鉆桿彎曲,鉆到3.5 m深孔底時(shí)的孔位偏差將達(dá)到16 cm,充分說明鉆桿彎曲,即飄孔危害的嚴(yán)重性。

        在對(duì)飄孔現(xiàn)象進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上,提出了以下工藝改進(jìn)與預(yù)防措施:在開孔和鉆進(jìn)過程中,鉆機(jī)要調(diào)整好架鉆氣腿的橫向位置和高度,即鉆機(jī)、氣腿與開孔點(diǎn)要與后視點(diǎn)在同一直線上,以保持鉆桿在孔軸線的位置鉆進(jìn)。同時(shí),還要注意控制推進(jìn)壓力不要太大,避免鉆桿出現(xiàn)向下或側(cè)向的彎曲。

        2.3 周邊孔裝藥工藝

        2.3.1裝藥參數(shù)控制與調(diào)整

        在周邊孔中,采取藥卷直徑小于炮孔直徑的不耦合裝藥方式,為爆轟沖擊波提供一定的緩沖空間,一定程度上衰減了作用到孔壁上的爆轟波,降低爆轟時(shí)孔壁上的峰值壓力,從而在炮孔內(nèi)形成準(zhǔn)靜壓狀態(tài),這是實(shí)現(xiàn)光面爆破的必要條件。通常采用的不耦合系數(shù)(孔徑/藥卷直徑)為1.1~3.0,以1.5~3.0居多。

        大華橋水電站地下廠房光面爆破孔按要求采用直徑為φ25的光爆藥卷,鉆孔直徑為42 mm,則不耦合系數(shù)為42/25=1.68。若沒有光爆藥卷,則將φ32的藥卷分4段后縱向剖開,這時(shí)的不耦合系數(shù)可以達(dá)到1.86,相對(duì)增大了不耦合系數(shù)。

        2.3.2周邊孔裝藥量及裝藥結(jié)構(gòu)

        周邊孔光面爆破裝藥參數(shù)主要是控制線密裝藥度,大華橋地下廠房開挖實(shí)際選用的線裝藥密度為110~130 g/m。但線裝藥密度只是裝藥量與裝藥長度的比值,相同的線裝藥密度在不同裝藥結(jié)構(gòu)下,其爆破效果是不同的。如果孔內(nèi)單個(gè)藥包藥量過大,爆轟能量過于集中,則會(huì)對(duì)孔壁圍巖造成有害的拉伸裂隙;而單個(gè)藥包的藥量過小,勢(shì)必增加加工難度,費(fèi)工費(fèi)時(shí),這就要求選擇一個(gè)較為合理的裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)。

        通過現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)調(diào)整改進(jìn),最終選定裝藥結(jié)構(gòu):孔底加強(qiáng)藥卷為1/2卷,每根光爆藥卷分為4節(jié),從中部剖切成2瓣(1/8卷,每節(jié)25 g),根據(jù)圍巖條件間隔20~25 cm,與導(dǎo)爆索均勻固定在竹片上,以保證藥卷在孔內(nèi)的位置均勻準(zhǔn)確,竹片靠近巖體一側(cè)放置,以增加對(duì)孔壁的保護(hù)。

        3 精益光面爆破的效果

        3.1 質(zhì)量控制

        (1)洞室開挖的周邊孔應(yīng)在斷面輪廓線上開孔,沿輪廓線的調(diào)整范圍的孔位偏差值應(yīng)≤2 cm,其他炮孔孔位的偏差不應(yīng)大于10 cm。DL/T 5099—2011《水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》中要求周邊孔孔位偏差不大于5 cm,但在實(shí)際操作中,如開孔就有5 cm偏差,按測(cè)定的后視點(diǎn)控制方向鉆到孔底位置將會(huì)與下排炮開孔位置產(chǎn)生10 cm的孔位偏差,前后排炮孔不能連續(xù)銜接;按2 cm控制開孔偏差,鉆到孔底偏差在4 cm左右,即不超過一個(gè)鉆頭直徑,孔位基本可以對(duì)接。

        (2)每一單元內(nèi),除因地質(zhì)原因造成的超挖外,其他平均超挖≤10 cm,不允許欠挖。DL/T 5099—2011中明確,對(duì)于平洞,平均徑向超挖不大于20 cm。而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作要求外插角按孔底超挖10 cm來控制,按理論計(jì)算平均超挖值應(yīng)為5 cm,考慮局部節(jié)理受爆破松動(dòng)掉塊(但不考慮不良地質(zhì)缺陷),一般是可以達(dá)到的。

