黎衛(wèi)超，趙 根，周先平，孫琪寧，杜少卿

(長(zhǎng)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)

為滿足防洪、排沙、擴(kuò)機(jī)、供水等工程要求，需修建聯(lián)通水庫(kù)或天然湖泊的水工隧洞。水工隧洞進(jìn)水口通常位于水下數(shù)十米，若選擇在深水中修筑圍堰貫通隧洞，不僅工程量大、防滲處理難、施工復(fù)雜，而且后期還面臨圍堰的爆破拆除等問題；若將水庫(kù)水位降低至進(jìn)水口以下貫通隧洞，則勢(shì)必會(huì)對(duì)水庫(kù)的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境、旅游等運(yùn)營(yíng)效益產(chǎn)生影響。在這種既無法修建圍堰又不能放空水庫(kù)或降低水位情況下，在隧洞進(jìn)水口預(yù)留一定厚度的巖體(即巖塞)作為洞內(nèi)施工臨時(shí)擋水結(jié)構(gòu)，待隧洞內(nèi)各項(xiàng)工作完成后，采用巖塞爆破技術(shù)即可爆除預(yù)留巖塞體，形成聯(lián)通水庫(kù)、湖泊的隧洞進(jìn)水口。

1971年7月完工的遼寧清河熱電廠211供水隧洞進(jìn)水口巖塞爆破是我國(guó)第一個(gè)水下巖塞爆破工程[1]，此后相關(guān)文獻(xiàn)記載并已成功實(shí)施的巖塞爆破工程有33個(gè)，其中采用鉆孔法爆破拆除的巖塞約占2/3[2-3]。除1979年實(shí)施的河南香山水庫(kù)水下巖塞爆破因巖塞直徑只有3.5 m被迫實(shí)施鉆孔法爆破外，上世紀(jì)70年代實(shí)施的巖塞爆破均以藥室法為主[4]。80年代實(shí)施的直徑6 m以下的巖塞爆破和90年代實(shí)施的直徑8 m以下的巖塞爆破均以鉆孔法為主。2000年后，除劉家峽洮河口排沙洞巖塞爆破[5]采用藥室法爆破外，不論巖塞直徑大小全部采用鉆孔法巖塞爆破技術(shù)，特別是2014年6月采用鉆孔法成功實(shí)施的長(zhǎng)甸電站改造工程發(fā)電進(jìn)水口巖塞爆破[6](巖塞直徑10 m)，標(biāo)志著鉆孔法巖塞爆破技術(shù)已達(dá)到了一個(gè)新高度，進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。

1 鉆孔法巖塞爆破及其特點(diǎn)

鉆孔法巖塞爆破是指在巖塞體內(nèi)布置較為密集的炮孔，各裝藥炮孔按一定順序起爆，將巖塞體范圍內(nèi)的巖石炸除，形成設(shè)計(jì)體型的隧洞進(jìn)水口。設(shè)計(jì)時(shí)通常在巖塞中心布置掏槽孔，周圍布置擴(kuò)大孔，巖塞周邊布置光面爆破孔或預(yù)裂孔。鉆孔法早期一般用于斷面較小的巖塞。例如，河南香山水庫(kù)、密云水庫(kù)等工程均采用這種爆破方式。隨著水下巖塞爆破技術(shù)的發(fā)展、鉆孔機(jī)械的改進(jìn)，鉆孔法近年來逐漸應(yīng)用于大直徑的水下巖塞爆破，如長(zhǎng)甸水電站改造工程進(jìn)水口巖塞爆破工程、遼寧某重點(diǎn)輸水工程進(jìn)水口巖塞爆破工程。典型的鉆孔法巖塞爆破工程實(shí)例如表1所示。

表1 鉆孔法巖塞爆破工程典型案例

與藥室法巖塞爆破相比，鉆孔法巖塞爆破具有以下優(yōu)點(diǎn)：施工安全性高，無大透水事故風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)施工人員心理壓力??；鉆孔過程中可進(jìn)一步探明巖塞體尺寸及地質(zhì)結(jié)構(gòu)；藥量分散，爆破塊度均勻；輪廓面質(zhì)量可控制、成型好；爆破單段藥量可調(diào)整，爆破振動(dòng)受控，對(duì)周圍建筑物影響小，特別是對(duì)進(jìn)水口輪廓面及邊坡穩(wěn)定性影響小。當(dāng)然，鉆孔法巖塞爆破也有一些不足之處。例如，對(duì)巖塞體水下地形、地質(zhì)勘察工作精度要求高；鉆孔質(zhì)量要求高、鉆孔數(shù)量多、鉆孔過程中有透水的風(fēng)險(xiǎn)；裝藥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，填塞質(zhì)量要求高；爆破網(wǎng)路較復(fù)雜，起爆網(wǎng)路保護(hù)要求高。

