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        硬梁包水電站地下廠房頂拱開挖光面爆破試驗

        2022-07-26 00:51:36楊玉銀郝利軍楊仕杰李俊峰白軍平
        工程爆破 2022年3期
        關鍵詞:孔底光面裝藥

        楊玉銀,郝利軍,楊仕杰,李俊峰,白軍平

        (1.中國電建市政建設集團有限公司,天津 300384;2.中國水利水電第五工程局有限公司,成都 610066)

        地下廠房是地下引水式發(fā)電系統(tǒng)最重要的建筑物之一,具有工程規(guī)模大、開挖跨度大、邊墻支護高、建造難度高等特點。在主廠房的第一層開挖中,為了盡可能減少爆破對頂拱圍巖的擾動,主要采用光面爆破技術。對于不同巖性、不同硬度、不同類別的圍巖,周邊孔間距、周邊孔抵抗線、線裝藥密度等光面爆破參數(shù)也是不同的,合理的光面爆破參數(shù)必須通過爆破試驗來確定。因此,在硬梁包水電站主廠房中導洞頂拱保護層擴挖的開始階段,為了改進提高不盡人意的光爆效果,進行了一系列光面爆破試驗。

        1 工程概況

        硬梁包水電站地下廠房位于四川省瀘定縣加郡鄉(xiāng)桃子坪村,距瀘定縣城35 km。主副廠房及安裝間長196.9 m,最大高度67.15 m,巖壁吊車梁以上開挖寬度為27.2 m,以下寬度為24.4 m。地下廠房最小垂直埋深約360 m,最小水平埋深約630 m,區(qū)域巖性為元古代晉寧-澄江期閃長巖,巖體蝕變不發(fā)育,較完整,地下水不豐富,圍巖以Ⅲ類為主,經(jīng)檢測堅固系數(shù)f=5.6~6.3,以中硬巖為主。

        主廠房第一層開挖高度10.5 m,開挖次序如圖1所示。采用寬8.0 m、高7.0 m的城門洞形中導洞(Ⅰ部)先行貫通,頂部預留3.5 m厚頂拱保護層(Ⅱ部);待中導洞貫通后,采用光面爆破開挖Ⅱ部,隨后兩側跟進開挖Ⅲ1、Ⅲ2部至設計開挖斷面,兩側寬度分別為9.6 m。

        圖1 主廠房第一層開挖次序Fig.1 Excavation sequence of the first layer of the main powerhouse

        2 存在問題及改進思路

        本文研究對象為頂拱預留3.5 m厚保護層(Ⅱ部)的開挖。截止2020年7月1日,中導洞(Ⅰ部)開挖已經(jīng)結束;保護層(Ⅱ部)擴挖累計進尺22.3 m,開挖樁號:(廠橫)0-054.90~(廠橫)0-032.60。

        2.1 方案及施工情況

        從原爆破方案、現(xiàn)場鉆孔、裝藥、聯(lián)炮及爆后效果等方面進行了現(xiàn)場查驗。

        1)爆破方案。周邊光爆孔孔深2.8 m、孔距45 cm、周邊孔抵抗線35~40 cm、線裝藥密度80.36 g/m。

        2)鉆孔。從現(xiàn)場鉆孔及爆后效果看,鉆孔比較均勻,平均孔距45 cm左右,并且鉆孔平行度較好,相鄰兩茬炮之間的臺階小于20 cm,能達到規(guī)范[1]要求。

        3)裝藥??變炔捎弥衿П鹘壴獗幋???椎撞捎冒胫沪?5 mm乳化炸藥(75 g),正常裝藥段采用1/3只φ25 mm乳化炸藥(50 g)。

        4)聯(lián)炮方面。每個孔內光爆藥串均采用MS10非電毫秒雷管起爆。

        2.2 存在問題

        從已經(jīng)擴挖成形的22.3 m頂拱保護層(Ⅱ部)及隨后的兩茬炮來看,存在以下問題。

        1)半孔率低。頂拱開挖半孔率僅50%~55%,低于規(guī)范[1]要求的較完整和完整性差的巖石半孔率不小于60%。

        2)兩孔間平整度差。相鄰兩孔間巖面平整度很差,多存在明顯突起的欠挖,多處出現(xiàn)凸起較大部位,高出設計開挖線18~20 cm(見圖2)。

        3)半孔保留范圍大。從保留下來的半孔看,存在很多大半孔,孔的保留范圍多在120°以上(見圖2)。

        4)個別孔局部超挖。從孔壁情況看,局部半孔孔痕全無,存在明顯超挖現(xiàn)象。

        5)孔底出現(xiàn)殘孔。從爆破效果看,每茬炮后多個周邊孔孔底留有10~15 cm殘孔。

        2.3 原因分析

        從以上爆破方案、現(xiàn)場施工情況及爆后效果看,光爆效果差的原因主要有以下幾方面。

        1)周邊孔抵抗線偏小。由于巖石硬度不是很高,完整性、均質性一般,抵抗線35~40 cm偏小,將造成臨近的外圈崩落孔起爆后直接壓縮擠壓光爆層[2],壓縮破碎圈甚至于抵達設計開挖線,這將造成周邊孔的實際光爆層厚度過小,直接影響了周邊光爆孔起爆后的初始主作用力方向,即由初始的周邊孔間開裂變成直接沿抵抗線方向向洞內沖出。這既影響了半孔率,也影響了兩孔間平整度。