        (3)在開挖輪廓面上,殘留炮孔痕跡應(yīng)均勻分布,炮孔首尾銜接,且基本在同一直線上,偏差值≤5 cm。炮孔在輪廓面上基本在斷面同一位置,沿洞室軸線方向呈一條直線連續(xù)延伸,總體實(shí)現(xiàn)一孔到底。偏差值≤5 cm時(shí),炮孔接茬處邊緣基本能夠?qū)?,偏差不是很明顯。

        (4)除地質(zhì)缺陷部位外,殘留炮孔痕跡保存率完整巖石應(yīng)大于85%,弱風(fēng)化巖石應(yīng)達(dá)到60%以上,強(qiáng)風(fēng)化巖石應(yīng)達(dá)到20%以上。DL/T 5099—2011中要求,對(duì)于完整巖石半孔率大于85%,只要合理調(diào)整裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)等技術(shù)參數(shù),基本可達(dá)到90%以上。

        (5)相鄰兩茬炮之間的臺(tái)階不得大于15 cm。DL/T 5099—2011中要求,相鄰兩茬炮之間的臺(tái)階或鉆孔最大偏斜值應(yīng)小于20 cm。在實(shí)際操作中,要求鉆孔孔底向斷面外偏斜10 cm,再考慮5 cm的操作偏差,一般15 cm應(yīng)該可以做到。

        (6)光面爆破應(yīng)無明顯爆破裂隙,孔壁的完整程度高??妆诘耐暾潭戎饕Q于裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)的不耦合系數(shù),在保證成型質(zhì)量的情況下,盡量采用大不耦合系數(shù)和多點(diǎn)小藥量的裝藥結(jié)構(gòu),以利于對(duì)爆轟沖擊波峰值的衰減,使孔壁受力均勻,減少對(duì)孔壁和保留巖體的擾動(dòng)。

        3.2 質(zhì)量效果

        開挖后由專業(yè)測(cè)量人員對(duì)開挖斷面超挖情況進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)成果見表1。從表1可知,通過對(duì)開挖工序進(jìn)行精細(xì)化的工藝質(zhì)量控制,2個(gè)作業(yè)面的平均超挖值僅6.2 cm,超挖值小于15 cm的測(cè)點(diǎn)占總檢測(cè)點(diǎn)數(shù)的97%,小于10 cm的測(cè)點(diǎn)比例也達(dá)到80%以上,而以往的開挖質(zhì)量控制水平一般都在20 cm左右。地下廠房、尾水調(diào)壓室和主變室一層頂拱開挖平均超挖值均控制在6~8 cm,大幅優(yōu)于施工規(guī)范推薦的“地下平洞開挖不宜大于20 cm”的技術(shù)要求??梢钥闯觯菩芯婀饷姹茖?duì)開挖質(zhì)量提升效果十分明顯,顯著提高了開挖成型質(zhì)量。

        4 結(jié) 語

        采用普通的爆破方法開挖隧道,超挖量可達(dá)到10%~15%;一般的光面爆破施工方法超挖量可降低到4%~7%。而精益光面爆破施工方法則可降低到2%~3%。按中型水電站工程100萬m3的石方暗挖工程量計(jì)算,可減少超挖量2萬m3以上,按360元/m3的混凝土成本價(jià),減少的超填混凝土費(fèi)用可達(dá)720萬元,在大幅降低工程投資的同時(shí),也有利于環(huán)境保護(hù)。

        表1 主體地下洞室頂拱平均超挖值檢測(cè)成果統(tǒng)計(jì)

        經(jīng)過優(yōu)化爆破參數(shù),提高了巖面成型平整度,降低了對(duì)圍巖的擾動(dòng)范圍,減少了爆破后附著的松動(dòng)巖塊,不僅對(duì)施工安全十分有利,而且減少了超噴混凝土量,既降低了成本,又提高了支護(hù)工作效率。按大華橋水電站地下廠房發(fā)電機(jī)層以上部位噴鋼纖維混凝土量計(jì)算,每減少1 cm超噴混凝土厚度,就可節(jié)省近15萬元。

        開挖質(zhì)量不僅體現(xiàn)作業(yè)人員工藝質(zhì)量控制水平,也反映出企業(yè)質(zhì)量管理的精細(xì)化程度。精益光面爆破技術(shù)的推廣應(yīng)用,必然會(huì)促進(jìn)各類地下巖石洞室開挖工藝水平的提升,也可為施工企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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