隨著施工人員素質(zhì)的提高，鉆孔設(shè)備性能的改進(jìn)，水下地形探測(cè)精度的提升，新型爆破器材的應(yīng)用，爆破施工工藝的優(yōu)化，以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求、網(wǎng)箱養(yǎng)殖的限制，人們法律意識(shí)的增強(qiáng)，采用鉆孔法拆除巖塞已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

2 中心致裂掏槽巖塞爆破設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)內(nèi)鉆孔法巖塞爆破的成功經(jīng)驗(yàn)，常用的中心掏槽法包括中心空孔掏槽法和中心集束掏槽法兩類。

1)中心空孔掏槽法。該方法與常規(guī)的隧洞開挖掏槽爆破類似，是在巖塞中心部位布置一個(gè)孔徑較大的空孔，圍繞空孔布置1圈或2圈間排距較小的掏槽孔。北京密云水庫(kù)(1)[7]、云南會(huì)澤水槽子電站[8]、北京密云水庫(kù)(2)[9]、貴州印江巖口[10]、貴陽(yáng)花溪水庫(kù)[11]和貴州塘寨電廠[12]的巖塞爆破均采用中心空孔掏槽法(見表1)。

2)中心集束掏槽法。有關(guān)文獻(xiàn)中也稱此方法為揭頂掏槽法，是指在巖塞中心及直徑0.5 m圓周上共布置若干個(gè)直徑較大的炮孔(通?？讖綖?00 mm)，在炮孔內(nèi)集中裝藥爆通巖塞，形成上下爆破漏斗。例如，河南新縣香山水庫(kù)、浙江臺(tái)州長(zhǎng)潭水庫(kù)[13]、溫州龍灣電廠[14]、溫州發(fā)電廠2/3期[15-16]、寧波皎口水庫(kù)[17]、浙江溫嶺湖漫水庫(kù)[18]巖塞爆破均采用中心集束掏槽法。

而中心大空孔出現(xiàn)透水時(shí)較難進(jìn)行處理，對(duì)于厚巖塞很難保證孔底集中裝藥的質(zhì)量，從而增加了施工難度及風(fēng)險(xiǎn)。隨著鉆孔設(shè)備性能的改進(jìn)，爆破施工工藝的優(yōu)化，新型爆破器材的應(yīng)用等，在對(duì)長(zhǎng)甸、桓集隧道、蘭州水源地等工程巖塞爆破設(shè)計(jì)、施工成果總結(jié)中，提出了一套“中心掏槽、圓周擴(kuò)展、輪廓成型”的鉆孔法水下巖塞爆破設(shè)計(jì)方法。

2.1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 中心致裂掏槽爆破參數(shù)

中心致裂掏槽法是一種在巖塞中心及直徑(4～5)D、(8～10)D的圓周上分別布置1個(gè)、4～6個(gè)、6～8個(gè)炮孔(通?？讖綖?0～100 mm)，中心孔裝藥，圍繞中心孔的第1圈孔為空孔，第2圈孔則為主掏槽孔，中心孔首先起爆，將中心孔與第1圈空孔之間的巖石炸裂、破碎，第二圈主掏槽孔再起爆，將2圈間的巖石炸碎，并將掏槽區(qū)的巖石向巖塞兩端拋擲，最終巖塞掏槽區(qū)實(shí)現(xiàn)貫通的方法。

該方法目前已經(jīng)在長(zhǎng)甸電站改造工程[19]、桓集隧道工程[20]及蘭州水源地工程的巖塞爆破中取得了成功應(yīng)用。

2.1.2 炸藥單耗

在炮孔布置合理的情況下，巖塞爆破效果主要取決于炸藥單耗，可參照水下爆破炸藥單耗修正公式[21]：

(1)

式中：q水為水下鉆孔爆破的炸藥單耗；q陸為相同介質(zhì)的陸地爆破炸藥單耗；H水為覆蓋層以上的水深；H覆為覆蓋層厚度；H梯為鉆孔爆破的梯段高度；kD為水下炸藥爆速降低系數(shù)，為實(shí)測(cè)炸藥水下爆速與陸地炸藥爆速之比。