        2)周邊孔線裝藥密度偏低。主廠房圍巖屬中硬巖,根據(jù)規(guī)范[1]線裝藥密度應在200~300 g/m;根據(jù)文獻[3]線裝藥密度應在120~200 g/m。而原方案線裝藥密度僅80.36 g/m,明顯偏低,過小的線裝藥密度導致周邊光爆孔爆炸后,炸藥起爆能量無法順利擊穿兩孔間巖體,可能沿偏小的抵抗線方向沖出,這就造成了兩孔間的欠挖和很差的平整度;同時也造成了光爆孔保留半孔的范圍比較大,達120°以上。

        3)周邊光爆孔存在起爆時差。原方案中雖然周邊光爆孔內采用了光爆藥串,但每個孔起爆均采用了MS10非電毫秒雷管,延時時間是380±35 ms,從嚴格意義上講,周邊光爆孔并未實現(xiàn)同時起爆,兩個孔間的最大起爆時差可能達到70 ms,這對光爆效果的影響也比較大,是造成光爆效果不好的一個重要原因。

        4)光爆藥串綁扎不規(guī)范。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn),在綁扎光爆藥串時,每節(jié)炸藥僅綁扎一圈膠布,很不牢固,這可能造成在向孔內推進過程中炸藥松脫滑動,出現(xiàn)孔內有些該有炸藥的部位沒有炸藥,有些部位炸藥過于集中,從而出現(xiàn)個別孔局部超挖嚴重的現(xiàn)象。

        5)藥卷過短且綁扎工藝不細致。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn),正常裝藥段綁扎光爆藥串的藥卷由1只長25 cm、質量150 g的藥卷手工切割成3節(jié),每節(jié)長8.3 cm、質量50 g,在手工切割、綁扎過程中多擠壓變形,可能對炸藥的爆炸威力、能量造成一定損失,從而進一步降低線裝藥密度。

        6)孔底加強裝藥偏小。從偶爾出現(xiàn)的孔底10~15 cm殘孔看,原方案孔底采用半只φ25 mm乳化炸藥(75 g),加強裝藥偏小了。

        2.4 改進思路

        1)對鉆爆工人進行培訓教育。讓鉆爆工人了解光面爆破的設計方案,鉆孔、裝藥、聯(lián)炮要求及過程中應注意的要點。

        2)適當提高周邊孔抵抗線。對于中硬巖,周邊孔間距45 cm是比較合理的;周邊孔抵抗線35~40 cm對于完整性較好的堅硬巖也是可以的[4-6],但對于較完整的中硬巖就偏小了,初步可將周邊孔抵抗線增大到55~60 cm。

        3)適當提高周邊光爆孔線裝藥密度??蓪⒕€裝藥密度提高到100 g/m以上,具體應根據(jù)爆破試驗[1]確定。

        4)改變周邊光爆孔聯(lián)炮方式。不在孔內采用MS10非電毫秒雷管起爆光爆藥串導爆索,在孔外統(tǒng)一采用導爆索聯(lián)炮起爆孔內光爆藥串導爆索,以實現(xiàn)周邊光爆孔同時起爆。

        5)規(guī)范光爆藥串綁扎。教會鉆爆工人按設計要求細致綁扎光爆藥串,將竹片、導爆索、炸藥用膠布綁扎牢固,防止向孔內裝藥過程中發(fā)生炸藥松脫、移位現(xiàn)象。

        6)增大正常裝藥段單節(jié)炸藥質量。將正常裝藥段單節(jié)裝藥量由1/3只φ25 mm乳化炸藥調整為半只,每節(jié)炸藥長12.5 cm、質量75 g,并細致切割炸藥、認真規(guī)范綁扎藥串,防止藥串綁扎過程中炸藥嚴重變形。

        7)適當增大孔底加強裝藥。初步可將孔底加強裝藥由原方案的半只φ25 mm乳化炸藥(75 g),增大到一只φ25 mm乳化炸藥(150 g),以保證孔底光爆層順利脫落。

        3 光面爆破試驗

        3.1 試驗目的

        1)通過中導洞頂拱保護層開挖光面爆破試驗,解決當前光面爆破半孔率低、平整度差、個別孔超挖嚴重、孔底出現(xiàn)殘孔的問題。

        2)通過爆破試驗找到與地下廠房圍巖相匹配的光面爆破參數(shù),為后續(xù)的整個廠房開挖提供可供參考的光爆參數(shù)。

        3.2 爆破器材

        1)炸藥:主要選用四川省南部永生化工有限公司生產(chǎn)的2號巖石乳化炸藥:崩落孔采用φ32 mm藥卷、質量300 g、長33.34 cm;周邊光爆孔采用φ25 mm藥卷,質量150 g、長25 cm。