由爆破各種巖石的單位炸藥消耗量表統(tǒng)計(jì)分析表明，陸地松動(dòng)爆破炸藥單耗與巖石堅(jiān)固性系數(shù)有很好的線性關(guān)系，計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下：

q陸=0.312+0.023f

(2)

式中：f為巖石堅(jiān)固系數(shù)(普氏系數(shù))，適用范圍f=2～25，回歸擬合優(yōu)度R2=0.95。

2.1.3 輪廓孔爆破參數(shù)

巖塞進(jìn)水口在巖塞爆破后一般不再進(jìn)行襯砌施工，故進(jìn)行巖塞爆破時(shí)要求進(jìn)水口成型好、壁面上半孔率高。在此過程中，輪廓開挖需采用預(yù)裂或光面爆破的方法。

陸地爆破時(shí)，預(yù)裂爆破和光面爆破的線裝藥密度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式公式分別為

q預(yù)=0.04[σ]0.5a0.6

(3)

q光=0.02[σ]0.6a

(4)

式中：q預(yù)、q光分別為預(yù)裂爆破、光面爆破的線裝藥密度；[σ]為巖石抗壓強(qiáng)度；a為預(yù)裂爆破或光面爆破的炮孔間距。適用范圍[σ]=20～250 MPa，回歸擬合優(yōu)度R2=0.81。

在巖塞周邊輪廓孔爆破設(shè)計(jì)中，按上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算預(yù)裂爆破、光面爆破線裝藥密度時(shí)，還需考慮水下炸藥爆速降低系數(shù)，其余爆破參數(shù)可按常規(guī)設(shè)計(jì)方法計(jì)算。

2.1.4 圓周擴(kuò)展孔

圓周擴(kuò)展孔為掏槽孔與周邊輪廓孔之間的炮孔。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)巖塞直徑大小布置若干圈炮孔，先按巖塞體積與炸藥單耗計(jì)算總裝藥量，除以平均每孔裝藥量，得到需布置炮孔數(shù)M1；再按常規(guī)隧洞開挖布置圓周擴(kuò)展孔的孔距、圈距(排距)，得到需布置炮孔數(shù)M2；最終通過適當(dāng)調(diào)整孔距、圈距，使M2與M1兩者基本一致。

2.2 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

巖塞爆破一般應(yīng)設(shè)計(jì)采用雙復(fù)式起爆網(wǎng)路，在電雷管不再使用的情況下，目前使用最多的是高精度導(dǎo)爆管雷管和電子雷管，可設(shè)計(jì)采用雙復(fù)式導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路、雙復(fù)式電子雷管起爆網(wǎng)路、復(fù)式導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路+復(fù)式電子雷管起爆網(wǎng)路等。起爆網(wǎng)路的延時(shí)時(shí)間間隔可根據(jù)爆破振動(dòng)控制要求進(jìn)行選擇。

起爆網(wǎng)路連接后，首先要經(jīng)受腳手架拆除過程中鋼管可能掛壞起爆網(wǎng)路的考驗(yàn)；其次，巖塞掌子面倒懸且滲漏水嚴(yán)重，要經(jīng)受滲漏水流對(duì)起爆網(wǎng)路的沖擊影響；最后，當(dāng)巖塞采用洞內(nèi)充水、充氣爆破方案時(shí)，還有經(jīng)受充水、補(bǔ)氣過程中產(chǎn)生的空氣紊流對(duì)起爆網(wǎng)路的擾動(dòng)影響。因此，在起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)時(shí)，除應(yīng)考慮起爆段間時(shí)差外，還應(yīng)充分考慮起爆網(wǎng)路的安全防護(hù)措施。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 長(zhǎng)甸電站改造工程進(jìn)水口巖塞爆破

3.1.1 工程概況

長(zhǎng)甸水電站改造工程進(jìn)水口巖塞位于水庫(kù)正常蓄水位以下63.3 m，巖塞中心軸線與水平夾角43°，巖塞厚度12.5 m，巖塞外口直徑14.6 m，巖塞內(nèi)口直徑10.0 m，擴(kuò)散角10°，巖塞厚徑比為1.25，巖塞體設(shè)計(jì)方量1 419 m3。集渣坑長(zhǎng)73.0 m，寬11.0 m，高13.0～31.9 m，體型規(guī)整。爆破時(shí)不下閘門，在閘門后側(cè)引水洞內(nèi)澆筑臨時(shí)混凝土堵頭進(jìn)行擋水，進(jìn)水口布置如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)甸水電站改造工程巖塞進(jìn)水口布置

3.1.2 爆破方案及參數(shù)

長(zhǎng)甸水電站改造工程進(jìn)水口巖塞采用“氣墊式”、集渣、“中心掏槽、圓周擴(kuò)展、光面成型”的鉆孔法爆破方案。

作為首個(gè)采用鉆孔法爆破的大直徑巖塞工程，為解決巖塞厚度大的問題，借鑒隧洞開挖中的“中導(dǎo)洞”爆破方法，將巖塞分為中導(dǎo)洞區(qū)、擴(kuò)大區(qū)、輪廓區(qū)3個(gè)區(qū)域，采用中心致裂掏槽爆破方式。設(shè)計(jì)時(shí)共布置9圈炮孔，其中：中導(dǎo)洞區(qū)布置5圈炮孔，計(jì)6個(gè)空孔和32個(gè)爆破(掏槽、輔助掏槽)孔；擴(kuò)大區(qū)布置3圈炮孔，計(jì)69個(gè)爆破孔；輪廓區(qū)布置1圈炮孔，計(jì)48個(gè)光爆孔，炮孔布置如圖2所示。

圖2 長(zhǎng)甸水電站改造工程巖塞爆破炮孔布置

炮孔鉆孔直徑均為90 mm，孔底抵抗線按1.5 m控制。中導(dǎo)洞區(qū)和擴(kuò)大區(qū)的爆破孔采用φ60 mm的乳化炸藥連續(xù)裝藥，輪廓區(qū)的光爆孔采用直徑φ32 mm的乳化炸藥裝藥，采用φ70 mm PE管預(yù)先加工藥包(筒)、單孔一次性安裝到位的工藝，總裝藥量2 839.8 kg。

3.1.3 起爆網(wǎng)路

本工程采用高精度導(dǎo)爆管雷管和電子數(shù)碼雷管復(fù)式起爆網(wǎng)路，高精度導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路的段(孔)間延時(shí)時(shí)間17 ms，排(圈)間延時(shí)時(shí)間100 ms，電子數(shù)碼雷管延時(shí)時(shí)間與高精度導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路延時(shí)時(shí)間一致，爆破孔2～3孔一段，光爆孔4孔一段，最大單段藥量為76.5 kg，高精度起爆網(wǎng)路如圖3所示。

圖3 長(zhǎng)甸水電站改造工程巖塞爆破高精度起爆網(wǎng)路

3.1.4 充水補(bǔ)氣

集渣坑充水自2014年6月11日19∶40開始，至6月16日5∶47結(jié)束，此時(shí)集渣坑水位高程46.95 m，閘門井水位高程56.69 m。巖塞掌子面“氣墊層”增壓補(bǔ)氣自16日5∶50開始，10∶00停止，此時(shí)集渣坑水位高程45.4 m，閘門井水位高程68.77 m。

3.1.5 爆破效果

2014年6月16日10∶26起爆，水面出現(xiàn)漂亮的鼓包(見圖4)，表明巖塞已順利貫通。隧洞、廠房、大壩等關(guān)鍵部位爆破振動(dòng)峰值均控制在安全允許范圍之內(nèi)，壩前及養(yǎng)殖區(qū)爆破水擊波峰值均低于安全允許值，達(dá)到了預(yù)期的爆通、控振及環(huán)保效果。經(jīng)水下檢查，進(jìn)水口形狀、尺寸與設(shè)計(jì)基本相符，進(jìn)水口洞外邊坡未發(fā)現(xiàn)垮塌，集渣坑內(nèi)爆渣體形符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖4 水庫(kù)水面“鼓包”現(xiàn)象

3.2 桓集隧道工程取水口巖塞爆破

3.2.1 工程概況

桓集隧道工程取水口巖塞位于水庫(kù)正常蓄水位以下45 m處，巖塞軸線傾角55°，巖塞外口直徑為14.02 m，內(nèi)口直徑為7.55 m，發(fā)散角15°，厚度11.8 m，巖塞厚度與直徑比為1.56，巖塞體方量1 163 m3。集渣坑底邊長(zhǎng)度為44.0 m，寬度為7.3 m，最大高度19.6 m，襯砌厚度0.8 m，為圓拱直墻型，直墻部分成洞高度為15.04～15.91 m，集渣坑容量約為3 800 m3。在集渣坑上方設(shè)置直徑為1.2 m，深度為53.1 m的通風(fēng)豎井。爆破時(shí)下閘門，在閘門后側(cè)引水洞內(nèi)澆筑臨時(shí)混凝土堵頭進(jìn)行擋水，進(jìn)水口布置如圖5所示。