        2)導爆索:主要選用雅化集團綿陽實業(yè)有限公司生產(chǎn)的中能工業(yè)導爆索(普通導爆索)[7],外觀橙色,直徑5.0 ~5.4 mm,裝藥量12±1.5 g/m,爆速不小于6×103m/s。

        3)雷管:崩落孔內及孔外網(wǎng)路聯(lián)接主要選用MS1~MS9非電毫秒雷管;周邊光爆孔內及孔外網(wǎng)路聯(lián)接均采用導爆索,MS10非電毫秒雷管起爆;整個起爆網(wǎng)路采用8號普通工業(yè)電雷管。

        3.3 試驗條件

        1)鉆孔工具:選用最常用的YT28型手風鉆鉆孔,鉆孔直徑42 mm。

        2)鉆孔要求:頂拱周邊光爆孔鉆孔時,要求鉆機排氣口頂部緊貼頂部巖面向前推進,以減少平均徑向超挖值。

        3)鉆孔質量:要求盡可能減小鉆孔外偏角,提高鉆孔平行度。

        3.4 試驗方案

        根據(jù)對原爆破方案、鉆爆施工過程、爆破效果等存在的問題進行分析,以及確定的改進思路,對中導洞頂部的3.5 m厚頂拱保護層開挖,初步擬定了4個光面爆破試驗方案:具體試驗方案及參數(shù)如表1所示,各試驗方案裝藥結構如圖3所示,頂拱保護層擴挖炮孔布置如圖4所示。

        表1 光面爆破試驗方案

        圖3 光面爆破試驗裝藥結構 圖4 頂拱保護層擴挖炮孔布置Fig.3 Charging structures for the smooth blasting tests Fig.4 Blasthole arrangement for expanding excavation of the tunnel crown protection layer

        3.5 試驗結果及分析

        3.5.1 試驗結果

        試驗階段主廠房頂拱保護層擴挖光爆效果情況如表2所示。表中光面爆破的半孔率是炮孔殘留半孔數(shù)與周邊孔數(shù)之比的百分數(shù)[1]。

        表2 光面爆破試驗結果

        3.5.2 試驗結果分析及說明

        在主廠房中導洞頂拱保護層擴挖過程中,共進行了21茬炮的光面爆破試驗(見圖5)。方案1、方案2各試驗了3茬炮,但光爆效果均不理想;于是開始了方案3的試驗,方案3光爆效果比較理想,但循環(huán)進尺較短;接下來進行了方案4的試驗,具體情況說明如下。

        圖5 光面爆破試驗效果Fig.5 Smooth blasting testing effect

        1)方案1:通過3茬炮的試驗,發(fā)現(xiàn)光爆效果與原方案相比改進不大:兩孔間平整度差,多處局部明顯凸起;少量孔底仍有10~15 cm殘孔;大部分半孔仍保留了圖2所示大半孔(見圖5a)。

        2)方案2:在方案1的基礎上,增大了線裝藥密度,由107.14 g/m直接提高到160.71 g/m,這一改變有效提高了巖面平整度,孔底不再有殘孔,但半孔率明顯降低(見圖5b)。

        3)方案3:在方案2的基礎上,適當降低了線裝藥密度,由160.71 g/m降到133.93 g/m,這一變化取得了比較理想的光爆效果:半孔情況保留良好,半孔率提高到95.1%;相鄰兩孔間巖面平整度良好,孔底不再有殘孔(見圖5c)。

        4)方案4:在方案3基礎上,增大了單循環(huán)進尺,將單循環(huán)進尺由2.8 m提高到3.7 m,適當降低了線裝藥密度,由133.93 g/m降到121.62 g/m,這一變化仍然取得了良好的光爆效果,半孔率達95.4%,相鄰兩孔間巖面平整度良好,相鄰兩茬炮之間的臺階小于15 cm,滿足規(guī)范[1]要求(見圖5d)。

        3.6 方案選擇

        根據(jù)以上試驗結果及分析,方案3、方案4均為較合理的光面爆破參數(shù),可作為后續(xù)廠房開挖光面爆破施工的主要參數(shù)。

        4 結語

        1)要想取得良好的光面爆破效果,首先要加強對鉆爆工人的培訓,使之了解光面爆破方案,同時對鉆爆工人嚴格管理,保證鉆孔、裝藥、聯(lián)炮等作業(yè)工序嚴格按照爆破設計要求進行。

        2)在光爆效果不理想時,應根據(jù)圍巖硬度、完整性初步調整周邊孔間距、周邊孔抵抗線、線裝藥密度,并分析每茬炮光爆效果,及時調整參數(shù)。

        3)通過本次光面爆破試驗,有效提高了主廠房頂拱開挖的光面爆破半孔率,使廠房頂拱更加平整、規(guī)則,有效減小了爆破對頂拱圍巖的擾動、破壞。

        4)通過本次試驗,初步確定了與主廠房圍巖相適應的光面爆破參數(shù):周邊孔間距45 cm、周邊孔抵抗線55~60 cm、線裝藥密度120~135 g/m。

        5)通過爆破試驗,為后續(xù)采用光面爆破施工的主廠房頂拱開挖、側墻開挖以及巖錨梁開挖等初步奠定了基礎。

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