圖5 桓集隧道工程巖塞取水口結(jié)構(gòu)布置

3.2.2 爆破方案及參數(shù)

桓集隧道工程取水口巖塞采用水墊層、集渣、“中心掏槽、圓周擴(kuò)展、光面成型”的鉆孔法爆破方案，共布置8圈炮孔，鉆孔直徑均為90 mm。其中，中心致裂掏槽爆破布置6個(gè)空孔、9個(gè)掏槽孔、10個(gè)輔助掏槽孔；49個(gè)主爆孔以及40個(gè)光爆孔，共計(jì)114個(gè)炮孔，炮孔布置如圖6所示。

圖6 桓集隧道工程巖塞爆破炮孔布置

3.2.3 裝藥、聯(lián)網(wǎng)與充水補(bǔ)氣

2018年9月22日開始裝藥，爆破孔、光爆孔分別采用φ60 mm、φ32 mm乳化炸藥，9月25日完成裝藥，總裝藥量2 112.2 kg。隨后進(jìn)行起爆網(wǎng)路連接，設(shè)計(jì)采用數(shù)碼電子雷管與高精度導(dǎo)爆管雷管復(fù)復(fù)式延時(shí)起爆網(wǎng)路，圈間延時(shí)100 ms，段間延時(shí)17 ms，9月26日完成起爆網(wǎng)路連接，開始進(jìn)行施工平臺(tái)的拆除。9月27日晚上開始進(jìn)行洞內(nèi)充水，9月30日11∶00洞內(nèi)充水水位達(dá)到設(shè)計(jì)要求(266.0 m高程)，此時(shí)水庫(kù)水位高程為318.0 m。

3.2.4 爆破效果

2018年9月30日11:28起爆，起爆后水庫(kù)水面無明顯反應(yīng)，半個(gè)小時(shí)后通風(fēng)豎井出現(xiàn)涌水。爆破振動(dòng)速度、水擊波壓力監(jiān)測(cè)值均小于安全控制標(biāo)準(zhǔn)值。爆破后，采用多波束聲吶儀對(duì)巖塞中心線兩側(cè)40 m以內(nèi)(總寬度80 m)，高程右岸邊坡水位以下至250 m高程(總高差約100 m)范圍內(nèi)的水下地形進(jìn)行測(cè)量，利用數(shù)據(jù)后處理軟件將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)、聲速深度梯度變化曲線、水位變化情況等整合得到待測(cè)區(qū)域的平面坐標(biāo)、河床底標(biāo)高等數(shù)據(jù)，剔除不符合水深的跳點(diǎn)后，繪制檢測(cè)區(qū)域水下三維地形圖，如圖7所示，進(jìn)水口洞口呈規(guī)則的圓形，直徑為16.0 m，與設(shè)計(jì)基本一致。通過ROV潛水器經(jīng)單波束聲納檢測(cè)，集渣坑堆積物的形態(tài)分布圖與設(shè)計(jì)預(yù)期一致(見圖8)。

圖7 巖塞爆破后進(jìn)水口形態(tài)

圖8 集渣坑堆積物的形態(tài)分布

4 結(jié)語(yǔ)

鉆孔法巖塞爆破技術(shù)以其突出的優(yōu)勢(shì)，越來越多的應(yīng)用于巖塞式進(jìn)/出水口工程。本文在綜合分析鉆孔法巖塞爆破工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出了一套“中心掏槽、圓周擴(kuò)展、輪廓成型”的新方法——中心致裂掏槽鉆孔巖塞爆破法，并給出了炸藥單耗、預(yù)裂與光面爆破線裝藥密度等關(guān)鍵爆破參數(shù)的計(jì)算公式。將該方法應(yīng)用與長(zhǎng)甸改造工程進(jìn)水口、桓集隧道工程取水口的兩個(gè)巖塞爆破工程實(shí)踐。根據(jù)爆破環(huán)境條件，既可進(jìn)行觀賞性極佳的水面“鼓包”式的巖塞爆破；也可通過消能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行水面波瀾不驚的“無感”巖塞爆破。研究成果對(duì)今后大直徑巖塞爆破設(shè)計(jì)與施工具有指導(dǎo)意義。